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摘要：在公路改造工程中，水泥混凝土路面损坏中加铺沥青施工越来月=越广泛，本文详细对公路水泥混凝土路面发生损坏的主要原因进行分析，并对加铺施工厚度计算方法及加铺沥青层施工中反射裂缝预防与控制措施进行了深入探讨和总结。
关键词：水泥混凝土路面；反射裂缝；加铺厚度；沥青层；防治措施
1引言
公路水泥混凝土路面损坏已经相当普遍,造成的原因很多,处理的方法也有很多种,其中以加铺沥青及其夹层进行处理效果明显。然而，旧混凝土的接缝与裂缝处不能承受剪应力和拉应力，在温度应力和荷载应力反复作用下沥青加铺层的相应位置上就受到损伤产生反射裂缝。因此，其加铺厚度计算及处理后与水泥结合部的裂缝控制特别是反射裂缝控制措施是公路养护施工经常遇到的难题,对其探讨有一定的理论和现实意义。
2公路水泥混凝土路面损坏的主要原因分析及路况评定
2.1水泥混凝土路面损坏的主要原因分析
水泥混凝土路面损坏的主要有如下几个方面的原因：
1）荷载疲劳应力 的作用，特别是车辆超载带来的超前破坏作用。根据《公路水泥混凝土路面设计规范》，水泥混凝土路面设计是以100kN的后轴重作为标准轴载，各级轴载换算为标准轴载的作用次数为Ns，Ns= 。若 增大，经过16次方，Ns将急剧增大。
2）温度疲劳应力 的作用
3）无机结合料的应力特性决定了水泥混凝土路面形变的迅速发展。
无机结合料的应变特性是当作用应力小于材料的允许疲劳应力时，其形变发展缓慢或基本无发展，当应力超出材料的耐久疲劳应力时，达到一定次数后，形变随应力作用次数增加而迅速发展，最终导致破坏。无机结合料应力应变规律见图1。
图1无机结合料应力应变规律
4）由于路基地下水的作用、地表水的侵蚀造成路基刚度不足，路床发生不均匀沉降，造成混凝土面板弯拉应力集中形成破坏。
2.2旧混凝土路面路况评定
路况评定是反映旧路面使用现状的基本资料，也是旧混凝土路面进行设计的依据之一。混凝土路面常遇到的主要损坏类型可分为四大类：即裂缝或断裂类、永久变形类、表面损坏类、接缝损坏类，每一种类型按损坏程度的轻重划分为轻度、中等和严重三种。路面状况分级标准以影响路面功能最大的结构性损坏面板占所调查区域总面板数的百分比为依据，分为优、良、中、可、差五级，相应较大损坏的结构性损坏面板占所调查区域总面板数的百分比范围分别为0%～2%；2%～5%；5%～15%；15%～20%；﹥20%。
3旧混凝土路面的加铺厚度计算分析
3.1加铺方式的选择
1）当旧路路况等级为“优”，且路拱坡度基本符合要求，板的平面尺寸及接缝布置合理时，采用结合式加铺。
2）当旧路路况等级为“良”、“中”，且路拱坡度基本符合要求时，采用直接式加铺。
3）当旧路路况等级为“可”、“差”，或新旧混凝土板的平面尺寸不同，接缝位置不完全一致，新旧路面的路拱坡度不一致时，宜采用分离式加铺。
3.2加铺厚度计算
1）弯沉法测定旧混凝土路面顶面计算回弹模量Etc。
旧混凝土路面顶面当量回弹模量Et= 。
其中， 为旧混凝土路面上测定的计算回弹弯沉值，该值在混凝土破损板经冲击式压路机冲振破碎后测得较为准确。
旧混凝土路面上加铺新凝土路面后基层顶面的计算回弹模量Etc= （ 为模量修正系数，其值计算见下节）。
2）承载板法测定旧混凝土路面顶面计算回弹模量Etc。
在不利季节对破损严重的混凝土路面进行承载板测定，旧混凝土路面面板下基层顶面的回弹模量：
其中，P为承载板上荷载总重，N； 为距离承载板中心 的实测回弹弯沉值，cm； 为根据 决定的弯沉系数，可查取； 为承载板直径； 为混凝土路面弹性特征系数，1/cm，按下式计算确定：
其中， 为旧混凝土路面层厚度，cm； 为混凝土的泊松比，取0.15； 为基层与土基综合的泊松比，取0.30；Ee为旧混凝土的弯拉弹性模量，MPa。
旧混凝土路面板下基层顶面的当量回弹模量：
旧混凝土路面加铺新混凝土路面后基层顶面的计算回弹模量，对结合式加铺层可按其等效单层普通混凝土路面厚度及相应的弯拉弹性模量按 计算。
其中， 为混凝土板厚，cm； 为混凝土弯拉弹性模量。
用沥青混凝土、沥青砂及油毛毡隔离层的分离式加铺层，按上式计算后，根据加铺拟厚乘以0.45～0.75的折减系数，将加铺层直接铺在经过清洗的旧水泥混凝土路面板面上不做任何处理的直接式加铺层，其基顶的计算回弹模量，介于结合式和分离式之间，按上式计算后，乘以0.8折减系数。
3）旧混凝土弯拉强度与弯拉弹性模量
旧混凝土弯拉强度可采用钻孔取出的圆柱形试件进行劈裂试验，通过劈裂强度与抗弯拉强度的关系式，来计算旧混凝土的弯拉强度：
其中， 为旧路面混凝土圆柱试件的劈裂强度，MPa； 为旧混凝土弯拉强度，MPa。
旧混凝土的抗弯弹性模量采用下式计算：
其中， 为旧混凝土的弯拉弹性模量，MPa。
4）旧混凝土路面面板厚度
旧混凝土路面面板厚度的确定，应根据钻孔取样得到的圆柱形试件的高度、在板边量取的厚度和破裂板同上量取的厚度，按下式计算：
其中， 为量测的旧混凝土路面面板厚度的平均值，cm； 为旧路面面板厚度量测值的标准差，cm。
设现有二级公路混凝土路面旧路状况评定分级为“可”或“差”级，新旧混凝土板尺寸相同，接缝位置一致，路拱坡度一致，采用水泥混凝土面层厚 +5%水泥稳定砂砾基层厚 ，荷载作用于板边緣中部。
则由 查《设计规范》图3.0.4及 ，可算得水稳层顶面回弹模量 值。
算得基层顶面当量回弹模量值应满足《设计规范》表4.3.2最小规定值要求，对于中等交通等级时，算得 ﹥80MPa。
行车荷载作用下基层顶面的计算回弹模量值：
=1.718×10-3( )0.8
温度荷载作用下基层顶面的计算回弹模量值：
=
其中， 为模量修正系数，计算温度应力时取 =0.35。
a. 计算荷载疲劳应力
根据纵缝设拉杆的条件和基层类型，查《设计规范》17页说明的应力折减系数 ，查表得5.1.4选取交通等级综合系数 ，按公式 = ，算得疲劳拉力系数，得荷载疲劳应力 ：
= • • •
b. 计算温度疲劳应力
查《设计规范》表3.0.6得最大温度梯度
由公式 算得混凝土板结构相对刚度半径；
由板长L/刚度半径 和 值查图5.1.5得温度应力系数 。
板长边缘中点最大温度梯度时的温度应力 为：
=
其中， 为混凝土线膨胀系数，可取1×10-5/℃
由 / 和所在公路自然区划查表5.1.5得疲劳应力数 ，则有：温度疲劳应力 = • 。
c. 检验初拟厚度
根据上列计算，检验0.95 ≤( + )≤1.35 是否成立，若成立，则所选路面加铺结构和厚度可以满足承载应力和温度力的综合疲劳作用；若不成立，则应重新拟定加铺结构层厚度重新验算，直至满足为止。
4旧混凝土路面加铺沥青层施工中反射裂缝的防治措施
4．1工程实例分析
湖南常德某高等级公路旧路改造中采用了铺设沥青层及土工夹层作为中间层。根据以上公式计算得到不同厚度加铺沥青层的最大剪应力见表1.
表1 不同AC层厚度的层间最大剪应力计算结果对比Mpa
AC层厚度/cm 4 5 6 7 8 9 10
层度最大剪应力 0.201 0.187 0.172 0.154 0.136 0.118 0.1
层底最大拉应力 0.349 0.335 0.320 0.302 0.284 0.266 0.248
底部铺设土工夹层与未鋪土工夹层的沥青混凝土底部最大拉应力和剪应力对比见表2.
表2 沥青混凝土底部最大拉应力和剪应力对比 Mpa
夹层分类 层底最大拉应力 层底最大剪应力
铺设土工夹层 0.238 0.187
未铺设土工夹层 0.853 0.335
4.2反射裂缝的一般防治措施
1）原有路面处理，包括对板下基础处理和路面板及接缝的处理。基础处理可以提高路面承载能力，减小板缝的竖向相对位移。破碎的路面板和接缝应清除杂物质、碎块，填入沥青类防水材料，锤实，保证加铺沥青面层之前不留隐患。
2）在水泥混凝土与沥青罩面层间设置中间层。
3）沥青混合料类型和加铺层厚度。设计抗裂性好的沥青混合料；采用改性沥青；采用合适的加铺层厚度，以7cm～10cm为宜，分两层铺筑，下层混合料粒径大一些，利于吸收接缝处的位移。
4）施工质量控制。应贯彻施工全过程，包括原有路面处理、防裂层施工、加铺层摊铺等，严格工序交接制度，防止隐蔽工程留有隐患。
4.2工程实践中反射裂缝的防治措施
与一般防治反射裂缝的措施相比，本工程防水粘结层具有水密性，能够封阻地表水渗入路基和路基水上升至路面，也能防治水分下渗入旧混凝土路面内，考虑粘结力和防水要求，加之防止和延缓反射裂缝的功能，防水土工布能较好地满足工程的需要。施工中由于沥青撒铺量较大，因此撒铺均匀十分必要，否则局部油量过大，再铺设上层时易产生泛油。
在施工中应注意三点：
①下层应平整，防止撒铺的油流动在某处淤积；
②应采用专门的撒铺设备，可以随时计量撒铺量，沥青撒布车罐中油的温度应该大于170℃，以保证沥青充分浸透土工布；
③土工布摊铺应平整，避免折叠起皱，同时注意纵横向接缝处的搭接长度，土工布可以采用人工或机械铺设。
根据以上要求，为了保证施工质量，在施工中严格遵循几项原则：
①土工布铺设的基础平整、干净。
②撒沥青的工作面，应整洁无尘埃。路面上有脏物时应清除干净。当粘有土块时应用水刷净，待表面干燥后喷撒。
③铺设土工布时，可用机械或人工铺设。从路中间向两边铺设，应让烧毛的一面朝上，然后将一端用固定器固定，用机械或人力拉紧，张拉伸长率宜为1%左右，平直地紧贴路面向前铺设，此过程为土工布施工的关键，使土工布与沥青罩面层能共同变形、受力，否则土工布的效果会大大降低甚至起到反作用。
④土工布横向搭接长度为4cm～5cm，根据摊铺方向，将后一端压在前一端部之下，并用热沥青或乳化沥青粘结好，并用固定器固定；纵向搭接长度同样为4cm～5cm，可以直接用沥青粘结。
本工程通过采取以上措施，加铺沥青层后的路面反射裂缝得到了有效控制，说明以上反射裂缝防治措施是合理而有效的。
5 结语
综上所述，在旧的水泥路面加铺沥青层施工中，在裂缝附近处采用适当的处治措施可以明显减少旧混凝土路面接缝、裂缝位置的反射裂缝；铺设土工夹层可以减少沥青层底的最大拉应力和剪应力；加铺层厚度增加也可降低沥青层底的最大拉应力和剪应力。作为治理罩面的反射击裂缝，措施很多，但这些措施的采用应因地而异，运用效果的优劣取决于旧路面的结构及所采用的材料、新铺罩面材料的特性、厚度以及当地自然气候、交通参数等。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词：水泥混凝土路面；反射裂缝；加铺厚度；沥青层；防治措施
1引言
公路水泥混凝土路面损坏已经相当普遍,造成的原因很多,处理的方法也有很多种,其中以加铺沥青及其夹层进行处理效果明显。然而，旧混凝土的接缝与裂缝处不能承受剪应力和拉应力，在温度应力和荷载应力反复作用下沥青加铺层的相应位置上就受到损伤产生反射裂缝。因此，其加铺厚度计算及处理后与水泥结合部的裂缝控制特别是反射裂缝控制措施是公路养护施工经常遇到的难题,对其探讨有一定的理论和现实意义。
2公路水泥混凝土路面损坏的主要原因分析及路况评定
2.1水泥混凝土路面损坏的主要原因分析
水泥混凝土路面损坏的主要有如下几个方面的原因：
1）荷载疲劳应力 的作用，特别是车辆超载带来的超前破坏作用。根据《公路水泥混凝土路面设计规范》，水泥混凝土路面设计是以100kN的后轴重作为标准轴载，各级轴载换算为标准轴载的作用次数为Ns，Ns= 。若 增大，经过16次方，Ns将急剧增大。
2）温度疲劳应力 的作用
3）无机结合料的应力特性决定了水泥混凝土路面形变的迅速发展。
无机结合料的应变特性是当作用应力小于材料的允许疲劳应力时，其形变发展缓慢或基本无发展，当应力超出材料的耐久疲劳应力时，达到一定次数后，形变随应力作用次数增加而迅速发展，最终导致破坏。无机结合料应力应变规律见图1。
图1无机结合料应力应变规律
4）由于路基地下水的作用、地表水的侵蚀造成路基刚度不足，路床发生不均匀沉降，造成混凝土面板弯拉应力集中形成破坏。
2.2旧混凝土路面路况评定
路况评定是反映旧路面使用现状的基本资料，也是旧混凝土路面进行设计的依据之一。混凝土路面常遇到的主要损坏类型可分为四大类：即裂缝或断裂类、永久变形类、表面损坏类、接缝损坏类，每一种类型按损坏程度的轻重划分为轻度、中等和严重三种。路面状况分级标准以影响路面功能最大的结构性损坏面板占所调查区域总面板数的百分比为依据，分为优、良、中、可、差五级，相应较大损坏的结构性损坏面板占所调查区域总面板数的百分比范围分别为0%～2%；2%～5%；5%～15%；15%～20%；﹥20%。
3旧混凝土路面的加铺厚度计算分析
3.1加铺方式的选择
1）当旧路路况等级为“优”，且路拱坡度基本符合要求，板的平面尺寸及接缝布置合理时，采用结合式加铺。
2）当旧路路况等级为“良”、“中”，且路拱坡度基本符合要求时，采用直接式加铺。
3）当旧路路况等级为“可”、“差”，或新旧混凝土板的平面尺寸不同，接缝位置不完全一致，新旧路面的路拱坡度不一致时，宜采用分离式加铺。
3.2加铺厚度计算
1）弯沉法测定旧混凝土路面顶面计算回弹模量Etc。
旧混凝土路面顶面当量回弹模量Et= 。
其中， 为旧混凝土路面上测定的计算回弹弯沉值，该值在混凝土破损板经冲击式压路机冲振破碎后测得较为准确。
旧混凝土路面上加铺新凝土路面后基层顶面的计算回弹模量Etc= （ 为模量修正系数，其值计算见下节）。
2）承载板法测定旧混凝土路面顶面计算回弹模量Etc。
在不利季节对破损严重的混凝土路面进行承载板测定，旧混凝土路面面板下基层顶面的回弹模量：
其中，P为承载板上荷载总重，N； 为距离承载板中心 的实测回弹弯沉值，cm； 为根据 决定的弯沉系数，可查取； 为承载板直径； 为混凝土路面弹性特征系数，1/cm，按下式计算确定：
其中， 为旧混凝土路面层厚度，cm； 为混凝土的泊松比，取0.15； 为基层与土基综合的泊松比，取0.30；Ee为旧混凝土的弯拉弹性模量，MPa。
旧混凝土路面板下基层顶面的当量回弹模量：
旧混凝土路面加铺新混凝土路面后基层顶面的计算回弹模量，对结合式加铺层可按其等效单层普通混凝土路面厚度及相应的弯拉弹性模量按 计算。
其中， 为混凝土板厚，cm； 为混凝土弯拉弹性模量。
用沥青混凝土、沥青砂及油毛毡隔离层的分离式加铺层，按上式计算后，根据加铺拟厚乘以0.45～0.75的折减系数，将加铺层直接铺在经过清洗的旧水泥混凝土路面板面上不做任何处理的直接式加铺层，其基顶的计算回弹模量，介于结合式和分离式之间，按上式计算后，乘以0.8折减系数。
3）旧混凝土弯拉强度与弯拉弹性模量
旧混凝土弯拉强度可采用钻孔取出的圆柱形试件进行劈裂试验，通过劈裂强度与抗弯拉强度的关系式，来计算旧混凝土的弯拉强度：
其中， 为旧路面混凝土圆柱试件的劈裂强度，MPa； 为旧混凝土弯拉强度，MPa。
旧混凝土的抗弯弹性模量采用下式计算：
其中， 为旧混凝土的弯拉弹性模量，MPa。
4）旧混凝土路面面板厚度
旧混凝土路面面板厚度的确定，应根据钻孔取样得到的圆柱形试件的高度、在板边量取的厚度和破裂板同上量取的厚度，按下式计算：
其中， 为量测的旧混凝土路面面板厚度的平均值，cm； 为旧路面面板厚度量测值的标准差，cm。
设现有二级公路混凝土路面旧路状况评定分级为“可”或“差”级，新旧混凝土板尺寸相同，接缝位置一致，路拱坡度一致，采用水泥混凝土面层厚 +5%水泥稳定砂砾基层厚 ，荷载作用于板边緣中部。
则由 查《设计规范》图3.0.4及 ，可算得水稳层顶面回弹模量 值。
算得基层顶面当量回弹模量值应满足《设计规范》表4.3.2最小规定值要求，对于中等交通等级时，算得 ﹥80MPa。
行车荷载作用下基层顶面的计算回弹模量值：
=1.718×10-3( )0.8
温度荷载作用下基层顶面的计算回弹模量值：
=
其中， 为模量修正系数，计算温度应力时取 =0.35。
a. 计算荷载疲劳应力
根据纵缝设拉杆的条件和基层类型，查《设计规范》17页说明的应力折减系数 ，查表得5.1.4选取交通等级综合系数 ，按公式 = ，算得疲劳拉力系数，得荷载疲劳应力 ：
= • • •
b. 计算温度疲劳应力
查《设计规范》表3.0.6得最大温度梯度
由公式 算得混凝土板结构相对刚度半径；
由板长L/刚度半径 和 值查图5.1.5得温度应力系数 。
板长边缘中点最大温度梯度时的温度应力 为：
=
其中， 为混凝土线膨胀系数，可取1×10-5/℃
由 / 和所在公路自然区划查表5.1.5得疲劳应力数 ，则有：温度疲劳应力 = • 。
c. 检验初拟厚度
根据上列计算，检验0.95 ≤( + )≤1.35 是否成立，若成立，则所选路面加铺结构和厚度可以满足承载应力和温度力的综合疲劳作用；若不成立，则应重新拟定加铺结构层厚度重新验算，直至满足为止。
4旧混凝土路面加铺沥青层施工中反射裂缝的防治措施
4．1工程实例分析
湖南常德某高等级公路旧路改造中采用了铺设沥青层及土工夹层作为中间层。根据以上公式计算得到不同厚度加铺沥青层的最大剪应力见表1.
表1 不同AC层厚度的层间最大剪应力计算结果对比Mpa
AC层厚度/cm 4 5 6 7 8 9 10
层度最大剪应力 0.201 0.187 0.172 0.154 0.136 0.118 0.1
层底最大拉应力 0.349 0.335 0.320 0.302 0.284 0.266 0.248
底部铺设土工夹层与未鋪土工夹层的沥青混凝土底部最大拉应力和剪应力对比见表2.
表2 沥青混凝土底部最大拉应力和剪应力对比 Mpa
夹层分类 层底最大拉应力 层底最大剪应力
铺设土工夹层 0.238 0.187
未铺设土工夹层 0.853 0.335
4.2反射裂缝的一般防治措施
1）原有路面处理，包括对板下基础处理和路面板及接缝的处理。基础处理可以提高路面承载能力，减小板缝的竖向相对位移。破碎的路面板和接缝应清除杂物质、碎块，填入沥青类防水材料，锤实，保证加铺沥青面层之前不留隐患。
2）在水泥混凝土与沥青罩面层间设置中间层。
3）沥青混合料类型和加铺层厚度。设计抗裂性好的沥青混合料；采用改性沥青；采用合适的加铺层厚度，以7cm～10cm为宜，分两层铺筑，下层混合料粒径大一些，利于吸收接缝处的位移。
4）施工质量控制。应贯彻施工全过程，包括原有路面处理、防裂层施工、加铺层摊铺等，严格工序交接制度，防止隐蔽工程留有隐患。
4.2工程实践中反射裂缝的防治措施
与一般防治反射裂缝的措施相比，本工程防水粘结层具有水密性，能够封阻地表水渗入路基和路基水上升至路面，也能防治水分下渗入旧混凝土路面内，考虑粘结力和防水要求，加之防止和延缓反射裂缝的功能，防水土工布能较好地满足工程的需要。施工中由于沥青撒铺量较大，因此撒铺均匀十分必要，否则局部油量过大，再铺设上层时易产生泛油。
在施工中应注意三点：
①下层应平整，防止撒铺的油流动在某处淤积；
②应采用专门的撒铺设备，可以随时计量撒铺量，沥青撒布车罐中油的温度应该大于170℃，以保证沥青充分浸透土工布；
③土工布摊铺应平整，避免折叠起皱，同时注意纵横向接缝处的搭接长度，土工布可以采用人工或机械铺设。
根据以上要求，为了保证施工质量，在施工中严格遵循几项原则：
①土工布铺设的基础平整、干净。
②撒沥青的工作面，应整洁无尘埃。路面上有脏物时应清除干净。当粘有土块时应用水刷净，待表面干燥后喷撒。
③铺设土工布时，可用机械或人工铺设。从路中间向两边铺设，应让烧毛的一面朝上，然后将一端用固定器固定，用机械或人力拉紧，张拉伸长率宜为1%左右，平直地紧贴路面向前铺设，此过程为土工布施工的关键，使土工布与沥青罩面层能共同变形、受力，否则土工布的效果会大大降低甚至起到反作用。
④土工布横向搭接长度为4cm～5cm，根据摊铺方向，将后一端压在前一端部之下，并用热沥青或乳化沥青粘结好，并用固定器固定；纵向搭接长度同样为4cm～5cm，可以直接用沥青粘结。
本工程通过采取以上措施，加铺沥青层后的路面反射裂缝得到了有效控制，说明以上反射裂缝防治措施是合理而有效的。
5 结语
综上所述，在旧的水泥路面加铺沥青层施工中，在裂缝附近处采用适当的处治措施可以明显减少旧混凝土路面接缝、裂缝位置的反射裂缝；铺设土工夹层可以减少沥青层底的最大拉应力和剪应力；加铺层厚度增加也可降低沥青层底的最大拉应力和剪应力。作为治理罩面的反射击裂缝，措施很多，但这些措施的采用应因地而异，运用效果的优劣取决于旧路面的结构及所采用的材料、新铺罩面材料的特性、厚度以及当地自然气候、交通参数等。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。