田旺龍，李 黎，魏 晉，郭小文

[上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院集團(tuán)第十市政設(shè)計(jì)院有限公司，甘肅 蘭州 730000]

0 引言

水泥混凝土路面因承載力高、剛度大、耐久性好、疲勞壽命長、前期養(yǎng)護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛運(yùn)用于早期城市道路建設(shè)中。隨著人們生活水平的提高，對(duì)出行環(huán)境的要求更高。水泥混凝土路面（以下簡稱“水泥路面”）行車噪聲大，平整度、舒適性差，揚(yáng)塵多，景觀效果差，養(yǎng)護(hù)維修困難等缺陷日益凸顯，已無法滿足市民的使用要求。對(duì)水泥路面進(jìn)行白改黑改造不僅能提升路面使用性能，降低工程造價(jià)，而且能縮短工期，減少對(duì)現(xiàn)狀交通的影響。但是，隨著瀝青加鋪層車輛累積通行時(shí)間的增長，路面反射裂縫逐漸顯現(xiàn)。路表水沿裂縫逐漸下滲引起路基、路面病害加劇，承載力下降，路面使用年限縮短。因此，如何有效抑制和延緩反射裂縫，是白改黑改造設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，也是改造成功與否的關(guān)鍵指標(biāo)之一。

1 反射裂縫的類型與破壞機(jī)理

反射裂縫是指白改黑路面在交通荷載和環(huán)境溫度及它們的耦合作用下使瀝青加鋪層在基層舊水泥路面的接縫或裂縫（以下簡稱“縫隙”）附近出現(xiàn)應(yīng)力集中而產(chǎn)生的一種路面病害。反射裂縫分荷載型和溫度型兩類。

1.1 荷載型反射裂縫

在汽車荷載等各類交通工具的長期作用下，舊水泥面板接縫兩側(cè)因承受不同的豎向荷載而產(chǎn)生剪切應(yīng)力，導(dǎo)致兩板塊產(chǎn)生豎向位移差而引起面層發(fā)生剪切破壞，裂縫在原接縫上方逐步延伸至瀝青加鋪層表面而形成荷載型反射裂縫（見圖1）。

圖1 荷載型反射裂縫形成機(jī)理

1.2 溫度型反射裂縫

路面長期暴露在外界環(huán)境中，使舊水泥面板及其上部瀝青加鋪層受大氣溫度溫差變化而產(chǎn)生熱脹冷縮現(xiàn)象。水泥板塊縫隙處會(huì)出現(xiàn)溫度應(yīng)力集中而使相鄰板塊產(chǎn)生水平位移，引起板塊縫隙的擴(kuò)張與收縮，其上部瀝青加鋪層因水泥面板縫隙處應(yīng)力過大而出現(xiàn)開裂，形成溫度型反射裂縫（見圖2）。溫度型反射裂縫通常更易發(fā)生在冬季氣溫下降時(shí)段或加鋪層過薄的地方。

圖2 溫度型反射裂縫形成機(jī)理

1.3 反射裂縫破壞機(jī)理

路表水通過反射裂縫滲入瀝青加鋪層與舊水泥路面中間，形成層間水，在交通荷載作用下，層間水產(chǎn)生動(dòng)水壓力，使加鋪層與水泥面板間黏結(jié)力降低，加鋪層剝離[2]。水的不斷下滲，會(huì)導(dǎo)致舊水泥路面基層強(qiáng)度變?nèi)?，出現(xiàn)唧泥，水泥板塊的抗彎拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度降低，加速瀝青加鋪層的破壞，使其出現(xiàn)網(wǎng)裂、坑槽、斷板等病害（見圖3）。

圖3 反射裂縫破壞機(jī)理

2 水泥路面白改黑設(shè)計(jì)要點(diǎn)

根據(jù)反射裂縫的形成及破壞機(jī)理，影響水泥路面白改黑的關(guān)鍵因素自下而上依次為對(duì)舊水泥路面的病害處治、水泥面板與加鋪層間的夾層設(shè)計(jì)、瀝青加鋪層設(shè)計(jì)。

2.1 舊水泥路面病害處治措施

水泥路面病害按性質(zhì)分為功能性和結(jié)構(gòu)性兩類。功能性病害通常為路面的淺層病害，不影響道路的正常使用，但路面行車舒適性會(huì)變差。結(jié)構(gòu)性病害為路基或路面的深層病害，會(huì)使路面承載能力下降而影響正常使用。在白改黑中，根據(jù)路面的病害性質(zhì)及破損程度，舊水泥路面病害處治方法有修繕加鋪、破碎改建、翻挖新建3 種。

2.1.1 修繕加鋪

存在功能性病害或局部輕度結(jié)構(gòu)性病害的水泥路面，需進(jìn)行病害處治和路面修繕。處治后的水泥路面在其上部加鋪瀝青面層形成組合路面結(jié)構(gòu)。水泥路面病害類型及處治措施見表1[1]。

表1 水泥路面病害類型與處治

修繕加鋪是現(xiàn)階段我國水泥路面白改黑的常用方法。這種方法具有工期短，對(duì)現(xiàn)狀交通影響小，施工噪聲低、震動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是只能延緩瀝青加鋪層反射裂縫的出現(xiàn)時(shí)間而無法消除，路面使用年限相對(duì)較短，后期養(yǎng)護(hù)復(fù)雜，成本高。

2.1.2 破碎改建

對(duì)存在嚴(yán)重結(jié)構(gòu)性病害或水泥面板基本喪失結(jié)構(gòu)承載力的路面，需將舊水泥板塊破碎后作為道路基層或底基層，再鋪設(shè)瀝青加鋪層。水泥板破碎壓實(shí)后不僅能降低溫度變化引起的熱脹冷縮現(xiàn)象，也能消除板塊間彎沉差，有效降低反射裂縫產(chǎn)生的的概率。

2.1.3 翻挖新建

為徹底消除舊水泥路面白改黑后所產(chǎn)生的各種弊端，將舊水泥面板破碎后廢棄，并結(jié)合舊路沿線地質(zhì)概況對(duì)原路路基處理后重新鋪筑基層和瀝青面層。翻挖新建施工噪聲大，震動(dòng)強(qiáng)烈，對(duì)道路沿線居民生活影響較大，廢棄的破碎板對(duì)環(huán)境也有影響。水泥路面病害處治方法與技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較見表2。

表2 舊水泥路面病害處治方法與技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

2.2 水泥路面與瀝青加鋪層間夾層設(shè)計(jì)

舊水泥路面表面光滑，摩阻力小，若在其上部直接加鋪瀝青層，汽車荷載的剪切破壞會(huì)加速瀝青面層剝離水泥面板，影響加鋪層使用壽命。因此，在舊水泥面板和瀝青加鋪層間設(shè)置一道可防水、抗滑移、能吸收應(yīng)力的夾層具有十分重要的工程意義。白改黑中常用的夾層有應(yīng)力吸收層、格柵和土工織物[3]。

2.2.1 應(yīng)力吸收層

白改黑中，為解決基層水泥路面在縫隙處的應(yīng)力集中現(xiàn)象，通常在基層上部設(shè)置應(yīng)力吸收層。該層能降低基層與面層之間的黏附阻力，消解基層的應(yīng)力集中，防止面層在汽車荷載或環(huán)境溫度作用下產(chǎn)生推移、剝離或剪切破壞，從而有效地抑制和延緩面層中反射裂縫的出現(xiàn)。常見的應(yīng)力吸收層有砂膠、橡膠瀝青碎石、改性瀝青及STRATA 等[4]。

2.2.2 格柵和土工織物

格柵包括土工格柵、玻纖格柵和金屬格柵。土工織物包括聚丙烯或聚酯織物和聚乙烯、聚丙烯或聚酯無紡織物[3]。二者厚度接近，因材料差異，其拉伸強(qiáng)度和彈性模量相差較大。格柵抗拉強(qiáng)度高（≥50 kN/m），彈性模量高，延伸率低（≤4%）和耐高溫性能好。土工織物抗拉強(qiáng)度低（≥7.5 kN/m），彈性模量低。加鋪格柵對(duì)削減舊水泥路面的應(yīng)力集中效果顯著，對(duì)反射裂縫的產(chǎn)生有明顯的延緩作用。加鋪土工織物對(duì)減少應(yīng)力集中作用小，但可阻止路表水下滲到道路基層，同時(shí)起黏結(jié)面層和基層的作用，延緩反射裂縫的出現(xiàn)。

2.3 瀝青加鋪層設(shè)計(jì)

舊水泥路面加鋪瀝青前需對(duì)路面損壞狀況（斷板率、平均錯(cuò)臺(tái)量）、板底脫空狀況、路面結(jié)構(gòu)參數(shù)（面層的厚度、彎拉強(qiáng)度、彎拉彈性模量、基層頂面當(dāng)量回彈模量）、接縫傳荷能力進(jìn)行調(diào)查評(píng)定[5]。根據(jù)綜合評(píng)定結(jié)果選擇加鋪方案。加鋪層厚度根據(jù)改建道路等級(jí)取值不同，一般不小于8 cm。

3 工程案例分析

3.1 項(xiàng)目概況

為迎接第十四屆全國運(yùn)動(dòng)會(huì)，西安市鄠邑區(qū)對(duì)老城區(qū)主要道路進(jìn)行白改黑改造提升。改造道路人民路南起新城路，北至渼陂路，全長4.16 km，城市主干路，設(shè)計(jì)速度50 m/h，雙向六車道，紅線50 m（見圖4）。

圖4 改造道路位置

現(xiàn)狀道路為水泥路面，使用年限超過15 a，路面已出現(xiàn)縱向裂縫、橫向裂縫、角隅斷裂、斷板、脹起、板底脫空、填充料破壞等病害（見圖5）。

圖5 現(xiàn)狀道路病害與鉆芯

3.2 現(xiàn)狀路面使用狀況調(diào)查及評(píng)價(jià)

現(xiàn)狀路面結(jié)構(gòu)：22 cm C30 水泥面層+50 cm 二灰碎石基層，總厚度72 cm。

人民路路面調(diào)查評(píng)定指標(biāo)包括國際平整度指數(shù)（IRI）、路面行駛質(zhì)量指數(shù)（RQI）、路面損壞狀況指數(shù)（PCI）、斷板率、脫空率、錯(cuò)臺(tái)、彎沉值、路面彎拉強(qiáng)度、接縫傳荷能力等（見表3）。

式中:y i為氣樣中i組分的摩爾分?jǐn)?shù)，%;y s i為標(biāo)準(zhǔn)氣中i組分的摩爾分?jǐn)?shù)，%;A i為氣樣中i組分的峰面積，μV·s;A s i為標(biāo)準(zhǔn)氣中i組分的峰面積，μV·s。

表3 人民路路面調(diào)查評(píng)定

3.3 水泥路面白改黑方案設(shè)計(jì)

根據(jù)路面調(diào)查評(píng)定結(jié)果，人民路路面損壞狀況及接縫傳荷能力評(píng)定等級(jí)為次級(jí)以上，采用瀝青混凝土加鋪方案，具體改造步驟如下：

（1）水泥板塊修繕加固

a.板角斷裂或板邊破碎板塊，根據(jù)破裂面大小確定切割范圍進(jìn)行補(bǔ)塊。

b.板塊坑洞較少，用水泥砂漿填充；坑洞較多，采取薄層修補(bǔ)。

c.斷板、網(wǎng)裂等病害嚴(yán)重板塊，需翻挖換板，并用C30 混凝土重新澆筑。板塊縱縫處設(shè)置長70 cm、直徑14 mm、最大間距60 cm 螺紋鋼筋（HRB335）拉桿。在橫縫處設(shè)置長40 cm、直徑28 mm、最大間距30 cm 光圓鋼筋（HPB235）傳力桿。若水泥路面基層損壞，應(yīng)處治補(bǔ)強(qiáng)。

（2）板塊注漿

彎沉超過0.2 mm 的，應(yīng)確定為脫空板[1]。對(duì)脫空板需進(jìn)行注漿處理，步驟如下：確定注漿孔位置→水泥板打孔→安裝法蘭螺帽→注漿孔清理→壓力機(jī)注漿→封孔養(yǎng)生。注漿孔與注漿嘴大小應(yīng)一致，為5 cm左右[2]，注漿孔距板邊的距離應(yīng)大于0.5 m，同時(shí)鉆孔深度需延伸至面板以下5 cm 處。灌注孔布設(shè)見圖6。灌注漿分有機(jī)類和無機(jī)類。無機(jī)類應(yīng)用較廣，通常由水泥、粉煤灰和水組成，外加早強(qiáng)減水劑。灌注漿應(yīng)有較好的流動(dòng)性、早強(qiáng)性、無離析、無泌水、無收縮等特性[5]。脫空板注漿后路面結(jié)構(gòu)見圖7。

圖6 灌注孔布設(shè)

圖7 注漿后路面結(jié)構(gòu)

（3）錯(cuò)臺(tái)處治

水泥面板修繕加固和注漿處理后，為確保加鋪層底面平整度，須對(duì)面板錯(cuò)臺(tái)進(jìn)行處理。錯(cuò)臺(tái)值小于10 mm 時(shí)，路面銑刨拉毛時(shí)銑刨磨平即可。錯(cuò)臺(tái)值大于10 mm 時(shí)，先鑿平，再加鋪調(diào)平層。若錯(cuò)臺(tái)過大，水泥板塊應(yīng)翻挖新建。

舊水泥路面銑刨拉毛→路面縫隙處清縫、灌縫→縫隙處鋪設(shè)抗裂貼→鋪設(shè)玻纖格柵→撒布黏層油→鋪1 cm 橡膠瀝青碎石應(yīng)力吸收封層。

（5）加鋪層設(shè)計(jì)

鄠邑區(qū)公路自然區(qū)劃為Ⅲ，現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)為：面板厚22 cm，板塊長5 m，寬4 m；水泥路面面層最大溫度梯度92℃/m，彎拉強(qiáng)度4.5 MPa，彎拉彈性模量38444 MPa；基層頂面回彈模量200 MPa。

舊混凝土面層荷載疲勞應(yīng)力為3.59 MPa。

舊混凝土面層溫度疲勞應(yīng)力為3.59 MPa。

考慮可靠度系數(shù)后，舊混凝土面層綜合疲勞應(yīng)力為4.39 MPa，小于4.5 MPa。

舊混凝土面層最大荷載應(yīng)力為2.655 MPa。

舊混凝土面層最大溫度應(yīng)力為1.061 MPa。

考慮可靠度系數(shù)后，舊混凝土面層最大綜合應(yīng)力為4.16 MPa，小于4.5 MPa

滿足路面結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)要求的瀝青加鋪層設(shè)計(jì)厚度為10 cm。人民路白改黑路面結(jié)構(gòu)見圖8。

圖8 白改黑路面結(jié)構(gòu)

3.4 改造后評(píng)價(jià)

人民路白改黑后通車以來，目前加鋪層路面無反射裂縫，使用狀況良好。

4 結(jié)論

舊水泥路面進(jìn)行白改黑改造具有諸多優(yōu)勢，已越來越受城市建設(shè)者的青睞。如何抑制和延緩瀝青加鋪層反射裂縫的出現(xiàn)是影響白改黑的關(guān)鍵。本文分析了白改黑路面反射裂縫的產(chǎn)生及破壞機(jī)理，提出了舊水泥路面白改黑設(shè)計(jì)要點(diǎn)，并運(yùn)用于工程實(shí)例。通過跟蹤已改造道路的使用情況，效果良好，對(duì)以后水泥路面白改黑設(shè)計(jì)具有借鑒意義。