國道路面改造設計方案優化分析

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摘要:隨著交通量的劇增，水泥混凝土路面會出現各種病害，為了改善交通，提升景觀和行車品質，勢必對舊水泥路面進行改造。通過某地區國省道路面改造的設計方案對比分析，詳細介紹了微裂均質化處治再生技術原理及施工工藝，結果表明微裂均質化處治再生技術在“白改黑”項目中值得推廣。

關鍵詞:“白改黑”；瀝青路面；改造工程；微裂均質化

1“白改黑”概述

“白改黑”是把原來的水泥混凝土路面(灰白色)改建為瀝青混凝土路面(黑色)，達到環保、防塵、降噪和提升行車舒適性的效果。相對于原先的混凝土路面，“白改黑”后的道路路面與輪胎之間附著力增強，車輛在處理緊急事件中制動性能大大提高，行駛起來更加安全、平穩；車輛行駛過程中產生的噪音將大幅度下降，為降低城市噪音起到了重要作用。結合某國道路面改造工程其中K350+900～K351+900段的病害調查，對比分析“白改黑”技術方案。

2工程概述

2.1工程概況。項目路面改造工程中K350+900～K351+900段既有道路為水泥混凝土路面，既有路面面層厚度為24cm，整體式路基全寬12.0m，斷面布設為2.5m（左硬路肩）+2×3.50m（行車道）+2.5m（右硬路肩），路肩硬化。路面設計進行加鋪瀝青路面改造，沿線檢查井、雨水口加固處理，與項目沿線交叉村道接順處理。2.2舊路面調查及評價。路面破損狀況調查采用現場人工調查繪制破損情況平面圖（見圖1）。結合落錘式彎沉車對路段進行逐板彎沉檢測，對全線路面進行路面彎沉檢測并出具彎沉檢測報告（見圖2）。道路路面典型病害為裂縫、輕度破碎板、板角斷裂（見圖3）。從現場看，上行行車道病害最為嚴重，裂縫類病害為最主要病害，部分水泥裂縫病害相當嚴重，特別是混凝土板縱向裂縫連續出現，裂縫長度＞20m。根據《公路水泥混凝土路面設計技術規范》（JTGD40—2011）規定，舊水泥混凝土路面破損狀況等級采用斷板率和平均錯臺量兩項指標進行分級（見表1）。改造路面段斷板率為7.5%，平均錯臺量3.4mm，既有路面破損狀況等級為中（5%＜斷板率＜10%，3%＜平均錯臺率＜7%）[1-2]。2.3舊路面病害分析。結合該段路面調查情況，通過雷達及取芯抽樣檢測水泥路面內部缺陷，查驗路段結構層形式、狀態及有效厚度。發現部分路段接縫料損壞、脫落，地表水通過水泥混凝土路面的橫縫、縱縫滲入到路面結構層中，在交通荷載的重復作用下，基層易產生塑性變形累積而出現空隙，地面水沿接縫或裂縫下滲，積聚到空隙內，在車輪荷載作用下變成有壓水，將基層內浸濕的細料沖刷出來，形成唧泥，引起板角的脫空，從而改變了路面板基層的均勻支撐狀態，在車輛荷載的作用下形成斷裂。斷裂裂縫沒及時處治，在荷載作用下則慢慢形成破碎板、沉陷等病害[3]。

3微裂均質處治技術原理及方案

3.1微裂均質處治技術原理。微裂均質處治技術應用應力釋放原理，采用新型微裂處治設備及工藝，使處治后水泥混凝土面板表面裂而不碎，無松散破碎顆粒，結構內部斜向開裂，在各個方向上形成均勻分布的細小裂縫，分散應力，嵌鎖力強，達到克服反射應力的效果。再結合使用地聚合物注漿加固技術實現病害區域精準處治，處治完成后的舊水泥混凝土路面強度損失減小，承載能力增強，可作為性能良好的基層使用。3.2處治方案。施工工藝：微裂再生+地聚合物注漿加固+路表缺陷修復+換板處治+加鋪面層。（1）微裂處治。調查現場路況，路況等級見表1。對路段進行劃分，針對不同路況對路面進行個性化全幅路面微裂再生，微裂結束后效果見圖4。將表面碎屑清掃干凈，開放交通，通車碾壓至板塊穩定。（2）對局部承載力不足、彎沉差較大位置采用地聚合物注漿加固補強。其中，地聚合物注漿材料特點如下：①超高流動性與滲透性。通過填充、滲透和擠密可使地聚合物注漿材料進入微細空隙中，修復道路路基、基層、路面病害和補強路面結構整體強度。②激活基層或路基填土中的惰性材料。通過堿激發劑激活基層或路基填土中的惰性二氧化硅和氧化鋁，與路基、基層中的礦物活性成分進行聚合反應，使地聚合物注漿材料與基層或土壤形成結石體，提高道路的承載能力。③抗水沖刷能力強。地聚合物注漿材料反應后結構致密，不收縮，抗水沖刷能力強。地聚合物注漿的簡要施工工藝流程：施工準備→布孔鉆孔→制漿→注漿與封孔清洗保潔→開放交通。地聚合物注漿材料具體控制指標見表2所示[4]。（3）針對水泥板塊裂縫較寬、崩邊較寬（寬度＞3cm、深度＞5cm）或坑槽較大（直徑＞20cm、深度＞5cm）的路表缺陷，通過清理縫砂，采用快凝混凝土進行修復（見圖5），提高破碎板的厚度均質化，改善缺陷位置四周荷載傳荷能力，防止加鋪后形成反射裂縫。（4）換板處治。對于微裂均質化處治后的水泥板塊，經多次注漿加固不能滿足設計要求或仍存在小板塊活動、翻漿、破碎板等情況，需采取換板處治。如舊路路床存在濕軟、沉陷病害，可將路床濕軟部分填料挖除，將挖除的舊水泥混凝土面板破碎后回填，采用強夯機夯實，再將挖除的水泥穩定碎石填料回填，并用強夯機進行夯實。回填密實效果以夯沉量進行質量控制。（5）舊路綜合處治滿足質量要求后，加鋪面層。

4設計方案對比分析

4.1路面設計計算。根據龍巖市公路局提供的連續觀測站交通量年度統計報表，設計使用年限為12年，年平均增長率取10%。結合現場實際情況，方向系數取0.55，初始年設計車道日平均當量軸次2001輛/d，根據瀝青規范規定[5]，項目為改建設計項目，應采用水平一確定車道系數、車輛類型分布系數，根據規范[4]確定該設計公路為TTC2類，再根據公式：Ne=（1+γ）t-!"1×365γN1（1）式中：Ne為設計使用年限內設計車道上的當量設計軸載累計作用次數，次；t為設計使用年限，a，γ為設計使用年限內交通量的年平均增長率，N1為初始年設計車道日平均當量軸次，（輛/d）。計算得出的軸載累計作用次數為1.5619×107次，交通等級屬于重交通。通過HPDS2017公路路面設計程序系統得到原路面當量回彈模量875MPa[2,5]。采用路面結構設計程序計算加鋪瀝青面層厚度。設計軸載為100kN，地區公路自然區劃為Ⅳ，面層最大溫度梯度為89℃/m，混凝土線膨脹系數為10×10-6/℃，舊混凝土面層厚度為24cm，舊混凝土面層板長度為5.0m，舊混凝土彎拉強度為4.0MPa，舊混凝土彈性模量為29000MPa，舊混凝土材料疲勞指數為0.057，舊面層接縫應力折減系數為0.89，舊基層頂面當量回彈模量為120MPa。根據計算，得出計算結果見表3。4.2設計方案。既有路面裂縫較多，為減緩反射裂縫，綜合權衡各方面因素并根據經驗，原設計方案（見圖6）為綜合處理合格后既有面層（既有面層修復結構圖見圖7）機械繞刨舊水泥混凝土路面并打毛清洗+2.0cmSTRATA應力吸收層+0.5kg/m2改性乳化瀝青黏層+8cm厚AC-20C型中粒式SBS改性瀝青混凝土+0.5kg/m2改性乳化瀝青黏層+4cm厚AC-13C細粒式SBS改性瀝青混凝土面層。優化設計方案采用微裂均質處治技術補強后路面整體承載力損失小，能有效防止反射裂縫，可作為新基層。路面結構為既有混凝土路面微裂均質化處治后+水泥混凝土路面板拉毛+1cm橡膠瀝青碎石封層+0.5kg/m2改性乳化瀝青黏層+6cm厚AC-20C型中粒式SBS改性瀝青混凝土+0.5kg/m2改性乳化瀝青黏層+4cm厚AC-13C細粒式SBS改性瀝青混凝土面層（見圖8）。4.3設計對比。（1）技術對比分析。“白改黑”原方案為道路狀況不良段挖除重建后，對舊水泥路面裂縫、接縫位置進行灌縫處治，再加鋪應力吸收層及瀝青面層，是一種剛柔復合式路面。水泥混凝土板具有強度高、剛度大、溫度敏感性小，材料模量相對比較穩定，屬脆性材料。而瀝青面層材料模量小，溫度敏感性大，材料模量隨溫度變化，呈現明顯的黏彈-塑性。兩種材料模量差異較大，在車輛荷載及溫度應力作用下，易出現反射裂縫，需對舊水泥混凝土面板進行預防反射裂縫處理后，再加鋪瀝青面層，但是此處理也只能延緩反射裂縫出現的時間或年限，不能從根本上解決問題。優化方案對舊水泥混凝土面板進行微裂均質化處治，可克服加鋪層反射裂縫，對舊路面病害處治較全面，無需對老路進行大填大挖，處理后可直接做基層，避免材料的浪費，施工周期較短，施工粉塵少，較環保。（2）經濟對比分析見表4，表5。由以上結果可知：K350+900～K351+900段舊水泥混凝土路面“白改黑”段項目，從造價上看原設計方案比新優化方案造價約高6.9萬元，并且由于新設計方案對舊路處治更為全面，且減薄了2cm下面層厚度，施工基本無粉塵，施工振動影響小，綠色環保，同時施工交通影響小（微裂施工后可立即開放交通，地聚合物注漿施6h后可開放交通），可節省臨時保通設施工程費，且微裂均質化施工設備為國產化設備，可根據施工組織需求隨時增加設備、人員投入，施工工期有保證。原設計方案中挖除重建方案對施工和交通組織要求較高，且施工過程中產生白色污染，施工周期長，全壽命周期經濟性一般。

5結語

通過對國道“白改黑”微裂均質化技術的設計方案，在技術特點、經濟性等與原方案方面進行對比分析。結果表明，微裂均質化技術可充分利用舊水泥路面殘余強度，防止反射裂縫處治較徹底，可不加鋪補強層，且道路使用壽命長，既有路面標高受限影響小，相對于其他處治方案，優勢明顯。微裂均質化處治方案值得推廣。

參考文獻

[1]公路水泥混凝土路面設計規范：JTGD40—2011[S].北京：人民交通出版社，2011.

[2]公路瀝青路面設計規范：JTGD50—2006[S].北京：人民交通出版社，2006.

[3]公路瀝青路面施工技術規范：JTGF40—2004.[S].北京：人民交通出版社，2004.

[4]王都興.舊水泥混凝土路面微裂均質化處治與加鋪技術[D].西安：長安大學，2019.

[5]公路瀝青路面設計規范：JTGD50—2017.[S].北京：人民交通出版社，2017.

作者:吳蕊 單位:龍巖交通建設集團有限公司