談談土工布在舊砼路面改造中的應用

   一、前 言 
    水泥混凝土路面在長期使用過程中，由于諸多原因，不可避免地出現表面光滑、破損、斷裂等各種病害。對于此類病害加固補強的方法有：水泥混凝土加鋪層和瀝青加鋪層。由于高等級公路上交通量大，修復過程中不允許全幅中斷交通，而瀝青加鋪層具有修復周期短、行車舒適等優點，因此，在舊水泥混凝土路面上加鋪瀝青加鋪層已成為一種切實可行、簡單有效的修復措施。
    該修復措施常規做法是直接在舊路面上直接加鋪面層，但由于原水混混凝土板溫縮及荷載作用下變形，造成瀝青類面層在原接縫處反射開裂，較大的反射裂縫會導致雨水滲人，從而引起瀝青罩面層新的病害。如何減緩反射開裂多年來一直是許多道路工程師和科學家們研究的熱門課題，國內外的研究人員對反射裂縫進行了長期廣泛地研究。最初是采用加設一層瀝青碎石連接層的辦法，根據試驗表明，當該連接層厚度達到6cm以上時，抗反射裂縫效果才隨厚度增加而提高，由于該方法成本較高，故不宜大規模推廣應用。隨著相關材料科學的發展，經大量的研究分析和實驗比較，使用專用土工布是目前減緩瀝青罩面層反射開裂有效的、價格適宜的成功方法。本文結合廣西地區目前舊路補強土工布使用情況的研究分析，對土工布在舊水泥混凝土路面改造中的應用進行論述。 
    二、瀝青罩面層開裂分析及計算方法
    經分析瀝青罩面層開裂，主要是由于舊水泥混凝土板水平及豎向位移產生的反射裂縫。舊水泥混凝土板水平位移主要是由于水泥混凝土水平向溫縮和熱脹引起的，豎向位移主要是由于行車荷載作用引起的。由于罩面計算及分析不僅僅涉及舊路面的結構狀況、損壞程度、變通狀況、環境因素，而且還需要采用適用的力學分析模型，選用準確合理的材料參數等，內容廣泛、復雜多變，因此目前雖然國內外有較多的計算方法，但至今未有一成熟、好的計算及設計方法，筆者僅就目前采用較多的計算及設計方法簡述如下：
    （一）COE法
美國工程師部隊(COE)按照補足厚度缺額的概念，提出了舊水泥混凝土面層上加鋪瀝青層的經驗厚度計算公式：
h=A(fhd-cbho (1)
　 式中：hd為按現有地基承載力和未來交通要求，由新建混凝土路面設計方法確定的單層混凝土面層所需厚度（cm）；h0為舊混凝土板的厚度（cm）；cb為舊面層板的狀況系數，含有細微的初始裂縫時，cb=l；含有多條裂縫或角隅斷裂時，cb=0.75；f為控制舊面層板在加鋪后 裂縫進一步發展程度的系數，隨交通和路基強度變動于0.6～1.0；A為混凝土層厚與瀝青層厚的當量轉換系數，A=2.5；hd不但與交通量和地基承載能力有關，還與板長、溫差等因素有關，精確的計算比較困難。對于瀝青加鋪層設計，h0可參照表1取值。cb值變動的范圍較大，具體選用時難以正確把握，建議根據舊混凝土路面狀況指數的評級結果，按表2取值。
表1 混凝土面板厚度
交通等級 特重重中等輕
hd/cm28252321

表2 舊混凝土面板狀況系數表
路面評級優良中次差
cb10.92～0.990.83～0.910.74～0.820.65～0.73

例1：某條高速公路混凝土面板厚為25 cm，板長為5m，現交通等級為特重，舊路面狀況評級為中等，公路所處地區年平均溫度差為39℃，計算瀝青加鋪層的厚度。
    由表1 hd取28cm，由表5cb取0.86，A取2.5。對于f值，我們一般希望加鋪瀝青層后，舊混凝土面板的裂縫不再進一步發展，故，取1，則由式(1)計算瀝青加鋪層厚度為16.3cm。
    此厚度與加鋪層厚度設計通用表比較，滿足最小厚度要求，故本路段瀝青加鋪層厚度可取16cm。
    （二） AASHT0法
    美國AASHT0的路面設計指南也采用補足厚度缺額的概念確定瀝青加鋪層的厚度，但放棄了，f修正系數的考慮。其計算公式為：
    h=B(hd-he （2）
    he=c1c2c3h0 （3）
    式中：c1為考慮損壞接縫和裂縫是否修復的系數，加鋪前已進行全厚度修補時，c1=1；否則按每公里未修復接縫和裂縫的數量在0.6～1.0范圍內選取。c2為考慮舊面層是否存在耐久性問題(耐久性裂縫或反應性集料病害)的系數，無耐久性問題時，c2=1.0；有耐久性裂縫但未裂碎時，c2=0.96～0.99，有少量碎裂時，c2=0.88～0.95，嚴重碎裂時，c2=0.80～0.87：c3為考慮疲勞損壞程度的系數，少量橫向裂縫板(
B=2.2233+0.00153（hd-he）2-0.0604（hd-he） (4)
    例2：例1中混凝土面板有較多的耐久性裂縫但未碎裂，c2取0.96，有較多的橫向裂縫，c3取0.94，在加鋪瀝青層前對舊路面中損壞較嚴重的裂縫和接縫進行全厚度修補，損壞較輕的不修補，則c1可取0.9。則由式(3)得he=20.3，由式(4)得B=1.85，由式(2)得瀝青加鋪層厚度為14 .2cm。
    所得厚度小于按COE法計算的加鋪層厚度，是因為加鋪瀝青層前對舊路面中損壞較嚴重的裂縫和接縫進行了全厚度的修補。
    （三）ARE法
    1．ARE法。在推導靜力平衡分析類型時對路面層作如下假定：
    （1）材料是線彈性的，各層變形是連續的，每層材料的性質相同；
    （2）水泥混凝土內溫度變化是均勻的(不考慮板頂及板底溫差而引起的彎矩和變形)；
    （3）各層相互間整體移動；
    （4）作用于路面結構上的力滿足靜力平衡方程。
    按以上假定條件分別計算瀝青罩面因舊水泥混凝土板溫降產生的拉伸應力引起的破壞(張開位移模式)及因交通荷載在接近裂縫處的不同位移產生剪切變形引起的裂壞（剪切位移模式）。
    2．因舊水泥混凝土水平移動產生的罩面層拉應變計算。
    拉應變：ξoc=FOC/A0EO
    式中：ξoc—罩面層中的最大拉應變；Foc—裂縫頂端罩面層中的拉力；E0—瀝青混凝土的勁度模量；A0—瀝青罩面層的斷面面積。
    3．因舊水泥混凝土板接縫兩邊不同的位移造成的罩面層剪應變計算。
    剪應變：γ0=2τ0（1+υ0）/ E0
    式中：γ0—罩面層中的剪應變；τ0—罩面層中的剪應力；E0—瀝青混凝土的動態模量；υ0—瀝青混凝土的泊松比。
    4．確定罩面層的允許拉應變和剪應變，采用如下的疲勞方程：
    對于水平拉應變：
　　　　　 Nf=9.37×10-15（1/e）5.16
    對于垂直剪應變：
　　　　　 gallowable=5.2（N/9.7255×10-15）-0.1937
    5．舊水泥混凝土補強加設瀝青罩面層設計過程。
    其中影響罩面層中水平拉應變和剪應變的主要變量有：
    （1）瀝青混凝土或水泥混凝土蠕變模量；（2）瀝青或水泥混凝土的動態模量；（3）舊路面或罩面層厚度；（4）路面材料的溫度變化；（5）路面材料的熱脹系數；（6）各結構層的移動在層間形成的相互作用力；（7）接裂縫處不同的垂直位移；（8）粘結層斷裂的寬度。
    經反復試算，當瀝青罩面層計算最大拉應變及最大剪應變大于瀝青罩面層允許拉應變及剪應變時，罩面層厚度需要重新確定，ARE 設計方法推薦采用方式有：
    （1）增加罩面層厚度；
    （2）設置粘結間斷層(可采用專用土工布)；
    （3）設置應變消散夾層(可采用專用土工布)；
    上述的加鋪層設計方法中，ARE罩面設計方法的力學概念簡單、明確，計算方便，容易為設計人員理解和接受，并對影響反射裂縫的各因素進行了較全面的考慮。但由于該分析方法中作了一些粗糙的假定，從而使ARE方法并不能準確地分析瀝青混凝土罩面層中的應力分布狀況，也無法考慮接縫或裂縫處應力集中對罩面層反射裂縫的影響。在實際設計過程中，以ARE分析方法為基礎的罩面設計方法存在不足，在廣泛應用之前，必須做大量的試驗修正，同時也由于該設計方法考慮的因索太多，不僅給輸入帶來麻煩，而且一些參數的獲得也較困難，可靠度更難以保證，使得ARE設計方法較難操作。 COE法和AASHTO法都是根據舊混凝土板裂縫類的損壞狀況，按補足厚度缺額的概念計算加鋪層的，而AASHT0法不但考慮了裂縫損壞的嚴重程度和裂縫的性質，還考慮了加鋪瀝青層前，是否對有損壞的接縫和裂縫進行修復以及未修復接縫和裂縫的數量。可以認為按AASHT0法計算的結果比COE法計算的結果較為可信。
    （四）建議的加鋪層厚度
經過處理后的舊水泥混凝土板作瀝青加鋪層的基層，其剛度一般較大，基層上的彎沉較小。瀝青面層合理厚度的確定，主要是考慮防止反射裂縫。瀝青加鋪層太薄，容易產生反射裂縫；加鋪太厚，造價又太高。根據國內外的經驗，建議瀝青加鋪層的厚度取10～18 cm。
    當計算得到的瀝青加鋪層厚度超過18cm時，應當考慮在舊路面上增設一定厚度的半剛性基層。半剛性基層厚度通過計算確定，但不應小于15 cm。
    三、土工布在防治反射裂縫中的作用分析
    當瀝青罩面層由于舊水泥混凝土板位移產生的拉應力超過瀝青罩面層的抗拉強度時，瀝青罩面層自然會開裂，由于瀝青罩面層開裂，在自然環境因素作用下(雨水、濕氣、粉塵等)，導致罩面層發展成更為嚴重的病害破壞。在瀝青罩面層與舊水泥混凝土路面之間加設優良的夾層材料(專用道路土工布)是防治反射裂縫的一種有效措施。其主要作用機理如下。
    1．由于舊有水泥混凝土路面溫縮位移是連續的，土工布減小了面層與基層間的結合力，經計算，加設土工布后，原來二層界面處的結合力明顯減少，由此使罩面層最大拉應變減小。
    2．由于土工布具有較大的延伸性，舊水泥混凝土裂縫位移可通過土工布使應力擴展至更寬的范圍，從而緩解了裂縫處的應力集中。 
   3．由于土工布浸透瀝青可以有效防止地表水入滲進入基層，避免基層進一步惡化。
   4．由于土工布浸透瀝青可有效防止地下水滲人界面，減小瀝青罩面層在反射開裂處的剝離破壞。
   5．土工布夾層材料可減緩水泥混凝土板溫降，減小水泥混凝土板位移量。
    四、土工布技術要求分析
    綜上所述，采用土工布作為舊混凝土路面加設瀝青罩面層的夾層材料是防治反射裂縫的一種有效措施。但夾層材料的性能將直接影響防反射裂縫的效果。某些型號規格的土工布防反射裂縫效果明顯，而另一些型號規格土工布反而會對瀝青罩面層產生不良反效應，為了避免不恰當的選用，結合廣西地區使用情況，經對已使用的防反射開裂土工布的路面特性，土工布材料特性、施工方法進行的長期跟蹤觀測分析得出防反射開裂土工布應滿足以下技術要求。
    1．良好的耐溫性。瀝青混合料熱鋪時的溫度達150℃左右，故要求土工布材料在該溫度下不僅不能熔化或軟化，且能保持正常工作。經驗表明：聚酯土工織物性能最佳。
    2．良好的瀝青膠油吸附性。正常的施工步驟是先在開裂路面上均勻噴灑瀝青膠油，再鋪織物間層，然后在其上熱鋪面層。熱鋪面層應能吸收織物下的膠油使其達到飽和，故要求織物有良好吸附能力。
    3．柔性。柔性包含韌性與表面硬度兩重含義。韌性反映織物吸收沖擊能量的能力，它可近似地以材料的抗拉強度與延伸率之積量度。建議以CBR試驗頂破強度R來表示其表面硬度，并認為R≥2kN。
    4．良好的均勻性。織物為各向異性材料。為保證強度均勻。建議經緯兩向的強度比，對編織物不大于1.5，對無紡織物不大于1.2。
    5．強度要求。織物抗拉強度應大于400N／5cm,并具有抗刺破和抗脹破等方面的要求，強度大于800N／5cm。
    6．耐酸堿
    7．抗老化性較強。土工布在路面使用年限內應保持正常的工作狀態。
    8．厚度要求。為了防止加設土工布后造成瀝青罩面層的不良負效應(罩面層剝離破壞)，應對土工布的厚度進行嚴格限制，根據實驗分析，舊水泥混凝土加設瀝青罩面層防反射開裂，土工布厚度以小于2.0mm較為適宜。
    五、施工工藝要求
    （一）基本施工工藝如下：
清理舊有路面→修補裂縫及接縫→噴灑瀝青粘層→鋪設土工織物(滿鋪或鋪縫)→鋪設瀝青混凝土面層→碾壓。
    （二）根據以上施工工藝過程，各工序施工要求如下。
    1．清理舊有路面。（1）首先將路面清掃干凈；（2）將路面上尖銳的部分予以鏟除；（3）對于路面嚴重裂縫、破碎處，應鏟除其破碎部分，并且采用C30水泥混凝土；（4）較嚴重凹處，應采用瀝青混凝土填平。
    2．接縫處理。（1）用高壓空氣清除接縫內雜物(水、臟物、土、雜草、油脂、廢物等)；（2）接縫采用瀝青混合料(瀝青及石粉混合料)填。
    3．噴灑瀝青粘層。（1）采用國產70號石油瀝青，加熱至150～170℃之間進行均勻噴灑，噴灑量1.15kg/m2；（2）噴灑瀝青的橫向范圍要比土工織布物寬5～10cm。
    4．鋪設土工織物。要求平整無折、皺，并及時鋪設(在噴灑瀝青高溫狀態下)，鋪設可采用人工及機械鋪設，接口處應相互搭接15cm。
    5．鋪設瀝青混凝土面層。采用熱拌、熱鋪瀝青混凝土，瀝青混凝土罩面層厚度以不小于5cm為適宜。
    6．碾壓。（1）碾壓時壓路機從路邊起壓向路中，三輪式壓路機每次重疊宜為后輪寬1/2，雙輪式壓路機每次重疊為30cm。不得在新鋪瀝青混凝土上轉向調頭及左右移動或突然剎車。（2）碾壓速度初壓l.5～2km/h；復壓2.5～3.5km/h；終壓2.5～3.5 km/h。
    六、結 論
舊路面的損壞狀況很復雜，變異性大，使得加鋪層設計需考慮的影響變量多，設計參數也難以正確確定。但是，瀝青加鋪層設計中應考慮的主要因素應該是舊路面結構的強度和反射裂縫的防止。對于同一路段，用不同的計算方法所得厚度不盡相同。設計時應采用不同的方法計算，對各種結果進行分析比較，并結合實踐經驗確定加鋪層的最終厚度。
筆者結合廣西地區舊有水泥混凝土路面補強情況進行長期觀察分析研究得出如下結論：采用優良的土工布(滿足技術要求)按以上施工要點施工，能有效的減緩反射開裂。在實施過程中可根據舊路路況情況確定滿鋪或鋪縫方案，當舊路面混凝土板無斷裂現象應采取鋪縫方案(寬度脹縫縫兩邊各0.5m，縱縫及縮縫縫兩邊各0.4m)，否則采用滿鋪方案。