摘 要:在对旧水泥路面加铺沥青面层出现反射裂缝的原因进行分析的基础上,从中间夹层及加铺面层材料的选择、设计方案的选定和施工技术三方面,给出了减少了反射裂缝的解决方案,最后获得了十分可观的经济效益。
关键词:旧混凝土路面;加铺沥青面层;反射裂缝;夹层加铺面层;设计和施工
中图分类号: [ TU997 ] ;U41 文献标识码: B 文章编号: 1008 - 3707 (2007) 02 - 0035 - 03
旧水泥混凝土路面通过加铺沥青层面(以下简称“加铺改建”) ,可以改善结构性能,提高行车质量,美化路容路貌。旧水泥混凝土路面的沥青混凝土加铺层是一种特殊的路面结构,应力应变与一般的弹性层状体系有较大差别。由于裂缝的存在,又在外力荷载作用下,沥青混凝土加铺层处于比较复杂的三维应力状态。车辆行驶经过不连续的块板时,沥青混凝土加铺层中因裂缝两侧相邻板块产生竖向位移而出现剪应力,这种剪应力是沥青混凝土加铺层产生荷载型反射裂缝的主要原因;另外,由于路面暴露大气中,受各种外界条件变化的影响,沥青混凝土加铺层和旧水泥混凝土路面板都会缩胀,并产生温度应力差,出现反射裂缝。
在本文中,笔者根据在甬慈公路、义乌机场道路等工程实际施工管理中的一些实践,吸取有关经验和教训,对旧水泥混凝土路面加铺沥青层面的技术进行了总结。在此谈谈我们对旧水泥混凝土路面加铺沥青混凝土的改建设计和施工技术的观点和认识。
1 加铺面层出现反射裂缝的原因及对策
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。其产生的最主要原因是温度变化引起的旧水泥混凝土面层的水平位移以及车轮荷载引起水泥混凝土板缝两侧的竖向变位差。这种水平位移和竖向变位差,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。当应力超过沥青混凝土的强度时,沥青混凝土加铺层即会出现裂缝。初期的反射裂缝的特点是间距小、数量多,很难被发现;随后,水一旦进入裂缝,容易使基层和路基受损,导致反射裂缝的发展,甚至使沥青混凝土罩面出现坑槽等病害;可见,加铺沥青混凝土面层的关键在于如何控制反射裂缝。
为保证水泥混凝土路面加铺沥青后不出现反射裂缝,在修复旧路面的基础上,还必须在旧水泥混凝土路面和新的沥青混凝土加铺层之间采用设置缓解应力中间夹层及增设结构补强层等措施。它的作用是和沥青混凝土加铺层协同受力和变形,改善沥青混凝土加铺层的应力应变状态,改善加铺层的应力分布,提高面层的抗变形能力,以增强加铺层防反射裂缝的能力。
2 中间夹层及加铺面层的设计和施工
2. 1 防水夹层材料的选择
目前,夹层材料种类很多,常使用的有沥青碎石、沥青砂、应力吸收薄膜夹层( SAM IS) 、无纺土工布、玻璃纤维格栅和钢筋网[ 1, 2 ] 。
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180 g/m2 ,纵向断裂强度9. 7 kN /m,纵向5%的拉伸力4. 8 kN /m,横向断裂强度11. 2 kN /m,横向5%的拉伸力5. 3 kN /m。
玻纤格栅是一种能增强路面性能的新型优良土工基材,使用玻纤格栅能有效地改善路面结构应力分布,抵抗和延缓基层裂缝引起的沥青混凝土反射裂缝的发生,从而提高路面的使用寿命。它具有很高的耐热和耐寒性,强度大、模量高、耐腐蚀、化学性能好、膨胀系数低、尺寸稳定性好。工程中玻纤格栅可采用自粘玻纤格栅,网眼尺寸20 mm ×20 mm,纵向断裂张力62 kN /m,横向断裂张力为59 kN /m;断裂伸长率纵向2. 38 kN /m,横向为1. 67 kN /m。
2. 2 加铺土工布或玻璃纤维格栅
在对处理后的水泥混凝土板块进行保养并完成质量检测后,沿纵横缝铺设土工格栅,施工时注意拉紧土工布或玻璃纤维格栅,并且洒布均匀的黏层油(0. 4 L /m2 )以增强层间的整体性,使之协同受力和变形。
喷撒一层乳化沥青时,宽度比玻璃纤维土工格栅多10 cm,撒一层米砂,再用压路机压实。
2. 3 加钢纤维
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。
2. 4 旧水泥混凝土路面加铺柔性聚合物水泥砂浆
沥青罩面存在着反射裂缝问题和沥青老化问题,且沥青罩面的颜色为黑色,而原来的水泥混凝土路面为白色,两者之间颜色有很大的差异,如果只是对部分路段进行沥青罩面则会影响路面美观。另外,加铺沥青混凝土面层造价较高,对施工设备和材料要求也较高,若在路面破损不很严重的地方,用沥青混凝土罩面显得不太经济,此时可采用柔性聚合物水泥砂浆罩面。
由强度等级52. 5 硅酸盐水泥、中砂、MG系列水泥改性剂作为柔性聚合物配制而成的罩面材料,可以与旧水泥混凝土路面牢固粘合,有良好的应变能力,并且耐磨、抗冲击,是一种很好的路面修补材料。其中MG系列水泥改性剂在水泥水化硬化过程中同时硬化,由它配制的水泥砂浆对被粘表面依赖性小,不凿毛也可达到很好的粘结强度,而且抗折、抗冲击、耐磨、早强等性能佳。
柔性聚合物水泥砂浆修补路面的施工过程很简单。首先用高压水龙头将旧水泥混凝土路面清洗,将清洗过的路面晾干到潮但无积水时,用尼龙板刷涂刷界面处理剂,界面处理剂由MG23水泥改性剂和水泥配制而成。配制过程是将水泥加入改性剂中,边加边搅直至形成黏稠状,然后装入密封筒中待用,涂刷厚度越薄效果越好,然后把稀释后的MG2Ⅰ型水泥改性剂加入砂浆搅拌机中搅拌,搅拌均匀后摊铺在涂刷过界面处理剂的区域,摊铺时机最好选在刚涂刷完界面处理剂的时候,这样有利于界面粘合。摊铺平后,抹光机振实、木尺刮平后,用抹刀抹光,然后进行机械刻槽; 刻槽可采用等间距横向刻槽,槽宽3 mm,槽深3～6 mm。刻槽后随即开始养生,养生方式采取薄膜覆盖和洒水双重养生方法,养生时间不少于12 d。先选用保水率90%的路面用养护剂喷洒至形成水膜,然后覆盖保水养生膜,把砂均匀压在薄膜接缝位置,以防薄膜被吹走;而后在薄膜上洒水降温,以防止水泥砂浆在水化过程中温度过高而引起裂缝。
2. 5 沥青混凝土加铺层
增加沥青混凝土加铺层的厚度可以有效地延迟路表出现裂缝的时间,因为较厚的加铺层在初始阶段可以极大地减少原裂缝处因交通荷载引起的应力。加铺层越厚,起始裂缝扩展到路表的时间越长。而对于基层温度位移产生的反射裂缝,加铺层越厚、结构层内部的温差越平缓,这样就减少了裂缝边缘的位移量。加铺层的结构如表1所示。
2. 5. 1 下面层沥青混合料的选用
考虑到下面层的一个重要作用是延缓旧水泥混凝土路面的反射裂缝,而反射裂缝是由于下面层在接缝或裂缝附近的位移引起加铺层出现应力集中造成的。下面层采用了AM230,这是因为其骨料大,空隙率大,有一定的
强基抗裂性能;尽管它的高温抗车辙能力、耐疲劳性能、抗水剥落能力不如中面层,但它处于沥青层的最下层,接触日照和地下水的机会很少,并且价格比AC220Ⅰ便宜。
2. 5. 2 中面层AC220Ⅰ沥青混合料
AC220Ⅰ沥青混合料空隙率小、密度高、耐久性强,其它指标也均优于AM230,有泌水把关之用,同时兼抗车辙之效。中面层沥青采用的是AH2110,其软化点47℃, 25℃时针入度108、延度120。
2. 5. 3 上面层沥青混合料的选用
沥青上面层是最重要的路面结构,它直接承受车轮荷载和大气自然因素作用,具有平整、坚实、耐久及抗车辙、抗裂、抗滑等多方面综合性能,因此选用改性沥青混合料AC213Ⅰ。沥青采用的是AH290,改性剂SBS,剂量为5%。
2. 5. 4 改性沥青混合料配合比设计
改性沥青混合料的配合比设计遵循《公路沥青路面施工技术规范》中关于热拌沥青混合比设计的目标配合比、生产配合比及试拌试铺3个阶段,以此来确定矿料级配及最佳改性沥青用量[ 1 ] 。
2. 5. 5 级配
沥青混合料配合比设计级配采用贝雷法进行设计。级配选择原则: AC213 Ⅰ型混合料
2. 36 mm以筛孔通过量取级配中值以达到密实、嵌挤。AC213Ⅰ型混合料筛分结果见表2。
2. 5. 6 粉料比
小于0. 075 mm含量的多少对沥青混合料体积指标和路用性能影响很大,混合料级配中小于0. 075 mm的含量必须考虑粗集料本身含有的粉尘部分。小于0. 075 mm部分与沥青含量之间的比值即粉料比应在1～1. 2之间,对沥青面层混合料矿粉含量宜取4. 5%～5%。
2. 5. 7 改性沥青混合料的施工工艺
SBS改性沥青是一种弹性塑胶类改性沥青,正确使用可以显著提高沥青面层的高温抗车辙能力和低温抗裂性能。
由于SBS改性沥青混合料具有高温敏感性,降温速度快,成型温度高, 120℃以下难以压实,因此在施工中特别要注意控制混合料的温度。施工时初压温度不小于150℃;复压温度不小于140℃;终压温度不小于130℃。改性沥青混合料马歇尔试验结果见表3,其它工序施工与普通沥青混合料施工基本相同。
3 结 语
对于旧混凝土路面加铺改造目前国内仍处于研究试验阶段[ 3 - 5 ] 。把旧水泥混凝土路面修复成新道路的下卧结构层,节约了大量的基层材料,减少了因破除旧水泥混凝土路面所需的机械、人力费用; 同时,水泥混凝土板废弃物得以利用,不再造成对环境的污染问题。在加铺改建的夹层施工中加入玻璃纤维、土工格栅等材料;在面层材料的使用上,对沥青进行了改性,使用了SBS改性沥青混合料,以加强温度控制。通过在甬慈公路、义乌机场道路等近20万m2 道路加铺改建工程的应用,其效果非常明显,有效地减少了反射裂缝的出现,改善了旧水泥混凝土路面的路用性能和使用功能,经济效益十分可观。
参考文献
[1] JTJ 07421997,公路沥青路面设计、施工技术规范[S].
[2] JTJ 07322001,公路水泥混凝土路面养护技术规范[S].
[3] 郑健龙. 沥青路面抗裂设计理论和方法[M ]. 北京:人民交通出版社, 2002.
[4] 蔡喜锦. 旧水泥混凝土路面罩面[J]. 华东公路, 2002 (2) :2 - 3.
[5] 罗晓辉. 旧水泥混凝土路面加铺沥青混凝土面层后反射裂缝的防治[J]. 公路, 2004 (8) : 171 - 173.
