水泥混凝土路面加铺沥青层技术

交通运输部科学研究院道路结构与材料研究中心陈景2012年3月水泥混凝土路面加铺

沥青层技术研究主要内容

一、概述

二、国内外研究现状

四、加铺设计过程

五、加铺层结构设计方法

六、工程案例

三、技术关键公路总里程高速公路总里程一、概述2010年底，有铺装路面191.80万公里，其中沥青混凝土路面54.25万公里，水泥混凝土路面达137.55万公里。路面维修养护工程量逐步增大养护技术需要进一步创新修复工作机械化程度低快通早强材料预防性养护措施缺失加铺时机的选择十二五目标国省干线公路路面铺装率达到95%以上，总体技术状况MQI达到80以上；高速公路平均路面使用性能指数PQI大于90，国省干线公路（高速公路除外）平均PQI大于80，且PQI值小于70的比重下降至12%以内积极推进绿色养护，推广水泥路面就地利用加强水泥路面养护新技术和新材料研发路面耐久性不足早期损坏：开裂、断板、错台、沉陷等原因路面结构与材料耐久性不足施工与养护质量控制不佳水泥混凝土路面养护技术1.传统养护技术：路面快速修补局部挖除加铺罩面2.水泥混凝土路面再生利用技术破碎稳压通行能力显著下降平整度降低行车舒适性降低行车噪声增大

为了满足交通运输日益发展的需要，提高道路服务水平，对旧水泥混凝土路面进行加铺改造已经成为我国公路建设面临的一项迫切任务!加铺水泥混凝土面层

水泥混凝土路面加铺改造方式加铺沥青混凝土面层行车舒适、施工方便、快速开放交通，又能够充分利用旧水泥混凝土路面的强度沥青加加铺层层与水水泥混混凝土土层作作为两两种不不同的的材料料和结结构层层组合合在一一起时时，由由于模模量的的不同同，在在受到到荷载载及温温度应应力作作用时时，两两种材材料将将会产产生不不同的的应力力——应变状状态，，因此此，在在其界界面会会产生生应变变差和和应力力差，，如果果结构构及材材料设设计不不合理理—层间粘粘结失失效，，加铺铺层脱落落。σ1，ε1σ1，ε1σ2，ε2σ2，ε2脱落严严重στ反射射裂裂缝缝目前，，我国国现行行的规规范明明确规规定要要针对对路面面检查查评定定结果果确定定养护护对策策，安安排大大、中中修或或专项项工程程，对对整个个路段段路面面平整整度、、抗滑滑能力力不足足的，，可采采取罩罩面，，铺筑筑加铺铺层，，以恢恢复其其表面面功能能。规范增增加了了旧水水泥混混凝土土路面面加铺铺沥青青层这这一设设计内内容，，但没没有较较为成成熟的的理论论分析析及设设计方方法，，主要要是充充分吸吸收国国外经经验，，参照照国外外相关关研究究成果果，结结合我我国交交通荷荷载情情况，，以经经验法法设计计为主主。二、国国内外外研究究概况况近几十十年来来国外外发达达国家家如西西班牙牙、美美国、、法国国、加加拿大大、澳澳大利利亚、、日本本等国国家先先后进进行了了复合合式路路面技技术的的开发发与应应用研研究，，已分分别铺铺筑了了实验验路与与实体体工程程。河南开开封至至洛阳阳段高高速、、尉氏氏至许许昌高高速、、京珠珠高速速长沙沙至湘湘潭段段，，广西西桂林林至南南宁高高速、、黄沙沙河至至灵川川段旧旧水泥泥混凝凝土路路面改改造中中均采采用了了复合合式结结构型型式。。复合式路面研究应用

橡胶沥青复合式路面橡胶沥沥青复复合式式路面面，最最早始始于20世纪40年代的的美国国，经经研究究发现现，在在道路路工程程中应应用这这种材材料后后，沥沥青路路面的的抗滑滑性能能、抗抗磨损损性能能、疲疲劳性性能和和抗车车辙性性能有有了一一定的的提高高，如如果是是同样样的道道路设设计寿寿命年年限，，橡胶胶沥青青路面面厚度度至少少可减减薄1/2，可节节约大大量的的建设设费用用，同同时还还可缩缩短施施工工工期。。美国在在室内内试验验研究究和试试验路路研究究的基基础上上，建建立了了一系系列的的橡胶胶沥青青混合合料性性能指指标，，以及及相应应的试试验评评价方方法，，积累累了大大量的的成功功经验验。橡胶沥青复合式路面我国对对橡胶胶沥青青复合合式路路面的的应用用研究究，主主要集集中在在橡胶胶改性性沥青青的加加工工工艺、、橡胶胶改性性沥青青性能能评价价指标标和标标准、、橡胶胶沥青青混合合料设设计方方法以以及施施工工工艺这这些方方面。。胶粉（（40目）200～220℃190～210℃45分钟

超薄橡胶沥青磨耗层减薄加铺层厚度水泥混凝土路面橡胶沥青磨耗层加入橡胶（高弹性）与我国国构建建资源源节约约环境境友好好型社社会及及畅通通平安安出行行环境境方针针政策策相一一致节省表表面优优质材材料显著提提高疲疲劳耐耐久能能力保证路路面结结构承承载能能力世界不不同国国家和和地区区都积积极开开展了了复合合式路路面的的应用用研究究，从从国内内外的的工程程实践践应用用研究究来看看，成成功与与失败败各占占一半半。主主要原原因是是结构构组合合及材材料设设计不不合理理、施施工工工艺问问题。。研究现状分析无材料料选择择依据据无标准准规范范无成熟熟设计计方法法三无1、旧水水泥混混凝土土路面面状况况检测测及评评价２、加加铺前前旧水水泥混混凝土土路面面病害害处治治３、水水泥路路面和和沥青青路面面层间间结合合４、防防治旧旧水泥泥混凝凝土路路面反反射裂裂缝的的措施施５、沥沥青加加铺层层厚度度的确确定三、技技术关关键1、加铺铺前旧旧水泥泥混凝凝土路路面状状况检检测及及评价价路面破破损情情况结构承承载能能力行驶质质量抗滑能能力采用目目测及及仪具具量测测优良中中次差差采用无无破损损和破破损相相结合合的方方法（（FWD或贝克克曼梁梁）优良中中次差差断面类类或反反应类类设备备优良中中次差差摆式仪仪优良中中次差差２、加加铺前前旧水水泥混混凝土土路面面病害害处治治２、加加铺前前旧水水泥混混凝土土路面面病害害处治治加铺沥沥青层层前如如果不不对旧旧水泥泥混凝凝土路路面进进行表表面处处理，，会导导致层层间粘结结不够够，加加铺后后不久久就产产生早早期破破坏。。３、水水泥路路面和和沥青青路面面层间间结合合４、防防治旧旧水泥泥混凝凝土路路面反反射裂裂缝的的措施施加铺维维修改改造技技术最最大的的难点点是防防止或或减少少水泥泥混凝凝土旧旧路面面的反反射裂裂缝。。４、防防治旧旧水泥泥混凝凝土路路面反反射裂裂缝的的措施施反射裂裂缝是是由于于原有有的旧旧水泥泥混凝凝土路路面的的裂缝缝在荷荷载和和温度度的作作用下下会扩扩展到到沥青青面层层，而而形成成的一一种裂裂缝。。反射射裂缝缝在许许多寒寒冷国国家或或地区区如北北美、、加拿拿大、、日本本、俄俄罗斯斯、北北欧以以及我我国北北方地地区非非常普普遍。。反射裂缝４、防防治旧旧水泥泥混凝凝土路路面反反射裂裂缝的的措施施反射裂裂缝的的存在在会极极大地地影响响沥青青加铺铺层的的使用用寿命命，不不仅影影响行行车舒舒适性性，而而且导导致路路面水水下浸浸，影影响到到路基基的强强度与与稳定定性。。更为为重要要的是是，在在行车车荷载载反复复作用用和周周期性性变化化环境境温度度的影影响下下，常常常使使得裂裂缝迅迅速向向四周周扩展展，大大大缩缩短了了罩面面层的的使用用寿命命。反反射裂裂缝是是水泥泥路面面加铺铺沥青青层面面临的的一大大技术术难题题。４、防治旧旧水泥混凝凝土路面反反射裂缝的的措施目前国内外外对减少反反射裂缝的的主要方法法有：（１）使用用防裂效果果更好的面面层；（２）增加加沥青面层层厚度；（３）从结结构本身入入手防止和和减少反射射裂缝(如采用碎石石化技术)；（４）设置置应力吸收收层等。上述方法中中有的造价价偏高，有有的在设计计上难度较较大。而应应力吸收层层是一种造造价适中，，阻裂效果果良好的方方法。４、防治旧旧水泥混凝凝土路面反反射裂缝的的措施应力吸收层层在路面结结构中能依依靠自身的的塑性变形形来吸收应应力。根据据断裂力学学的理论，，低弹性模模量，高韧韧性的应力力吸收层，，可以缓解解裂缝尖端端的应力集集中现象，，因而能起起到较明显显的防裂作作用。国内内外对此类类防裂措施施开展了不不少试验研研究，并取取得了一定定的研究成成果。常用措施土工布土工格栅改性沥青层改性沥青砂细粒式沥青混凝土碎石封层碎石封层应应力吸收层层施工示意意图高性能应力力吸收层技技术指标采用SBS等聚合物改改性沥青软化点75～85℃车辙试验动动稳定度DS≥2000次/mm小梁弯曲试试验最大破破坏应变εmax≥≥3500uε混合料级配配需专门设设计，其中中矿粉用量量大于8%，油石比8%。高性能应力力吸收层由于应力吸吸收层沥青青混合料细细集料多、、沥青用量量多等特点点，在配合合比设计方方法上与普普通HMA存在较多不不同之处。。除应满足足普通HMA的相关要求求外，还应应注意以下下几点:（１）既能能满足抵抗抗重复车辆辆荷载作用用的疲劳性性能的要求求，又能满满足该层抵抵抗永久变变形的抗车车辙要求；；（２）能够够防止水渗渗入到路面面结构内部部；（３）施工工方便，易易于生产、、拌和以及及摊铺压实实。四、加铺设设计过程1.路面损坏状状况调查及及评定2.旧水泥混凝凝土路面的的修复设计计3.最小加铺厚厚度的计算算4.道路纵断面面设计5.沥青混凝土土加铺层结结构设计在车辆荷载载与温度应应力作用下下，旧水泥泥混凝土板板接缝处，，会产生垂垂直相对位位移与水平平相对位移移，从而导导致沥青加加铺层内产产生较大的的拉应力与与剪应力，，引发反射射裂缝。设计控制的指标为为因旧路面板的移移动产生的拉应变变和因接缝两侧不不同的竖向位移造造成的剪应变。该方法力学概念简简单清楚，易于接接受和应用，但由由于该分析方法中中作了一些粗糙的的假定，从而并不不能准确的分析沥沥青加铺层中应力力分布状况，无法法考虑接缝或裂缝缝处的应力集中对对罩面层反射裂缝缝的影响。ARE(AustinResearchEngineers)法五、加铺层设计方方法该法是一种经验法法，认为沥青加铺铺层的破坏原因是是行车荷载所引起起的接缝处的竖向向弯沉差。设计参参数主要考虑水泥泥混凝土板长、接接缝宽度和层间处处置措施。层间处处置可设置土工织织物、应力吸收薄薄膜层、排水下封封层或对旧水泥混混凝土板进行破碎碎与稳定处理。AI(美国沥青学会)法该法以弯沉差为控控制指标，给出了了简单的图表来确确定罩面层的厚度度，虽然考虑了防防反措施在减薄罩罩面层厚度方面的的影响，但没有给给出定量的关系。。五、加铺层设计方方法AASHTO法AASHTO设计法是迄今为止止较完善的经验设设计方法，是基于于等效结构数来确确定沥青加铺层的的厚度，具体内容容包括可行性研究、旧水泥混凝土板的的处理、防反措施的选择和厚度计算等。AASHTO经验设计法是以新建水泥混凝土土路面设计方程为为基础，考虑旧路面的剩剩余寿命，对影响响路面使用性能的的其他因素也作了了较全面的考虑，，并引入了可靠度度的概念。此法设设计概念明确，易易于操作，但它没没有考虑防反措施施对路面使用性能能和罩面层厚度的的影响。五、加铺层设计方方法工程案例原路面结构示意图图随着周边道路网络络的不断完善，人人民生活水平的提提高，乘客对于行行车舒适性的要求求越来越强烈，水水泥路面舒适性差差的弊端逐渐体现现，为了满足乘客客舒适性的要求，，同时提高高速公公路的服务质量，，对原路段进行加加铺沥青混凝土改改造设计。一、工程概况二、设计依据（一）交通调查与与分析三、原路面状况及及总体评价交通流及交通组成成轴重超载状况（一）交通调查与与分析在过去5年，交通量持续增增长，在全部车辆辆中，一类车、四四类车、五类车增增长速度较快。2006年至2011年，五类车年平均均增长速度达到31.9%，远远超过国内一一般地方公路交通通量增长速度。交通量预测（一）交通调查与与分析根据方案设计中的的车型分类及超载载比例，利用AASHTO中的轴载换算系数数对各类车辆进行行轴载换算，得到到设计基准期10年的累计标准轴载载作用次数为4327.2万次。（二）路况评估评价指标路面行驶质量评价价从上述数据可以看看出，RQI评定为“优”等级级的占3%，评定为“良”的的占59%，评定为“中”的的占33%，评定为“次”的的占5%，评定为“差”的的无。因此，路面面状况多处于优良良状态。平整度指数从以上图表可以看看出，主车道国际际平整度ＩＲＩ百百米均值主要集中中在2-5(m/km)之间，部分路段ＩＩＲＩ>3.5(m/km)，其中优、良比例例占50%，中次差比例占50%。路面破损情况破碎板微细网状裂缝路面破损情况横向裂缝纵向裂缝路面破损情况角隅断裂错台路面破损情况接缝料脱落超高路段唧浆通过现场采用贝克克曼梁对超车道的的砼板角进行脱空空检测，共检测了了2170块，板角弯沉值达达到20(0.01mm)的共194块，占检测数量的的6.1%。由于贝克曼梁弯弯沉检测是抽查，，每三块板检测一一块板，由于对病病害板不进行检测测，因此实际脱空空比例应该加上病病害板，计算得到到的脱空比例为16.6%。路面结构情况基层顶面当量回弹弹模量（MPa）通过钻芯及FWD弯沉检测，得如下下检测结果。A线方向共检测100块板，基层顶面当当量回弹模量平均均值为397MPa，最大值为1082MPa，最小值为117MPa，标准差为160MPa；B线共检测100块板，基层顶面当当量回弹模量平均均值为440MPa，最大值为854MPa，最小值为108MPa，标准差为155MPa；从抽检测结果来来看，A、B线错台、横缝、填填缝料缺损、纵裂裂病害砼板的基层层顶面当量回弹模模量均值低于平均均值。主要结论及原因1、勘测结论(1)加铺路段水泥混凝凝土路面各结构层层的厚度、强度均均能满足设计要求求，路面结构承载载力按照标准轴载载可满足设计年限限的使用要求。(2)路面平整度优良率率比率较小，仅占占50%，通过加铺沥青混混凝土可以有效改改善其平整度。(3)路面病害板较多，，断板及重裂缝板板总数为615块，主要病害类型型为破碎板、横向向裂缝板，有少部部分的纵向裂缝板板、角隅板；同时时轻裂缝板发展速速度较快。根据脱脱空检测资料，考考虑病害板为脱空空板后，板底脱空空率为16.6%。主要结论及原因2、破损原因(1)一般路段路面破损损。根据检测资料料，比较严重的纵纵横裂缝板的基层层当量回弹模量均均较低，因此，接接缝料脱落及张开开，排水系统的堵堵塞造成唧泥脱空空，在水和重车的的作用下发生断裂裂破坏。(2)超载严重，通过测测量超载车的轴重重可知，部分车辆辆严重超载，超载载达到了4.77倍，超载的存在对对路面正常使用产产生严重的影响。。(3)交通量增长较快，，通过计算，年增增长率在15%以上，繁重的交通通量对路面带来了了严重考验。(4)加铺路段处于山岭岭重丘区，雨季跨跨度时间长，雨量量充沛，雨水是造造成路面损坏的主主要原因。根据理论分析及使使用经验，加铺段段路面结构选用2cmNovachip+5cmAC20，大桥加铺2cmNovachip超薄磨耗层，现对