在旧水泥混凝土路面上加铺沥青面层足一种常用的、有效的路面修复技术。它具有工期短、对交通影响小、修复后路面服务性能好等优点。但旧水泥混凝土路面的接缝与裂缝处不能承受剪应力和拉应力，在温度应力和车轮荷载重复作用下，加铺沥青层容易产生反射裂缝。反射裂缝的不断扩展，降低了路面的平整度和使用性能，缩短了路面的使用寿命。 目前国内外对旧水泥混凝土路面仍处于试验研究阶段，还没有形成一个完整的体系来指导设计与施工。本文以合宁高速公路安徽境内小两冲段路面改造工程为研究对象，对旧水泥混凝土路面加铺沥青层进行结构设计及反射裂缝试验研究，为加铺技术积累经验。
在旧水泥混凝土路面上加铺沥青面层足一种常用的、有效的路面修复技术。它具有工期短、对交通影响小、修复后路面服务性能好等优点。但旧水泥混凝土路面的接缝与裂缝处不能承受剪应力和拉应力，在温度应力和车轮荷载重复作用下，加铺沥青层容易产生反射裂缝。反射裂缝的不断扩展，降低了路面的平整度和使用性能，缩短了路面的使用寿命。
目前国内外对旧水泥混凝土路面仍处于试验研究阶段，还没有形成一个完整的体系来指导设计与施工。本文以合宁高速公路安徽境内小两冲段路面改造工程为研究对象，对旧水泥混凝土路面加铺沥青层进行结构设计及反射裂缝试验研究，为加铺技术积累经验。
1
工程概况
合宁高速公路小西冲段(14K+410～17K+200)设计标准为双向4车道，路面和硬路肩均采用水泥混凝土路面。原路面结构层为24 cm水泥混凝土面层+18 cm水泥稳定基层+20 cm石灰土。
该路段属于夏炎热冬寒冷湿润区。夏季天气炎热，月平均最高气温达32．5℃，历史极端最高气温43 ℃；月平均最低气温为-4℃，历史极端最低气温-13℃；属于多雨潮湿气候地区，春夏造成梅雨和夏雨，形成明显的不利季节。
该路段为皖苏两地的重要交通干道，通过搜集、调查交通量资料，分析统计结果表明该路段主要以中小型车辆行驶为主，中型车为40％，小型车为41％，大型及特大型车辆为19％。经过调查混合交通量为17 259 pcu／d。
2
加铺沥青层结构设计
采用较厚加铺层方案时，常用的方法有美国地沥青学会法、COE经验法、AASHTO经验法和有效厚度法等。分别按这几种方法计算加铺沥青层的厚度，通过分析提出合理的加铺层结构。
2.1
美国地沥青学会法
美国地沥青学会法关于水泥混凝土路面上加铺沥青层的通用厚度设计见表1，加铺沥青层厚度的选用考虑了水平拉应力和竖向剪应力两者的作用，以便使反射裂缝减小到最低程度。在这一方法中，加铺层厚度与板长及年平均温度差有关。
表1
水泥混凝土路面上加铺沥青层通用厚度值 cm
注：年平均温度差指30a平均的最热和最冷月最高正常日最高温度与最低正常日最小温度之差。
表1中建议最小厚度值为10 cm，此厚度将减小挠度约20％。当加铺层厚度超过18 cm时应考虑采用其他方案，如破碎稳固法，增设裂缝松弛法等。
合宁高速公路旧水泥混凝土路面板长为5 m，所处地区月平均最高气温达32．5 ℃，月平均最低气温为-4℃，因此年平均温差为36.5 K。根据表l可知要使反射裂缝减小到最低程度的加铺层厚度为10.5 cm。
2.2 COE
法
美国工程师队(COE)按照补足厚度缺额的概念，依据试验路的观察和分析结果，提出旧水泥混凝土路面上加铺沥青层的经验计算公式：
h=A(fhd-cbh0) (1)
式中：A为混凝土层厚与沥青层厚的当量转换系数，A=2.5，美国联邦航空局(FAA)在1998年的设计手册中将系数由2.5提高到3.0；f为控制旧面板层在加铺后裂缝进一步发展程度的系数，随交通和路基强度变动于0.6～1.0；hd
为按现有地基承载力和未来交通要求，由新建混凝土路面设计方法确定的单层混凝土面层所需厚度，cm；cb为旧面层板的状况系数，含有细微的初始裂缝时cb=l，含有多条裂缝或角隅断裂时cb=0.75；‰为旧混凝土板的厚度，cm。
hb不但与交通量和地基承载力有关，还与板长、温差等因素有关，精确的计算比较困难。对于加铺沥青层设计，混凝土面板的估计厚度hd可参照表2取值。
表2
混凝土面板的估计厚度 cm
cb值波动的范围较大，具体选用时难以把握，建议根据旧混凝土路面状况指数的评价结果，按表3取值。
表3
旧混凝土面板状况系数
利用COE法计算合宁高速公路加铺层厚度，旧水泥混凝土面板厚为24 cm，板长为5 m，为重交通等级，旧路面状况评级为良，所处地区年平均温度差为36.5 K，因此，hd可取为25 cm；cb司取为0.92；A取2.5；对于f值，一般希望加铺沥青层后，旧混凝土面板的裂缝不再进一步发展，故取为l。按式(1)计算加铺层厚度：
h=2．5(1×25—0．92×24)=7．3 cm
此厚度满足公路上典型加铺层的最小厚度，但是相对通用设计表最小厚度10．5 cm还是偏小。
2.3 AASHTO法
美国AASHTO的路面设计指南也采用补足厚度缺额的概念确定加铺沥青层的厚度，但放弃了f修正系数的考虑，即不考虑加铺后的旧混凝土面板的进一步开裂。其计算公式：
h=B(hd－he) (2)
he=c1c2c3h0
式中：B为混凝土层厚与沥青层厚的当量转换系数，是混凝土厚度缺额的函数，B=2.223 3+0.001 53(hd－he)2－0.0604(hd－he)；he为旧路面有效厚度，cm；c1为考虑损坏接缝和裂缝是否修复的系数，加铺前已进行全厚度修补时，c1=1，否则按每公里未修复接缝和裂缝的数量在0.6～1.0范围内选取；c2为考虑旧面层是否存在耐久性问题(耐久性裂缝或反应性集料病害)的系数，无耐久性问题时，c2=1，有耐久性裂缝但未碎裂时，c2=0.96～0.99，有少量碎裂时，c2=0.88～0.95。严重碎裂时，c2=0.80～0.87；c3为考虑疲劳损坏程度的系数，少量横向裂缝板(<5％)时c3=0.97～1.0，较多横向裂缝板(5％～15％)时c3=0.94～0.96．大量横向裂缝板时c3=0.90～0.93。
利用AASHTO法计算合宁高速公路加铺层厚度：旧水泥混凝土面板有少量碎裂，c3取为0．92，有较多的横向裂缝，c3取为0.94，在加铺沥青面层之前对旧路面中损坏较严重的裂缝和接缝进行修补，损坏较轻的不修补，则c1取为0.9。先计算有效厚度he。
he=0.9×0.92×0.94×24=18.7 cm
计算当量转换系数：
B=2.223 3+0.001 53×(25一18.7)2一0.060 4×(25一18.7)=2.66
则加铺沥青层厚度：
h =2.66×(25一18.7)=16.8 cm
2.4 有效厚度法
这一方法的基本思路是加铺层所需的厚度是新路面所需的厚度^。与旧路面有效厚度he之差：
h=hn－he
此处hn是指全厚式沥青路面的厚度，即直接铺筑在土基上的沥青层厚度。在已知土基计算回弹模量和荷载参数时，其值可通过路面结构程序计算得到。
各层有效厚度的计算是将各层实际厚度乘以换算系数并求和得到，公式如下：
式中：he为旧路面有效厚度，hi和ci为第i层的厚度和换算系数。q取值具体可按有效厚度换算参数表，选取，参数表具体内容本文省略。
利用有效厚度法计算合宁高速公路加铺层厚度：原路面结构为24 cm水泥混凝土面层+18 cm水泥稳定基层+20 cm石灰土。板长为5 m，累计当量轴次为1.1×107次。
用程序计算全厚式沥青路面的厚度乜为47.7 cm，根据有效厚度换算参数表，对于旧混凝土板，换算系数c1可取为0.7，对于水泥稳定基层换算系数c2可取为0.4，对于石灰土换算系数c3可取为0.3，则有效厚度由式(3)为：
he=0.7×24+0.4×18+0.3×20=30 cm
加铺层所需的厚度为：
h=hf－he=47.7—30=17.7 cm
此厚度与AASHT()加铺层厚度计算的结果相差很小，且满足最小厚度的要求，故本路段加铺层厚度可取18 cm。
2.5 厚度计算方法差异比较
上述4种方法由于考虑的因素不同，计算的旧水泥混凝土路面上加铺沥青层的厚度也不相同。它们的差异性比较如下：
1)美国地沥青学会加铺层厚度通用设计法主要考虑气候、挠度等因素对接缝处产生反射裂缝的影响，但未考虑混凝土板的其他破坏，可用于板块纵横裂缝较少、板块整体性较好的加铺层设计。
2)COE法和AASHTO法都是根据旧混凝土板裂缝类的损坏状况，按补足厚度缺额的概念计算加铺层的，而AASHTO法不但考虑了裂缝损坏的严重程度和裂缝的性质，还考虑了加铺沥青面层之前是否对损坏的接缝和裂缝进行修复以及未修复接缝和裂缝的数量。可以认为按AASHTO法计算的结果比COE法计算的结果更为可靠。
3)有效厚度法依据现有路面面层、基层、底基层的厚度，材料性质，损坏状况，考虑的因素比较全面，可用于任何类型的加铺沥青层设计。
由于加铺层设计方法大都是基于一些假设按理论或经验得出的公式，并且公式中各个系数的取值存在一定的主观性，就使得不同的设计方法计算的厚度不可能完全相同，有时甚至相差很大。
2.6 结构设计
加铺沥青层厚度设计主要依据旧路面结构的承载力及当地的经济状况，选用合理的加铺层方案。加铺沥青层厚度的确定，主要是考虑加铺层防止反射裂缝问题。加铺沥青层太薄，容易产生反射裂缝；太厚，造价又会过高。根据国内外的经验，加铺脚的合理厚度范围为9～18 cm。
结合合宁高速公路小西冲段的实际情况，决定拟定加铺层厚度为18 cm，采用三层(4 cm+6 cm+l8 cm)；同时，为了使加铺层与旧路面之间接触良好，增强抵抗反射裂缝的能力，在加铺层与旧路面之间增设了4 cm调平层，因此，加铺层的总厚度为22 cm。其具体结构组成见图1。
图1 加铺层路面结构
3
加铺沥青层防反射裂缝研究
为更有效地防止反射裂缝的产生，加铺层结构各层的材料性能必须与相应受力特性相结合。已有的研究表明，中面层AC一20I所受的弯拉应力最大，是加铺层结构的最不利结构层。因此本文主要对中面层Ac-20I及上、中面层所形成的复合梁抵抗反射裂缝能力进行研究。
3.1
试验设计
为了尽量真实地模拟车轮荷载重复作用在有接(裂)缝的旧混凝土路面上层的情况，试验采用如图2所示的模式。
图2
试验模型示意图
试验的长度为30 cm，宽度为12.6 cm，加铺沥青混凝土层用碾压成型的试件切割成30 cm×12.5 cm×3.5 cm的板(保留粗糙表面)，预制混凝土试块厚度为4.5 cm，确保2块混凝土试块之间预留3 mm 的裂缝，试件的两侧及地面的约束情况如图2所示。混凝土试块与加铺沥青层之间涂敷一层黏结油，预制混凝土试块下面垫一块橡胶垫块。橡胶垫块的尺寸为27.5 cm×12.5 cm×2.14 cm。加工好的试件要在室温下(25 cc±3℃)冷却4 h，然后放到自动式沥青路面分析仪(AAPA)中，在试验温度下养护6 h。
3.2
试验设备
AAPA一次可以做三个平行试验，具有完善的控温系统，模拟车轮的小轮往复运动，频率为60次／min，并可调节与试样的接触压力。试验中，试验小轮加到试件上的力为1.23 kN，试验温度为(15℃±1℃)，试验测得的数据通过传感器传输到计算机中，以试件表面有反射裂缝产生为判断依据。
3.3
原材料性质和混合料级配
试验所采用的原材料有普通沥青、SBS改性沥青、骨料、矿粉。共设计了3种不同级配的混合料，见表4。
表4
沥音混合料级配
3.4
试件成型
组成两种中面层AC一20I沥青混合料和两种复合梁。中面层沥青混合料由于是单层结构，因此只要采用最佳油石比成型标准车辙板试件，然后再切割成上述试验所需尺寸即可。两种复合梁的成型方法基本一样，只是需要分上下两层先后成型。上述4种沥青混合料的具体组成详见表5。
表5 4
种混合料的具体组成
3.5
试验结果与分析
从沥青混合料的组成结构类型对疲劳寿命的影响(见图3)进行分析，可以看出：
图3
混合料组成结构类型与疲劳寿命的关系
1)针对单层结构，改性沥青混合料比普通沥青混合料疲劳寿命有显著提高，说明改性沥青提高混合料疲劳寿命效果非常明显。
2)以普通沥青AC一20I为下面层的复合梁A相对普通沥青Ac一20I混合料单层结构疲劳寿命降低，但降幅不大。复合梁疲劳寿命降低的原因可能是由于层间接触情况不好所致。复合梁采用分层铺筑，上面层采用改性沥青SMA—16，结果表明，改性沥青对混合料疲劳寿命影响很小，说明加铺层抵抗反射裂缝能力的高低主要取决于复合梁的下面层。
3)复合梁B相对复合梁A疲劳寿命提高了5.7倍，表明路面不同组成结构类型对混合料的疲劳寿命影响非常大。
4)结果表明，加铺层混合料合理分布组成结构类型是非常重要的。复合梁B的疲劳寿命大大超过复合梁A，故复合梁B组成结构类型被工程实践所采用。
4
结语
1)利用4种不同方法计算了加铺沥青层结构的厚度，经过比较不同计算方法得出的结果并综合考虑其他因素拟定加铺层的结构组成为4 cm AC—16I+6 cm AC—20I+8 cmAC—25I+4 cm Ac—101调平层，总厚度为22 cm。
2)对单层结构AA：PA反射裂缝试验，表明改性沥青在提高混合料疲劳寿命方面效果非常显著。
3)对复合梁AAPA反射裂缝试验，表明加铺层中抵抗反射裂缝能力的高低主要取决于复合梁的下面层。
4)加铺层混合料合理分布组成的结构类型，是提高加铺层混合料疲劳寿命的重要手段之一。
