基于法國標準的舊路全深式就地冷再生修復設計方法研究

黃海峰 張 超 王力武 丁翹橋

(1.中國土木工程集團有限公司 北京 100038； 2.中交第一公路勘察設計研究院有限公司 西安 710075)

隨著經濟建設的發展，公路等交通行業需求也逐年提高，在不停新建高等級公路的同時，對既有道路改造升級、維修加固也刻不容緩。除去簡單的加鋪、罩面，在對既有瀝青道路進行養護、改擴建施工的同時，往往會產生大量的廢料。這些廢料以舊路瀝青材料及基層材料為主，對公路行業來說回收瀝青路面材料(RAP)、基層材料(RBP)的再生利用問題將是今后長期面臨的巨大挑戰。以水泥、乳化瀝青、泡沫瀝青等[1-3]為摻合料的就地冷再生技術在上世紀20年代初被引入國內，而后逐漸推廣開來。全深式就地冷再生技術[4-5]就是利用專門的冷再生設備，將既有老路面層、基層及部分底基層銑刨，加入水、水泥(乳化瀝青等)以及新集料進行翻拌，按照一定施工工藝重新碾壓成型后用作新建路面結構基層或底基層的工程技術。相比于其他瀝青穩定類再生技術(熱再生、溫再生等)，全深式就地冷再生技術均在常溫下進行，具有早期強度高、污染小、材料利用率高、工藝相對簡單、修復深度大等獨特優點[6]。關于RAP、RBP類材料再生后用作基層、底基層材料，在國內及歐美等地區已有廣泛研究[7-8]。

在非洲等經濟條件較為落后地區，公路建設水平較低，多數公路都缺乏有效養護，破損嚴重，不能滿足非洲經濟發展的需要，亟須對既有老路進行升級改造，這也為中國企業進軍非洲提供了良好的契機。

本文以西非地區科特迪瓦西部公路改造工程達洛亞-迪埃奎段為依托，對基于法國標準下的既有道路全深式冷再生修復設計思路進行探討，結合室內及現場試驗，為我國企業在非洲全深式水泥穩定就地冷再生技術的推廣及同類工程應用提供借鑒。

1 項目概況

科特迪瓦西部公路改造項目達洛亞-迪埃奎段路線全長102.124 km，道路建于20世紀七八十年代，雖然后期局部路段進行過多次維修加固，但是現有道路的破壞狀況已經不滿足交通需求及行車安全性要求。全線公路路面均存在不同程度的裂縫，路面裂縫主要以網狀裂縫為主，局部路段路面存在破損和車轍、硬路肩完全損毀及路基邊坡溜坍等病害。部分路段受病害影響或雨天泥濘，安全行車速度不足30 km/h，全線道路亟須維修改造，依托工程擬采用的全深式就地冷再生修復技術是中國企業在該區域實施的第一例冷再生項目。

2 老路狀況調查

2.1 路面病害調查

根據1991年12月法國路橋中心實驗室(LCPC)發布的VIZIR方法，匯總既有老路路面破損情況記錄，見表1。

表1 老路路面病害調查結果匯總表

達洛亞-迪埃奎段既有老路主要病害以網裂、車轍及坑洼為主，整體處于嚴重破損狀態。

2.2 路面彎沉檢測

在法國標準中，彎沉檢測結果不僅是評估既有路面結構的疲勞狀態的重要依據，也為后期采用Alizé-Lcpc軟件進行路面結構設計計算、制定養護或加固方案提供重要參數。LCPC制定的《熱帶國家柔性路面加固指南》[9]中推薦采用整條道路或整個單元路段上計算出的特征彎沉值D90作為后期道路加固設計的重要依據，其根據彎沉值的大小將路表彎沉分類，結果見表2。

表2 基于法國標準的路表彎沉值分類

本次彎沉檢測依據法國標準采用貝克曼梁和雙輪后軸負載130 kN的卡車進行，測量步距為50 m，檢測結果見表3。

表3 現狀道路路表彎沉檢測結果表

由表3可知，依托工程達洛亞-迪埃奎段路表彎沉分類以D1、D2、D3類為主，其中D1類路面占比約為30%、D2類路面占比約為60%、D3類路面占比約為10%。

2.3 路面加固方案選擇

LCPC發布的加固指南中通過交叉表面指數值Is及特征彎沉值D90將路面質量等級分為Q1～Q9類，其中Q1～Q3類路面加固推薦以日常巡查、路面局部修復為主的養護方案；Q4～Q6類路面推薦以加強常規養護頻率，局部修復(可能涉及整個路面結構)為主；Q7～Q9類路面加固則直接推薦為對整個路面進行修復。依據上述分類及調查結果，推薦維修方案見表4。

表4 依托工程根據路段質量等級推薦的修護類型

3 基于Alizé-Lcpc軟件的冷再生修復方案設計

由于工期緊、任務重，采用加鋪罩面的方式修復既有道路使用年限達不到業主要求，全線采用挖除新建的方式，成本較高、污染大且工期不能滿足，綜合考慮在滿足業主工期及使用年限要求的基礎上，根據老路狀況調查結果，制定出對老路進行全深式就地冷再生的加固設計方案，將既有老路的面層、基層及部分底基層通過冷再生處理后改做新建道路底基層使用,采用Alizé-Lcpc軟件對老路冷再生過程的關鍵技術參數諸如再生層深度，控制指標等進行探討。

3.1 Alizé-Lcpc軟件簡介

Alizé-Lcpc是用于路面結構力學分析和設計的專業軟件，由IFSTTAR(法國交通、發展和網絡科學技術研究所)材料和結構部開發。其應用領域包括道路路面、港口區或物流平臺等特殊路面和機場路面。在考慮到累計交通量的情況下，它提供了一種多層彈性線性模型用于計算道路的彈性應力和應變，也可以通過彎沉等數值反算現狀路面結構的剩余強度。基于Alizé-Lcpc軟件的冷再生設計方案將按照交通量預測、現狀路面結構建模擬，及新建路面結構計算等順序開展。

3.2 新建路面結構容許應力、應變計算

我國路面設計以雙輪組單軸載100 kN作為標準軸載，與中國標準不同，法國標準中以雙輪組單軸載130 kN作為標準軸載作為路面結構設計、交通量劃分，以及后期道路各結構層彎沉檢測依據。通過現場觀察及指南中推薦方法，對依托工程重載交通量預測(20年)、相應交通量等級及CAM取值見表5。

表5 依托工程交通量劃分及對應彎沉等級表

基于上述調查結果，制定出瀝青混凝土(BB)+瀝青碎石(GB)+水泥就地冷再生材料(MRC)+基礎的路面維修加固方案，冷再生層作為新建道路底基層使用。法國國家實驗室新路面的設計和計算手冊及相應標準NF P 98-086中路面結構容許應力、應變計算方法如式(1)～(3)，計算結果見表6。

瀝青類材料容許應變

(1)

水穩類材料容許應力

(2)

路基垂直應變

εz,ad=0.012×(NE)-0.222

(3)

式中：ε6為對應于106個加載循環的應變水平；NE為通過累計交通量和侵蝕系數CAM計算出的等量標準軸數；E(10 ℃)為10 ℃下材料模量，MPa；E(θeq)為θeq℃下材料模量，MPa；b為材料疲勞曲線的斜率；kc為設定系數；kr為風險系數；kd為不連續系數；ks為路基系數。

表6 路面各層的容許應力和應變

3.3 現狀路面結構計算

現狀路面建模的目的是通過Alizé軟件的反向計算確定現有路面各層的剩余強度。在依據彎沉檢測結果進行反向計算之前，需要對現狀路面結構中的基層、底基層及路基模量之間的關系做出假定，根據規范及當地經驗，本次計算中假定基層模量與底基層模量、底基層模量與路基模量之間均為2倍關系。計算剩余模量所采用的老路路面結構為5 cm瀝青混凝土(面層)+16 cm機軋碎石(基層)+24 cm精選紅土粒料(底基層)+路基。

對D1、D2、D3 3種等級路面結構剩余模量分別進行反算，結果見表7。

表7 舊路路面結構剩余模量反算結果

3.4 新建路面結構設計

依據法國標準及當地公路建設經驗，本次全深式就地冷再生修復段落新建路面結構層中面層、基層分別定為5 cm瀝青混凝土、8 cm瀝青碎石。下文將基于3.2節中的各路面結構層容許應力、應變，以及3.3節中反算出的現狀道路底基層及路基模量，借助Alizé軟件進行試算以確定合理的冷再生層厚度。

表8即為不同彎沉等級下新建路面結構試算結果。

表8 不同等級下新建路面結構層試算結果

由圖8可見，當冷再生層厚度分別為18,20,23 cm時即可滿足結構層容許應力、應變的要求。結合表3各彎沉等級路面的里程長度及占比可以看出，雖然全線83%路段彎沉等級處于D1和D2區間，處于D3彎沉等級區間的路段僅占17%，但是由于各區間路段長度較短且不連續，且多為路面已經破壞后期填補的路段。從施工中不同彎沉區間的工藝銜接及工程質量管控的角度出發，對全線采用彎沉等級D3的標準進行加固控制，且出于安全考慮將冷再生層厚度定為25 cm。通過全深式水泥就地冷再生技術將老路的瀝青混凝土面層、級配碎石基層及部分紅土粒料底基層采用冷再生機破碎、拌和均勻后，添加適量水、水泥壓實后作為新建路面結構底基層使用。新建路面結構為5 cm瀝青混凝土面層+8 cm瀝青碎石基層+25 cm水泥就地冷再生底基層，新老路面結構對比見圖1。

圖1 新老路面結構對比圖

4 冷再生層配合比設計

在通過理論計算給出合理的全深式老路冷再生修復深度的基礎上，本節將就依托工程冷再生施工工程中所遇到的冷再生層水泥摻量、再生料級配、是否需要新加骨料等關鍵問題進行探討。參照西非地區高等級公路中基層、底基層相關工程案例，結合依托工程CCTP技術文件，本次冷再生混合料配合比設計相關控制指標見表9。

表9 對冷再生底基層材料要求 %

4.1 冷再生層級配

根據需要選用0.08～50 mm的一組標準方孔套篩分別對冷再生混合料進行篩分試驗，考慮到材料組成離散性的影響，為保證試驗結果能夠真實地反映材料特性，在室內試驗過程中分別從混合料中隨機抽取了8份樣品進行篩分試驗，每次都按規定的方法從料堆的不同部位均勻取樣，再按四分法縮分至一次試驗所需質量。表10即為冷再生混合料原樣篩分結果,冷再生混合料級配曲線。

表10 冷再生混合料篩分試驗結果

圖2 冷再生混合料級配曲線

通過將圖2與《熱帶國家道路尺寸手冊》[10](1984版)中路面結構中底基層材料級配上、下限比較可以發現，冷再生混合料中細粒含量偏少，級配組成接近于手冊中的級配下限，整體表現為粗粒料偏多，細粒料偏少。總體而言，能夠滿足手冊中級配的相關要求，可以認為依托工程中冷再生混合料中不需要添加新骨料。

4.2 水泥摻量選擇

法國標準規范對公路填料的強度控制標準主要體現在壓實度、承載比CBR等指標，基于法國標準的CBR試驗標準，對既有冷再生混合料開展水泥摻量試驗，試驗結果見表11。

表11 冷再生混合料不同水泥摻量CBR試驗 %

由表9中對路面底基層材料要求可知，依托工程冷再生混合料CBR值隨著無機結合料的加入量增加而增大，天然狀態下加入水泥時，對混合料的CBR值影響更加明顯，隨著無機結合料摻量繼續增加，CBR值增幅減小。冷再生混合料在1%水泥摻量時即可滿足路面結構底基層材料的要求，出于安全原因考慮，最終選擇2%水泥摻量作為本項目就地冷再生施工配合比。

5 結語

以西非地區舊路修復工程為依托，從老路狀況調查、冷再生方案設計、冷再生混合料相關室內試驗等角度出發，對基于法國標準的老路全深式就地冷再生設計思路進行探討，得出如下結論。

1) 對于既有舊路修復，當新建路面結構選取5 cm瀝青混凝土(面層)+8 cm瀝青碎石(基層)+25 cm水泥冷再生層(底基層)+路基時，能夠滿足相關控制指標要求。

2) 在對老路進行病害調查、彎沉檢測的基礎上，修復方案中對老路路表彎沉的合理分類及冷再生層的厚度選擇是設計的關鍵，需要重點論證。法國標準的路面結構計算理論及相關試驗方法與中國標準有一定區別，但是原理基本相同，在對相關經驗參數取值深入研究的基層上，能夠較快地適應法國標準設計需求。

3) 從冷再生混合料的級配及水泥摻量選擇可知，本次依托工程全深式冷再生修復對既有老路的廢料利用率基本達到100%，在不添加新骨料的情況下，摻2%水泥處置后，CBR數值能夠達到設計要求，這也從側面說明了冷再生工藝在舊路修復項目中的優越性。