1、“白改黑”工程反射裂缝防治技术Haiwii2015Special Issues for Highway Cement Concrete Pavement白改黑工程的难点是什么?怎样进行旧水泥路面检测与评价？如何处治旧水泥路面？防治反射裂缝的措施有哪些?一、背景一、背景二、旧水泥路面检测与评价二、旧水泥路面检测与评价三、旧水泥路面处治技术三、旧水泥路面处治技术四、加铺层厚度设计四、加铺层厚度设计五、防治反射裂缝措施五、防治反射裂缝措施提纲一、背景一、背景 1 现状现状迄今，我国水泥混凝土路面里程达170万公里，高等级水泥路少，道路等级较低（三、四级）水泥路占多数。在一些地方、路段上，超载、超限运
2、输较为严重。新建和已建水泥混凝土路面：水泥路较好，但噪声较大、行驶舒适性较差；铺面损坏严重（开裂、沉陷、错台、啃边），使用性能不满足要求；道路等级较低，有待提高；通行能力不足，需改扩建。超载超限运输横向开裂交叉开裂块裂、破碎错台啃边啃边板下唧泥脱空2 问题问题“白改黑白改黑”工程完成不长时间内工程完成不长时间内反射裂缝出现；进一步发展，沥青面层开裂、破碎，使用性能劣化。反射裂缝反射裂缝进一步发展3 解决方案解决方案旧水泥混凝土路面处治（置换、打碎、打裂、碎石化）设置碎石缓解层设置夹层（软夹层、金属网、土工格栅）沥青面层加筋，增加厚度各种措施单独或联合使用，防治/延缓反射裂缝。二、旧水泥路面检测
3、与评价二、旧水泥路面检测与评价 旧路面弯沉检测（板角、板边、板中、接缝两侧）旧路面弯沉检测（板角、板边、板中、接缝两侧）旧路面评价旧路面评价 接缝传荷能力评价 板下脱空评定旧路面状况旧路面状况 断板率 接缝错台量1 检测项目弯沉检测超车道行车道行车方向旧路面板弯沉脱空测点位置示意图旧路面板弯沉脱空测点位置示意图 贝克曼梁法FWD（落锤仪）法2 旧路面评价表表 旧水泥混凝土路面接缝传荷能力分级标准旧水泥混凝土路面接缝传荷能力分级标准等级优良中次差接缝传荷系数/%806080406020平均错台量/mm33771212旧水泥混凝土路面状况评价包括断板率、平均错台量旧水泥混凝土路面状况评价包括断板率
4、、平均错台量直接加铺：断板率为优良、中等级时。碎石化：断板率为次、差时。三、旧水泥路面处治技术三、旧水泥路面处治技术 1 处治方法直接加铺破碎板置换清缝、补封板底注浆错台磨平表面清理旧路面碎石化破碎板置换破碎板置换清缝清缝压泡沫条压泡沫条调料调料清缝、补封清缝、补封嵌缝嵌缝清洁清洁养护养护板底注浆板底注浆注浆材料及技术要求注浆机械设备注浆工艺注浆效果评价注浆材料及技术要求注浆材料：注浆材料：水泥基材料（水泥、粉煤灰、外加剂、水）乳化沥青水泥基复合材料（乳化沥青、水泥、外加剂、水）技术要求：技术要求：抗压强度（3d，5MPa，28d，10MPa）流动度注浆工艺钻孔注浆养生注浆步骤(1)注浆板的调
5、查、标识、记录(2)注浆孔的布设与钻孔(3)注浆材料浆体的制备(4)监控仪器的架设(5)施工人员配备(6)注浆设备(7)注浆及注浆压力控制(8)注浆顺序和二次注浆(9)养生(10)弯沉检测注浆流程路面板脱空检测评定（FWD、探地雷达）安全作业、交通控制孔位布置、钻孔注浆、养生注浆孔封堵、路面清洗开放交通检验合格制浆复注YN注浆效果评价接缝错台磨平接缝错台磨平错台打磨错台切补错台打磨错台切补表面清理杂质、碎屑灰尘油污2 直接加铺通过破碎板置换、清缝、补封、板底注浆、错台磨平和表面清理等措施处治旧水泥混凝土路面板，然后在其上加铺沥青面层的改建方法。优点：旧混凝土路面充分利用 缺点：反射裂缝3 旧路
6、面碎石化u 打碎压稳打碎压稳u 打裂压稳打裂压稳u 碎石化碎石化u 不同碎石化方式适用性不同碎石化方式适用性u 碎石化路面顶面容许弯沉碎石化路面顶面容许弯沉当旧水泥混凝土面层损坏状况严重时，宜选用打裂压稳方案或碎石化方案处治旧混凝土路面，根据公路等级和交通状况，将处治后的旧路面用做改建路面的基层或底基层。打裂压稳改建方案，打裂后应使75%以上的旧混凝土板产生不规则开裂，相邻裂缝形成的块状面积为0.40.6m2；碎石化改建方案，破碎后应使75%以上的旧混凝土板破碎成最大尺寸小于400mm的颗粒。打碎压稳多锤头破碎机（Multiple Head Breaker，以下简称MHB机）属“打碎压稳”类机
7、械，是轮胎自行式设备，其后部有2排重锤，锤重454545kg，前后每对重锤有一套单独的液压提升系统为动力，在破碎旧水泥混凝土路面时，重锤按一定规律下落，每重锤下落时可产生1.3811.1 kJ的冲击能量。MHB机机共振式破碎机属“打碎压稳”类机械，其工作原理是由凸轮转动产生的偏心力在机械与水泥混凝土路面接触处产生高频低幅的振动，这种高频低幅振动能量大部分由水泥混凝土板吸收，从而造成水泥混凝土的解体碎裂。美国Resonant Machins,Inc.公司生产的共振式破碎机PB4，见下图。打裂压稳目前水泥混凝土路面重建中，“打裂压稳”是采用最多的旧水泥混凝土路面处理方式，其代表性机械为冲击压路机。
8、冲击压路机冲击压路机碎石化路面铣刨机为矿山机械，用于露天矿的挖掘，近几年才用于旧路面的重建之中。我国拟引进的美国Trencor公司的RoadMiner系列的路面铣刨机，一次最大铣刨宽度为4.1m，最大铣刨深度为1.5m，可用大面积的水泥混凝土、沥青混凝土路面结构层的重建，铣刨速度视用户的集料粒径要求决定 路面铣刨机路面铣刨机表表 不同碎石化方式的适用性排序表不同碎石化方式的适用性排序表 机械碎石化类型碎块尺寸均匀性影响深度环境影响价格简易碎石化设备集料化56563冲击压路机打裂压稳65151铡式破碎机打裂压稳44242多锤头破碎机打碎压稳33334共振式破碎机打碎压稳22415路面铣刨机集料化
9、11-26不同碎石化方式适用性不同碎石化方式适用性排序不同碎石化方式适用性排序碎石化路面顶面容许弯沉面层 E1,v1,h1地基 Et,vt加铺层双层弹性层状体系模型2t2(1)a(a,0)tvpwE面层 E1,v1,h1当量 Et,vt2aPP应力计算点弯沉计算点2aa10.2200.30011max111633exp(3.12)1.7880.933()ttrwEEphE10.4230.25111max114477exp(3.19)1.4500.727()ttrwEEphE13231112t1(1)6(1)tE hvrEv连续连续 光滑光滑 sp1.0MPa时碎石化旧水泥混凝土路面顶面最大容许
10、弯沉（时碎石化旧水泥混凝土路面顶面最大容许弯沉（0.01mm）交通量/百万次沥青面层厚度/cm10 12 14 16 18 20 3647481909910755967758390971054616975818850495662697581100445056626772200414753586369sp1.2MPa时碎石化旧水泥混凝土路面顶面最大容许弯沉（时碎石化旧水泥混凝土路面顶面最大容许弯沉（0.01mm）交通量/百万次沥青面层厚度/cm10 12 14 16 18 20 37080889710711456372818897105105765728086955052586672808510
11、0465359657176200434955606671对应不同交通量水平和沥青加铺层厚度，要求碎石化旧水泥混凝土路面顶面弯沉在41107(0.01mm)，或43114(0.01mm)之间变化，否则，顶面弯沉超过107或114(0.01mm)，碎石化旧路面不能提供所需的刚度。一般碎石化旧路面顶面代表弯沉值在80110（0.01mm）之间变化，当碎石化旧路面顶面弯沉不能满足直接加铺沥青罩层的要求时，应在其上设置补强基层后再加罩沥青面层。四、加铺层厚度设计四、加铺层厚度设计 1 设计方法补足厚度缺额的设计经验-力学法设计2 补足厚度缺额的设计美国陆军工程师部队（美国陆军工程师部队（COECOE）方
12、法）方法依据强化试验路的观测和分析结果，于20世纪50年代中期提出了旧水泥混凝土路面加铺沥青层的经验厚度hov的设计公式，COE在试验期间观测到，沥青加铺层下的混凝土板在荷载作用下逐渐开裂，并继续发展到碎裂成0.460.65m2的小块，随后路表弯沉随荷载作用而急剧增长，并在地基内出现剪切破坏。美国美国AASHTO 方法方法()ovdefhA hhefbjbdbfexhC CChA为混凝土路面和沥青面层的当量转换系数，是混凝土路面板厚度缺额的函数。A2.2233+0.00153(hdhef)20.0604(hdhef)。3 经验-力学法设计AASHTO 2002De Bondt 方法Robert
13、 L.Lytton方法Molenaar方法我们的方法经验-力学法设计I2002年的AASHTO铺面设计指南（2002 AASHTO Pavement Design Guide）中的加铺层设计修改为基于力学经验法的设计方法。经验-力学法设计IIDe Bondt的加筋沥青加铺层设计是在野外测量、室内测试、理论发展和数学模拟的基础上形成的。其设计思路为：应用有限元方法，采用断裂力学理论处理加筋沥青加铺层问题，设计模型考虑裂缝/接缝间断的存在，能预测交通荷载、温度下降和不均匀的土壤运动的影响；裂缝在加铺层中的扩展；道路结构的层间滑动；加铺层底加筋的作用。De Bondt等人用截面单元模型模拟旧路面结构
14、的裂缝/接缝行为，裂缝/接缝的界面剪切劲度Dtt必须来自野外记录的裂缝的相对运动，其值代表特定环境（速率和温度）的接裂缝的性能。通过大量研究发现，FWD是目前测量裂缝相对（竖向）运动最合适的工具。De Bondt等人的设计方法，能够评估各类加铺层的寿命，所需数据可以通过实地评估和以材料为主的试验得到。经验-力学法设计IIIRobert L.Lytton于1989年基于对弹性地基梁模型的断裂分析，提出了沥青加铺层在交通荷载作用下I型和II型裂缝应力强度因子的计算式，以及温度荷载作用下I型应力强度因子的计算式，建立了加筋材料受力模型，引入加筋对沥青加铺层开裂的影响。在此基础上，结合Paris疲劳断
15、裂公式，提出沥青加铺层（含加筋）的厚度设计方法。在设计用土工织物加筋沥青加铺层时，必须选择加铺层厚度d0，织物或格栅承受的最大拉力，条形织物宽度和所用粘层油的数量。由于这些参数选择相互影响，可以通过迭代过程进行加铺层优化设计。()ndcAKdN经验-力学法设计IVMolenaar等人于1996年提出一种等效层模型，即将开裂层以下部分结构层（含路基）、开裂层所含结构层及其加铺层分别等效为一种材料，确定其当量模量，然后按双层体系（地基、开裂层）进行结构分析，根据Paris公式提出加铺层设计方法。等效层的模型可分为两种情况，如下图所示。cd沥青加铺层旧路面层旧水泥处治基层路基Es等效层沥青加铺层旧路
16、面层路基无结合料集料基层Es等效层cda)b)等效层模型等效层模型经验-力学法设计VE1,u1,h1E2,u2,h2kkE2,u2,h2E1,u1,h1ABPP正荷载偏荷载温度收缩温度收缩夹层AB夹层111trprrf11prr333tp333tp我们的方法，极限状态方程：荷载作用LLBjointvehicle loadmoving directionxyo温度变化作用yxyxkh1,E1,v1h2,E2,v2z夹层(kv0,ku0)传力杆缝宽2纵缝横缝LLB a 温度收缩（结合）b 温度收缩（半结合）a 温度收缩（结合）b 温度收缩（半结合）a 温度翘曲（结合）b 温度翘曲（半结合）破坏模式
17、(b)Vehicle Load Off JointCrackingCrackings(c)Vehicle Load Off JointCrackingsInterface Damage(a)Vehicle Load Over Joint五、防治反射裂缝措施五、防治反射裂缝措施 1 工程措施设置夹层 软夹层 土工织物 土工格栅 金属网格设置碎石缓解层增加沥青加铺层厚度提高沥青混凝土的抗裂性能2 设置夹层设置夹层设置夹层应力消散（吸收）夹层（橡胶沥青、防裂贴和SAMI等）；土工织物（聚丙烯或聚酯织物和聚乙烯、聚丙烯或聚酯无纺织物）；格栅（聚丙烯或聚酯土工格栅、玻璃格栅和金属格栅）。软夹层软夹层土工
18、格栅层土工格栅层应力吸收软夹层应力吸收软夹层可降低混凝土板与沥青加铺层之间的粘附阻力，使二者易于蠕动滑移，从而减少温度下降引起的反射裂缝；同时，由于隔开了接缝（裂缝）端部，它也可以降低沥青加铺层底面的荷载应力。无纺织物夹层无纺织物夹层主要作用与应力吸收软夹层相似，而织物由于模量稍高，可对沥青加铺层起少量加筋作用。格栅格栅土工格栅的临界应力和应变与织物相近。金属格栅的刚度很大，而刚度大的夹层对于降低沥青加铺层内因温度下降而引起的应力和应变的作用不如软夹层，对于降低荷载产生的应力和应变的作用则远大于软夹层。采用复合式夹层（下层为应力吸收层，上层为金属格栅）采用复合式夹层（下层为应力吸收层，上层为金
19、属格栅）虽可以像软夹层那样减少温度引起的反射裂缝，但仍保留了软夹层不能降低加铺层荷载应力的缺点。3 碎石缓解层碎石缓解层碎石缓解层碎石缓解层特性（散粒体）如下：容许板伸缩变形容许板翘曲变形接缝不向上扩展因此，设置碎石缓解层可有效防治反射裂缝。旧水泥路面碎石缓解层沥青加铺层4 增加沥青加铺层厚度增加沥青加铺层厚度增加沥青加铺层厚度减少旧水泥混凝土路面的温度变化，降低沥青加铺层的拉应力；增加路面结构的弯曲刚度，降低接缝处的弯沉差，减少沥青加铺层的剪切应力。延长使用寿命，对于较厚的沥青加铺层来说，裂缝由加铺层底部扩展到顶面需要经历较长的距离，也即可以延长其使用寿命。美国沥青协会（美国沥青协会（AI）
20、的研究认为）的研究认为增加沥青加铺层的厚度可以降低弯沉量，每增厚1cm密级配沥青混凝土约降低2%的弯沉量，最高可降低弯沉量达4%5%；当需降低的弯沉量过大时，采用增厚沥青加铺层的方式是不经济的，需要考虑采取其它措施；由于道路净空的限制，有时依靠增加沥青加铺层厚度来延缓反射裂缝的方法并不可行。5 提升沥青混合料抗裂性能提升沥青混合料的性能提升沥青混合料的性能主要是对沥青进行改性，或进行加筋处理，如在沥青混合料中掺加改性剂、纤维，或植入玻璃格栅、土工格栅、金属格栅等，以提高其强度，增强其抗弯拉和剪切疲劳的能力。玻纤格栅加筋玻纤格栅加筋6 “白改黑”效果延缓反射裂缝出现（延缓反射裂缝出现（58年）年）提升路面使用性能提升路面使用性能行驶质量、平整度、抗滑、结构承载力延长道路使用寿命延长道路使用寿命The End
