应力吸收层在北京二环路改造中的应用.docx
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应力吸收层在北京二环路改造中的应用
应力吸收层在北京二环路改造中的应用
文本摘要：
2002年，北京市政府决定对二环路进行改造。
二环路有约1/3的路面是建立在水泥混凝土地铁防爆层上的。
水泥混凝土路面加铺沥青混凝土（俗称“白加黑”）是解决水泥混凝土路面破损后难于修复这一问题的习惯做法。
但是“白加黑”以后，由于水泥混凝土板缝随温度变化而反射到沥青混凝土表面的裂缝问题，却是长期困扰我国工程界的难题。
因此在“白加黑”工程中如何避免或减少反射裂缝的早期发生，就成为二环路改造工程最重要的课题之一。
本文介绍了“白加黑”方案调研、咨询及产生的过程及应力吸收层STRATA的应用研究情况。
关 键 词：
二环路 方案选择 “白加黑” STRATA
北京二环路
一、绪论
二环路是北京市的重要交通环线，主路日交通量超过20万辆，高峰小时达12,000多辆。
二环路全长约33公里，其中有约11 公里的水泥混凝土路面是上世纪七十年代初与北京市环城地铁同时修建的。
三十多年的使用，早已使其破烂不堪，行车舒适性极差，严重地影响了道路通行能力，被市民戏称为“搓板路”。
2001年底北京市政府为了改变这一状况，迎接2008奥运会的到来，决定对其进行大修（罩面）改造。
主要工程是在原有路面上加铺沥青混凝土。
沥青路面加铺工程，一般都是先铣刨掉旧路表面已磨耗的部分，然后直接加铺沥青混凝土。
水泥混凝土路面的大修，一般也是采用直接加铺沥青混凝土（俗称：
“白加黑”）的传统做法。
但“白加黑”后水泥混凝土板缝随温度变化而反射到沥青混凝土表面的裂缝问题，却长期困扰着我国的工程界。
本文主要从防止反射裂缝方案的咨询、调研与最终选择和应力吸收层STRATA技术应用研究两个方面介绍了二环路工程为解决“白加黑”反射裂缝这一难题所做的工作。
二、方案的选择
1.问题的提出
水泥混凝土路面具有强度高，承载力大，维修、养护费用低等优点，从上世纪八十年代初开始，国内大量修建了水泥混凝土路面的公路与高速公路。
从九十年代中期开始，水泥混凝土路面变形大，行车舒适性差，破损后不易修补的缺点逐步暴露出来，使得水泥混凝土路面加铺沥青混凝土的工程日益增多。
由于“白加黑”反射裂缝问题迄今仍未解决，在二环路采用任何一个防止、减少反射裂缝的处理方案都将伴随着巨大风险，都存在着失败的可能，二环路改造工程能否有效的解决这一问题，取决于我们能否找到一个相对科学、合理的防止或减缓反射裂缝产生的技术方案。
北京地区水泥混凝土路面不多，像二环路这样建在地铁防爆层上，有着诸多限制条件的道路更是绝无仅有，既然没有成功的加铺工程经验可以借鉴，那么能否先修建几段试验路对不同方案进行对比？
很遗憾，由于种种原因，答案是否定的。
这就决定了二环路的防止反射裂缝方案原则上只能是唯一的，而且不允许失败。
带着这个巨大的压力，我们开始了方案的调研和论证工作。
2.防止沥青混凝土反射裂缝的方案调研
通过查询资料并咨询国外公司，在美国麦尔四通（Milestone）公司张喜顺先生，美国科氏（KOCH）公司曾赟先生，中国赴加拿大留学生何志伟（北京市公路设计院原副院长）、蔡茵茵夫妇等热情帮助下，初步了解到国外解决反射裂缝问题通常有以下几种做法：
①在水泥混凝土路面上直接加铺沥青混凝土，且越厚越好，一般不小于15cm（6英寸）。
虽然水泥路面的裂缝早晚都会反射上来，但可以延缓几年，避免路面早期开裂缩短使用寿命。
国外研究表明，通常情况下水泥路面裂缝的反射速度大约是2.5cm（1英寸）/年左右。
②将加铺的沥青混凝土路面沿水泥板接缝处从上至下全部锯开，然后灌注密封材料。
据说已修筑的几条试验道路效果很好。
③将水泥混凝土全部打裂（Rubblization），形成边长约50cm的块体，释放出原水泥混凝土板内的应力，大大减少水泥混凝土块体将来受温度影响所产生的应力，从而使沥青混凝土的反射裂缝大为减少甚至消除，据介绍这是美国目前“白加黑”问题最好的解决方案之一。
④水泥混凝土路面加铺大骨料开级配裂缝消解层，厚度9cm，用来改善沥青加铺层的受力状况，其上再正常加铺沥青混凝土，完成罩面工作。
据资料介绍采用这种方法施工的一条试验路工程，迄今已使用了15年，而反射裂缝很少产生。
⑤在水泥混凝土路面上先铺一种高弹性沥青混合料：
应力吸收层STRATA，厚度2~2.5cm，用来吸收水泥混凝土板变形所产生的各种应力。
国内道路界的同行十几年来为解决反射裂缝这一棘手难题，做了大量的理论和实际试验工作，进行了多方位的积极探索。
江苏省交通科学研究院结合工程任务，进行“白加黑”试验工程，各种方案组合达十几种之多，力求从中找到一种最佳的解决方案。
归纳起来，国内解决“白加黑” 反射裂缝问题常采用的办法是：
①水泥混凝土路面上先铺筑二灰碎石层（或石灰土，下同），再加铺沥青混凝土。
二灰碎石层的厚度不等，一般为18~35cm。
②在水泥混凝土路面上先铺一层沥青碎石，厚度8~10cm，再加铺沥青混凝土。
这种做法类似于美国加铺大骨料开级配裂缝消解层的方法。
③利用专用设备将原水泥混凝土路面碎石化作为道路基层，其上再加铺多层沥青混凝土面层结构。
这种做法类似于美国Rubblization方法，区别在于水泥混凝土路面被打碎的更加彻底，使其破碎成碎石状，其颗粒范围在7.5~30cm之间。
④在水泥混凝土上或加铺的沥青混凝土之间铺放土工织物，这种做法最为普遍，通常是使用土工格栅或土工布（无纺布）。
⑤铺设APP防水卷材（油毡），有满铺和只在水泥混凝土板缝处铺设两种做法。
两种做法国内外都很少见，APP卷材更多的是被用于桥梁的防水。
3.方案比较与选择
为了方便对各种防止沥青混凝土反射裂缝的做法进行比较，以下用表格的形式将各种做法及其优缺点、经济指标（估价）一一列出：
防止沥青混凝土发生反射裂缝的方案比较表 表1
序号
做 法
优 点
缺 点
工程估价
（在水泥砼板上）
（元/m2）
1
直接加铺
施工简易；
浪费；成本偏高；
40
大于15cm
对交通无影响；
反射裂缝严重；
2
锯开加铺的沥青
防反效果好；
成本高；施工复杂；噪音大；外观较差；
50
混凝土路面
3
打裂水泥混凝土路面（Rubblization）
防反效果好；
成本高；噪音大；
50~60
严重影响交通；
4
加铺大骨料开级配
施工简易；防反效果较好；对交通无影响；
厚度大；成本较高；
50
裂缝消解层9cm
5
加铺应力吸收层STRATA2.5cm
施工简易；防反效果较好；对交通无影响；
成本偏高；
35
6
铺筑二灰碎石/
成本较低；
过厚浪费；防反效果差；严重影响交通；
20~40
石灰土18~35cm
7
加铺沥青碎石
施工简易；防反效果较好；对交通无影响；
厚度大；
40~50
8~10cm
成本较高；
8
将原水泥混凝土
防反效果好；
成本高；噪音大；
60
路面碎石化
严重影响交通；
9
APP防水卷材
防反效果较好；
如粘贴不实，
Oct-50
（油毡）
成本偏高/低；
可能形成滑动；
10
铺放土工织物
11
土工布（无纺布）
成本低；
防反效果不明；
10月15日
12
土工格栅
防反效果有时较好；成本低；
施工工艺可靠性差；
15~25/10~20
路面变形大时效果差；
说明：
1、工程估价（2002年价格）是以二环路最终确定的路面结构方案8cm沥青混凝土为基点测算的，即各种方案加铺厚度一样，只对超出部分和防止反射裂缝的措施进行比较。
2、土工织物及APP防水卷材在工程估价中有两个价格，/ 号前价格是土工织物铺设面积与沥青混凝土相同；/ 号后价格是仅在板缝处做贴缝处理（板缝两侧各50cm，铺放总宽度按1m考虑）。
以表中防止反射裂缝方法的优缺点相比较，可以得到初步结论：
①现况二环路的水泥混凝土路面实际上是地铁的防爆层，是一种平战结合的战备措施，不允许破碎。
实际上防爆层的水泥混凝土厚达80~120cm，要想破碎它也绝非易事。
因此表中第2和第8种做法就不能采用了。
②直接加铺沥青混凝土的第1种做法，由于对“白加黑”所带来的反射裂缝问题无所作为，仅仅简单的用增加厚度的方法来减缓裂缝的发生，过于消极，自然就不在考虑之中了。
③加铺厚度在10 cm左右的大粒径沥青碎石或大骨料开级配裂缝消解层的第4和第7种做法虽然可以以柔化刚，减少反射裂缝的产生，但其上仍要铺筑路面设计所定的8cm面层，路面结构过厚，与现况周边道路、结构等衔接困难，也未能在高程上给今后的加铺工程留有余地且造价过高，因此也无法采用。
④铺筑二灰碎石或石灰土基层的做法，一是在保证现况大交通量正常运行的前提下无法实现；二是半刚性基层本身就存在反射裂缝问题，在仍具有很高强度（实测弯沉值多在20*0.01mm左右）的水泥混凝土路面上再加铺半刚性基层来解决反射裂缝问题显然是一种浪费，其效果也就可想而知。
⑤第三种做法在美国被认为是防止反射裂缝最好的方法。
即：
先铺路面，再将其锯开，灌以密封材料，从而使得沥青路面可以随着水泥路面的变形而变形，将应力消解在高弹性密封材料里。
这种做法与现在桥梁工程所用的无缝式伸缩缝相似，思路新颖，但在我国实际国情下，却无法实行。
很难想象新罩面的二环路被锯成一块一块的，而市领导和老百姓会无动于衷。
因此不管这种做法是否最优选择，至少其外观是无法让人接受的。
同时由于所使用的优质密封材料购自国外，工程成本也较高。
⑥使用APP卷材作为防止反射裂缝的措施，国外未见报道，国内资料显示一般也是被用在板缝处。
2000年北京市城建研究院的卢铁瑞工程师预见到二环路的改造势在必行，“白加黑”的难题应该引起足够的重视。
因此卢工前瞻性的开展了在水泥混凝土路面上满铺APP卷材防止反射裂缝的课题研究，在城建沥青厂院内铺筑了100多米的试验路段。
经过一年多的检验，课题成果通过了有关部门的鉴定。
经卢工和专家们共同探讨，一致认为：
用APP卷材防止反射裂缝是成功的。
但要在二环路改造工程中应用，尚有以下几个问题：
① 满铺APP卷材工程造价较高，一般在50元/m2以上，而水泥板中央的卷材，除了使铺设的卷材形成整体，共同受力外，别无他用，似有“浪费”之嫌。
如果卷材贴在水泥板板缝之处，除卷材由整体受力变为每条缝上的卷材单独受力外，一旦板缝两侧卷材粘贴不实形成滑动，后果将不堪设想，故单纯贴缝之法不可取。
② APP卷材施工，均为人工操作，质量即不易保证，工效又低。
而二环路是夜间施工白天必须放行交通，铺筑沥青混凝土之前APP卷材禁止车辆碾压、不能破损等问题很难解决。
③ 2000年西四环曾发生桥上的APP卷材带动铺筑其上的沥青混凝土大面积滑动现象。
现场调查发现APP卷材根本未与桥面铺装层粘接，完全空鼓并且十分潮湿。
这件事彻底打消了我们在二环路使用APP卷材的念头。
正是出于对以上原因的考虑，最终放弃了在二环路改造工程“白加黑”上大规模使用APP卷材的想法，仅在部分路段进行了试验性质的铺设。
初步筛选的结果，只剩下加铺应力吸收层STRATA和铺放土工织物两种做法供选择。
土工织物自上世纪九十年代以来，被广泛地应用在我国道路工程，以防止水泥混凝土路面和沥青混凝土路面因为种种原因所产生的裂缝。
其中，尤以土工格栅使用的最多，土工布次之，而土工布用于防止反射裂缝，国外未见报道，国内资料不多，仅个别工程铺筑了试验路，效果不得而知，由于篇幅的原因，这里就不做更多的讨论。
最后只剩下土工格栅和应力吸收层STRATA两个方案进行比较，我们必须做进一步的分析，力求找出一个即有最佳性能价格比，又能最大限度防止、减少反射裂缝产生及符合二环路改造工程近乎苛刻的施工条件的技术方案。
我们注意到，北京市1999年和2000年修建的几条“白加黑”道路，1~2年内，都不同程度的出现了反射裂缝，有的甚至十分严重，沥青路面已经按照水泥混凝土板的形状完全开裂。
据了解，这些路段均使用了玻纤土工格栅，粘贴或钉在水泥混凝土路面板缝处，一般宽度为50~80cm。
经过向有关专家咨询，现场考察并与国内外生产格栅的厂家交流，我们不得不放弃了铺设土工格栅方案，主要原因有以下几个方面：
①据了解目前有一种观点认为：
由于土工格栅与沥青混凝土不相粘，土工格栅在沥青混凝土中独立存在，不能融合，当水流入沥青混凝土内部时，土工格栅就将成为水流淌的通道，进而引起水损坏，缩短沥青路面的使用寿命。
国外有发生上述情况后，将已铺土工格栅的沥青混凝土路面全部铲除重铺的工程实例。
②据国外厂家介绍，如仅在板缝处粘土工格栅，国外规范规定铺设土工格栅的宽度应大于1.5m，因为板缝边缘50cm以内是各种应力集中区域。
③经铺设土工格栅工地现场观察，无论哪种方法，都不能将土工格栅牢固地粘贴在基面上，随着摊铺机履带的搓动，土工格栅呈波浪状涌起。
④土工格栅应铺设在平整的基面上，二环路的水泥混凝土板变形、破损严重，粘贴困难。
如将土工格栅粘贴在两层沥青混凝土之间，施工风险较大，一旦土工格栅铺设出现问题，必然导致已摊铺的路面返工，从而造成重大经济损失。
不幸的是，我们不乏先例。
这样，应力吸收层STRATA相对而言就成了较为理想的选择。
三、应力吸收层STRATA
1. 反射裂缝发生的机理
研究表明：
水泥混凝土路面的反射裂缝是在车辆荷载的反复作用，环境温、湿度的不断变化下，水泥混凝土路面的板缝和裂缝附近的位移引起其上方沥青混凝土加铺层内出现应力集中所造成的。
环境温度的变化引起的水平伸缩导致板缝和裂缝上方的加铺层的沥青混凝土出现较集中的拉应力，而车辆荷载作用引起的水泥混凝土路面板缝和裂缝边缘的竖向变形则直接使加铺层的沥青混凝土承受较大的弯拉应力和剪切应力。
国外学者Luther等人、美国加州大学伯克利分校对水泥混凝土路面的反射裂缝进行了足尺试验。
研究结果表明：
沥青混凝土加铺层在受到车辆荷载垂直作用而产生剪切破坏的同时，还受到温度变化引起的水平应力作用，加铺层出现的裂缝形式属于混合型，裂缝的产生是一个疲劳过程。
因此，无论是土工格栅、APP卷材、土工布，还是加铺大骨料开级配裂缝消解层等各种措施，其防止反射裂缝的作用说到底，其实质都是一种隔离功能，它将水泥混凝土路面的板缝和裂缝与沥青混凝土加铺层分隔开，避免了加铺层直接处于板缝和裂缝边缘的应力集中区域，同时采用抗变形能力强或弹力强、强度高的材料来承受较大的拉应力和剪应力，防止和减缓了裂缝的迅速扩展。
应力吸收层STRATA就是基于以上机理而研发出来的防止反射裂缝的高性能隔离材料之一。
2. 应力吸收层STRATA技术
美国科氏沥青材料公司是世界上最大的改性沥青生产厂商之一。
应力吸收层STRATA（以下简称STRATA）是美国科氏公司上世纪九十年代为解决水泥混凝土路面加铺沥青混凝土后反射裂缝难题而专门研发的一种新型结构材料体系。
STRATA系统包括一个防反射裂缝的应力吸收层和一个罩面层及其设计方法、技术标准、试验方法和施工方法。
STRATA在美国试验应用多年，取得成功经验后，于1994年开始推广，至2001年，已在美国东西部新泽西等十几个州应用（笔者曾就STRATA的使用效果和价格专门委托何志伟先生到他工作过的新泽西州交通局进行咨询，得到了满意的回复）。
2001年湖北武（汉）黄（石）高速公路大修工程是国内首次将STRATA 技术应用到“白加黑”工程。
武黄高速自1999年建成以来，随着交通量的快速增长和车辆轴重的不断增加，水泥混凝土路面的武黄高速破损严重，亟待大修。
为了给武黄高速大修工程提供经验。
先期修建STRATA试验路全长约2 km。
STRATA改性沥青试验、目标配合比设计由美国科氏公司总部试验室完成。
经过一年多的运行检验，应力吸收层STRATA获得成功，并已在武黄路上全面使用。
3. STRATA的研究及应用
①材料试验
STRATA是一种具有高粘弹性、抗疲劳、抗塑性变形能力强、密实、不渗透等特性的热拌和层。
它像沥青混合料一样，由胶结料和集料组成。
STRATA的胶结料是科氏公司专门研制和生产的一种具有特殊性能的聚合物改性沥青，低温粘弹特性及高温稳定性能十分优良，具有较宽的温度使用范围和应变恢复能力。
二环路所用STRATA胶结料是由美国科氏镇江沥青产品有限公司生产，采用汽车保温罐高速公路直运北京沥青厂。
对STRATA的性能测试，由于中美两国规范不同，为确保原材料质量，要求依据两国规范分别进行检测。
按照SHRP规范所做的试验项目主要有：
1 动态剪切模量
2低温弯曲梁蠕变劲度
3 高温粘度关系曲线
4贮存稳定性
5 弹性恢复率
6测力延度
7 压力老化后性能变化
经试验，STRATA改性沥青胶结料的性能指标测试均满足SHRP规范要求。
按照我国规范进行的主要性能指标检测结果见表2。
STRATA沥青材料试验 表2
试验结果
指标
针入度（25℃100g5s0.1mm）
83
>70
软化点（℃）
86.5
>65
延度（5cm/min5℃cm）
62
>50
溶解度（%）
99.9
>99
粘度（135℃）
2.0
<3.0
密度（g/cm）
1.020
-
闪点（℃）
300
>230
弹性恢复（RTFO，25℃）
81%
>70%
离析（48h）
3.5℃
<6℃
旋转薄膜烘箱后残留物
质量损失（%）
<0.1
<1.0
延度（5cm/min5℃cm）
47
>30
针入度比（25℃,%）
80
>60
STRATA的性能除取决于胶结料以外，对集料的要求也非常严格，选择集料时主要考虑棱角状、砂当量、密度和筛分等因素。
为此，我们要求北京市各大沥青厂提供集料样品供科氏公司中心试验室选择。
最终北京市公路局四处沥青厂的集料通过了试验。
STRATA集料级配试验与合成级配试验结果如表3所示，合成级配示意图见图1。
集料试验与合成级配表 表3
比例
A
B
C
D
E
F
合成
范围
筛孔
19
43.5
10
21
6.5
9.5
99.1
100
100
100
100
100
100
100
4.75
7.2
89
100
92.2
100
100
97.1
80-100
2.36
0.2
2.4
88.9
82.5
99.5
100
74.8
60-85
1.18
0.9
49
62.5
98.9
100
55
40-70
0.6
27.4
36.9
95.1
99.7
42.1
25-55
0.3
15
12.8
51.1
98.9
25
15-35
0.15
9
3.8
8.2
96.8
12.3
8月20日
0.075
5.7
1.8
2.2
81.5
8.4
6月14日
视密度
2.802
2.8
2,806
2.646
2.689
2.806
2.763
毛体积比重
2.765
2.762
2,678
2.557
2.594
2.673
>2.5
吸水率
0.47%
0.55%
1.71%
1.31%
1.36%
<3%
砂当量
88%
88%
86%
84.80%
>40%
棱角性
46.7
43.5
40.1
45,4
>35
合成级配示意图 图1
②STRATA混合料目标配合比设计
STRATA混合料目标配合比设计采用旋转压实试验方法，测定其体积性能，从而确定最佳沥青用量。
其中STRATA混合料拌和温度为175℃，压实温度145℃。
通过对用油量分别为7.5%、8.0%、8.5%、9.0%时的混合料体积性能进行试验，确定最佳用油量为8.8%，相应的孔隙率仅为0.9%，被认为是不透水的，这一性能使它可以应用在更大的范围。
混合料试验结果见表4。
沥青用量与孔隙率和矿料间隙率的关系，见图2~图3。
混合料试验结果 表4
沥青含量
7.5%
8.0%
8.5%
9.0%
8.8%
指标
理论密度
2.434
2.417
2.399
2.381
2.389
-
试件密度
2.367
2.374
2.369
2.366
2.368
-
孔隙率%
2.8
1.8
1.3
0.6
0.9
0.5-2.5
矿料间隙率%
18.1
18.3
18.9
19.4
19.2
>16.0
沥青含量与孔隙率关系图 图2
沥青含量与矿料间隙率关系图 图3
③STRATA改性沥青混合料性能检测试验
STRATA改性沥青混合料性能试验除按照我国规范进行检测外，应公联公司要求，北京科氏沥青技术研究发展中心委派专人携带试件专程赴美，将维姆（HVEEM）稳定度（AASHTO方法）和比姆（BEAM）弯曲梁疲劳试验（SHRP方法）两个项目在美国科氏公司总部试验室进行，检测结果非常理想。
试验结果如下表。
混合料性能验证试验结果 表5
结果
指标
规定离差
HVEEM稳定度（T246，60℃）
20.3
>18.0
-
BEAM疲劳10Hz,15℃（次）
200,000+
>100,000
-
沥青含量%
8.8
>7.0
±0.3
空隙率%
0.9
0.5-2.5
±0.5
矿料间隙率%
19.2
>16.0
±1.0
沥青吸收率%
0.9
-
-
集料有效密度
2.74
-
-
集料烧失系数
0.23
-
-
HVEEM 稳定度试验
除此之外，考虑到STRATA系统在我国应用尚处于初始阶段，为验证STRATA路面系统的抗车辙能力，公联公司委托北京科氏沥青技术研究发展中心用汉堡车辙试验仪对整个路面结构进行了抗车辙能力全厚度试验。
汉堡车辙试验（Hamburg Wheel）在欧美国家较为普遍。
汉堡是德国北部的一个港口城市，夏季气温较高，雨量充沛，大型载重汽车占交通量比例高达11%，且车辆轴重大，交通繁忙，对道路破坏严重，其中尤以重载造成的车辙为甚。
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