舊水泥砼路面瀝青加鋪層防治反射裂縫的應用研究
舊水泥砼路面瀝青加鋪層防治反射裂縫的應用研究
饒宏東
摘要:文章結合舊水泥路面加鋪瀝青面層的路面改造實體工程,運用STRATA應力吸收層進行加鋪層反射裂縫防治,介紹了瀝青加鋪層結構方案及防治反射裂縫的措施,分析了STRATA應力吸收層瀝青混合料的性能要求,提出了瀝青加鋪層施工質量控制措施。
關鍵詞:公路;路面改造;瀝青加鋪層;反射裂縫;玻璃纖維格柵
水泥砼路面在長期使用過程中將不可避免地出現結構和功能性破壞。當前水泥砼路面修復較多地運用瀝青加鋪層進行改造,加鋪瀝青面層具有方法簡單、工期短、造價低、對交通影響小、修復路面服務性能好等優(yōu)點。但往往由于原水泥砼板在溫度和交通荷載作用下產生變形,造成瀝青加鋪層在原接縫(裂縫)處反射開裂,較大的反射裂縫會導致雨水滲入,從而導致瀝青加鋪層新的病害�？刂婆c防治反射裂縫成為水泥路面瀝青加鋪層改造工程的難點,也是道路工程研究領域的重要方面。
加鋪層反射裂縫的產生和擴展機理直接關系到防治反射裂縫措施的針對性。一般認為舊水泥砼路面瀝青加鋪層反射裂縫的產生和擴展的主要因素是交通荷載及溫度荷載。交通荷載、溫度變化及溫度梯度的綜合作用將在瀝青加鋪層內產生復雜的周期性彎、拉、剪應力狀態(tài)。反射裂縫的產生階段是由于交通荷載、溫度應力反復作用導致瀝青砼裂縫和接縫處疲勞開裂;反射裂縫的擴展階段對應于斷裂力學中裂縫的疲勞擴展規(guī)律,即瀝青加鋪層要達到傳統(tǒng)材料強度理論意義上的最終破壞,裂縫擴展有一個從開始變形直至破壞逐漸劣化的過程,即隨著溫度應力和交通荷載繼續(xù)作用,其損傷斷裂存在一個量變直至破壞的質變過程,這個擴展過程可用斷裂理論的裂縫擴展位移模式來描述。
1工程概況
國道105線連平縣城過境段路面大修設計,設計起訖樁號為K2339+000 ~ K2349+040,采用水泥砼結構形式。該道路自建成以來一直是國家交通路網主干線,至今已有十多年,未進行大修改造。因道路為早期修建,設計理論不健全,排水設計不完善,加上車流量大,重載車多,造成水泥板板底水沖刷導致基層強度不足或有不均勻的沉降和支撐,加之后期養(yǎng)護不當或養(yǎng)護不及時等,使得水泥砼路面平整度差,噪音大,已出現斷板、脫空、唧泥、翻漿、沉陷等病害,嚴重影響路面的使用性能。為了節(jié)省工程造價,考慮到現狀舊路的維修利用以及項目所處區(qū)域沿線對噪音、景觀等要求較高,設計采用加鋪瀝青砼進行大修。
1.1路面使用狀況調查
舊砼路面的調查是在JTG D40-2002《公路水泥混凝土路面設計規(guī)范》和JTJ073.1-2001《公路水泥混凝土路面養(yǎng)護技術規(guī)范》推薦方法的基礎上進行。路面破損狀況調查時先將路面破壞種類進行歸類,采用隨機抽樣調查與路面破損逐塊調查兩種方法來統(tǒng)計水泥面板的破損程度。為確定路面損壞的具體位置,為設計提供詳細而準確的資料,項目組在用隨機法抽樣調查的基礎上,對沿線10.4 km水泥砼面板進行破損情況逐塊調查,然后按JT J073.1-2001《公路水泥混凝土路面養(yǎng)護技術規(guī)范》推薦的方法對調查數據進行分析。
調查分析結果如下:PCI綜合指數為46.5,斷板率為18.5%;水泥砼路面結構的厚度變異較大,面板厚度標準值為22.4~23.8 cm;由于采用石灰穩(wěn)定土作為基層,基層的均勻性、穩(wěn)定性較差,基層頂面模量變異水平處于高變異水平的路段占34.8%、中變異水平的路段占19.0%,路面結構可靠度較低;水泥板接縫傳荷系數在85.0%以上,傳荷能力良好。檢測結果如下:板底脫空的情況較多,嚴重脫空板塊數占路段總數的10.4%,主要集中在破損嚴重的板塊上;舊砼路面彎拉強度實測標準值為4.5 MPa,彎拉彈性模量標準值為32.4 GPa,基層頂面回彈模量標準值為152.5 MPa。
根據路況調查分析結果,該道路PCI綜合指數為46.5,斷板率大于18.5%,其損壞狀況等級為次,根據JT J073.1-2001《公路水泥混凝土路面養(yǎng)護技術規(guī)范》應進行加鋪瀝青砼進行大修。
1.2舊水泥路面的處治措施
(1)換板。對于明顯破裂的水泥砼面板,破碎清理后重新澆筑等強度的水泥砼板�；鶎訌姸炔蛔銜r,應破除舊路基層,清理干凈后采用C15素砼重做基層。
(2)縱橫向接縫維修。用小扁鑿或清縫機、吹塵器吹塵清掃,清掃干凈后再灌注熱瀝青。
(3)裂縫維修。對寬度在0.5 cm以下的非擴展性裂縫,采用壓漿法修復;對局部性裂縫,縫口較寬(0.5~2 cm)時,采用條帶罩面法進行修補。
(4)錯臺維修。砼板出現錯臺,但板塊完好時,根據錯臺高差進行處治。錯臺高差小于10 mm時,用切削機具鑿除錯臺,修補面縱坡變化控制在1%之內;錯臺高差大于10 mm時,進行換板處理。
(5)板塊脫空處治。當砼板塊有脫空現象或板塊唧泥嚴重時,采取灌漿措施,以加強板下支撐。
2防治反射裂縫及瀝青加鋪層結構方案
瀝青加鋪層鋪設之前面臨的主要問題是如何減輕舊水泥砼面板的接裂縫對加鋪層的影響,使現有道路能夠繼續(xù)承擔未來的交通、溫度荷載,即盡可能防止加鋪后產生反射裂縫。
針對舊水泥砼路面瀝青加鋪層反射裂縫的防治,國內外都進行了大量試驗路鋪設及理論分析研究,提出了相當多的處治措施,取得了不同程度的效果。目前應用較多的防治反射裂縫的措施主要有增加瀝青加鋪層的厚度、采用土工合成材料夾層、設置應力/應變吸收薄膜夾層、斷裂穩(wěn)固舊砼板、鋪設大粒徑瀝青混合料和級配碎石裂縫緩解層以及在瀝青混合料中摻入纖維等阻裂材料、對半剛性層進行預切縫并加鋪土工織物處理、對舊水泥砼路面板進行灌漿處理等。其中鋪設土工織物(如玻璃纖維格柵)和設置應力/應變吸收層(如STRATA應力吸收層)應用最廣泛。
土工合成材料夾層一般設置在瀝青加鋪層及舊水泥砼路面板之間,常用的有土工布、玻纖格柵等。土工合成材料的厚度較薄,一般為0.5~5 mm。它們的特點是變形能力較強或隔離阻斷應力,在水平方向上可承受較大的拉應力;缺點是在垂直方向上剛度較小,抗彎拉及抗剪切能力不足。
應力吸收層是一種采用特殊聚合物改性的瀝青混合料,瀝青含量高、混合料中細礦料比重大,具有高彈性、不透水、粘附性強及抗裂性能好等優(yōu)點,其承受的疲勞循環(huán)次數遠高于普通聚合物改性瀝青混合料。應力吸收層瀝青混合料防治反射裂縫的特點如下:
(1)具有良好的柔韌性和彈性恢復能力,良好的彈性使得瀝青混合料中間層能夠消散吸收部分剪切、拉伸能量,提高裂縫區(qū)域的局部承載能力。
(2)具有良好的抗疲勞性能,這是應力吸收層作為抗反射裂縫材料的關鍵指標。
(3)具有吸收應力的厚度效應和使反射裂縫偏離原接裂縫的偏離效應。吸收層具有一定的力學厚度,這是其區(qū)別于一般土工合成材料夾層的關鍵指標之一,同時設置應力吸收層可減薄加鋪層的結構厚度,即應力吸收層本身的厚度除了加入結構總厚度外,還可轉化為增加其上的普通瀝青砼厚度。
(4)應力吸收層混合料主要由細集料組成,空隙率非常小,具有良好的防水滲透功能,是一個天然的防水層,有利于延長道路使用壽命。
與土工合成材料夾層進行對比,應用應力吸收層防治瀝青加鋪層反射裂縫在力學機理和減小加鋪層厚度等方面具有優(yōu)勢。鑒于此,該道路改造工程中選擇STRATA應力吸收層防治瀝青加鋪層反射裂縫。其瀝青加鋪層結構見表1。
注:機動車道的表面層使用SBS改性瀝青;下面層及非機動車道的表面層使用70號道路石油瀝青;應力吸收層采用美國科氏瀝青材料公司提供的STRATA專用聚合物改性瀝青。
3 STRATA應力吸收層瀝青及混合料性質
STRATA應力吸收層采用的是專用的聚合物改性瀝青混合料,對混合料變形的彈性恢復能力、抗疲勞及防滲等性能有著很高的要求;使用的結合料是STRATA專用聚合物改性瀝青,結合料的主要技術指標見表2。
STRATA瀝青混合料細集料很多,要求生產配合比的變動很小,而在原材料中細集料往往含有較多的粉塵,這就要求采取與常規(guī)瀝青混合料不同的拌和方法,如何在傳統(tǒng)攪拌設備上拌和出級配穩(wěn)定的高質量STRATA瀝青混合料成為關鍵。要求對集料棱角性、砂當量和黏土含量嚴格把關。根據現場施工原材料狀況,經過反復設計、大量試驗和驗證,并結合應力吸收層材料路用性能研究分析結果提出該工程實際控制的STRATA礦料級配范圍(見表3)。
應力吸收層混合料目標配合比設計采用美國SH RP瀝青混合料體積設計方法,采用SGC旋壓成型瀝青混合料,其中Ndes=25次,Nmax=50次。在規(guī)定的溫度下采用SGC成型試件后,測定在設計旋轉壓實次數或最大旋轉壓實次數下所成型試件的體積指標。根據SH RP瀝青混合料設計指南和KOCH路面應力吸收層設計指南,初選8.5%9.0%、9.2%、9.5%四組瀝青用量分別進行配合比試驗,根據瀝青含量與壓實試件空隙率之間的關系確定最佳瀝青用量為9.0%。采用最佳油量拌和混合料進行性能檢測試驗(包括HVEEM穩(wěn)定度和BEAM疲勞試驗),試驗結果見表4。
混合料性能試驗結果表明所確定的最佳瀝青用量滿足要求。
4瀝青混合料生產和攤鋪碾壓質量控制
4.1瀝青混合料生產
STRATA瀝青混合料的礦料中小于2.36 mm的細集料含量很大,屬于難拌和的混合料,加之石屑中礦粉含量很高,為了保證瀝青混合料的拌和質量,不得不采用加大引風的方式去除部分粉塵。為了使攪拌設備適應STRATA瀝青混合料的生產和保證穩(wěn)定的生產質量,需對攪拌設備的技術參數進行合理的設置。
由于STRATA應力吸收層混合料中的細集料較多,所以拌和時間與一般瀝青混合料相比要長10~15 s,其拌和時間為65~70 s�；旌狭弦韬途鶆�,色彩一致,無離析。同時應力吸收層混合料對加熱溫度以及溫控精度有很高的要求,若出料溫度偏低,攤鋪到路面上,溫降很快,往往難于達到碾壓要求,空隙率則偏大;出料溫度太高,則可能由于瀝青老化嚴重影響混合料質量。因此,出料溫度盡量控制在允許出料溫度的上限附近,溫度波動控制在±2.5oc以內。再者,原材料含有較多的小于0.075mm的粉塵,需要依靠攪拌設備的除塵系統(tǒng)進行凈化,應將引風設備調整到合適的狀態(tài),并且保持穩(wěn)定,以避免造成除塵不穩(wěn)定,影響混合料的級配組成,同時避免除塵系統(tǒng)溫度過低或過高。
4.2 STRATA應力吸收層的鋪筑
為了保證瀝青砼加鋪層與舊水泥砼板的良好粘結,在找平層鋪筑之前,應灑布一定的粘層瀝青。粘層瀝青采用乳化瀝青,用量控制在0.3~3.5kg/m2。應力吸收層的平均厚度為20 mm,允許誤差為&5 mm,采用等厚攤鋪式施工。施工時要注意對溫度的控制。
(1)碾壓溫度的控制。為保證應力吸收層的壓實度,最佳卸車溫度和碾壓溫度分別為160~175#和155~165#。應力吸收層混合料薄層溫降很快,經驗表明:環(huán)境溫度為34#時有效碾壓時間為10min(終壓溫度120#),環(huán)境溫度為26#時有效碾壓時間6 min。因此,壓路機需緊跟攤鋪機后30 m內實施短距離碾壓。在碾壓過程中,由于STRATA應力吸收層混合料的施工溫度較高,水泥砼板面不夠干燥時,碾壓密實后可能形成水蒸汽不易釋放,會產生氣泡。產生氣泡后必須有專人將氣泡刺破,將氣體釋放后壓實即可。
(2)攤鋪和碾壓設備參數選擇。由于應力吸收層含油量較高,鋪層又薄(2.0 cm&0.5 cm),為保證其初壓實效果,攤鋪機振動參數的選擇非常重要。經驗表明:應力吸收層施工時,攤鋪機振動熨平板和攤鋪機夯錘的頻率、振幅不同于加鋪層其他瀝青混合料,而且只有10~16 t靜態(tài)鋼輪壓路機可以用于壓實應力吸收層混合料。在碾壓時宜采用靜壓法緊跟攤鋪機碾壓(一般3臺),不宜用膠輪壓路機,以免路面泛油或振壞。
(3)壓實度控制。應力吸收層混合料經過5~6次碾壓能夠達到常規(guī)的密度,壓實密度為最大理論密度的97%±2%;壓實完成后鋪層孔隙率應控制在1%~5%;最后一遍壓實后,路面結構緊密。
5結論
(1)瀝青砼應力吸收層能很好地消散舊水泥砼接縫處的應力集中現象,可有效防治溫度及荷載引起的反射裂縫;在力學機理和減小加鋪層厚度方面比當前應用較廣泛的土工合成材料夾層更具優(yōu)勢。
(2)ST RAT A應力吸收層對材料、配合比及施工工藝方面的要求嚴格,需要根據應力吸收層的材料特點、級配特征制定相應的施工工藝,合理選擇和設置拌和設備、攤鋪設備、碾壓設備的工作參數及混合料生產時振動篩篩孔,合理掌握拌和時間和溫度及攤鋪、碾壓溫度的有效時間。
(3)鑒于我國道路工程即將進入改造維修高峰期,雖然應力吸收層在國內道路改造的應用已有相當多的實體工程,但對于應力吸收層結合料及混合料施工工藝控制的關鍵技術的系統(tǒng)研究還較欠缺。今后應在試驗研究的基礎上,通過試驗路和實體工程的實踐,探索應力吸收層新材料的應用,并對應力吸收層瀝青混合料設計、施工控制進行系統(tǒng)研究,形成相應的施工工藝和有效的質量控制方法。
參考文獻:
[1]顧強康,冷培義.舊剛性道面上瀝青加鋪層反射裂縫產生機理研究[J].中國公路學報,1995,9(2).
[2]胡長順,曹東偉,劉悅,等.土工織物在PCC-A C結構中應用的理論與實踐[J].公路,2000(9).
[3]周志剛,鄭健龍.公路土工合成材料設計原理及工程應用[M].北京:人民交通出版社,2001.
[4]李淑明,許志鴻,蔡喜棉.土工織物對復合式路面結構內力影響分析[J].中國公路學報,2006,19(1).
[5]湯文,孫立軍,陳繼松.應力吸收層防治瀝青加鋪層反射裂縫的力學分析[J].公路工程,2008(8).
[6]石昆磊.高粘性瀝青應力吸收層防治瀝青路面反射裂縫的研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學,2006.
[7]廖曉瑾,袁萬杰.基于應力吸收層的舊水泥混凝土路面瀝青加鋪層結構分析[J.]中外公路,2009,29(3).
