1、 前言
由于水泥混凝土路面具有强度高、承载力大、抗水毁能力强、使用耐久等优点，故为满足公路运输的需要，自80年代以来我国修筑了大量的水泥混凝土路面。近年来，我国早期修建的水泥混凝土路面已接近或超过了设计使用年限，有的虽未达到设计年限，但由于交通量剧增，超载运输的影响，以及设计、施工等方面的原因，水泥混凝土路面破损严重，有些路段已危及行车安全。而旧水泥混凝土路面行车舒适性差、车速难以提高、容易引起交通事故的状况，是目前急需解决的问题。
水泥混凝土路面的修复比较困难，可采用的大修措施一般有三种：直接加铺沥青混凝土面层；加铺新水泥混凝土面层和彻底翻修。而在旧水泥混凝土路面上加铺沥青面层，则具有工期短、对交通影响小、修复后路面服务性能好等优点，故国内有相当多的公路采用了此类改造方案。从2003年6月1日开始实施的《公路水泥混凝土路面设计规范》（JTG D40-2002）规定，当旧混凝土路面的损坏状况和接缝传荷能力评定等级为优良或中时，可采用沥青加铺层。
2、 国内外发展、应用情况
2.1 国外
国外旧水泥混凝土路面加铺沥青层的设计方法包括COE 经验法、AASHTO 经验法、弯沉法、ARE( Austin Research Engineers) 法四种方法, 其中以
2.1.1 ARE法
美国AASHTO 罩面设计法采用补足厚度缺额的概念确定沥青加铺层厚度, 其设计公式为:
hov = A( hd - hef ) hef = cbj cbd cbf hex (1)
式中: hex -旧混凝土面层厚度( cm ); hd -按现有地基承载能力和未来交通量要求,由新建混凝土路面设计方法确定的单层混凝土面层所需的厚度( cm) ；cbj -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,cbj = 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；cbd-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，cbd =1,有耐久性裂缝但未碎裂时,cbd = 0.96 ～0.99,有少量碎裂时,cbd = 0.88～ 0.95, 严重碎裂时,cbd = 0.80～0.88；cbf为考虑疲劳损坏程度的系数,少量横向裂缝板( < 5% )则cbf = 0.97～1.0,较多横向裂缝板( 5%～15% )则cbf=0.94～0.96,大量横向裂缝板则cbf =0.90～0.93;A为混凝土层厚与沥青层厚的当量转换系数, 它是混凝土厚度缺额的函数,由下式确定:
A = 2.2233+0.00153(hd-hef) 2-0.0604(hd-hef) (2)
2.1.2 弯沉法
美国沥青协会(AI)认为旧面层接缝(裂缝)处的竖向位移(弯沉)差是引起沥青加铺层开裂的主要原因,因为轮载的施加速度远高于温度变化产生的面层伸缩位移的速率。增加加铺层厚度可以降低弯沉量, 每lcm厚密级配沥青混凝土加铺层约降低2%弯沉量(最高可达4% ～5% )。当需要降低的弯沉量过大时,采用厚加铺层是不经济的。这时, 应采取措施提高接(裂)缝处的路面结构刚度,即降低旧面层的弯沉量。沥青协会建议可以不采取板底填缝等措施的弯沉标准为:接缝(或裂缝)两侧的板边弯沉差：
( w1 - wu ) ≤0.05mm (3)
接缝(或裂缝)两侧的板边平均弯沉：
( w1 + wu )/2≤ 0.36mm (4)
式中: w1 -受荷板的板边弯沉值；
wu -非受荷板的板边弯沉值, 均由80kN轴载和贝克曼梁测定。
在弯沉值满足上述要求(或者不满足采取板底填缝等措施使之达到上述要求)的情况下, 为减少反射裂缝影响所需的加铺层厚度取决于旧面层为l00mm(约可降低20%的弯沉量),其他情况下的厚度选用则依据年平均温差(最热和最冷月的最大日最高温度与最小日温度差的30 年平均值)和旧混凝土板长度的实际情况选用。当加铺层厚度超过200mm ～225mm 时,会引起纵坡、路肩、净空、沿线交通设施等其它方面的一些问题。此时, 则必需采取其它减少反射裂缝措施。而厚度大于100mm 的加铺层, 也可结合选用其它减少反射裂缝的措施而采用较薄的加铺层厚度。
2.1.3 AI法
AI法是一种经验法, 认为AC层破坏的原因, 是行车荷载引起两板间的竖向弯沉差, 在设计中温度影响予以忽略。设计标准荷载是单后轴80KN, 轮胎压力,0.552MPa,轮缘间距为5cm。设计参数主要是考虑板长、接缝宽度和层间处理措施, 层间处治措施有设置土工织物、应力吸收薄膜层、排水下封层和对旧PCC板的破碎与稳定处理。层间处治措施不同, 将按不同方法计算AC加铺层厚度,设计指标为相邻两块板之间的竖向弯沉差及平均弯沉值,其实质是控制接缝处AC层的剪切变形。
AC 法设计思想简单易懂,能够考虑不同处理措施对AC 层的影响是其最大的优点。但设计理论未考虑温度应力的影响,而且AC层裂缝处的破坏机理尚未完全明了,仅考虑弯沉差是其不足之处。
2.1.4 AASHTO法
AASHTO法设计方法通过“等效结构数”来确定加铺层厚度,具体内容包括可行性研究、原硅板处理、防止反射裂缝措施和厚度计算等。尽管也是一种经验法,但其适用性已被世界所公认,许多理论法的计算结果都与其进行参照对比,简化公式也采用AASHTO法经验公式的形式。
主要设计参数为设计交通量与旧硷板状况, 厚度按(1)式计算：
Dot=A(Df-Deff) （1）
式中:
Dot—AC层加铺层设计厚度；
Df—按新建公路设计时PCC板所需厚度；
Deff— 旧板有效厚度；
A一PCC板厚对AC 层厚度换算系数。
AASHTO法还给出AC层只用于功能层考虑时的最小厚度,设计中引人了可靠度的概念。
2.1.5 Berkeley分校的设计方法
该法由加州大学的Monismith和Cotezee提出，是在二维有限应力分析的基础上控制反射裂缝的设计方法。先建立路面结构的有限元离散模型,然后进行有限元计算,把加铺层的应力、应变与允许值进行对比,从而确定加铺层厚度,各种车荷的疲劳作用按Miner假定计算。主要设计参数为材料弹性参数、几何尺寸、荷载类型和设计荷载作用次数等。实际上,Monismith应用了断裂力学理论分析了反射裂缝的形成机理,能够解释裂缝的发展机理。应用裂缝传播理论代替传统的疲劳设计方法,是一种创新。综上所述,国外的设计方法以经验法为主,优点是能结合当地的实际情况给出合理的设计结果∗缺点是设计方法不能通用,与我国传统的理论法相差较大。
综上所述,国外的设计方法以经验法为主,优点是能结合当地的实际情况给出合理的设计结果与缺点是设计方法不能通用,与我国传统的理论法相差较大。
2.2 国内研究现状
目前国内在沥青加铺层设计方面可以借鉴的国外经验主要来源于美国, 指导理论主要是弹性层状理论与有限元理论, 其次还有弹性地基板理论与断裂力学理论等。
弹性层状理论是路面力学领域里发展较为成熟的理论, 该方法把路面结构层分为沥青层、旧水泥混凝土板和土基组成的三层体系, 荷载可以考虑一个或多个水平荷载与垂直荷载, 层间结合形式可以考虑完全连续或光滑, 计算指标主要有沥青加铺层的表面弯沉值、层底弯拉应力和水泥混凝土板底的弯拉应力等, 设计参数可根据现有规范确定。该方法具有概念清晰、理论明确、与现行规范结合较好的优点, 在国内公路工程行业内较为容易接受。
我国广大的道路研究者在各个时期利用了有限元理论对加铺层问题进行了探讨。起初是利用平面有限元模型进行计算分析, 如同济大学倪明利用平面有限元程序计算分析了中荷载和偏荷载作用下加铺层内的应力和应变。认为加铺层的反射裂缝是由于车辆荷载主拉应力或温度主拉应力超过材料的强度所致,偏荷载主拉应力是加铺层开裂的主要原因; 后来发展到三维有限元。
2.3 存在的问题
（1） 以弹性层状体系理论为基础的沥青面层设计法,由于理论上采取了半无限的假定,往往不能考虑接(裂)缝等受力不利的位置,提出的设计标准实用性较差,脱离不了柔性路面设计的影响。
（2）有限元考虑沥青面层的设计是一种较好的方法,但由于采用不同的计算模型和不同的计算假定,对于反射裂缝形成的机理,出现了很多不一致的分析,甚至于相互矛盾的地方。编写程序时以下问题没有全部考虑:反映现有的设计理论、满足常用的各种假设的边界条件、应有表示接缝的缝单元、能模拟多条接缝、反映路面脱空现象及脱空区一定的支承能力、很方便地加入传力杆等奇异单元、考虑路面结构的动力响应。
（3）各种模型对沥青面层的整体作用考虑很少,以简单的固定支承考虑,忽视了沥青混凝土作为整体的结构性。对混凝土板之间的接缝(裂缝)以贯通的缝考虑,不考虑混凝土板的传荷能力,对于已经存在贯通裂缝的旧路沥青面层尚能反映实际情况, 但对新建的复合路面却不能符合实际情况。
（4）由于计算模型的差异和计算分析指标的不同,在选择临界荷位时并不统一。至于能够完整考虑荷载位置、接触条件、界面条件、支承条件,又明确提出沥青面层损坏机理的模型几乎没有。
（5）在对旧水泥混凝土路面进行处治时,没有对水泥混凝土板上的接缝、裂缝宽度给以充分考虑。
（6）旧水泥混凝土路面加铺沥青混凝土面层的研究,国内对防止反射裂缝技术措施的研究比解决其机理问题要多,技术经济效果成为其主要研究内容。因此,对刚柔复合路面结构的设计理论和方法还有待进行深入的试验研究和力学分析。
3、 沥青罩面面层结构设计（方案选择）
3.1旧路状况的调查与评定
路面补强之前对原路面进行病害调查的目的不仅在于了解路面破损率更重要的是为了防止原有路面因自然和行车等因素产生的病害危害加铺的补强层因此必须对原路面的破损进行治理。破损调查时不仅要注意调查病害的面积、类型更重要的是分析其病害程度。通过采用强度检测和破损调查结果检测路段弯沉值、路面破损情况, 根据现有路面状况,本着尽量利用旧路的原则，提出翻修和加铺相结合的改建方案。即对破损较严重强度较低的路段进行翻修；强度较高的路段在对破损部分进行修补之后加铺补强层。
水泥混凝土路面在长期的使用过程中不可避免地出现磨光、板块破损断裂、局部沉降、接缝破坏等各种病害。在对旧水泥混凝土路面进行沥青罩面改造工程中必须对原路面的病害进行处理。
（1）板块断裂板块断裂的处理应根据其损坏的程度而分别对待处理的方法主要有裂缝修补法、局部修补法、整板更换法。
对于裂缝宽度不大于3mm时,用高压空气将裂缝内的杂物清除干净后, 灌注收缩性小、抗拉强度高的粘结剂。
对于轻微断裂、裂缝宽度在3mm～5mm的断板,在此围凿成深5cm～7cm的长方形凹槽, 将凹槽冲刷干净后用快凝水泥混凝土捣实填平即可;裂缝宽度在5mm以上的断板, 则将凹槽凿至贯通整块板清除掉一块旧板在凹槽一侧板厚中央钻直径40mm、深10mm～15mm的孔,水平间距为30cm～50cm, 孔内按放直径为18mm～22mm的带肋钢筋然后用快凝高强水泥砂浆灌孔捣实待砂浆干硬后用快凝水泥混凝土捣实填平。
对于严重断裂、裂缝处有严重剥落而且有错台、裂块已开始活动的断板&则更换整块板在新旧板接缝处设置传力杆。
（2）唧泥
对于出现唧泥现象的水泥混凝土板可在板下脱空区域填充刚性或半刚性的材料已阻止板边产生较大的竖向位移。对接缝完好的板块采用钻孔灌浆处理沿接缝钻一排直径20mm的孔, 高压喷枪清除残渣& 向脱空区灌浆，并用接缝密封胶封缝。
（3）接缝碎裂
接缝是水泥混凝土路面的薄弱部位、接缝两侧易被剪切破坏。在重交通道路都设有传力杆但随着接缝的碎裂，传力杆也相继失效, 相邻混凝土板之间的约束消失, 从而增加板块的自由度。由于接缝的破坏混凝土板上的沥青罩面层出现反射裂缝的可能性增加。
处理有传力杆碎裂缩缝主要是解决恢复传力杆的传力作用和满足板块伸缩的要求这两个问题。而对于胀缝碎裂的情况则可重新浇筑并在缝顶预留深1cm、宽30cm的槽待混凝土凝固后在槽内铺宽20cm～25cm、厚8mm～10mm的钢板将胀缝盖住。
（4）错台
对于高差大于15mm的错台,应将其高出部分凿除高差较小的错台可采用沥青砂填平。如不处理, 不仅土工织物的作用得不到有效地发挥而且会加速土工织物和罩面层的破坏。
（5）局部沉降
对于局部沉降部位，开挖后对土基和基层经处理, 板块重新浇筑。
3.1.1 路面损坏状况评定
路面状况的调查和评定,主要从以下几方面进行:1)旧路面的结构和材料组成,材料性质试验,排水状况, 养护历史；2)路面损坏状况调查,以了解路面损坏的类型、轻重程度和范围；3)路表面弯沉测定,以反算路面各结构层的模量参数,评定路面结构的承载能力(剩余寿命),评价水泥混凝土面层接缝的传荷能力,检查其板底脱空情况；4)量测路面的平整度,评定其行车舒适性；5)量测路表面的抗滑能力,评定其行车安全性；6)交通荷载调查,以了解路面的受荷历史(已承受的标准轴载累计作用次数)并预估今后的趋势和发展；7)环境(温度和湿度状况)影响分析。
3.2 反射裂缝
3.2.1反射裂缝的定义及分类
反射裂缝定义所谓反射裂缝，是指路面基层先于面层产生裂缝，并将基层裂缝反射到面层。原有水泥混凝土路面的裂缝和初始缺陷在温湿循环应力和荷载重复应力的共同作用下，在沥青加铺层底部产生应力集中，首先导致加铺层底部开裂，随后逐步由加铺层底部向上扩展，最终使裂缝贯穿整个面层，形成反射裂缝。
反射裂缝分类根据形成的不同原因，可将反射裂缝分为两大类：荷载型反射裂缝和非荷载型反射裂缝。非荷载型反射裂缝又包括温度收缩裂缝、干燥收缩裂缝、三相结构初始缺陷、路基不均匀沉降引起的基层(原有水泥混凝土路面)开裂。通常将由温度和干缩引起的反射裂缝统称为温度型反射裂缝。
3.2.2反射裂缝的产生及发展机理
加铺沥青混凝土面层的罩面技术在我国应用比较广泛,且施工技术成熟,经验多。它具有施工速度快、修复成本低等优点,但很容易出现反射裂缝反射裂缝是由于温度的变化以及车轮荷载的不断作用,在与旧水泥混凝土板的接缝或裂缝相对应的位置,沥青混凝土加铺层上产生裂缝。其产生的主要原因是温度变化引起的旧水泥混凝土面层的变形以及车轮荷载引起水泥混凝土板缝两侧的竖向变形差, 使沥青混凝土在与接缝和裂缝相应位置处产生较大拉应力和剪切应力,而沥青在低温时不容易变形,致使拉应力和剪切应力增大。反射裂缝是加铺沥青混层施工过程中最易出现的病害,所谓反射裂缝,从定义上看是下层混凝土板的接逢或裂缝, 由于温度和湿度的不断变化与车辆荷载的反复作用,在加铺层的相应位置上产生裂缝。竖向位移是接缝、裂缝两侧板面由于车辆荷载作用产生的垂直方向的相对位移。水平位移是由于温度或湿度变化引起的水泥混凝土板的胀缩产生的水平方向的位移。水泥混凝土板产生的水平位移, 使沥青加铺层在接缝、裂缝处产生较大的拉应力,当拉应力超过沥青混凝土的抗拉强度时, 即出现开裂。在温度、湿度应力和车辆荷载的综合作用下,裂缝不断向上发展,反射到加铺层表面。因此,需要对沥青混凝土面层反射裂缝进行综合防治。
旧水泥混凝土路面上加铺沥青混凝土层是一种特殊的路面结构, 其应力、应变特性与一般的弹性层状体系有较大的差别。由于接裂缝的存在, 旧水泥混凝土路面作为基层的整体强度降低, 而且在外力荷载作用下, 沥青混凝土加铺层中由于接裂缝两侧相邻板块产生竖向位移差, 而出现较大的剪切应力,这种剪切应力是沥青混凝土加铺层产生荷载型反射裂缝最主要的原因。由于旧水泥混凝土的应力在接缝处不连续, 因此沥青混凝土加铺层同时承受它本身以及旧路面所产生的温度应力, 特别是冬季气温较低时, 沥青混凝土加铺层会因为与接裂缝对应处的拉应力过大而产生开裂, 形成所谓的温度型反射裂缝。同时, 随着温度和湿度的变化, 旧水泥路面的裂缝会随之扩展和缩小, 而由于交通荷载的作用, 会使裂缝竖向错动。在温度与交通荷载的综合作用下, 裂缝会逐渐向上层延伸, 最终贯通整个沥青混凝土面层。有关研究表明: 温度应力引起反射裂缝的产生与最初的发展, 荷载应力则主要加速裂缝的发展。因此, 沥青混凝土加铺层设计实际是设计沥青混凝土加铺层的厚度, 而厚度由行车荷载和防止反射裂缝两个因素控制。由于水泥混凝土面板强度较高, 作为基层, 其上加铺沥青混凝土这种路面结构层, 强度方面一般能满足需要, 关键是防止沥青混凝土加铺层反射裂缝的产生。
3.3减缓反射裂缝的措施（旧路面病害处理）
旧水泥混凝土路面加铺沥青混凝土面层设计的失整性, 会导致沥青混凝土加铺层发展成为更严重的病害破坏。因此,旧水泥混凝土路面上加铺沥青混凝土面层, 沥青混凝土层设计的关键是预防和延缓反射裂缝的产生。沥青混凝土路面另一种常见病害是车辙, 车辙主要发生在沥青混凝土面层,通常经历2个发展阶段:沥青混凝土路面竣工初期在结构内部形成了一定的空隙,在高温和车轮荷载反复作用下,沥青混合料逐渐被压实,空隙率逐渐减少,直到沥青混凝土体积不再减少, 这是车辙形成的初始阶段;随后在车轮荷载的反复作用下,沥青混凝土发生累积变形, 车轮作用多的部位不断下陷并向两侧拥挤,使车轮作用少的部位逐渐隆起,亦即车辙形成的第2阶段,也是其主要阶段。多数工程来说,反射裂缝主要由荷载作用引起, 应采用降低接缝处板边弯沉量和弯沉差, 增加加铺层弯拉强度和剪切强度的措施。采用玻纤格栅是有效防止路面反射裂缝和抵抗车辙的措施之一。格栅搭接时纵向搭接宽度不小于20cm,横向搭接宽度不小于15cm,纵向搭接应根据沥青混合料摊铺方向将前一幅置于后一幅之上。施工时采用洒布粘层油后直接摊铺玻纤格栅,压路机紧随后碾压,效果较好,玻纤格栅也不易起波浪。
目前，预防或延缓旧混凝土面层上沥青加铺层反射裂缝的措施主要有以下几种：
（1）锯切横缝。在沥青加铺层上，对准旧水泥混凝土面层的横缝位置锯切出新的横缝，并在开放交通前尽早在缝内填入封缝料，以保持接缝有效地密封，防止水或异物进入。预先锯缝，可以为释放加铺层内因温度收缩受阻而产生的拉应力提供预定的不连续断面位置，从而控制随意裂缝的出现。这种措施可以减少反射裂缝（接缝）处的边缘碎裂，但必须做好接缝的养护（有效密封）工作。同时，这种措施适用于旧路面结构状况良好（或者已对损坏板进行处理）、接缝处板弯沉量较小的水泥混凝土路面。
(2)在加铺层中采用应力吸收夹层是防止和延缓反射裂缝产生的有效方法之一。通常采用由橡胶沥青混合料组成的高弹性低劲度夹层, 厚度为10～50mm, 模量约为10～100MPa, 其作用是改善沥青混凝土面层和旧混凝土板的层间结合状况。主要减少由于温度引起的反射裂缝, 同时也减少应力集中现象, 减少来自荷载作用产生的应力。
（3） 厚加铺层。增加加铺层厚度，一方面可以减少旧面层的温度变化，并降低加铺层底面的拉应力；另一方面可以增加路面结构的弯曲刚度，降低接缝处的弯沉量和弯沉差，减少加铺层的剪切应力。同时，对于较厚的加铺层来说，裂缝由加铺层底面扩展到顶面需要经历较长的距离（时间）。
（4）裂缝缓解层。在沥青加铺层和旧面层之间可以设置一层有开级配沥青碎石混合料组成的裂缝缓解层（厚约9cm）。混合料含有25%～35%的连通空隙，因而可提供缓解作用，使旧面层接缝（或裂缝）处的弯沉差难以影响到沥青加铺层的上层，从而减少反射裂缝产生的可能性。
（5）破碎和固定。在旧水泥混凝土面层的结构损坏较严重、断板率较高、对损坏板进行修复后再采用其他措施已不经济时，可以对旧面层板进行破坏和固定。应用混凝土破碎机将面层板分解成尺寸为60～100 cm 左右的碎块，随后用重型轮胎路碾在碎块上碾压数遍，使之牢固地坐落在基层上，与基层顶面之间无空隙。由于板块尺寸减小，温度下降时的收缩位移大大降低，从而也降低了加铺层的拉应力。同时，接缝和裂缝两侧板块的弯沉量和弯沉
差也随板块尺寸的减小而降低。
（6）设置夹层。在旧水泥混凝土面层和加铺层之间设置夹层，可以使沥青加铺层底面的应力或应变在接缝或裂缝端部的集中得到缓解，同时也可改变加铺层结构（包括夹层在内）的抗拉和抗剪能力。目前所采用的夹层可分为三大类：橡胶沥青应力吸收夹层、土工织物夹层和格栅。
橡胶沥青应力吸收夹层是一种由橡胶沥青混合料组成的高弹性低劲度软夹层，厚度为10～50 mm，模量约为10～100 MPa。其作用为降低旧面层与加铺层之间的粘附阻力，使二者易于蠕动-滑动，从而减少温度下降引起的反射裂缝。同时，由于隔开了接缝（或裂缝）端部，也可以降低加铺层底面的荷载应力。
土工布具有耐高温的特性,在沥青混凝土摊铺时不会熔化于沥青混凝土中或老化变质；能够承受压路机碾压；并能有效地减少地表水通过旧水泥混凝土板接缝渗入土基,同时也能减少地下水通过旧水泥混凝土板接缝进入加铺层,浸湿加铺层结构材料,可延缓沥青面层出现剥落和松散,延长加铺层结构的使用寿命;而且利用其抗变形能力,对消散水平应变、传递竖向荷载起到一定作用,从而延缓反射裂缝的产生。在施工中,夹层材料可采用热熔聚脂长纤土工布,其单位面积质量为180g/m2,纵向断裂强度9.7kN/m,纵向5%的拉伸力4.8kN/m,横向断裂强度11.2kN/m,横向5%的拉伸力5.3kN/m。
土工织物夹层包括聚丙烯或聚脂织物和聚乙烯、聚丙烯或聚脂无纺织物。无纺织物的厚度约0.4～4 mm，模量约为10～160 MPa，临界应力为5～20 MPa，临界应变为40%～140%。而织物的厚度较薄些，约为0.4～0.7 mm，模量则高些，约为400～1500 MPa，临界应力和应变相应为40～140MPa和8%～15%。无纺织物夹层的作用与橡胶沥青应力吸附夹层相似。而织物由于模量稍高，可对夹铺层起少量加筋作用。
木工格栅包括聚丙烯或聚脂土工格栅、玻璃格栅和金属格栅。土工格栅的厚度约为0.8～1.1mm，其模量约为900～2500MPa，临界应力和应变与织物相近。金属格栅的厚度约为2～4 mm，其模量可达到8000～10000MPa。玻璃纤维格栅是一种性能优良的新型土工基材,其主要成份属硅酸盐, 是一种理化性能极其稳定的材料。它具有很高的耐热性和优异的耐寒性, 强度大、模量高、化学稳定性好、膨胀系数低等。国内外的许多研究表明, 在沥青路面中使用玻纤格栅, 能够起到减少车辙、推迟疲劳裂缝的产生及延缓反射裂缝发展的作用。同时, 玻璃纤维格栅耐高温稳定性好, 摊铺热沥青混凝土时不会产生变形, 便于施工。
还可以在沥青混凝土加铺层中掺入钢纤维以提高沥青混凝土加铺层的抗变形能力和抗拉强度。钢纤维应选取分散均匀不易结团的铣削型钢纤维。经试验和工程实践表明: 钢纤维的掺量体积率宜在0. 5% ~ 1. 2%。因为钢纤维含量太小不起增强作用,而如果掺量太大则钢纤维的外露量较大,出现外观较差、容易结团的问题。经实践证明,掺入钢纤维对控制反射裂缝有明显效果。
3.4 常用加铺方法
为了防止反射裂缝，《公路水泥混凝土路面设计规范（JTG D40-2002）》要求只有当旧水泥混凝土面层的结构性损坏状况和接缝传荷能力均评定为优良或中时，并且对面层裂缝、错台和板底脱空等病害进行修复后，才能采用沥青加铺层。防止和控制反射裂缝是沥青加铺层设计的重点。旧水泥混凝土路面加铺沥青混凝土面层（简称“白+黑”方案）常见结构如图所示。
3.5 加铺层的力学分析
为研究反射裂缝产生与发展的机理,采用通用的有限元法及断裂力学原理,建立三维有限元模型,对接缝区加铺层内的应力状态进行详细分析,分析表明:
(1) 行车荷载和温度变化是引起旧水泥混凝土路面上沥青加铺层产生反射裂缝的主要原因。行车荷载主要使下卧路面结构在裂缝两侧产生竖向位移差,引起剪切型反射裂缝；温度变化主要使路面结构在裂缝两侧产生水平位移,引起张拉型反射裂缝。其中温度变化的影响更为显著。
(2) 增加沥青层厚度可抑制行车荷载引起的反射裂缝,但在无夹层处理时,其对温度变化引起的反射裂缝作用不明显。若要阻止荷载引起反射裂缝,其厚度至少应为20cm以上。
(3) 当地基模量很小时,对接缝区地基进行适当处理,提高其模量和稳定性,可以有效地降低行车荷载在接缝区产生反射裂缝的可能性,并能延缓剪切型反射裂缝扩展的速度。接缝区如果存在地基脱空现象,应着重处理,进行必要的灌浆与封底。当旧水泥混凝土板在接缝处的弯沉差大于10( 0101 mm) 时,应对接缝区地基进行处理,从安全的角度考虑弯沉差的控制指标可取6( 0101 mm) 。
(4) 选用土工格栅类材料作为夹层时,其模量越大作用越显著,但其材料本身的应力值亦很大,所以它应具有较高的强度。由本文计算表明,格栅模量在5 000 MPa～7 000MPa 间较为合适。
(5) 荷载与温度共同作用时,加铺层底剪应力比荷载或温度单独作用时增大较多。从总体情况来看,两种作用叠加将加剧反射裂缝的产生。
(6) 对本工程两种加铺方案的分析表明,当加铺层底不添加夹层时, 仅考虑荷载作用,加铺层厚度就要大于20cm,再加上温度变化影响的话,厚度可能还要增加。采用玻纤格栅后,无论是荷载作用、温度作用,还是两者的共同作用,加铺层底的不利应力值都大为减小。即使当地基有脱空时,采用格栅夹层也能很好地缓和加铺层底的不利应力。
(7) 采用二灰碎石补强层后,无论加不加玻纤格珊,加铺层底的不利应力都已变得很小,沥青加铺层中的应力分布已没有应力集中现象, 这时候它的受力已等同于一般无裂缝区加铺层的受力。
3.6 沥青加铺层设计指标
根据沥青面层的受力状态和耐久性进行各层的材料组成设计, 与沥青面层的功能和损坏状态结合起来, 在我国沥青加铺层设计方面的成果上, 本文提出并采用的设计指标有:
(1)路表弯沉
路表面在荷载作用下产生的回弹弯沉反映了路面结构的整体强度, 弯沉指标表征了路面结构抵抗垂直荷载作用下产生变形的能力, 主要用来控制路面整体结构的垂直变形, 在路面设计中采用双圆轮隙中心处的弯沉作为设计指标。
(2)面层底部拉应力指标
路面破损大部分与混合料的拉应力有关, 所以当以疲劳开裂作为设计标准, 要求沥青层层底弯拉应力不大于路面材料的容许拉应力, 这是控制沥青面层底不产生裂缝的重要指标。
(3)面层剪应力指标
对路面在反复荷载作用下出现的车辙问题,应该从设计角度加以控制。从应力角度讲,车辙的产生与剪应力作用有关,所以加铺层设计时需考虑剪切应力的作用。
3.7 沥青加铺层设计过程
旧水泥混凝土路面加铺沥青层设计以控制车辙、弯沉差和补强层疲劳断裂为基本方法,以现行公路沥青路面设计规范( JTG D50- 2006)为验算方法,进行补强层厚度的设计。该方法主要分为六个阶段:
(1)根据水泥混凝土路面的具体情况,将现有混凝土路面划分为若干不同段落,对旧路进行调查评价,获取旧路结构的各层材料信息并评定本段路面使用状况,根据收集的信息对旧路结构提出处治要求。
(2)由于各种因素影响造成一些路段出现路面损坏现象,为了保证修复后路面的质量,须对上述损害作适当的处理.然后再次测定旧路面弯沉,用此测定的弯沉结果作为补强厚度计算的依据。
(3)沥青面层厚度的确定。综合国外使用情况及国内相关科研单位试验路段的结果,沥青面层厚度取值可为:高速公路、一级公路7 ～8cm, 二级及二级以下公路为4～5cm。
(4)以板裂缝处弯沉差为控制指标,初步确定补强层厚度hl。然后根据hl和修正补强层材料模量查应力图,检验补强层底部应力是否超过材料的允许强度,如超过需要采取相应措施以减少补强层底部的应力,再次确定不使补强层断裂所需要的厚度h2。
(5)旧混凝土路面上铺筑半刚性基层沥青路面还应该满足现行公路沥青路面设计规范，设计指标要求,即以补强层作为设计层,对旧水泥混凝土路面补强层进行厚度计算,设计算厚度为h3。
(6)根据上述三步计算结果得到的hl、h2、h3,补强层设计厚度可确定为:h=max( hl, h2, h3 )
3.8 沥青加铺层方案选择
沥青罩面层在使用中产生的反射裂缝不仅导致路表水下浸，影响到路基的强度和稳定性，而且在行车荷载的反复作用和周期性变化的环境温度影响下，常常使裂缝迅速向四周扩展，大大缩短了沥青面层的使用寿命，严重影响行车的舒适性。为防治反射裂缝，目前国内在旧路面沥青罩面中基本上是采用下述5种方案：
（1）旧板破碎冲击振动压实+半刚性（或刚性）基层+沥青罩面层。用冲击锤将旧水泥路面板块破碎成混凝土块，灌水泥砂浆，振动压路机碾压成形，铺筑水泥稳定级配砂砾或废弃沥青砼做夹层，既起补强作用，也吸收基层的反射裂缝，其上铺筑沥青罩面层。
（2）旧板处理+ 沥青调平层+ 满铺单面烧毛土工布+沥青罩面层。处理旧路面后铺薄层沥青砼调平层，再满铺单面烧毛土工布，吸收水泥砼面的反射裂缝，其上铺筑沥青罩面层。
（3）旧板处理+STRATA 应力吸收层+ 沥青罩面层。STRATA 应力吸收层是整个沥青罩面层的核心，它具有粘弹性高、抗疲劳抗塑性变形能力强、密实、不透水等特点，能有效减少或缓解旧水泥砼板传递给沥青面层的反射裂缝。它直接铺筑在水泥砼路面上形成防水层，能有效地防止路面的水渗入基层，而使基层顶面软化。
（4）旧板处理+ 沥青调平层+ 缝铺玻璃格栅+ 沥青罩面层。处理旧路面后铺薄层沥青砼调平层，缝铺玻璃格栅，吸收水泥砼面的反射裂缝，其上铺筑沥青罩面层。
（5）旧板处理+缝铺单面长丝烧毛土工布+ 沥青罩面层。处理旧路面板，横、纵缝灌缝，在缝上铺设单面烧毛土工布，既能吸收水泥砼面的反射裂缝，又起隔温、防渗作用，其上铺筑沥青罩面层。经过选择对比，决策采用缝铺土工布的沥青罩面加铺方案。
3.9 沥青层材料选择
原材料是影响沥青混凝土质量的根本所在,严格把好进场材料关对沥青混凝土生产质量将产生至关重要的影响。生产沥青混凝土所需材料为沥青、石料、填料。关键的材料沥青要选重交通道路石油沥青、改性沥青。其性能、指标必须符合高等级路面施工要求。集料在沥青混合料中起到一个整体骨架作用来抵抗路面的变形, 集料本身的强度特性、集料与沥青的粘附性、集料的棱角性和集料的级配对沥青混凝土路面的强度、高温稳定性和水稳性起决定性作用。石料应结合当地的地材情况。一般选破碎面较多、扁平颗粒较少的石料,并且必须达到洁净、无杂质、无风化,具有良好的颗粒形状,抗压强度应不低于三级。压碎值小于25％,与沥青材料粘结力不低于三级。矿粉要洁净、干燥、无杂质,有30％能通过0.074mm筛,亲水系数小于1.0,外观无团粒、结块。砂的细度模数为2.3～3.0，含泥率小于1％。
4、施工工艺要求及注意事项
4.1施工流程
（1）路面处理。室内小梁模拟试验表明，即使用加筋材料，如果竖向位移过大也很难延缓裂缝护展。因此在沥青砼罩面前，对旧砼板接缝弯沉差超过一定的范围时，必须进行处理。
（2）路面清扫。用高夺清扫泵彻底将路面杂物及裂缝中的淤积物清除干净。特别要注意清扫干净新板上的浮浆及接缝中原有的碎石、老化灌缝料等。
（3）灌缝。沥青灌缝热稳定性较差，因此笔者认为有条件的情况下最好使用改性聚胺酯灌缝材料，严禁灌满裂缝，以防灌缝料遇热膨胀顶裂沥青罩面层，尤其是胀缝处应特别注意。
（4）洒布阳离子乳化沥青。采用阳离子乳化沥青比热沥青更便于施工，热沥青对温度要求较高，季节性依赖强，缝铺土工布时施工难度大，严重影响铺设效率，洒布粘层油时要求旧路面干燥，无浮浆等，洒布比土工布宽度每边加宽约10cm ，洒布要均匀，避免局部泛油。
（5）铺设土工布。可自行设计简易的专用工具沿裂缝方向两边各0.5m 铺设土工布，要求平整无褶皱，如遇弯道，应将弯道内侧的土工布用剪刀裁开，然后将一侧推平。铺设后的土工布具有一定的预张拉力，同时为了与旧路面粘结更加牢固，建议铺设后用胶轮压路机对纵缝进行碾压。为确保土工布间有10～20cm的搭接，要在前一幅摊好的土工布之上边部洒10～20cm宽的沥青带。
（6）二次喷洒阳离子乳化沥青。为使土工布浸透沥青后形成严密的防水层， 同时沥青用量不超标， 应严格控制两次洒布量总量。沥青用量可根据奥地利POLYFELT公司推荐的无纺织物沥青有效用量计算公式确定。
（7）洒布沥青乳拌碎石。土工布与沥青胶油充分结合后，为了便于施工车辆通行时不破坏土工布及摊铺机摊铺时不打滑，建议在其上洒布薄层沥青乳拌碎石，沥青油石比控制在0.8%左右，而且碎石必须洒布均匀。
（8）沥青罩面层摊铺。按试验路段总结出的摊铺工艺进行施工。
4.2 沥青混凝土面层施工
（1）改性沥青混合料施工要求。改性沥青混合料路面工程在正式开工前，必须铺筑100～200m 试验路段，进行改性沥青混合料的试拌、试铺和试压试验，并据此制订正式的施工程序，以确保良好的施工质量和路面施工的顺利进行。1）确定拌和温度、拌和时间，验证矿料级配和沥青用量；2）确定摊铺温度、摊铺速度；3）确定压实温度、压路机类型、压实工艺及压实遍数；4）改性沥青施工温度。温度控制:沥青混合料出厂温度宜控制在155～165℃之间,到场施工温度不宜低于145℃,正常摊铺温度不宜低于135℃,开始碾压温度不宜低于130℃,终碾温度不宜低于80℃。
（2）改性沥青混合料生产。1）生产改性沥青混合料时，应按该类改性剂或改性沥青所要求的工艺条件和生产方法进行，当需要改变生产条件或生产方法时，应通过试验研究确定；2）改性沥青混合料宜随拌随用，若因生产或其他原因需要短时间储存时，储存时间不宜超过24h，储存期间温降不应超过10℃，当发生结合料老化、滴漏、混合料降温过多、粗细集料颗粒离析以及其他影响产品质量的情况时，应予废弃并找出原因，采取纠正措施。
（3）改性沥青混合料运输。1）改性沥青混合料应采用自卸汽车运输，车辆的数量应与摊铺机的数量、摊铺能力、运输距离相适应，在摊铺机前应形成一个不间断的供料车流。2）为便于卸料，改性沥青混合料运输车的车厢底板和侧板应抹一层隔离剂，并排除可见游离余液。使用油水混合液时，应严格控制油与水的比例，严禁使用纯石油制品。3）运料车装料时，应通过前后移动运料车来消除粗细料的离析现象。一车料最少应分三次装载，对于大型运料车，可分多次装载。4）雨季施工时，改性沥青混合料在运输过程中应采用防水的蓬布遮盖，防水蓬布应覆盖整个运料车。
（4）沥青混合料的摊铺。1）平整度的控制。为了控制摊铺时的平整度，摊铺机熨平板的自动找平装置需要有一个准确的基准面。目前常用的基准面（线）控制的方法有：基准钢丝绳法、浮动基准梁法等。2）摊铺温度控制。摊铺时的温度不得低于110～130℃，也不得高于165℃。3）摊铺速度控制。摊铺机工作时应保持匀速缓慢前进，不得时慢时快或中途停顿；否则会破坏熨平板受力平衡系统，引起熨平板上下波动，直接影响路面平整度。
（5）沥青混和料的碾压。1）压实设备必须配有钢轮压路机、大吨位轮胎压路机及大吨位振动压路机，能按合理的压实工艺进行组合压实。并应备有经监理工程师所认可的小型振动压路机或手扶振动夯具，以用于在狭窄地点压实或修补工程。2）在混合料完成摊铺和刮平后应立即对路面进行检查，对不规则之处应及时用人工进行调整，随后进行充分、均匀的压实。3）压实分为初压、复压和终压，压路机应以均匀速度行驶。4）初压采用轻型钢筒式压路机或关闭振动的振动压路机碾压，初压后检查平整度和路拱，必要时应予以修整。复压紧接在初压后进行，复压宜采用重型的轮胎压路机，也可采用振动压路机。终压紧接在复压后进行，终压应采用双轮钢筒式压路机或关闭振动的振动压路机碾压。5）碾压工作应按试验路确定的试验结果办理。6）在碾压期间，压路机不得中途停留、转向或制动。当压路机来回交替碾压时，前后两次停留地点应相距10m 以上，并应驶出压实起始线3m 以外。7）压路机不得停留在温度高于50℃的已经压过的混合料上。同时应采取有效措施，防止油料、润滑油、汽油等其他有机杂质在压路机操作或停放期间掉落在路面上。8）在压实时，如接缝处（包括纵缝、横缝或其他原因而形成的施工缝）的混合料温度已经不能满足压实温度要求，应采用加热器提高混合料的温度达到要求的压实温度，再压实到无缝迹为止。否则，必须垂直切割混合料并重新铺筑，立即共同碾压到无缝迹为止。9）在压路机压不到的地方，应采用热的手夯或机夯把混合料充分压实。已经完成碾压的路面，不得修补表皮。
（6）接缝的处理。1）铺筑工作的安排应使纵、横缝都保持在最小数量。接缝的方法及设备，应取得监理工程师批准。在接缝处的密度和表面修饰应与其他部分相同。2）相邻两幅及上下层的横向接缝，均应错位1m 以上，横向接缝严禁采用斜接缝，应采用垂直的平接缝。3）平接缝应做到紧密粘结，充分压实连接平顺，可采用切缝机切齐接头，洒粘层油后接着摊铺。4）横向接缝应先用压路机进行横向碾压，碾压时压路机应位于已压实的面层上，错过新铺层15cm，然后每压一遍向新铺层移动15～20cm，直至全部在新铺层上，再改为纵向碾压。5）当无法避免出现纵向冷接缝时，宜加设挡板或加设切刀切齐，也可在混合料尚未完全冷却前用镐刨除边缘留下毛茬的方式，但不宜冷却后采用切割机切缝作纵向冷接缝。6）上下层的纵缝应错开150mm（热接缝）或300～400mm（冷接缝），表层的纵缝应顺直，冷接缝宜留在车道标线位置上。
（7）试验与检测要求。1）基本要求。①基质沥青及改性剂和各种集料均应符合图纸及规范要求。②改性沥青混合料级配及各项技术指标达到规范要求。③拌和后的混合料均匀一致，无花白、无离析和结团现象。④改性沥青混合料碾压后达到规定的压实度要求。2）外观鉴定。①表面平整密实，无泛油、松散、裂缝、粗细料集中等现象。②表面无明显的轮迹。③接缝紧密、平顺，熨缝不应枯焦。④面层与路缘石及其他构筑物衔接平顺，无积水现象。
4.3 施工注意的相关问题
（1）沥青摊铺前必须把浮动的碎石清扫干净，对局部露白补洒沥青。洒布沥青乳拌碎石的目的仅仅是为了防止施工车辆通行时损坏土工布，影响新旧路面的粘结。因此，浮动碎石过多将会严重影响层间粘结。另外，车辆通行时偶有带走粘层沥青的现象，为不影响粘结，也建议对局部露白增补沥青。
（2）土工布铺设前必须等乳化沥青破乳。如果未等乳化沥青中的水份挥发出去就加铺土工布容易使水份滞留在夹层中形成水膜，这样土工布与旧路粘结不牢，在车轮水平推动力作用下，水膜起到润滑剂的作用，很容易产生滑动变形，出现裂缝。
（3）推荐选用快裂型乳化沥青。笔者曾经在施工现场发现，中裂型乳化沥青在夏天高温情况下经历20余天仍未大面积破乳，严重影响了施工工期。
（4）土工布施工工艺改进，施工工艺应根据季节、气温进行调整。比如夏季施工时，气温高，乳化沥青破乳速度快，采用自制专用土工布铺设工具进行铺设即可，到秋天气温较低的情况下，土工布铺设后建议上胶轮碾压一遍。
（5）新板要求拉毛。拉毛后的新板增加了粘结界面的粗糙度，有利于层间粘结。另外，从工程实际出发不可避免会出现路面板处治后仍需要通行一段时间再罩面的情况发生，因此应对更换的新板提出拉毛的施工要求。另外，旧桥桥面维修后没必要铺设土工布。
（6）对车辆严加管理。严禁料车在摊铺过程中在土工布上踩刹车、转弯、调头、以免土工布受到损坏，可在适当距离内增加中央分隔带开口，增设车辆调头区，便于分段加铺。
5、结束语
可持续发展是高速公路健康发展的必由之路，实现高速公路可持续发展既是一个战略目标，也是一个探索的过程，只要我们坚持不懈地创新实践，始终将高速公路的发展与整个社会经济的可持续发展结合起来，与资源利用和生态环境的改善结合起来，我国高速公路的可持续发展一定会取得显著的进展。
