1、水泥混凝土路面加铺沥青混凝土面层技术研究与回顾周建设青岛兴和市政工程材料有限公司 山东青岛摘要： 通过对青岛经济技术开发区水泥混凝土路面改造十年历程的回顾和总结，通过对各种不同设计方案的比较，全面分析在实施过程中取得的经验和存在的问题，供同行们参考。关键词：水泥混凝土路面改造；加铺沥青层；格栅前言：基础设施是形成城市竞争力重要的组成部分；城市道路又是基础设施的重要组成部分之一，提升城市道路建设和管理水平对提高城市竞争力至关重要。 青岛经济技术开发区自 1984 建区以来修建了大量的水泥路面，截止1999 年底，水泥路面的保有量约 400 万平方米，约占全区城市道路的70，随着开发区经济社会和城
2、市建设事业的快速发展，尤其是青岛港集装箱码头由老港区迁至开发区，交通量急剧增加；汽车轴载日益重型化，加之在用的这些水泥路面大都年久失修、破损严重，不但影响交通能力阻碍当地经济的发展，还严重影响开发区城市建设的整体形象。因此，尽快对原有的水泥混凝土路面进行改造，在恢复其使用功能的同时也可以解决水泥混凝土路面行车舒适性差、噪声大、维修周期长等问题，同时又可以提升开发区基础设施建设的整体形象，满足青岛向国际化、现代化大都市迈进的需要。也就是从那时起，开发区的决策者和建设者们就把水泥路面改造工作提到了重要的议事日程上来，开始了长达十年之久的水泥混凝土路面加铺沥青混凝土路面工程（以下简称该项工程） 。回
3、顾这段经历大致可以分为三个阶段：第一阶段，2000 年至 2003 年为理论准备与学习阶段，在此过程中，由于从设计到施工国内尚未形成完整的设计体系和施工规范，我们主要学习了交通部公路科学研究所、江苏省交通科学研究院等在高速公路建设方面以及军队在机场建设方面积累的经验，和诸多同行学习国外经验和实践后总结出来的理论，还实地考察了深圳、珠海等地城市水泥路面改造工程，逐渐形成了我们对该项工程基本理论的认识。第二阶段，2004 年至 2008 年为改造实施阶段，在此过程中我们主要借鉴国内同行的经验指导实践，共完成了嘉陵江路、江山路、龙岗山路、 （青岛前湾港北出口港内段） 、崇明岛路（获 2006 年度“
4、山东省市政金杯示范工程”奖） ，井冈山路、武夷山路（获 2007 年度“山东省市政金杯示范工程”奖）香江路、淮河路、输港西路、等十八条道路的改造工程，几乎尝试了目前国内各种设计方案，此过程也是我们在理论上不断深化和提高的过程。其中：有两条路曾连续两年获得“山东省市政金杯示范工程”奖。第三阶段，2006 年至 2009 年，是边实施；边总结；边提高的过程，在此阶段国内对水泥路面加铺技术研究日臻完善，理论体系逐渐形成，新的部颁标准公路沥青路面设计规范JTG D502006 首次增加了“水泥混凝土路面加铺沥青路面”设计内容，从而结束了水泥路面加铺沥青面层设计上无章可循的历史，特别是通过对不同结构设计
5、的工程使用情况的观察和分析，也使我们对该项工程有了更深刻的理解和认识。十年的历程既有成功的经验，也有失败的教训。借此机会我们愿把我们的体会与同行们交流，不当之处敬请指正。一、对该项工程理论体系的初步认识1、综述当时形成的理论是：在水泥混凝土路面上加铺沥青混凝土面层。原理上讲类似于复合式路面的设计，由于我国沥青路面设计所采用的弹性层状体系是层间连续的假设进行计算的，原有水泥混凝土路面都是经过多年的使用，混凝土板产生了许多破损、位移、断板、错台、沉陷、啃边等；，原有混凝土板的基层和路基状态也发生了变化，沥青面层与旧路面之间是很难成为整体，因此，在加铺沥青混凝土面层前需要对旧路面进行全面的调查、评价
6、。这是与一般复合式路面设计最大的不同点，也是设计的难点之一。纵观国内外水泥混凝土路面加铺沥青混凝土面层设计，首要之点是对原有混凝土板的处理问题。公认的有两种解决方案：一是直接将破损的水泥板全部打碎，称为“碎石化”处理， （我区淮河路的处理方法）就是要把混凝土板块破碎成颗粒(肉眼观测)表面最大尺寸不超过 3 英寸（7.5 厘米） ，中间不超过 9 英寸（22.5 厘米） ，底部不超过 15 英寸（37.5 厘米）的碎块，并在重型压路机的多次碾压下形成自上而下由下到大的级配式基层，在上面加铺沥青层。二，是对混凝土板进行全面彻底的调查，用弯沉仪现场测定承载能力，分析病害的成因（如水泥板块的破碎、位移
7、、脱空等） ，对不同病害进行不同的处理之后再加铺沥青面层，这 2 种方法各有优缺点。前者可以彻底解决反射裂缝，但打碎及压实混凝土板的工作量很大，造价较高，工期较长。后者造价和工期都可减少或缩短，但由于原有路面板下的情况一般很难搞清，在处理时难免会有些遗漏，因此可能会存在一些隐患。如 果 采 用 第 二 方 案 当 时 国 内 对 于 混 凝 土 板 加 铺 沥 青 混 凝 土 面 层 往 往最 关 心 的 是 如 何 减 少 加 铺 后 沥 青 混 凝 土 面 层 的 反 射 裂 缝 问 题 。 对 于 这 个问 题 国 内 外 大 量 的 工 程 实 践 证 明 ， 沥 青 混 凝 土 路
8、面 的 反 射 裂 缝 是 无 法 避免 的 ， 无 论 采 用 何 种 措 施 ， 沥 青 混 凝 上 路 面 的 裂 缝 是 早 晚 要产生的。多年的研究表明对于较厚的沥青混凝土面层裂缝产生的原因主要是温度裂缝，而不是反射裂缝。因此，把防止反射裂缝作为水泥混凝土路面上加铺沥青混凝土面层设计的重点有失偏颇。当然，这并不等于说不需要采取措施，在混凝土板面上铺设玻纤格栅、撒铺改性沥青防水层（应力吸收膜中间层）有利于改善铺装层的整体受力状态，减少裂缝的产生。加铺沥青混凝土面层的设计标准应与一般的沥青混凝土路面设计一样，在满足承载能力的前提下，沥青混凝土面层应满足使用功能的要求，路面结构应有良好的水
9、稳定性和高温强度。同时考虑到水泥混凝土路面改造的特殊性。 2、结构层设计理论旧水泥混凝土路面上加铺沥青混凝土层是一种特殊的路面结构，其应力、应变特性与一般的弹性层状体系有较大的差别。由于（接）裂缝的存在，旧水泥混凝土路面作为基层的整体强度降低，而且在外力荷载作用下，沥青混凝土加铺层处于复杂的三维应力状态。车辆经过不连续的板体时，沥青混凝土加铺层中由于接裂缝两侧相邻板块产生竖向位移差，而出现较大的剪切应力，这种剪切应力是沥青混凝土加铺层产生荷载型反射裂缝最主要的原因。另外，由于路面暴露在大气中，受气温周期性变化的影响，沥青混凝土加铺层和旧水泥混凝土面板都会产生不均匀膨胀，产生温度应力。由于旧水泥
10、混凝土路面的应力在接缝处不连续，因此沥青混凝土加铺层同时承受它本身以及旧路面所产生的温度应力，特别是冬季气温较低时，沥青混凝土加铺层会因为与接裂缝对应处的拉应力过大而产生开裂，形成所谓的温度型反射裂缝。因此，沥青混凝土加铺层设计实际是设计沥青混凝土加铺层的厚度，而厚度由行车荷载和防止反射裂缝两个因素控制。3、反射裂缝产生机理理论反射裂缝是指下层混凝土板的接缝或裂缝，由于环境(主要是温度和湿度)的不断变化与荷载的反复作用，在沥青加铺层的相应位置上产生的裂缝。产生反射裂缝的力学机理，通常认为是由于下层路面接缝、裂缝处的竖向和水平位移所致。竖向位移是接缝、裂缝两侧道面由于机车轮荷载作用产生的垂直方向
11、的相对位移；水平位移是由于温度或湿度变化引起道面板的胀缩产生的水平方向的位移。根据研究发现，温度变化引起的水平位移是产生反射裂缝的主要原因。下层道面板产生的水平位移，使沥青加铺层在接缝、裂缝处产生较大的拉应力。而沥青混凝土在低温时不宜变形，当拉应力超过沥青混凝土的抗拉强度时，即出现开裂。在温度、湿度应力和车轮荷载的综合作用下，裂缝不断向上开展，最后反射到加铺层表面上来。4、土工布及土工格栅作用理论土工布及土工格栅的主要作用：抗疲劳开裂、耐高温车辙、抗低温缩裂以及延缓反射裂缝，在沥青罩面层的下面加铺土工格栅，抑制应力，释放应变，作为沥青混凝土拉伸增强材料，达到减少裂缝的目的。5、对原路面路况调查
12、与处理的理论旧路改造最关键的问题应该是对原有路面使用状态的评价，对路面损坏的原因进行深层分析，并由此提出切实可行的处理方案。 （这个问题至今没有引起我们的足够重视） ，同时众多的改造工程经验、教训表明，旧水泥混凝土路面的处治往往是影响该项工程成败的关键，尤其在传荷能力较差的接缝处，板下脱空影响重大，必须对水泥混凝土路面的处治给予高度重视，对水泥混凝土路面的各种破坏情况，采取相应的修补方法。目前，在旧水泥混凝土路面上加铺沥青混凝土层之前对板块的处理方法有板块压浆法和板块破碎法。实践证明，对于压浆处理的板块，除进行常规病害处理外，采用单点弯沉、接缝两侧的弯沉差作为旧水泥混凝土路面修补的控制指标是解
13、决旧水泥混凝土板下脱空和提高接缝间传荷能力的有效途径之一。目前采用较多的是将单点实测弯沉值作为水泥混凝土板块压浆控制指标。在这个问题上我们也有深刻的体会。按照公路沥青路面设计规范JTJG D502006的要求， “水泥混凝土路面应重点调查以下内容：破碎板块、开裂板块、板边角的破碎状况，并逐个记录破碎板块的位置和数量或按车道绘出破碎状况草图，计算出每公里断板率，用落锤式弯沉仪或贝克曼弯沉仪进行现场测定。视路况每块板或每 24 块板选一测点，在横向接缝板边距板角 3050cm 处测定弯沉，全面了解水泥路面的承载能力情况。 ”二、典型工程案例分析、青岛开发区自 2004 年起至 2008 年共完成
14、18 条水泥路面的改造任务。其中有代表性的值得总结的是：嘉陵江路、淮河路、龙岗山路（港内段） 、崇明岛路、江山路等，现分别介绍如下：1、嘉陵江路，是我区连接南北城区的交通要道，也是我区第一个水泥混凝土路面改造工程，该路车流量大，重载车多。于 2004 年施工，设计标准为：城市主干道级标准，设计年限 15a,结构设计为：沥青砂灌封+粘层油+土工布（长丝无纺聚酯） +4cm 中粒式 +3cm 细粒式（改性沥青） ，由于缺乏经验，大约一年半左右在水泥板块之间出现了反射裂缝，局部路段信号灯处还出现了推移的现象，总结后我们认为，尽管旧路的路况很好，但设计厚度为 7 cm 对于交通量大的主干道来说还是偏薄
15、些，而且还由于青岛地区冬季气温变化的影响，当初我们曾建议采纳交通部科学研究所沙庆林院士：“最小厚度不小于（5+4）9cm 的建议” ，实践证明沙庆林院士关于厚度的建议是科学的，后来的多个工程也进一步证明了这一点。2、淮河路，是我区唯一一条采用“碎石化”处理旧路的工程，于2004 年施工，设计标准：城市主干道级，结构设计为：打碎水泥板块+透层乳化沥青(3.5kg/平方米)+6cm 粗粒式+5cm 中粒式+4cmSMA-13, 该路段是青岛港北出口的必经之路，3 年后东段出现局部沥青面层破碎的现象，破碎的路段地势较低，过去是海滩经常被水淹，而西段因地势较高没有出现异常情况。分析后我们认为应该是水损
16、害所致， “碎石化”工艺中有一个关键点是必须做排水设计，而且应选择路基较高不易被水侵蚀的道路，淮河路当初设计时就没有考虑到排水问题。3、龙岗山路（港内段）2005 年施工，该路段是青岛港的北出口，承担着青岛港 70%的货运量，青岛港目前年吞吐量已达 3 亿多吨，集装箱已达 1000 万标准箱。该路段设计结构为：处理原基础+乳化沥青+玻纤格栅+3cm 调平层+6cm 粗粒式 AC-25+4cm 中粒式 AC-16+4cm 细粒式 AC-13,由城市管网排水，该工程使用至今没发现任何问题，从设计到施工该工程都是最成功的案例。4、崇明岛路，2005 年施工，设计标准：城市主干路级，结构设计为：处理基
17、础+ 粘层油 + 土工格栅+5cm 粗粒式+4cm 细粒式，慢车道：粘层油+土工布 +5cm 细粒式，该工程至今未出现问题，获得 2006 年度“山东省市政金杯示范工程”奖。5、江山路，是开发区主城区连接胶州湾高速公路的交通要道，于2005 年施工；全长 12.7 公里，双向 6 车道，设计标准：城市主干道级，结构设计：处理基础+粘层油+ 土工格栅+5cm 粗粒式+4cm 中粒式，该路面于 2008 年秋陆续出现裂缝，后经开槽灌封等特殊处理后，反射裂缝得到了有效的控制。三、存在的问题以及我们的体会1、设计方面存在的问题，主要是设计体系不完善，对旧路的基本路况缺乏详细的调查和检测，过分的看重土工
18、格栅或土工布的作用，而忽视了对原路面的处理，例如有的路段水泥板块松动、脱空，有的甚至稳定层已经失去了承载能力，这种情况即使将沥青层的标准设计的再高也无济于事。2、设计时对水损毁重视不够，低洼路段往往排水不畅应充分考虑其对沥青面层的影响。3、从施工环节看至今仍未有令人满意的施工工艺和规范，如：旧路面的处置方法，格栅的施工方法，如何固定在水泥板块上？搭接究竟有多大作用？格栅下面的粘层油究竟洒多少合适？理论上似乎都解决了但实际操作起来难度很大。4、通过对反射裂缝的观察我们发现，反射裂缝一般分布在板缝中心的两侧散布在 60-100mm 范围内,反射呈应力逐渐分散状，因此我们认为将旧路面的板缝开成 V
19、型槽，并用沥青砂灌缝可以解决应力集中的问题。5、经验告诉我们，旧水泥混凝土路面的处治往往是影响该项工程成败的关键。应当引起决策者和工程技术人员的高度重视！四、结束语：1、公路行业一致认为， “碎石化”处理水泥路面仍然是从根本上解决反射裂缝最有效的方法之一，也是水泥路面改造中的最佳方案。但根据我们的实践，对于城市道路来说选择此方案需要慎重考虑，因为破碎的过程中能否对地下管网造成损害还有待研究。2、决定改造后工程质量的关键还是要处治好原路面，一般沥青厚度两层在 9cm15cm 基本可以满足各种道路等级的要求。3、尽管目前国内已经有了水泥路面改造的设计规范，但由于各地各自的自然条件差异很大，目前的设
20、计理论也还有值得商榷和需要进一步完善的地方，相同的方法有时甚至会得出相反的结论，这就要求设计者根据当地的具体路况综合考虑改造方案。尤其是城市道路有它的特殊性，还有待同行们去不断地积累、总结。4、目前为止有关水泥路面加铺沥青层的施工规范仅限于公路沥青路面施工技术规范中的一句话“以旧的水泥混凝土路面作基层加铺沥青面层时，应根据旧路面的质量，确定处治工艺，确认能满足基层要求后，方能加铺沥青层”仅仅一句话显然是不够的，施工过程中许多技术问题尚不成熟仍处在试验、研究阶段，有待规范。参考文献：1中华人民共和国行业标准 公路沥青路面设计规范 （JTG D502006） 北京 ：人民交通出版社 ，20062中华人民共和国行业标准，公路沥青路面施工规范 （JTG F402004） 北京: 人民交通出版社，20043中华人民共和国行业标准，城市道路设计规范（CJJ 3790）北京，4张超，李赞成，田艳凤.水泥混凝土道面加铺沥青混凝土面层后反射裂缝的防治. 公路.2002.1，5高建虹,玻璃纤维土工格栅在沥青路面的应用. 公路.2002.3,6沙庆林，王旭东 水泥混凝土路面加铺沥青混凝土面层技术研究. 公路.2002.11,7卢拥军， 沥青混凝土加铺层改造旧水泥混凝土路面若干问题的探讨. 公路.2002.12,
