水泥砼路面在长期使用过程中将不可避免地出现结构和功能性破坏。当前水泥砼路面修复较多地运用沥青加铺层进行改造,加铺沥青面层具有方法简单、工期短、造价低、对交通影响小、修复路面服务性能好等优点。但往往由于原水泥砼板在温度和交通荷载作用下产生变形,造成沥青加铺层在原接缝(裂缝)处反射开裂,较大的反射裂缝会导致雨水渗入,从而导致沥青加铺层新的病害。控制与防治反射裂缝成为水泥路面沥青加铺层改造工程的难点,也是道路工程研究领域的重要方面。
加铺层反射裂缝的产生和扩展机理直接关系到防治反射裂缝措施的针对性。一般认为旧水泥砼路面沥青加铺层反射裂缝的产生和扩展的主要因素是交通荷载及温度荷载。交通荷载、温度变化及温度梯度的综合作用将在沥青加铺层内产生复杂的周期性弯、拉、剪应力状态。反射裂缝的产生阶段是由于交通荷载、温度应力反复作用导致沥青砼裂缝和接缝处疲劳开裂;反射裂缝的扩展阶段对应于断裂力学中裂缝的疲劳扩展规律,即沥青加铺层要达到传统材料强度理论意义上的最终破坏,裂缝扩展有一个从开始变形直至破坏逐渐劣化的过程,即随着温度应力和交通荷载继续作用,其损伤断裂存在一个量变直至破坏的质变过程,这个扩展过程可用断裂理论的裂缝扩展位移模式来描述。
1工程概况
国道105线连平县城过境段路面大修设计,设计起讫桩号为K2339+000 ~ K2349+040,采用水泥砼结构形式。该道路自建成以来一直是国家交通路网主干线,至今已有十多年,未进行大修改造。因道路为早期修建,设计理论不健全,排水设计不完善,加上车流量大,重载车多,造成水泥板板底水冲刷导致基层强度不足或有不均匀的沉降和支撑,加之后期养护不当或养护不及时等,使得水泥砼路面平整度差,噪音大,已出现断板、脱空、唧泥、翻浆、沉陷等病害,严重影响路面的使用性能。为了节省工程造价,考虑到现状旧路的维修利用以及项目所处区域沿线对噪音、景观等要求较高,设计采用加铺沥青砼进行大修。
1.1路面使用状况调查
旧砼路面的调查是在JTG D40-2002《公路水泥混凝土路面设计规范》和JTJ073.1-2001《公路水泥混凝土路面养护技术规范》推荐方法的基础上进行。路面破损状况调查时先将路面破坏种类进行归类,采用随机抽样调查与路面破损逐块调查两种方法来统计水泥面板的破损程度。为确定路面损坏的具体位置,为设计提供详细而准确的资料,项目组在用随机法抽样调查的基础上,对沿线10.4 km水泥砼面板进行破损情况逐块调查,然后按JT J073.1-2001《公路水泥混凝土路面养护技术规范》推荐的方法对调查数据进行分析。
调查分析结果如下:PCI综合指数为46.5,断板率为18.5%;水泥砼路面结构的厚度变异较大,面板厚度标准值为22.4~23.8 cm;由于采用石灰稳定土作为基层,基层的均匀性、稳定性较差,基层顶面模量变异水平处于高变异水平的路段占34.8%、中变异水平的路段占19.0%,路面结构可靠度较低;水泥板接缝传荷系数在85.0%以上,传荷能力良好。检测结果如下:板底脱空的情况较多,严重脱空板块数占路段总数的10.4%,主要集中在破损严重的板块上;旧砼路面弯拉强度实测标准值为4.5 MPa,弯拉弹性模量标准值为32.4 GPa,基层顶面回弹模量标准值为152.5 MPa。
根据路况调查分析结果,该道路PCI综合指数为46.5,断板率大于18.5%,其损坏状况等级为次,根据JT J073.1-2001《公路水泥混凝土路面养护技术规范》应进行加铺沥青砼进行大修。
1.2旧水泥路面的处治措施
(1)换板。对于明显破裂的水泥砼面板,破碎清理后重新浇筑等强度的水泥砼板。基层强度不足时,应破除旧路基层,清理干净后采用C15素砼重做基层。
(2)纵横向接缝维修。用小扁凿或清缝机、吹尘器吹尘清扫,清扫干净后再灌注热沥青。
(3)裂缝维修。对宽度在0.5 cm以下的非扩展性裂缝,采用压浆法修复;对局部性裂缝,缝口较宽(0.5~2 cm)时,采用条带罩面法进行修补。
(4)错台维修。砼板出现错台,但板块完好时,根据错台高差进行处治。错台高差小于10 mm时,用切削机具凿除错台,修补面纵坡变化控制在1%之内;错台高差大于10 mm时,进行换板处理。
(5)板块脱空处治。当砼板块有脱空现象或板块唧泥严重时,采取灌浆措施,以加强板下支撑。
2防治反射裂缝及沥青加铺层结构方案
沥青加铺层铺设之前面临的主要问题是如何减轻旧水泥砼面板的接裂缝对加铺层的影响,使现有道路能够继续承担未来的交通、温度荷载,即尽可能防止加铺后产生反射裂缝。
针对旧水泥砼路面沥青加铺层反射裂缝的防治,国内外都进行了大量试验路铺设及理论分析研究,提出了相当多的处治措施,取得了不同程度的效果。目前应用较多的防治反射裂缝的措施主要有增加沥青加铺层的厚度、采用土工合成材料夹层、设置应力/应变吸收薄膜夹层、断裂稳固旧砼板、铺设大粒径沥青混合料和级配碎石裂缝缓解层以及在沥青混合料中掺入纤维等阻裂材料、对半刚性层进行预切缝并加铺土工织物处理、对旧水泥砼路面板进行灌浆处理等。其中铺设土工织物(如玻璃纤维格栅)和设置应力/应变吸收层(如STRATA应力吸收层)应用最广泛。
土工合成材料夹层一般设置在沥青加铺层及旧水泥砼路面板之间,常用的有土工布、玻纤格栅等。土工合成材料的厚度较薄,一般为0.5~5 mm。它们的特点是变形能力较强或隔离阻断应力,在水平方向上可承受较大的拉应力;缺点是在垂直方向上刚度较小,抗弯拉及抗剪切能力不足。
应力吸收层是一种采用特殊聚合物改性的沥青混合料,沥青含量高、混合料中细矿料比重大,具有高弹性、不透水、粘附性强及抗裂性能好等优点,其承受的疲劳循环次数远高于普通聚合物改性沥青混合料。应力吸收层沥青混合料防治反射裂缝的特点如下:
(1)具有良好的柔韧性和弹性恢复能力,良好的弹性使得沥青混合料中间层能够消散吸收部分剪切、拉伸能量,提高裂缝区域的局部承载能力。
(2)具有良好的抗疲劳性能,这是应力吸收层作为抗反射裂缝材料的关键指标。
(3)具有吸收应力的厚度效应和使反射裂缝偏离原接裂缝的偏离效应。吸收层具有一定的力学厚度,这是其区别于一般土工合成材料夹层的关键指标之一,同时设置应力吸收层可减薄加铺层的结构厚度,即应力吸收层本身的厚度除了加入结构总厚度外,还可转化为增加其上的普通沥青砼厚度。
(4)应力吸收层混合料主要由细集料组成,空隙率非常小,具有良好的防水渗透功能,是一个天然的防水层,有利于延长道路使用寿命。
与土工合成材料夹层进行对比,应用应力吸收层防治沥青加铺层反射裂缝在力学机理和减小加铺层厚度等方面具有优势。鉴于此,该道路改造工程中选择STRATA应力吸收层防治沥青加铺层反射裂缝。其沥青加铺层结构见表1。
注:机动车道的表面层使用SBS改性沥青;下面层及非机动车道的表面层使用70号道路石油沥青;应力吸收层采用美国科氏沥青材料公司提供的STRATA专用聚合物改性沥青。
3 STRATA应力吸收层沥青及混合料性质
STRATA应力吸收层采用的是专用的聚合物改性沥青混合料,对混合料变形的弹性恢复能力、抗疲劳及防渗等性能有着很高的要求;使用的结合料是STRATA专用聚合物改性沥青,结合料的主要技术指标见表2。
STRATA沥青混合料细集料很多,要求生产配合比的变动很小,而在原材料中细集料往往含有较多的粉尘,这就要求采取与常规沥青混合料不同的拌和方法,如何在传统搅拌设备上拌和出级配稳定的高质量STRATA沥青混合料成为关键。要求对集料棱角性、砂当量和黏土含量严格把关。根据现场施工原材料状况,经过反复设计、大量试验和验证,并结合应力吸收层材料路用性能研究分析结果提出该工程实际控制的STRATA矿料级配范围(见表3)。
应力吸收层混合料目标配合比设计采用美国SH RP沥青混合料体积设计方法,采用SGC旋压成型沥青混合料,其中Ndes=25次,Nmax=50次。在规定的温度下采用SGC成型试件后,测定在设计旋转压实次数或最大旋转压实次数下所成型试件的体积指标。根据SH RP沥青混合料设计指南和KOCH路面应力吸收层设计指南,初选8.5%9.0%、9.2%、9.5%四组沥青用量分别进行配合比试验,根据沥青含量与压实试件空隙率之间的关系确定最佳沥青用量为9.0%。采用最佳油量拌和混合料进行性能检测试验(包括HVEEM稳定度和BEAM疲劳试验),试验结果见表4。
混合料性能试验结果表明所确定的最佳沥青用量满足要求。
4沥青混合料生产和摊铺碾压质量控制
4.1沥青混合料生产
STRATA沥青混合料的矿料中小于2.36 mm的细集料含量很大,属于难拌和的混合料,加之石屑中矿粉含量很高,为了保证沥青混合料的拌和质量,不得不采用加大引风的方式去除部分粉尘。为了使搅拌设备适应STRATA沥青混合料的生产和保证稳定的生产质量,需对搅拌设备的技术参数进行合理的设置。
由于STRATA应力吸收层混合料中的细集料较多,所以拌和时间与一般沥青混合料相比要长10~15 s,其拌和时间为65~70 s。混合料要拌和均匀,色彩一致,无离析。同时应力吸收层混合料对加热温度以及温控精度有很高的要求,若出料温度偏低,摊铺到路面上,温降很快,往往难于达到碾压要求,空隙率则偏大;出料温度太高,则可能由于沥青老化严重影响混合料质量。因此,出料温度尽量控制在允许出料温度的上限附近,温度波动控制在±2.5oc以内。再者,原材料含有较多的小于0.075mm的粉尘,需要依靠搅拌设备的除尘系统进行净化,应将引风设备调整到合适的状态,并且保持稳定,以避免造成除尘不稳定,影响混合料的级配组成,同时避免除尘系统温度过低或过高。
4.2 STRATA应力吸收层的铺筑
为了保证沥青砼加铺层与旧水泥砼板的良好粘结,在找平层铺筑之前,应洒布一定的粘层沥青。粘层沥青采用乳化沥青,用量控制在0.3~3.5kg/m2。应力吸收层的平均厚度为20 mm,允许误差为&5 mm,采用等厚摊铺式施工。施工时要注意对温度的控制。
(1)碾压温度的控制。为保证应力吸收层的压实度,最佳卸车温度和碾压温度分别为160~175#和155~165#。应力吸收层混合料薄层温降很快,经验表明:环境温度为34#时有效碾压时间为10min(终压温度120#),环境温度为26#时有效碾压时间6 min。因此,压路机需紧跟摊铺机后30 m内实施短距离碾压。在碾压过程中,由于STRATA应力吸收层混合料的施工温度较高,水泥砼板面不够干燥时,碾压密实后可能形成水蒸汽不易释放,会产生气泡。产生气泡后必须有专人将气泡刺破,将气体释放后压实即可。
(2)摊铺和碾压设备参数选择。由于应力吸收层含油量较高,铺层又薄(2.0 cm&0.5 cm),为保证其初压实效果,摊铺机振动参数的选择非常重要。经验表明:应力吸收层施工时,摊铺机振动熨平板和摊铺机夯锤的频率、振幅不同于加铺层其他沥青混合料,而且只有10~16 t静态钢轮压路机可以用于压实应力吸收层混合料。在碾压时宜采用静压法紧跟摊铺机碾压(一般3台),不宜用胶轮压路机,以免路面泛油或振坏。
(3)压实度控制。应力吸收层混合料经过5~6次碾压能够达到常规的密度,压实密度为最大理论密度的97%±2%;压实完成后铺层孔隙率应控制在1%~5%;最后一遍压实后,路面结构紧密。
5结论
(1)沥青砼应力吸收层能很好地消散旧水泥砼接缝处的应力集中现象,可有效防治温度及荷载引起的反射裂缝;在力学机理和减小加铺层厚度方面比当前应用较广泛的土工合成材料夹层更具优势。
(2)ST RAT A应力吸收层对材料、配合比及施工工艺方面的要求严格,需要根据应力吸收层的材料特点、级配特征制定相应的施工工艺,合理选择和设置拌和设备、摊铺设备、碾压设备的工作参数及混合料生产时振动筛筛孔,合理掌握拌和时间和温度及摊铺、碾压温度的有效时间。
(3)鉴于我国道路工程即将进入改造维修高峰期,虽然应力吸收层在国内道路改造的应用已有相当多的实体工程,但对于应力吸收层结合料及混合料施工工艺控制的关键技术的系统研究还较欠缺。今后应在试验研究的基础上,通过试验路和实体工程的实践,探索应力吸收层新材料的应用,并对应力吸收层沥青混合料设计、施工控制进行系统研究,形成相应的施工工艺和有效的质量控制方法。
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