白改黑整治项目路面结构层设计及施工工艺研究

【摘 要】该文结合南宁市快速环道白改黑整治项目实际工程开展，采用有限元法对含裂缝的材料和结构进行应力强度因子的数值分析，并分析随着沥青加铺厚度的增加对应力强度因子的影响，研究“白改黑”整治项目在设计实施过程中沥青面层的结构设计，同时详细分析“白改黑”整治项目施工工艺，为同行开展类似工程设计提供了参考依据。

【关键词】白改黑；现状水泥混凝土路面；沥青加铺路面结构设计；ANSYS有限元模型；施工工艺；

1 引言

城市道路“白改黑”（即在旧水泥混凝土路面上加铺一层沥青，将原来的水泥混凝土路面改造成沥青路面）是城市建设发展的趋势。从上世纪80年代到本世纪初20余年间，水泥混凝土路面作为城市道路主要结构形式，在国内许多城市广泛应用[1]。但随着经济社会的发展，城市道路有了更高层次的需求，水泥混凝土路面存在一些本质缺陷，如行车产生较大震动与噪音，路表易产生裂缝、平整度差，出现裂缝、坑洞难以维修，另外吸热性能差、光折射力强易产生视觉疲劳等，这种路面与城市发展的时代性已不协调。改造成沥青路面平整性好又有柔性，车辆行驶噪音小、平稳舒适，且产生的灰尘相比水泥路面减少很多[2]，此外沥青路面维护容易，不像水泥混凝土路面，维修后需要28天的混凝土保养期，可以做到沥青摊铺碾压即可通车使用。

南宁市快速环道是南宁市路网中的主要框架市政道路之一（俗称南宁市第一环路）。快速环道现状长双向六车道，设计车速为80km/h，现状路面结构为水泥混凝土路面。与一般道路白改黑工程相比，快速环道交通繁忙，大车、重车多，白改黑路面整治相对困难，技术难度较大，而路面结构层设计及施工工艺的精细化设计是白改黑整治项目有效、保质实施的关键。本文以自身参与的以南宁市快速环道白改黑整治项目为实际案例，对旧水泥混凝土路面上沥青加铺层的路面结构设计及施工工艺进行分析、研究，为同行开展类似项目设计做参考。

2 沥青加铺层结构设计方案

2.1 沥青加铺层厚度计算

2.1.1 ANSYS有限元模型建立

在模拟过程中，先选中应变的奇异点，由于围绕裂缝顶点的有限元单元是二项式的奇异单元，所以把单元边上的中点放到了1/4处。当PLANE82单元的I，P，L重合成一点时，8节点的四边体单元则变形为6节点的三角形单元。因此，围绕裂缝尖端的第一行单元，必须具有奇异性，指定单元围绕着关键点分割排列。如图1。

以轴平行于裂缝面，Y轴垂直于裂缝面定义局部裂缝尖端或裂缝前缘的坐标系。定义裂缝顶端1点为裂缝面路径的第1点，对于全裂缝模型而言，包括两个裂缝面共需4个附加点，2、3号点沿一个裂缝面，4、5号点沿一个裂缝面，全裂缝模型的典型路径如图2。

根据分析的需要，把路面结构简化成平面应变模型，采用适合于分析二维断裂模型的PLANE82单元作为分析的基础，为反映半无限大空间基础的特性，基础采用扩大尺寸来模拟。计算参数如表1。

经过取基础不同尺寸计算误差分析，基础扩大尺寸拟定为12 m×6 m。整体网格划分如图3。

为了获得理想的计算结果，围绕裂缝顶端的第1行单元半径取为1/8裂缝长度。在裂缝四周每一单元的角度约为30°～40°，裂缝顶端的单元不能有畸变，取为等腰三角形，裂缝尖端附近网格划分如图4。

2.1.2 沥青加铺层厚度对应力强度因子的影响

应力强度因子是裂缝尖端附近应力奇异性程度的表征参量[3]，通常用K来表示。在断裂力学中，根据外加力的不同，可将裂缝分为3种基本类型（图5），对应的应力强度因子为KⅠ，KⅡ，KⅢ。

Fig.5 Classification of fracture mechanica l characteristics

沥青加铺层产生的反射裂缝，常常不是由单一的张开型（I型）荷载或滑移型（Ⅱ型）荷载引起的，而是I型+Ⅱ型的复合型反射裂缝。对于这类复杂的裂缝问题，难以获得考虑复杂边界条件的应力强度因子解析解。因此，采用有限元法对含裂缝的材料和结构进行应力强度因子的数值分析。

计算参数：水泥混凝土路面板的厚度ha=23cm，弹性模量Ea =30000MPa，基础当量模量Ea=100MPa，沥青加铺层模量Ea=1200 MPa，加铺层的厚度ha从6 cm变化到20cm。当车辆荷载为BZZ-100，加铺层表面降温幅度为T=10℃时分别计算车辆荷载和温度作用下的应力强度因子。计算结果如图6～图8。由图6可知，在车辆荷载作用下K 为负值，说明此时裂缝受压而处于闭合状态K 对裂纹的扩展将不作任何贡献，而随着加铺层厚度的增加，裂缝尖端滑移型应力强度因子KⅡ呈减小趋势。由图7可知，在温度应力作用下，Ⅱ型强度因子等于0，表明此时裂缝类型主要为张开型裂缝。

由图8可知，在车辆荷载及温度荷载共同作用下的耦合应力强度因子随加铺层厚度的增加而呈线性趋势下降。因此，考虑到路面实际情况，增加沥青混凝土加铺层厚度，有利于降低面层底部裂缝尖端的应力集中程度，对延缓反射裂缝扩展的速度是十分有效的。

2.2 沥青加铺层结构设计[4～6]

在进行沥青加铺前，必须对原旧水泥混凝土路面进行翻修，进行翻修后的路面涉及刚性、柔性两种路面结构形式，不仅材料性能差异大，水泥板受温度的影响也大，而且旧路面板上存在接缝和裂缝，并常伴有错台、脱空等损坏现象，这些都促使罩面层在对应于旧路面板接缝、裂缝的位置再次出现裂缝。这种裂缝常称之为反射裂缝。由于环境因素（包括雨水、氧化等）和旧水泥混凝土板块间的热胀冷缩等负面效应常常使得裂缝迅速向四周扩展，如果裂缝的深度一旦发展到贯穿面层，水分便会趁机而人，水分的侵入不仅会冲刷路基，造成沥青面层的唧浆，而且还会直接造成沥青面层的水损害，引起沥青路面的进一步开裂，大大缩短了沥青加铺层的使用寿命。为防止或延缓反射裂缝的产生，设计时主要采取了以下几点措施：

（1）采用合适的加铺层厚度。对病害经过处理的水泥混凝土路面板本身具有较高的强度，将其作为基层，强度可完全满足要求。因此，沥青加铺层厚度的确定，主要从防止反射裂缝方面考虑：沥青加铺层太薄，易产生反射裂缝；加铺层太厚，造价又高。经过上述ANSYS有限元模拟应力计算分析，本南宁市快速环道白改黑项目加铺层厚度采用18cm。

（2）旧水泥混凝土板的稳固处理。在加铺沥青面层之前，对旧板的主要病害进行处理。

（3）设置应力吸收层。在原水泥路面顶面铺设玻璃纤维土工格栅、土工布等，可有效地防止基层的裂缝反射到沥青面层；在混凝土板的接缝和裂缝处铺设防裂贴，可减缓反射裂缝向基层扩散。

（4）基层和面层之间设置乳化沥青稀浆封层作为下封层，可满足沥青路面的防水要求。

（5）沥青层与层之间设置热沥青粘层油，确保沥青细粒式层、中粒式层、粗粒式层之间的粘结力。

（6）在详细调查路面损坏情况及病害形成原因的基础上，通过反复的研究和技术经济比较，采用的路面结构见表2。

3 沥青加铺层施工工艺

3.1旧水泥混凝土路面典型病害处理

为了使加铺层处于良好稳定的工作状态，加铺前应对旧水泥混凝土路面板的损坏进行修复处理。通过调查分析，本工程原水泥混凝土路面的损坏主要是板底脱空和部分损坏开裂严重的面板等，对其损坏的具体情况采取相应的措施。

（1）板底脱空的处理

针对本工程原水泥混凝土板的实际情况，结合其他路段的实践经验，对板底脱空采取注浆措施进行处理。灌注采取填充式注浆，流量可取7～10L/min，不宜大于20 L/min。注浆孔与面板边的距离不应小于50cm。在一块板上，注浆孔的数量一般为5个，也可根据具体情况确定。为防止钻孔时触及传力杆钢筋，注浆孔距板角距离取45cm 。现场应根据混凝土面板尺寸、下沉量大小、裂缝状况、灌浆机械以及室内试验、施工人员的经验加以确定。孔数应能满足注浆、排气作用。用凿岩机在路面上打孔，孔的大小应和注浆嘴的大小一致，一般为50mm左右。灌注孔钻好后，用压缩空气将孔中的混凝土碎屑、杂物清除干净，并保持干燥。灌注孔的深度应视脱空层位而定，同时考虑基层情况。本工程中灌注孔深度应钻透混凝土板与三渣基层，其孔深应打到三渣基层以下5cm，一般深度应在60～70cm左右。同时要保证钻孔垂直度满足要求。钻孔顺序最好沿一个车道，边灌边钻，切不可多个车道一起钻开。

（2）损坏严重板块的处理

原有水泥混凝土板损坏严重的（有下列情况之一的），需要破碎板块，对整块面板进行翻修和重新浇筑。板块有两条（含）以上贯通裂缝的；板块有两个（含）以上破裂角；板块有一个大于1/4板面积破损角。基本原则如下：

a.凿除应注意对相邻板块的影响，尽可能保留原有拉杆。宜用液压镐凿除破碎混凝土板，应及时清运混凝土碎块。

b.旧板基层损坏部分应予清除，并将基层整平、压实，同时要具有一定横坡度，板块下已损坏的原三渣基层宜用C15素混凝土对其进行补强，其补强混凝土顶面标高应与旧路面基层顶面标高相同。宜在旧水泥混凝土路面板接缝处的基层上涂刷一道宽20cm沥青带。

c.在旧板基层上铺筑与旧板块等强度的水泥混凝土（抗弯拉强度4.5MPa），其标高控制与旧板面齐平。

d.施工中应注意对行车道与超车道之间纵缝内的传力杆钢筋的保留或恢复，对横缝（胀缝或缩缝）中传力杆钢筋也要保留。

e.原管线横向过路后修补的混凝土板块，需按损坏板块重新进行，对原有混凝土板块需切缝处理。

3.2原水泥混凝土路面板接缝及裂缝的处理

在原水泥混凝土上加铺沥青面层前，需对原混凝土板各类接缝（现状缝宽大于3 mm的）的填缝料进行换填，对各类裂缝进行填缝处理。

3.3 防止反射裂缝措施

在原水泥混凝土路面上加铺沥青面层，是目前水泥路改造的一个主要手段，其技术具有一定的难度。对路面性能具有更高的要求，并期望受用寿命长，减少维护费用。针对目前旧水泥混凝土路沥青加铺层常出现的反射裂缝，根据同类项目和试验路的工程实践经验，对防治反射裂缝的施工工艺提出了如下要求和规定。

3.3.1玻纤格栅

玻纤格栅铺设于旧水泥混凝土板与沥青加铺层之间，其所起的作用相当于在水泥混凝土中加入钢筋，从而提高沥青混凝土的抗裂能力。玻纤格栅的质量应满足抗拉强度（KN/m）≥50，最大负荷延伸率≤3%，耐温性能（℃）≥170。

3.3.2防裂贴的铺设

水泥混凝土板接缝和裂缝填缝处理后需在接缝或裂缝处铺设防裂贴。防裂贴宽度采用100cm，在水泥混凝土基层的板块接缝处“骑缝”设置。防裂贴的施工流程如下：

（1）水泥混凝土面板要求平整、洁净、干燥（含水率不大于l0%），表面不起砂。

（2）在清理好的基面上涂刷基面专用处理（清洁）剂，将基面上的残留粉尘固结，提高粘结效果。基面专用处理（清洁）剂每平米用量为0.2～0.3kg，可采用滚刷或涂刷。

（3）基面专用处理（清洁）剂表干后（以不粘手为准，一般0.5h），即可铺贴“防裂贴”。防裂贴以伸缩缝为中心线展开，隔离纸一面向下，随后将“防裂贴”原地掀起一半，撕除下面的隔离纸向前铺贴，使“防裂贴”平坦的铺贴在原位置基面上，随后，按上述方法再施工另一半“防裂贴”。

（4）“防裂贴”铺设完毕后，用砂包或橡胶轮胎压路机将“防裂贴”压密实。“防裂贴”搭接处，搭接宽度不要超过5cm，且需压密实，使其粘结牢固。

4 结论

（1）通过ANSYS模拟分析旧水泥混凝土路面结构加铺沥青应力分析，分析表明，随着沥青加铺层厚度的增加，在荷载作用下产生的剪切型应力强度因子KⅡ呈减小趋势，并控制着路面裂缝的扩展。这表明在交通荷载的作用下，增加沥青加铺层厚度有利于降低面层底部裂缝尖端的应力集中程度，抑制反射裂缝的产生和扩展。但当厚度增大到一定值时（14 cm），KⅡ减少的程度趋于缓慢。所以，基于经济上的考虑，沥青加铺层的厚度宜为l2 ～18 cm左右，南宁市快速环道白改黑项目选用了18cm。

（2）在旧水泥混凝土路面上加铺沥青面层之前必须对旧路面的路况进行全面的调查、评价和分类，根据路况的不同分类采取相应的沥青加铺方案。

（3）在进行沥青加铺之前，应重视旧水泥混凝土路面板的病害处理，以提高旧路面板的强度。

（4）在旧水泥混凝土路面板上加铺玻璃纤维格栅、防裂贴等应力吸收膜的使用，也能有效地防止反射裂缝对面层的影响，延长沥青路面的使用寿命。

（5）良好的施工质量是成功实施沥青加铺方案的有力保证。

总之，沥青路面裂缝产生的原因是多方面的，各地的预防办法也多种多样，只要施工时采取有效的措施，严格控制施工质量，就可避免产生裂缝。发现裂缝及时处置，就会延长路面使用年限。

参考文献：

[1] 张鹏.旧水泥混凝土路面黑色罩面反射裂缝的防治[J].长安大学学报（自然科学版），2005，25（3）：16―18.

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[4] 吴国雄，曹阳，付修竹.旧水泥混凝土路面沥青加铺层设计影响因素研究

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[5] JTG D5O-2006，公路沥青路面设计规范[S].

[6] JTG F40-2004，公路沥青路面施工技术规范[S].