劉志勝，劉鵬飛，Susan Tighe，孫曉龍

“白改黑”路面不同結(jié)構(gòu)組合抗裂性能分析

劉志勝1，劉鵬飛1，Susan Tighe2，孫曉龍3

(1.山西省交通科學(xué)研究院黃土地區(qū)公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原 030006;2.滑鐵盧大學(xué)加拿大路面與交通技術(shù)中心，安大略滑鐵盧 N2L 3G1;3.長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院，陜西西安 710064)

為更加直觀地了解“白改黑”路面不同結(jié)構(gòu)組合的抗裂性能，采用多功能道路檢測(cè)車對(duì)在役不同加鋪結(jié)構(gòu)“白改黑”路面進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)比分析不同結(jié)構(gòu)組合路面的橫向裂縫間距、縱向裂縫貫穿率、龜裂分布律，并評(píng)價(jià)其對(duì)路面平整度和抗車轍性能的影響，驗(yàn)證不同加鋪結(jié)構(gòu)的抗裂性能。研究結(jié)果表明:增加結(jié)構(gòu)層厚度、增設(shè)聚酯玻纖布或高彈性應(yīng)力吸收層均可起到一定的抗裂縫反射性能;不同加鋪結(jié)構(gòu)不會(huì)對(duì)路面的平整度、抗車轍性能產(chǎn)生較大影響。

道路工程;“白改黑”;結(jié)構(gòu)組合;抗裂性能

0 引言

目前，瀝青路面已經(jīng)成為中國(guó)高速、干線公路的主要形式，但在山西省這一典型煤運(yùn)重交通特殊區(qū)域，水泥混凝土路面仍占有一定的比例。此外，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，水泥混凝土路面占中國(guó)鋪裝路面的70%，故水泥混凝土路面的服務(wù)能力仍是研究的重點(diǎn)。為改善舊水泥混凝土路面的行車條件，提高道路運(yùn)營(yíng)效率和服務(wù)水平，道路管理部門開展了加鋪改造工程，在充分利用舊水泥混凝土路面板的剩余承載能力的基礎(chǔ)上，提高水泥混凝土路面的行駛舒適性。加鋪瀝青面層后，在外部交通荷載作用及環(huán)境溫度的影響下，瀝青加鋪層的裂縫反射成為其運(yùn)營(yíng)期內(nèi)的主要破壞類型［1-2］。若瀝青加鋪層防裂措施處理不當(dāng)，雨水很容易通過反射裂縫滲入路面基層甚至土基，造成基層沖刷、土基軟化、路面沉陷等更大的安全隱患［3-4］?，F(xiàn)有舊水泥混凝土加鋪抗裂縫反射技術(shù)主要包括滿鋪應(yīng)力吸收層［5］以及鋪設(shè)聚酯玻纖布［6-7］或橡膠瀝青應(yīng)力吸收膜［8］等方法，但關(guān)于這些加鋪技術(shù)性能對(duì)比的研究未見報(bào)道。

本文采用多功能檢測(cè)車對(duì)在役的不同加鋪方案的路面開裂情況進(jìn)行檢測(cè)分析，對(duì)山西省典型的舊水泥混凝土路面“白改黑”工程中多種加鋪方案進(jìn)行對(duì)比，評(píng)價(jià)其工程適用性，為今后舊水泥混凝土路面加鋪改造的設(shè)計(jì)、施工提供技術(shù)參考。

1 工程概況

夏家營(yíng)—汾陽高速公路(簡(jiǎn)稱夏汾高速)位于山西省呂梁市境內(nèi)，雙向四車道，是青島至銀川高速公路在山西境內(nèi)的重要組成部分，也是晉煤外運(yùn)的主要通道。項(xiàng)目初期，夏汾高速公路采用水泥混凝土路面，按重交通量進(jìn)行設(shè)計(jì)，各項(xiàng)指標(biāo)滿足當(dāng)時(shí)執(zhí)行的94設(shè)計(jì)規(guī)范要求，但并未預(yù)測(cè)到交通量和車輛軸載的迅猛增長(zhǎng)，故面板采用了素混凝土。由于原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)相對(duì)薄弱，交通量預(yù)計(jì)不足，加上重載、超載車輛的長(zhǎng)期作用，在通車第3年開始路面陸續(xù)產(chǎn)生病害;為改善路面行車條件和服務(wù)功能，養(yǎng)護(hù)部門將嚴(yán)重?fù)p壞的水泥混凝土板更換為鋼筋混凝土板，但運(yùn)營(yíng)不到2年又開始出現(xiàn)開裂、脫空等病害，且無法徹底解決［9］。2008年，據(jù)夏汾高速重交通方向的出入口交通量計(jì)算，7年累計(jì)軸載次數(shù)為5.66×108次，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了原30年設(shè)計(jì)累計(jì)軸載次數(shù);同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查顯示路面開裂、脫空等病害嚴(yán)重，存在較大的安全隱患［10］。

為提升夏汾高速路面服務(wù)水平，采用舊水泥混凝土路面綜合處治后的瀝青加鋪(“白改黑”)方案進(jìn)行路面改造。在改造過程中，采用了6種不同的抗裂縫反射結(jié)構(gòu)組合，形成了典型的“白改黑”復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)形式，不同類型的結(jié)構(gòu)如表1所示。

方案2～4采用山西交科新材料有限公司研發(fā)的高彈性橡膠馬蹄脂應(yīng)力吸收帶處治舊水泥混凝土板的接縫，作為防治反射裂縫的局部處治措施［11-13］。橡膠瑪蹄脂由高摻量SBS改性劑與膠粉復(fù)合改性，并輔以細(xì)集料等按一定比例配制成聚合物改性瀝青膠漿［14］，按照《公路工程瀝青與瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)測(cè)試其基本性能指標(biāo)，結(jié)果如表2所示。

高彈性橡膠瑪蹄脂應(yīng)力吸收帶為現(xiàn)場(chǎng)澆筑，橡膠瑪蹄脂經(jīng)專用輸送罐運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)，用移動(dòng)模板推車鋪筑到水泥混凝土接縫處，隨后緊鋪玻纖布，形成應(yīng)力吸收帶［15］。

夏汾高速“白改黑”路面已經(jīng)運(yùn)營(yíng)5年之久，本文對(duì)在役的路面性能狀況進(jìn)行調(diào)查分析，對(duì)比不同結(jié)構(gòu)組合下的“白改黑”路面抗裂性能，驗(yàn)證不同瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)在實(shí)際道路使用過程中的效果，為“白改黑”技術(shù)在山西省運(yùn)煤重載道路中的推廣應(yīng)用提供指導(dǎo)。

表2 橡膠瑪蹄脂基本性能

2 路面性能檢測(cè)

本文采用山西省交通建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)中心的ARAN9000多功能道路檢測(cè)車(圖1)，對(duì)夏汾高速公路“白改黑”改造工程不同加鋪結(jié)構(gòu)路面的技術(shù)性能進(jìn)行信息數(shù)據(jù)采集［16］。ARAN9000多功能道路檢測(cè)車集成應(yīng)用了現(xiàn)代信息技術(shù)，以改裝的奔馳機(jī)動(dòng)車為平臺(tái)，將光電、IT和3S技術(shù)集成一體［17］;在正常行駛狀態(tài)下，能自動(dòng)完成對(duì)道路路面圖像、路面形狀、道路設(shè)施立體圖像、平整度及道路幾何參數(shù)等數(shù)據(jù)的采集、分析、分類及存儲(chǔ)［18-21］。

圖1 ARAN9000多功能道路檢測(cè)車

2．1 橫向裂縫間距

橫向裂縫間距可直觀地評(píng)價(jià)橫向裂縫的嚴(yán)重程度，如圖2所示。橫向裂縫間距計(jì)算公式如下。

式中:STC為橫向裂縫間距;l為評(píng)價(jià)路段長(zhǎng)度;n為評(píng)價(jià)路段橫向裂縫系數(shù)。

圖2 裂縫拍攝圖像

2．2 縱向裂縫貫穿度

用縱向裂縫的長(zhǎng)度占評(píng)價(jià)路段總長(zhǎng)度的比例來表現(xiàn)縱向裂縫的嚴(yán)重程度比較直觀，因此引入縱向裂縫貫穿度的概念。在進(jìn)行路面病害檢測(cè)時(shí)，將縱向裂縫貫穿度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，其計(jì)算公式如下。

式中:RLL為縱向裂縫貫穿度;m為評(píng)價(jià)路段內(nèi)縱向裂縫的總長(zhǎng)度。

2．3 平整度

路面平整度是反映路面功能性和舒適性的重要指標(biāo)，也是路面評(píng)價(jià)及路面施工驗(yàn)收的一個(gè)重要指標(biāo)。本文采用國(guó)際平整度(IRI)作為復(fù)合式路面表層功能性評(píng)價(jià)參數(shù)。

2．4 車轍

車轍病害嚴(yán)重影響行車安全性能，是評(píng)價(jià)道路使用性能的重要指標(biāo)，本文采用路面車轍深度(RD)和路面車轍深度指數(shù)(RQI)作為復(fù)合式路面表層功能性評(píng)價(jià)參數(shù)。

3 路面抗裂性能分析

依據(jù)《公路技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》(JTG H20—2007)，公路技術(shù)狀況檢測(cè)以1 km為基本檢測(cè)和調(diào)查單元，評(píng)定路段長(zhǎng)度不應(yīng)超過2 000 m，路面平整度應(yīng)以20 m(快速檢測(cè))為單位長(zhǎng)期保存，路面車轍宜采用快速檢測(cè)設(shè)備以10 m(快速檢測(cè))為單位長(zhǎng)期保存。只有當(dāng)快速檢測(cè)設(shè)備自動(dòng)識(shí)別軟件的準(zhǔn)確率達(dá)到一定程度(如90%以上)時(shí)，其識(shí)別結(jié)果才能被直接用于技術(shù)狀況評(píng)定及路面養(yǎng)護(hù)分析。為更加準(zhǔn)確地進(jìn)行病害分析，本文對(duì)識(shí)別結(jié)果進(jìn)行人工核實(shí)后再匯總，結(jié)果如表3所示。

表3 不同加鋪方案裂縫調(diào)查結(jié)果

從表3可以看出，路面裂縫以橫向裂縫為主，行車道內(nèi)的反射裂縫遠(yuǎn)多于超車道內(nèi)的裂縫，且超車道內(nèi)的裂縫分布離散，因此后續(xù)內(nèi)容主要對(duì)行車道內(nèi)的裂縫情況進(jìn)行分析。

3．1 橫向裂縫間距分析

將各路面結(jié)構(gòu)內(nèi)的裂縫數(shù)量與其對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度進(jìn)行取均值評(píng)比，以裂縫間隔距離進(jìn)行評(píng)價(jià)，不同結(jié)構(gòu)對(duì)舊水泥混凝土板裂縫反射性能的影響結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同加鋪方案路面裂縫間距

從圖3可以看出:不同路面結(jié)構(gòu)內(nèi)行車道的裂縫程度遠(yuǎn)大于超車道，而不同路面結(jié)構(gòu)對(duì)行車道與超車道的裂縫間距的影響沒有明顯的變化規(guī)律。行車道內(nèi)，方案1、2、4、5表現(xiàn)出較好的抗裂性能，方案6相對(duì)較差;超車道內(nèi)，不同加鋪結(jié)構(gòu)中的裂縫間距相差較大，方案4、5、6表現(xiàn)出較好的抗裂性能;總體而言，方案4和方案5行車道與超車道內(nèi)的裂縫間距較大，且維持在相對(duì)較低的水平。這和行車道內(nèi)重載比例較大的現(xiàn)狀較為吻合。

(1)對(duì)比方案1和方案2發(fā)現(xiàn)，滿鋪聚酯玻纖抗裂布可以起到一定的抗裂功能，但以聚酯玻纖抗裂布替代4 cm厚的瀝青混合料達(dá)不到相同的抗裂效果。

(2)對(duì)比方案3、4可知，增大下面層材料最大粒徑對(duì)行車道內(nèi)的抗裂性能沒有明顯影響。

(3)對(duì)比方案4、5可知，以高彈性應(yīng)力吸收層替代相當(dāng)厚度的下面層可以提高行車道內(nèi)路面的抗裂性能。

(4)對(duì)比方案 2、3、5、6 可知，增加下面層厚度可以起到一定的抗裂作用。

3．2 縱向裂縫貫穿分析

將各路面結(jié)構(gòu)內(nèi)的裂縫長(zhǎng)度與其對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度進(jìn)行取均值評(píng)比，以裂縫間隔距離進(jìn)行評(píng)價(jià)，不同結(jié)構(gòu)對(duì)舊水泥混凝土板裂縫反射性能的影響結(jié)果見圖4。

圖4 不同加鋪方案路面裂縫貫穿率

從圖4可以看出:在超車道和行車道內(nèi)，縱向裂縫貫穿度都維持在較低的水平，各種路面加鋪結(jié)構(gòu)的整體抗豎向裂縫性能良好。方案3中，超車道中裂縫貫穿度為4%，而對(duì)應(yīng)的行車道內(nèi)裂縫貫穿度僅為0．8%;方案2、5、6都沒有檢測(cè)到縱向裂縫。同時(shí)，根據(jù)原始檢測(cè)結(jié)果得知，行車道內(nèi)縱向裂縫的嚴(yán)重程度僅為50%，超車道內(nèi)縱向裂縫嚴(yán)重的嚴(yán)重程度為80%。

上述現(xiàn)象的原因主要在于，交通管制一般要求大車靠右行，導(dǎo)致行車道內(nèi)重載車輛所占比例遠(yuǎn)大于超車道，故行車道內(nèi)出現(xiàn)裂縫之后，將產(chǎn)生擴(kuò)展而增加病害程度，所以縱向裂縫的破壞程度較高;超車之所以產(chǎn)生縱向裂縫是由于部分路段車輛變換車道引起的，但縱向裂縫相對(duì)較少，而超車道內(nèi)縱向裂縫嚴(yán)重程度更大的原因是已有裂縫處的材料強(qiáng)度降低，致使橫向抗剪切性能下降，荷載重復(fù)作用下縱向裂縫破壞程度更大。

3．3 龜裂分布分析

將各路面結(jié)構(gòu)內(nèi)的龜裂面積與其對(duì)應(yīng)的車道的面積的比值進(jìn)行取均值評(píng)比，以龜裂比例進(jìn)行評(píng)價(jià)，不同加鋪方案對(duì)舊水泥混凝土板裂縫反射性能的影響結(jié)果見圖5。

圖5 不同加鋪方案路面龜裂擴(kuò)展比例

從圖5可以看出:在超車道內(nèi)沒有龜裂病害的出現(xiàn)，這反映出較輕軸載對(duì)路面的破壞程度遠(yuǎn)小于重載作用，也說明重載是加鋪結(jié)構(gòu)破壞的主要影響因素。同時(shí)，結(jié)合檢測(cè)時(shí)拍攝的原始照片可知，龜裂往往與橫向裂縫相伴而生，可以推測(cè)大部分的龜裂是由橫向裂縫引起的，即為橫向裂縫的衍生病害。

結(jié)合表3可以發(fā)現(xiàn):方案1、2、6具有較好的防止龜裂擴(kuò)散的作用。同時(shí)，對(duì)比方案1、3可知，在層間增設(shè)聚酯玻纖抗裂布可起到較好的防龜裂病害作用;對(duì)比方案2、3可知，增加下面層厚度也可發(fā)揮較好的防龜裂病害作用;對(duì)比方案4、5、6可知，高彈性應(yīng)力吸收層可有效防止路面龜裂的產(chǎn)生;而對(duì)比方案2、4可知，增加下面層的材料粒徑對(duì)于加鋪層的整體抗裂性有不利的影響。因此，不論增加聚酯玻纖抗裂布、改用高彈性應(yīng)力吸收層，還是降低加鋪層材料粒徑，都有利于提高加鋪層抗疲勞性能。

4 路面平整度分析

依據(jù)《公路技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》(JTG H20—2007)對(duì)各檢測(cè)指標(biāo)的評(píng)定指數(shù)，利用國(guó)際平整度指數(shù)(IRI)，計(jì)算路面行駛質(zhì)量指數(shù)(RQI)。國(guó)際平整度指數(shù)(IRI)評(píng)定結(jié)果見表4。

表4 平整度檢測(cè)指標(biāo)及評(píng)定等級(jí)劃分結(jié)果

從表4可以看出，行車道和超車道內(nèi)的評(píng)價(jià)等級(jí)中“優(yōu)”占100%，表明對(duì)于不同類型的加鋪層結(jié)構(gòu)，其路面的平整度和行駛質(zhì)量指數(shù)沒有明顯的區(qū)別，方案2～4采用的應(yīng)力吸收帶不會(huì)對(duì)加鋪結(jié)構(gòu)的行駛特性帶來較大的變化。

5 路面車轍分析

依據(jù)《公路技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》(JTG H20—2007)對(duì)各檢測(cè)指標(biāo)的評(píng)定指數(shù)，利用車轍深度檢測(cè)結(jié)果(RD)，計(jì)算車轍深度指數(shù)(RDI)。車轍深度指數(shù)(RDI)評(píng)定結(jié)果見表5。

從表5可以看出，行車道和超車道內(nèi)的車轍等級(jí)中“良”占100%，表明加鋪層結(jié)構(gòu)的類型不同對(duì)其高溫穩(wěn)定性沒有較大的影響，方案5、6中的高彈性應(yīng)力吸收層不會(huì)對(duì)路面的抗車轍性能產(chǎn)生明顯的影響。

6 結(jié)語

(1)不同加鋪結(jié)構(gòu)的反射裂縫主要發(fā)生在行車道內(nèi)，提高加鋪層厚度可以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗裂性能，以高彈性應(yīng)力吸收層替代相當(dāng)厚度的下面層可以提高路面的抗裂性能，增設(shè)聚酯玻纖抗裂布可以起到一定的抗橫向裂縫反射作用，但不可為此降低加鋪層厚度。

表5 不同類型加鋪層路面車轍深度評(píng)定結(jié)果

(2)縱向裂縫發(fā)現(xiàn)較少，主要發(fā)生在變換車道較頻繁的路段，且超車道內(nèi)縱向裂縫的嚴(yán)重程度大于行車道。增加加鋪層厚度、設(shè)置高彈性應(yīng)力吸收層均可起到抗縱向裂縫的作用。

(3)“白改黑”路面中的龜裂主要發(fā)生在行車道內(nèi)，多與橫縫相伴出現(xiàn)，是重載作用下的一種疲勞破壞。增設(shè)聚酯玻纖抗裂布、高彈性應(yīng)力吸收層和減小加鋪層材料粒徑均可增強(qiáng)加鋪層的抗龜裂性能。

(4)不同加鋪結(jié)構(gòu)的路面平整度、抗車轍性能相差不大，應(yīng)力吸收帶不會(huì)對(duì)加鋪結(jié)構(gòu)的行駛特性帶來較大的變化，高彈性應(yīng)力吸收層也不會(huì)對(duì)路面的抗車轍性能產(chǎn)生明顯的影響。

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Crack Resistance of Combination of Different Pavement Structures Used in AC Layer on PCC

LIU Zhi-sheng1，LIU Peng-fei1，Susan Tighe2，SUN Xiao-long3
(1．Key Laboratory of Highway Construction and Maintenance Technology in Loess Region of Ministry of Transport，Shanxi Transportation Research Institute，Taiyuan 030006，Shanxi，China;2．Centre for Pavement and Transportation Technology，University of Waterloo，Waterloo N2L 3G1，Ontario，Canada;3．School of Highway，Chang'an University，Xi'an 710064，Shaanxi，China)

In order to research the crack resistance of the combination of different pavement structures used in ACLayer on the PCC，multi-functional pavement measuring car was adopted to detect the service performance of overlay structure，and the transverse crack spacing，penetration rate of longitudinal cracks，parching distribution，roughness and rutting depth were compared to verify the crack resistance of different overlays．The results show that the increase of structure layer thickness，the addition of polyester glass fiber and high elastic stress absorbing layer could improve the resistance to reflective cracks;different overlay structures will not have great impact on the roughness of road surface and the rut resistance．

road engineering;AC layer on PCC;structure combination;crack resistance

U418．8

B

1000-033X(2017)10-0049-05

2017-03-11

山西省交通運(yùn)輸廳科技項(xiàng)目(2015-1-26);山西省交通建設(shè)科技項(xiàng)目(15-2-04)

劉志勝(1989-)，男，山西朔州人，碩士，工程師，主要從事瀝青路面新材料的研究工作。

［責(zé)任編輯:杜衛(wèi)華］