美国沥青路面上的超薄水泥混凝土面层
混凝土 2006-07-12
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在沥青路面上加铺水泥混凝土薄层罩面，在国外一些杂志上有过介绍，但在我国尚未见报道。这是一种新技术，能否适用于我国的具体情况，还要经过试验研究，逐步发展，以期得到良好的技术经济发展。
关键词 沥青路面 水泥混凝土 超薄面层 加铺技术
1、超薄水泥混凝土面层（UTW）的发展
在旧沥青路面上加铺水泥混凝土面层，又称白色罩面（Whitetopping），这是一项众所周知的路面翻新技术。早在1918年就有过报道。80年代初，这项技术越来越多的在公路和停车场等处采用。白色罩面的做法与通常水泥混凝土路面的做法一样，其厚度为10cm以下。采用这样的水泥混凝土面层，费用要高一些，用13~15厚的的混凝土，较之用5~8cm的沥青罩面，成本要高出50%，在使用寿命上则与沥青面层相同或略高一些。沥青路面老化的程度是不一样的，美国依阿华州的调查表明，该州使用30年及以上的公路公需较小的维修。对于这类路面，有人尝试用更薄的路面罩层，这就是UTW的开端。
超薄水泥混凝土面层（Ultra Thin Whitetopping），就是在旧沥青路面上加铺一层很薄的水泥混凝土面层的技术，面层厚度小于10cm。这种做法是一种尝试，也是一种突破，因为按照传统的刚性路面设计方法，这样的面层很快就会破坏，实际情况却并非如此。因此，在90年代初期，美国就有意识地铺筑了UTW试验路。美国肯塔基州预拌混凝土协会计划在肯塔基市街道上铺筑9cm的水泥混凝土罩层，与此同时，美国水泥混凝土路面协会技术革新委员会也在研讨超薄罩面层可行性，共同的目标使两家联手铺筑了最早的试验路。该试验路位于肯塔基州通往路易斯维利的一个垃圾场的入口处，每天有400~600辆重型卡车在此通过。他们在该试验路上铺上了5cm和9cm的水泥混凝土罩层，并开始了试验工作。
肯塔基试验路获得了成功，其性能比用普通设计方法预计的要好得多，甚至项目倡导者都感到诧异，这引起了广泛的兴趣。UTW随之得以推广，技术也不断发展。在美国的科罗拉多、乔治亚、依阿华、堪萨斯、密苏里、俄亥俄、新泽西、北卡罗里那、南达科他、宾夕法尼亚、加利福尼亚等州均铺筑了UTW。
2、UTW的结构和性能特点
2．1 结构特点
与通常的水泥混凝土面层相比，UTW主要有三个结构特点。一是其厚度很薄，小于10cm，一般在5~10cm之间；二是UTW与作为基层的旧沥青面层之间有良好的粘结，形成一复合路面结构；三是UTW接缝间距较短，缝较窄。根据美国的经验，每2.5cm厚的混凝土板，接缝间距不大于31~46cm，因而UTW接缝间距一般为0.61~1.83m。这些结构上的特点，使UTW表现出其独特的性能。
2．2性能特点
UTW充分利用了旧沥青面层，在其上罩上很薄的水泥混凝土面层，因而降低了建设成本。圣路易斯机场停机坪项目所做的可行性研究表明，在考虑停机坪维修、施工和耐久性等在内的20年的生命周期内，用UTW较之全部重建或用沥青混凝土罩面层更加经济有效。俄亥俄预拌混凝土协会比较了UTW与沥青罩层的初期投资。他们按照AASHTO规范，确定5cm的水泥混凝土面层在结构上近似于8cm的沥青混凝土面层。如果以8cm的沥青面层做为水泥混凝土的成本限值时，则可以通过在UTW中掺不同的纤维或改变接缝间距来满足这一成本要求。而且，采用较小的接缝间距和纤维增强混凝土可以提高路耐久性。
UTW降低了成本，但仍能满足使用要求。UTW能承受较大的荷载，肯塔基试验路通车后43周表明，路面能够承受475000次E－ISOS（SO kN标准轴载）作用。相比之下，低交通道路、城市道路和停车场通常设计为承受50,000~100,000次E－ISOS作用。UTW能承受较大的荷载，主要有三原因，一是由于与沥青层形成一复合结构，因而使面层中和轴的位置降低，混凝土板中的应力大为减小；二是UTW板的尺寸小，也降低了板中应力，使板中弯矩不会太高；三是采用了纤维混凝土，这种路面材料的抗弯强度要比素混凝土高。肯塔基试验路混凝土的抗弯强度24h为5.3Mpa，36h为5.9Mpa，28天达7.2Mpa。抗弯韧性也因掺加纤维而成倍乃至数十倍的增加。
在UTW中，尽管接缝数量较多，但缝的宽度较小，缝宽为0.32cm，因此无须填缝。同样由于接缝很小，不易产生跳车。小的接缝间距，还使混凝土板的翘曲和弯曲减小，路面更加平整。
由于UTW的结构特点和材料特点，还使路面抗裂性能大为提高。此外，UTW也可快速开放交通，肯塔基试验路在24h后即开放了交通。
3、UTW的施工特点
3．1 基层准备
UTW是在旧的沥青路面上铺筑的，要求旧沥青路面有一定的厚度，通常在表面凿毛处理后，厚度应大于8cm，若小于该厚度，则不宜使用UTW。在施工前，一般要钴芯取样以测定沥青层的厚度并了解底基层的情况。旧沥青路面一般要凿毛，并用气喷或水喷法保持凿毛面清洁，以提高与罩面层的粘结力。施工前，沥青层表面应干燥，天气较热时，可以喷洒水雾以降低沥青表面温度，以防水泥混凝土中水分的蒸发，但表面不得带有自由水分，以确保面层和沥青层粘结在一起，形成一复合路面结构。
3．2 、配合比
配合比根据面层的厚度，交通状况和路面开放交通的时间限制来确定，同时还要考虑地方材料情况。美国的UTW项目，混凝土配合比中普通采用减水剂和超塑化剂，以提高施工和易性，有时还掺入引气剂，对路面交通开放时间较紧的工程通常采用较高的水泥用量。配合比的另一个特点是普通采用纤维增强技术。UTW中使用的纤维有很多种，如钢纤维、聚丙烯纤维、聚烯烃纤维、尼龙纤维等，其中以聚丙烯纤维应用最广。
3．3、接缝切割与处理
切缝必须在路面具有一张度但产生开裂之前进行，一般当路面可以上人时，即可开始切缝。肯塔基试验路是在施工后大约6h就开始切缝。UTW的接缝宽度很小，只有几毫米。切缝也不一定要填充，因为下层沥青层起到了防水作用，这与填缝材料所起的作用一致。在圣路易斯机场项目中，为防止飞机燃料油浸蚀下层沥青层，接缝处填塞了硅酮。
3．4 、养护
由于UTW厚度很薄，其表面与体积比较大，养护时要使用养护剂，且用量较通常情况多。圣路易斯机场项目就采用了比平时多两倍的养护剂，达到0.41L/m2
4、美国UTW的研究工作
早在1991年的肯塔基试验路上，就开展了一系列研究工作，这些工作包括：罩层施工前在旧路面上钻芯取样分析老路面状况：测试摊铺层前后的温度；在路面上安装使用应变仪测定浇注后72h路面混凝土的成熟度和脉冲速度等。随后的研究还包括：估计路面基础特性；通过荷载试验测定应变以求得路面应力；建立路面结构的力学模型；测定混凝土面层和旧沥青基层之间的粘结力以及粘结面的耐久性和对路面性能的影响等。
在圣路易斯机场停机坪的项目中，在混凝土中安装了仪器以监测混凝土面层在不同浓度和位置的应力，通过比较现场测试的数据与模型分析结果证实UTW的复合作用。美国波特兰水泥协会的一项研究的目的就是提出UTW的操作规程。
依阿华州的一项7.2km的项目包含64个试验路段，这些路段厚度各不相同，其中包括5cm的UTW路段，接缝间距和沥青表面准备情况亦各不相同，依阿华州立大学的研究者们将监测路面5年，特别注意此期间粘结面的变化，这项研究的结果，可望提出UTW的设计方法。
美国UTW的研究，还包括铺筑相互毗连在一起的掺不同纤维的路段，以研究不同纤维对UTW的影响。1994年南达科他州的一个UTW项目，就将聚烯烃纤维和钢纤维作了比较：俄亥俄预拌混凝土协会也研究了钢纤维、聚丙烯纤维和尼龙纤维的不同作用。但对纤维在UTW中的作用到底有多大等问题，还有待进一步研究。
研究结果表明UTW在大大降低成本的基础上，具有全厚混凝土路面的高寿命和耐久性的特点。随着研究的深入和经验的积累，UTW将得到越来越广泛的应用。
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