微裂均质化再生技术在道路改造工程中的应用研究

李平

摘要：文章结合工程实例，通过旧路评定确定力学参数，建立力学模型，进行力学分析，探索最佳的微裂均质化再生路面方案。结果表明：微裂均质化再生技术适用于整体状况“良”但承载能力一般、断裂板较多的旧水泥混凝土路面；沥青加铺层并非越厚力学性能越好，随着厚度的增加加铺层应力改善作用逐渐减缓，而沥青永久变形量不断增大；基于经济和力学性能综合考虑，10～12 cm厚沥青加铺层+再生旧水泥基层为最佳的微裂均质化再生路面方案。

关键词：微裂均质化再生；旧水泥混凝土路面；应力；应变

中图分类号：U416.26 A 38 120 4

0 引言

自20世纪90年代起，我国开始大量修建水泥混凝土路面，根据我国交通运输部发布的《2010年公路水路交通运输行业发展统计公报》，2010年水泥混凝土路面已建成137.55×104 km［1］。时至今日，該时期建成的水泥混凝土路面已经使用将近或超过15年，这期间我国交通运输行业高速发展，重载交通量快速增加，这部分水泥混凝土路面已经出现不同程度的损坏，使用性能下降，进入使用寿命的末期，亟须进行升级改造。

面对水泥混凝土路面发展的新阶段，如何在科学合理地评定旧水泥混凝土路面技术状况的基础上，探索经济、环保、结构优良的旧路面利用方案已成为旧水泥混凝土路面改造领域面临的主要问题。本文结合工程案例，将微裂均质化再生技术［2］与就地破碎原路面再生利用、原路面修复利用方案进行对比分析，研究微裂均质化再生技术在道路改造工程中的应用效果，以期为类似项目提供参考和借鉴，并推动旧水泥混凝土路面的绿色低碳化改造。

1 项目概况

广东东莞市某旧水泥混凝土路面改造工程，路线全长约5.8 km，道路等级为一级公路，双向四车道，旧路面宽17 m，旧路基宽24.5 m，路基断面组成为3.75 m土路肩+8.5 m行车道+8.5 m行车道+3.75 m土路肩，于2002年竣工交付使用。旧路交通量较大，大型、特大型货车占比接近25%，属于重交通道路。原旧路路面结构层自上而下为：24 cm水泥混凝土面层、16 cm水泥稳定碎石基层、16 cm水泥稳定石屑底基层。旧路拟改扩建为一级公路兼城市主干道，道路中线不动，断面往两侧拓宽至35 m，断面组成为4.5 m慢行道+12 m行车道+2 m中分带+12 m行车道+4.5 m慢行道，新建路面拟采用沥青混凝土面层。

2 旧路评估

为了给旧路利用方案提供全面的数据支撑，本次研究对旧路从路面破损状况、接缝传荷能力、板底脱空、基层顶面当量回弹模量及面层芯样强度进行了全面的评价分析［3］。

2.1 旧路路面状况评价

本次研究采用目测、仪具量测并结合拍照的方法，对旧路面的损坏类型、损坏程度及位置、范围等进行调查和评价。路面破损评定及断板率分别见表1、图1。

根据破损状况、断板率数据，旧路面整体评定等级为“良”，左幅评定等级为“次”，右幅评定等级为“良”。局部路段裂缝板和断裂板相对较多，错台现象比较明显。

2.2 接缝传荷能力评价

如表2所示，旧路面整体接缝传荷能力较好，评为优良等级的比例占68%，且右幅优于左幅，左幅接缝传荷系数的代表值为39.52，右幅为46.865。两个方向的变异系数均较大，见表2。

2.3 板底脱空评价

旧路主车道的脱空率均在16%左右，超车道的脱空率均在50%左右，超车道的脱空率均大于相应的主车道，左右幅总的脱空率为33%左右。各车道脱空率分布见图2。

2.4 基层顶面当量回弹模量及路面芯样参数

旧路面基层顶面当量回弹模量数值均在200 MPa左右，左幅均值为205 MPa，代表值为200 MPa，变异系数较小；右幅均值为203 MPa，代表值为197 MPa，变异系数较小。

旧路水泥混凝土芯样显示路面结构较完整，路面板芯样抗折强度最大值为8.53 MPa，最小值为5.69 MPa，平均抗折强度为7.1 MPa，标准差为0.8，变异系数为0.11，代表值为6.9 MPa；弹性模量平均值32.2 GPa。

3 旧水泥混凝土路面利用方案的选择

本次旧路拟改扩建为一级公路兼城市主干道，拟采用沥青混凝土面层，无论从经济还是环保的角度，旧水泥路面都不能直接挖除丢弃，因此旧水泥路面的利用是改扩建的重点、难点。根据旧路路面状况评价，现有路面状况为“良”、结构较完整、整体接缝传荷能力较好、面板强度大；但结构层整体承载能力一般，板底脱空率较高，“中”“次”路段有单幅3.7 km，占整个检测路段的32%左右。据此，为了选择最优的旧路面利用方案，本次研究将微裂均质化再生与传统的修复换板及就地碎石化方案进行综合比选，各项对比见表3。

经过综合比选，考虑到该项目旧路状况相对良好，就地碎石化旧路强度损失大且需要加铺水泥稳定碎石，成本巨大，因此首先排除就地碎石化方案。由于“中”“次”路段占整个检测路段的32%左右，修复利用需要进行大面积的换板，造价较高，同时难以有效解决旧路整体承载能力一般、板底脱空率较高的隐患。而微裂均质化再生无须大面积换板，能有效克服剪切、疲劳、温缩三类反射裂缝源，稳定旧水泥板块，加固基层和路基，改善旧路结构层整体承载能力，消除层间脱空［5］，因此本次研究推荐采用微裂均质化再生技术对旧路面进行利用。

4 微裂均质化再生路面方案

为了验证拟采用的微裂均质化再生路面方案是否能满足道路使用要求，本文将采用Abaqus有限元软件对微裂均质化再生路面方案的受力状态进行分析［6］。

4.1 微裂均质化再生路面方案的力学模型

本次计算采用三维模型，为了计算简便将路面结构简化为旧路面留用结构复合地基、微裂均质化旧板、沥青加铺层三部分。

4.1.1 模型尺寸

模型平面取旧水泥路面4.25 m×4 m的板块尺寸，考虑到路面行车荷载的影响深度一般≤5 m，因此深度取5 m，三维模型尺寸为4.25 m×4 m×5 m［7］。三维模型简图见图3。

4.1.2 结构层参数

旧路面留用结构复合地基的当量回弹模量采用原旧路面基层顶面当量回弹模量，取200 MPa。旧水泥面板微裂后表面无松散破碎颗粒，具有“表面裂而不碎、内部斜向开裂、完全契合、嵌锁力强”的结构特点，处于“刚柔相济”的受力状态。根据其受力特点，将其视为内部连续的具有柔性基层特点的刚性结构层，取微裂后控制弯沉为38（0.01 mm），参考相关工程经验后换算微裂均质化旧板回弹模量［8］为5 200 MPa。沥青路面加铺层采用200、10 Hz条件下的动态压缩模量［9］。具体参数见表4。

4.1.3 荷载参数

行车荷载采用标准轴载BZZ-100，轴重100 kN，轮胎接地压强0.7 MPa，单轮接地当量圆直径为21.3 cm，两轮中心距31.95 cm。为了便于计算，按照荷载应力等效的原则［10］，将双圆均布荷载换算两个18.9 cm×18.9 cm的正方形，接触面积为357.21 cm2，双轮中心距为32 cm，详见图4。

4.1.4 边界约束

计算模型底部被近似认为是全约束的，即各方向的位移都为0，绕方向转动的转角也为0。模型侧面受到外侧土体或结构体的压力，可近似认为水平方向的位移为零，仅存在竖向微小位移。

4.2 微裂均质化再生路面结构的力学分析

根据所建立的力学模型，本次研究分别对微裂均质化水泥板加铺8 cm、10 cm、12 cm、16 cm、20 cm厚度的沥青层进行计算。由于微裂均质基层具有“刚柔相济”的特性，因此本次计算主要研究沥青加铺层层底应力、应变的状态及地基基顶压应变。

4.2.1 沥青加铺层的应力分析

根据模型计算结果，各沥青加铺层层底的等效应力σe、最大主应力σ1、X轴向应力σx、Y轴向应力σy、竖向应力σz分别见表5、图5。沥青加铺层的应力云图以12 cm厚沥青加铺层行车方向Y轴向应力σy为例，见图6。

由表5及图5～6可知，等效应力σe随着加铺层厚度的增加逐步减少；最大主应力σ1随着加铺层厚度的增加由压应力变为拉应力；X轴向应力σx、Y轴向应力σy随着加铺层厚度的增加而增加，但在16 cm厚加铺层后转而减少；竖向应力σz随着加铺层厚度的增加逐步减少，但减小的幅度逐渐放缓。

4.2.2 沥青加铺层应变及地基基顶压应变分析

根据模型计算结果，各沥青加铺层层底行车方向应变εy、地基基顶压应变εz及沥青永久变形量Ra分别见表6、图7。

由表6和图7可知，加铺层层底行车方向应变εy随着加铺层厚度的增加而增加，但在16 cm厚加铺层后转而减少；沥青永久变形量Ra随着加铺層厚度的增加而增加，20 cm厚加铺层时已超过容许永久变量15 mm；地基基顶压应变εz则随着加铺层厚度的增加而减少。该项目设计使用年限内设计车道上的当量设计轴载累计作用次数为14.454×106，反算加铺层疲劳开裂容许拉应变约为78.5×10-6～94.5×10-6，地基基顶压应变约为162×10-6～196×10-6。各加铺层εy、εz计算结果与应变容许值相距甚远，符合微裂均质化旧水泥基层刚性较大的受力特点，因此沥青加铺层主要受控于沥青混合料永久变形控制。

4.3 微裂均质化再生路面方案的应用

根据力学分析结果，沥青加铺层并非越厚其力学性能越好，随着厚度的增加加铺层应力改善作用逐渐减缓，而沥青永久变形量不断增大，经济性降低。沥青加铺层厚度为12 cm时，其应力、应变状态及沥青永久变形量均处在适中的状态，且满足规范要求，经济性良好，因此本次研究推荐采用12 cm厚的沥青路面加铺结构。具体路面方案见表7。

5 结语

微裂均质化再生是一种相对经济、环保的旧水泥混凝土路面处治利用方案，对旧水泥混凝土路面的绿色低碳化改造具有重要的意义。本文结合工程实例，在对旧路全面评估的基础上，对微裂均质化再生技术在道路改造中的应用进行了研究，取得了以下研究成果：

（1）微裂均质化再生技术适用于整体状况“良”，但承载能力一般、断裂板较多的旧水泥混凝土路面。

（2）沥青加铺层并非越厚力学性能越好，随着厚度的增加加铺层应力改善作用逐渐减缓，而沥青永久变形量不断增大。

（3）基于经济和力学性能综合考虑，10～12 cm厚沥青加铺层+再生旧水泥基层为最佳的微裂均质化再生路面方案。

鉴于旧水泥混凝土路面微裂均质化后受力特性较复杂，本次力学模型未必能全面反映其复杂的特性，仅供类似项目参考。

参考文献

［1］交通运输部综合规划司.2010年公路水路交通运输行业发展统计公报［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处治与加铺技术规程［S］.

［3］JTG 073.1-2001，公路水泥混凝土路面养护技术规范［S］.

［4］李丽慧，张浩亮，司兵洋.水泥混凝土路面微裂加固技术在市政道路的应用［J］.西部交通科技，2019，64（2）：243-247.

［5］王都兴.旧水泥混凝土路面微裂均质化处治与加铺技术［D］.西安：长安大学，2019.

［6］马 涛，廖公云，黄晓明.Abaqus有限元软件在道路工程中的应用［M］.南京：东南大学出版社，2021.

［7］程培峰，林 宏.基于Abaqus的旧水泥混凝土路面加铺沥青层结构的力学研究［J］.公路工程，2017，42（1）：9-12，30.

［8］JTG D40-2011，公路水泥混凝土路面设计规范［S］.

［9］JTG D50-2017，公路沥青路面设计规范［S］.

［10］吕蒋聪.冲击压实破裂稳固旧水泥混凝土路面加铺层结构形式研究［D］.广州：华南理工大学，2009.

收稿日期：2023-09-05