橡膠應(yīng)力吸收層在曲靖市靖江路“白改黑”項目中的應(yīng)用研究

孟俊倉、王維廣

[1.昆明市政工程設(shè)計研究院（集團(tuán)）有限公司，云南 昆明 650228；2.林同棪國際工程咨詢（中國）有限公司昆明分公司，云南 昆明 650228]

0 引言

水泥混凝土路面一般由混凝土面層、基層、墊層組成，通常用于高等級路面。由于混凝土路面具有較高的強(qiáng)度，穩(wěn)定性好、耐久性好，有利于夜間行車等眾多優(yōu)點(diǎn)，在我國特別是南方地區(qū)早期的市政道路工程中得到了廣泛的應(yīng)用。但隨著這批市政道路接近或達(dá)到設(shè)計年限，在行車荷載和自然因素的長期作用下，水泥混凝土路面常見的病害，如裂縫、接縫材料破損、邊角碎裂、拱起、錯臺、唧泥、板塊沉陷、坑洞、表面裂紋與層狀剝落等逐漸凸顯。路面病害的產(chǎn)生將嚴(yán)重危及人民的生命和財產(chǎn)安全，為人民的出行和生活帶來極大的不便，因此對老城區(qū)接近或已達(dá)到設(shè)計年限的現(xiàn)狀混凝土路面進(jìn)行“白改黑”改造，繼續(xù)發(fā)揮道路的使用功能，提高行車的安全性成為當(dāng)下較為常見的改造方案。

水泥混凝土路面為剛性路面，較大的溫度收縮和翹起變形會產(chǎn)生較大的應(yīng)力，通常引起路面加鋪層的反射裂縫，縮短路面的使用年限，造成經(jīng)濟(jì)上的浪費(fèi)。以曲靖市靖江路“白改黑”項目為案例，分析研究橡膠應(yīng)力吸收層在現(xiàn)狀混凝土路面“白改黑”的應(yīng)用及效果分析，為后續(xù)“白改黑”項目提供理論依據(jù)和實(shí)踐經(jīng)驗，具有一定的參考和實(shí)用價值。

1 項目概況

靖江路位于曲靖市麒麟?yún)^(qū)，西起于金寶路，東止于南盤江，道路全長約4.3km，道路邊線寬50m，道路等級為城市主干路，設(shè)計速度為40km/h。改造前，道路為混凝土路面，已接近道路使用年限，道路出現(xiàn)多種病害，嚴(yán)重影響人民的出行安全。根據(jù)曲靖市靖江路“白改黑”工程路面工程質(zhì)量檢測報告，改造前靖江路現(xiàn)狀混凝土路面病害類型及分析見表1。

表1 改造前混凝土路面病害類型及分析

表1（續(xù)）

2 根據(jù)靖江路改造前混凝土路面結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)查評估分析確定“白改黑”加鋪方案

2.1 靖江路改造前混凝土面層厚度標(biāo)準(zhǔn)值

式（1）中：he為靖江路改造前混凝土面層測量厚度標(biāo)準(zhǔn)值（mm）；為靖江路改造前混凝土面層測量厚度平均值（mm）；sh為靖江路改造前混凝土面層厚度測量值的標(biāo)準(zhǔn)差（mm）。

2.2 靖江路改造前混凝土面層的彎拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值

式（2）～式（3）中：fr為靖江路改造前混凝土面層彎拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（MPa）；fsp為靖江路改造前混凝土面層的劈裂強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（MPa）；為靖江路改造前混凝土強(qiáng)度面層的劈裂強(qiáng)度測定值的平均值（MPa）；ssp為靖江路改造前混凝土強(qiáng)度面層的劈裂強(qiáng)度測定值的標(biāo)準(zhǔn)差（MPa）。

2.3 靖江路改造前混凝土彎拉彈性模量標(biāo)準(zhǔn)值

式（4）中：Ec為靖江路改造前混凝土面層的彎拉彈性模量標(biāo)準(zhǔn)值（MPa）；fr為靖江路改造前混凝土面層的彎拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（MPa）。

2.4 靖江路改造前混凝路面基層頂面的當(dāng)量回彈模標(biāo)準(zhǔn)值

式（5）中：Et為基層頂面的當(dāng)量回彈模量標(biāo)準(zhǔn)值（MPa）；SI為路面結(jié)構(gòu)荷載的擴(kuò)散系數(shù)；w0為荷載中心處的彎沉值（0.01mm）。

靖江路改造前水泥混凝土路面如圖1所示，靖江路水泥混凝土路面力學(xué)試驗如圖2所示。

圖1 靖江路改造前水泥混凝土路面

圖2 靖江路水泥混凝土路面力學(xué)試驗

根據(jù)曲靖市靖江路“白改黑”項目改造前路面工程質(zhì)量檢測報告數(shù)據(jù)及以上混凝土路面結(jié)構(gòu)參數(shù)，調(diào)查評估分析結(jié)果如下：錯臺率0，平均錯臺量0mm，接縫傳荷能力kj=72.4%，根據(jù)《公路水泥混凝土路面設(shè)計規(guī)范》（JTG D40—2011）表8.2.2、8.3.3，路面損壞狀況分級標(biāo)準(zhǔn)為良，接縫傳荷能力分級標(biāo)準(zhǔn)為中。

3 設(shè)計方案

根據(jù)曲靖市靖江路“白改黑”項目改造前路面工程質(zhì)量檢測報告數(shù)據(jù)，結(jié)合表2、3 進(jìn)行評估，路面損壞狀況分級標(biāo)準(zhǔn)為良，接縫傳荷能力分級標(biāo)準(zhǔn)為中。瀝青混凝土面層加鋪方案如下：

表2 路面損壞狀況分級標(biāo)準(zhǔn)

表3 路面接縫傳荷能力分級標(biāo)準(zhǔn)

其一，對混凝土路面進(jìn)行更換或病害修復(fù)，更換破碎板，修補(bǔ)和填封裂縫，壓漿填封板底脫空，磨平錯臺，清除現(xiàn)狀混凝土面層表面松散碎屑、油跡或輪胎擦痕，剔除接縫中失效的填料和雜物，并重新封縫；其二，清洗、除塵；其三，1cm 橡膠瀝青應(yīng)力吸收層E3=650MPa；其四，6cm 中粒式瀝青混凝土（AC-20C),E2=1200MPa；其五，黏層瀝青；其六，4cm 橡膠改性細(xì)粒式瀝青混凝土（AR-AC13),E1=1400MPa。

4 反射裂縫產(chǎn)生的原因及橡膠應(yīng)力吸收層的作用機(jī)理

4.1 反射裂縫產(chǎn)生的原因

瀝青混凝土面層反射裂縫主要有瀝青面層層底拉應(yīng)力引起的張開裂縫和剪應(yīng)力引起的剪切裂縫。水泥混凝土路面為剛性路面，較大的溫度收縮和翹起變形產(chǎn)生較大的應(yīng)力，通常會引起加鋪層底部較大的拉應(yīng)力、剪應(yīng)力，造成加鋪面層的反射裂縫。

4.2 橡膠應(yīng)力吸收層的作用機(jī)理

橡膠應(yīng)力吸收層可以有效地降低瀝青面層底面（應(yīng)力吸收層頂部）的拉應(yīng)力、剪應(yīng)力。該案例采用1cm 的橡膠應(yīng)力吸收層，在加鋪瀝青下面層和混凝土面層之間形成防裂縫反射結(jié)構(gòu)層，混凝土路面的各種裂縫很難穿透橡膠應(yīng)力吸收層，對防反射裂縫起到良好的作用。橡膠應(yīng)力吸收層采用橡膠瀝青與單一粒徑的碎石強(qiáng)力黏結(jié)形成，橡膠瀝青會在路面上形成3～4mm 厚度的瀝青薄膜，阻止雨水向下滲透，避免雨水對路基的破壞。在橡膠瀝青頂部攤鋪下面層瀝青混合料時，橡膠應(yīng)力吸收層頂部的部分橡膠瀝青會二次融化。在面層壓實(shí)過程中，二次融化的橡膠應(yīng)力吸收層會對下面層底部瀝青混合料的縫隙進(jìn)行填充，避免雨水滯留在下面層與應(yīng)力吸收層之間，造成基層損壞。橡膠瀝青黏結(jié)性較大，可以將瀝青面層與現(xiàn)狀混凝土路面牢固地黏結(jié)在一起，從而使加鋪層與現(xiàn)狀混凝土路面很好地黏結(jié)，避免加鋪層與老路脫離。

5 瀝青面層層底拉應(yīng)力計算參數(shù)選擇及模型

路面結(jié)構(gòu)力學(xué)指標(biāo)計算采用的計算模型為雙圓均布垂直荷載作用下的彈性層狀連續(xù)體系模型。路面結(jié)構(gòu)設(shè)計采用軸重100kN 的單軸-雙輪組為設(shè)計軸載，具體設(shè)計參數(shù)詳見表4。該次計算模型：在混凝土路面上鋪設(shè)1cm 橡膠瀝青應(yīng)力吸收層，6cm 中粒式瀝青混凝土（AC-20C),E2=1200MPa 下面層，4cm 橡膠改性細(xì)粒式瀝青混凝土（AR-AC13）上面層，E1=1400MPa，泊松比取值0.25。力學(xué)指標(biāo)相應(yīng)計算點(diǎn)位置如圖3所示。

圖3 力學(xué)指標(biāo)相應(yīng)計算點(diǎn)位置

表4 計算參數(shù)

6 利用HPDS2011 路面結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件計算結(jié)果分析

HPDS2011 軟件由東南大學(xué)交通學(xué)院教授編制，其中，舊混凝土路面加鋪層設(shè)計模塊能很好地模擬混凝土路面加鋪層的層底拉應(yīng)力和剪應(yīng)力。該案例結(jié)合改造方案利用HPDS2011 軟件進(jìn)行模擬。

根據(jù)計算模型設(shè)計參數(shù)利用HPDS2011 軟件對瀝青面層底面（應(yīng)力吸收層頂部）的拉應(yīng)力、剪應(yīng)力進(jìn)行計算，根據(jù)計算結(jié)果可知拉應(yīng)力、剪應(yīng)力較無橡膠應(yīng)力吸收層減少約30%，可以有效地減緩瀝青面層的反射裂縫產(chǎn)生。

7 結(jié)論

其一，在混凝土面層頂部加鋪橡膠應(yīng)力吸收層，能夠減小面層1、面層2 的最大拉應(yīng)力、最大剪應(yīng)力，緩解加鋪層與混凝土面層接觸處的應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而減緩加鋪層反射裂縫的產(chǎn)生。其二，橡膠應(yīng)力吸收層采用橡膠瀝青與單一粒徑的碎石強(qiáng)力黏結(jié)形成，橡膠瀝青通常會在路面上形成3～4mm 厚度的瀝青薄膜，阻止雨水向下滲透，避免雨水對路基的破壞。其三，根據(jù)橡膠應(yīng)力吸收層的作用機(jī)理，橡膠應(yīng)力吸收層可以有效地改善下面層底部的密實(shí)度，避免雨水對基層的破壞。其四，橡膠應(yīng)力吸收層將混凝土路面與加鋪層很好地黏結(jié)在一起，避免加鋪層與現(xiàn)狀混凝土面層脫離，可以大大延長道路的使用壽命。其五，隨著“白改黑”工程的增多，該工程的設(shè)計方案對后期同類項目的方案設(shè)計具有一定的參考價值。