微裂均質化再生技術在道路改造工程中的應用研究

李平

摘要：文章結合工程實例，通過舊路評定確定力學參數，建立力學模型，進行力學分析，探索最佳的微裂均質化再生路面方案。結果表明：微裂均質化再生技術適用于整體狀況“良”但承載能力一般、斷裂板較多的舊水泥混凝土路面；瀝青加鋪層并非越厚力學性能越好，隨著厚度的增加加鋪層應力改善作用逐漸減緩，而瀝青永久變形量不斷增大；基于經濟和力學性能綜合考慮，10～12 cm厚瀝青加鋪層+再生舊水泥基層為最佳的微裂均質化再生路面方案。

關鍵詞：微裂均質化再生；舊水泥混凝土路面；應力；應變

中圖分類號：U416.26 A 38 120 4

0 引言

自20世紀90年代起，我國開始大量修建水泥混凝土路面，根據我國交通運輸部發布的《2010年公路水路交通運輸行業發展統計公報》，2010年水泥混凝土路面已建成137.55×104 km［1］。時至今日，該時期建成的水泥混凝土路面已經使用將近或超過15年，這期間我國交通運輸行業高速發展，重載交通量快速增加，這部分水泥混凝土路面已經出現不同程度的損壞，使用性能下降，進入使用壽命的末期，亟須進行升級改造。

面對水泥混凝土路面發展的新階段，如何在科學合理地評定舊水泥混凝土路面技術狀況的基礎上，探索經濟、環保、結構優良的舊路面利用方案已成為舊水泥混凝土路面改造領域面臨的主要問題。本文結合工程案例，將微裂均質化再生技術［2］與就地破碎原路面再生利用、原路面修復利用方案進行對比分析，研究微裂均質化再生技術在道路改造工程中的應用效果，以期為類似項目提供參考和借鑒，并推動舊水泥混凝土路面的綠色低碳化改造。

1 項目概況

廣東東莞市某舊水泥混凝土路面改造工程，路線全長約5.8 km，道路等級為一級公路，雙向四車道，舊路面寬17 m，舊路基寬24.5 m，路基斷面組成為3.75 m土路肩+8.5 m行車道+8.5 m行車道+3.75 m土路肩，于2002年竣工交付使用。舊路交通量較大，大型、特大型貨車占比接近25%，屬于重交通道路。原舊路路面結構層自上而下為：24 cm水泥混凝土面層、16 cm水泥穩定碎石基層、16 cm水泥穩定石屑底基層。舊路擬改擴建為一級公路兼城市主干道，道路中線不動，斷面往兩側拓寬至35 m，斷面組成為4.5 m慢行道+12 m行車道+2 m中分帶+12 m行車道+4.5 m慢行道，新建路面擬采用瀝青混凝土面層。

2 舊路評估

為了給舊路利用方案提供全面的數據支撐，本次研究對舊路從路面破損狀況、接縫傳荷能力、板底脫空、基層頂面當量回彈模量及面層芯樣強度進行了全面的評價分析［3］。

2.1 舊路路面狀況評價

本次研究采用目測、儀具量測并結合拍照的方法，對舊路面的損壞類型、損壞程度及位置、范圍等進行調查和評價。路面破損評定及斷板率分別見表1、圖1。

根據破損狀況、斷板率數據，舊路面整體評定等級為“良”，左幅評定等級為“次”，右幅評定等級為“良”。局部路段裂縫板和斷裂板相對較多，錯臺現象比較明顯。

2.2 接縫傳荷能力評價

如表2所示，舊路面整體接縫傳荷能力較好，評為優良等級的比例占68%，且右幅優于左幅，左幅接縫傳荷系數的代表值為39.52，右幅為46.865。兩個方向的變異系數均較大，見表2。

2.3 板底脫空評價

舊路主車道的脫空率均在16%左右，超車道的脫空率均在50%左右，超車道的脫空率均大于相應的主車道，左右幅總的脫空率為33%左右。各車道脫空率分布見圖2。

2.4 基層頂面當量回彈模量及路面芯樣參數

舊路面基層頂面當量回彈模量數值均在200 MPa左右，左幅均值為205 MPa，代表值為200 MPa，變異系數較??；右幅均值為203 MPa，代表值為197 MPa，變異系數較小。

舊路水泥混凝土芯樣顯示路面結構較完整，路面板芯樣抗折強度最大值為8.53 MPa，最小值為5.69 MPa，平均抗折強度為7.1 MPa，標準差為0.8，變異系數為0.11，代表值為6.9 MPa；彈性模量平均值32.2 GPa。

3 舊水泥混凝土路面利用方案的選擇

本次舊路擬改擴建為一級公路兼城市主干道，擬采用瀝青混凝土面層，無論從經濟還是環保的角度，舊水泥路面都不能直接挖除丟棄，因此舊水泥路面的利用是改擴建的重點、難點。根據舊路路面狀況評價，現有路面狀況為“良”、結構較完整、整體接縫傳荷能力較好、面板強度大；但結構層整體承載能力一般，板底脫空率較高，“中”“次”路段有單幅3.7 km，占整個檢測路段的32%左右。據此，為了選擇最優的舊路面利用方案，本次研究將微裂均質化再生與傳統的修復換板及就地碎石化方案進行綜合比選，各項對比見表3。

經過綜合比選，考慮到該項目舊路狀況相對良好，就地碎石化舊路強度損失大且需要加鋪水泥穩定碎石，成本巨大，因此首先排除就地碎石化方案。由于“中”“次”路段占整個檢測路段的32%左右，修復利用需要進行大面積的換板，造價較高，同時難以有效解決舊路整體承載能力一般、板底脫空率較高的隱患。而微裂均質化再生無須大面積換板，能有效克服剪切、疲勞、溫縮三類反射裂縫源，穩定舊水泥板塊，加固基層和路基，改善舊路結構層整體承載能力，消除層間脫空［5］，因此本次研究推薦采用微裂均質化再生技術對舊路面進行利用。

4 微裂均質化再生路面方案

為了驗證擬采用的微裂均質化再生路面方案是否能滿足道路使用要求，本文將采用Abaqus有限元軟件對微裂均質化再生路面方案的受力狀態進行分析［6］。

4.1 微裂均質化再生路面方案的力學模型

本次計算采用三維模型，為了計算簡便將路面結構簡化為舊路面留用結構復合地基、微裂均質化舊板、瀝青加鋪層三部分。

4.1.1 模型尺寸

模型平面取舊水泥路面4.25 m×4 m的板塊尺寸，考慮到路面行車荷載的影響深度一般≤5 m，因此深度取5 m，三維模型尺寸為4.25 m×4 m×5 m［7］。三維模型簡圖見圖3。

4.1.2 結構層參數

舊路面留用結構復合地基的當量回彈模量采用原舊路面基層頂面當量回彈模量，取200 MPa。舊水泥面板微裂后表面無松散破碎顆粒，具有“表面裂而不碎、內部斜向開裂、完全契合、嵌鎖力強”的結構特點，處于“剛柔相濟”的受力狀態。根據其受力特點，將其視為內部連續的具有柔性基層特點的剛性結構層，取微裂后控制彎沉為38（0.01 mm），參考相關工程經驗后換算微裂均質化舊板回彈模量［8］為5 200 MPa。瀝青路面加鋪層采用200、10 Hz條件下的動態壓縮模量［9］。具體參數見表4。

4.1.3 荷載參數

行車荷載采用標準軸載BZZ-100，軸重100 kN，輪胎接地壓強0.7 MPa，單輪接地當量圓直徑為21.3 cm，兩輪中心距31.95 cm。為了便于計算，按照荷載應力等效的原則［10］，將雙圓均布荷載換算兩個18.9 cm×18.9 cm的正方形，接觸面積為357.21 cm2，雙輪中心距為32 cm，詳見圖4。

4.1.4 邊界約束

計算模型底部被近似認為是全約束的，即各方向的位移都為0，繞方向轉動的轉角也為0。模型側面受到外側土體或結構體的壓力，可近似認為水平方向的位移為零，僅存在豎向微小位移。

4.2 微裂均質化再生路面結構的力學分析

根據所建立的力學模型，本次研究分別對微裂均質化水泥板加鋪8 cm、10 cm、12 cm、16 cm、20 cm厚度的瀝青層進行計算。由于微裂均質基層具有“剛柔相濟”的特性，因此本次計算主要研究瀝青加鋪層層底應力、應變的狀態及地基基頂壓應變。

4.2.1 瀝青加鋪層的應力分析

根據模型計算結果，各瀝青加鋪層層底的等效應力σe、最大主應力σ1、X軸向應力σx、Y軸向應力σy、豎向應力σz分別見表5、圖5。瀝青加鋪層的應力云圖以12 cm厚瀝青加鋪層行車方向Y軸向應力σy為例，見圖6。

由表5及圖5～6可知，等效應力σe隨著加鋪層厚度的增加逐步減少；最大主應力σ1隨著加鋪層厚度的增加由壓應力變為拉應力；X軸向應力σx、Y軸向應力σy隨著加鋪層厚度的增加而增加，但在16 cm厚加鋪層后轉而減少；豎向應力σz隨著加鋪層厚度的增加逐步減少，但減小的幅度逐漸放緩。

4.2.2 瀝青加鋪層應變及地基基頂壓應變分析

根據模型計算結果，各瀝青加鋪層層底行車方向應變εy、地基基頂壓應變εz及瀝青永久變形量Ra分別見表6、圖7。

由表6和圖7可知，加鋪層層底行車方向應變εy隨著加鋪層厚度的增加而增加，但在16 cm厚加鋪層后轉而減少；瀝青永久變形量Ra隨著加鋪層厚度的增加而增加，20 cm厚加鋪層時已超過容許永久變量15 mm；地基基頂壓應變εz則隨著加鋪層厚度的增加而減少。該項目設計使用年限內設計車道上的當量設計軸載累計作用次數為14.454×106，反算加鋪層疲勞開裂容許拉應變約為78.5×10-6～94.5×10-6，地基基頂壓應變約為162×10-6～196×10-6。各加鋪層εy、εz計算結果與應變容許值相距甚遠，符合微裂均質化舊水泥基層剛性較大的受力特點，因此瀝青加鋪層主要受控于瀝青混合料永久變形控制。

4.3 微裂均質化再生路面方案的應用

根據力學分析結果，瀝青加鋪層并非越厚其力學性能越好，隨著厚度的增加加鋪層應力改善作用逐漸減緩，而瀝青永久變形量不斷增大，經濟性降低。瀝青加鋪層厚度為12 cm時，其應力、應變狀態及瀝青永久變形量均處在適中的狀態，且滿足規范要求，經濟性良好，因此本次研究推薦采用12 cm厚的瀝青路面加鋪結構。具體路面方案見表7。

5 結語

微裂均質化再生是一種相對經濟、環保的舊水泥混凝土路面處治利用方案，對舊水泥混凝土路面的綠色低碳化改造具有重要的意義。本文結合工程實例，在對舊路全面評估的基礎上，對微裂均質化再生技術在道路改造中的應用進行了研究，取得了以下研究成果：

（1）微裂均質化再生技術適用于整體狀況“良”，但承載能力一般、斷裂板較多的舊水泥混凝土路面。

（2）瀝青加鋪層并非越厚力學性能越好，隨著厚度的增加加鋪層應力改善作用逐漸減緩，而瀝青永久變形量不斷增大。

（3）基于經濟和力學性能綜合考慮，10～12 cm厚瀝青加鋪層+再生舊水泥基層為最佳的微裂均質化再生路面方案。

鑒于舊水泥混凝土路面微裂均質化后受力特性較復雜，本次力學模型未必能全面反映其復雜的特性，僅供類似項目參考。

參考文獻

［1］交通運輸部綜合規劃司.2010年公路水路交通運輸行業發展統計公報［EB/OL］.https：//www.mot.gov.cn/fenxigongbao/hangyegongbao/201510/t20151013_1894757.html，2011-04-28.

［2］T/CECS G：M44-01-2021，水泥混凝土路面微裂處治與加鋪技術規程［S］.

［3］JTG 073.1-2001，公路水泥混凝土路面養護技術規范［S］.

［4］李麗慧，張浩亮，司兵洋.水泥混凝土路面微裂加固技術在市政道路的應用［J］.西部交通科技，2019，64（2）：243-247.

［5］王都興.舊水泥混凝土路面微裂均質化處治與加鋪技術［D］.西安：長安大學，2019.

［6］馬 濤，廖公云，黃曉明.Abaqus有限元軟件在道路工程中的應用［M］.南京：東南大學出版社，2021.

［7］程培峰，林 宏.基于Abaqus的舊水泥混凝土路面加鋪瀝青層結構的力學研究［J］.公路工程，2017，42（1）：9-12，30.

［8］JTG D40-2011，公路水泥混凝土路面設計規范［S］.

［9］JTG D50-2017，公路瀝青路面設計規范［S］.

［10］呂蔣聰.沖擊壓實破裂穩固舊水泥混凝土路面加鋪層結構形式研究［D］.廣州：華南理工大學，2009.

收稿日期：2023-09-05