摘 要 依托同三公路常安至哈尔滨段旧水泥混凝土路面改造的工程实践,分析了旧水泥混凝土路面加铺层反射裂缝的成因,阐述了土工布施工工艺及其注意事项,并对土工布的应用效果进行了评价。
关键词 旧水泥混凝土路面;沥青加铺层;土工布;反射裂缝;控制
分类号 U418. 8
自20世纪80年代以来,我国不断加大对高等级公路的建设力度,使得公路网总体水平逐渐提高。截止2004年底,全国公路总里程已达到187万km,其中高速公路里程达3. 4万km,居世界第二位。但随着公路运营时间的增加,在行车荷载和自然因素(水、温度等)的反复作用下,路面的状况在不断下降,其表面功能和结构强度在不断衰变,逐渐产生各种各样的损坏,公路需要不断地养护、维修和改建。此外,公路在使用过程中,由于交通量日益增大、车辆超载严重及养护不当等方面的原因,公路也出现了早期损坏。上述原因直接影响到公路的畅通、运输效率以及行车舒适性;因此,在尽量降低工程投资的前提下,如何对现有旧路进行改造、维修和升级,已成为一个长期的技术课题。
公路改扩建工程是一项繁杂的系统工程,国内外的同行无论是从理论还是工程实践上,均进行了许多有益的探索,得到了许多宝贵的经验;但由于各地区乃至各条公路破损的原因各不相同,加之设计理念以及施工管理的不同,所采用的改造方案也就不尽相同。为了更好地总结经验,笔者对同三公路常安至哈尔滨段改建工程土工布的应用进行了归纳和整理,力求为今后改扩建工程提供参考。
1 旧路面现状与评价
常安至哈尔滨段改建工程,起迄桩号为K484 + 500 -K567 + 221,全长82. 842 km,该段旧路面类型为水泥混凝土路面。其结构为22 cm厚水泥混凝土面层+ 18 cm厚5%水泥稳定砂砾(或5%水泥稳定风化砂砾碎石) + 18 cm厚4%水泥稳定风化砂砾或石渣;潮湿路段设20 cm砂砾垫层, 1997年通车。经过8 a运营,路面整体服务水平与初期相比已大大降低,水泥混凝土面板整体损坏十分严重(特别是佳木斯至哈尔滨方向) ,局部路段断板、唧泥、错台、断角、沉降现象较严重。
依据《公路水泥混凝土路面养护规范》规定,采用路面状况指数(调查路段的路面总破损状况)和断板率(调查路段的路面结构破损状况)来评定破损状况。评定标准分为5个等级(见表1) 。
测算结果显示:平均路面状况指数为62. 5,路面状况等级评定为“中”; 断板率达40% , 路面断板率等级评定为“差”。由此可见,路面总体现状已不利于车辆正常行驶,需对旧路面进行改造维修。
2 沥青混凝土加铺层反射裂缝成因
本次改建工程综合国内外的经验,采取在水泥混凝土面板上加铺沥青混凝土,因此,反射裂缝的控制成了改建能否成功的关键。
旧水泥混凝土面板和其上的沥青加铺层组成的是一种特殊的路面结构。根据断裂力学的观点,产生反射裂缝的内部原因主要是由于旧水泥混凝土路面的裂缝或接缝作为原始的缺陷存在,引起沥青混凝土的应力集中造成的。沥青加铺层反射裂缝的扩展模式主要有2种:剪切型反射裂缝及张拉型反射裂缝(见图1和图2) 。交通荷载及温度作用是引起反射裂缝的两大因素。剪切型反射裂缝通常由交通荷载引起。车轮荷载驶经接缝(或裂缝)时,在车轮偏荷载的作用下,接缝(或裂缝)两侧的板端出现弯沉差,使接缝上方的沥青混凝土加铺层承受较大的弯拉应力和剪切应力。此弯拉应力和剪切应力若超过沥青混合料的弯拉强度或抗剪强度,在接缝(或裂缝)处就会出现反射裂缝。旧混凝土板越薄,接缝(或裂缝)的传荷能力越弱,基层的刚度越小,则轮载作用下的弯沉差越大,沥青混凝土加铺层出现反射裂缝的机率就越大,在大轴载、大流量的车辆荷载长期反复作用下,反射裂缝会加速出现。
温度变化可引起张拉型反射裂缝。沥青混凝土加铺层粘附在旧面层板上,旧面层板因温度下降而收缩时,由于旧面层板与加铺层的层间粘附阻力,沥青混凝土加铺层也会相应出现收缩变形。混凝土板的收缩在两条接缝(或裂缝)内进行,混凝土板降温时会导致接缝(或裂缝)上方的沥青混凝土加铺层内出现较集中的拉应力。此时拉应力若超过沥青混合料的抗拉强度,加铺层便出现开裂。拉应力随旧路面层板的收缩变形量和混凝土板与加铺层间的粘附阻力大小而变化。接缝(或裂缝)间距越长,旧面层板与加铺层底面间的摩擦阻力越大,板平均温度下降量或下降速率越大,混凝土板与沥青加铺层之间的粘附作用越强,则沥青加铺层内出现的拉应力越大,沥青加铺层开裂的机率就越大。
反射裂缝一般先出现在轮迹处,然后再向两侧发展,初期时对路面的使用性能影响不大;但随着雨水或雪水的浸入及沥青的氧化,裂缝两侧的路面结构层,特别是裂缝附近的土基含水量加大,甚至饱和,在大量行车荷载反复作用下,产生动水压力。由于水泥稳定砂砾基层抗冲刷能力较低,旧水泥混凝土路面便出现唧泥现象,水泥混凝土板底脱空,垂直相对位移加大,路面结构的承载能力大幅下降,路面加速破坏,使用功能丧失,使用寿命缩短。因此,沥青加铺层反射裂缝的控制成为旧水泥混凝土路面改造的最重要技术问题。
3 常安至哈尔滨段改建工程设计方案
常安至哈尔滨段改建工程采用了综合处理方案:沥青加铺层上面层采用SBS改性沥青,中上面层调整了混合料的级配,采用骨架密实结构,设置了土工布夹层,旧混凝土板采用兰派破碎,对病害严重路段的旧路面进行了处理[ 1 - 2 ]。
根据对原水泥路面板块破损调查记录,并结合路基、路面检测结果,对本项目的原水泥砼路面采取2种处理方式: ①挖除旧路面面板或全部基、面层; ②将原面板进行破碎后作基层。
3. 1 旧水泥混凝土路面板块挖除处理
挖除旧路面路段: ①在路面调查中,路面被评定为病害严重,裂板率> 28,且板块严重破碎、沉陷及唧泥频繁发生路段;②主线上跨桥梁桥头两侧设置的过渡段。
在原水泥路面挖除后,对基层及土基现状进行相应的判断,提出处理方案: ①原基层整体性好,无明显破损,测其回弹模量,若低于160MPa,用C15混凝土进行补强,直至满足要求(即换板处理) ; ②基层强度差、承载能力较低、损坏严重路段,对基层进行开挖重做路面,基底做碎石桩处理和设置路面垫层。
3. 2 将原面板进行破碎后作基层
为了尽量减少原板块对上面层的反射裂缝,简化施工程序,加快施工进度,对其余原混凝土路面板块进行破碎。原面板破碎前处理:在整段路面破碎前,根据路面调查资料及检测资料,目测破碎、沉陷、唧泥严重的单独或连续几块路面板块,将原板块进行挖除,对基层、底基层处理方法与挖除原面板处理方式相同,再浇筑混凝土至原路面相同标高。水泥混凝土板破碎方案:旧路面板块及基层处理完毕之后,进行旧砼板的破碎。采用兰派冲击破碎技术。利用兰派设备对原有混凝土路面进行打裂和压稳,以解决板底脱空问题,减少反射裂缝并稳定原路面。
3. 3 路面结构组合
旧水泥混凝土路面段共分为3种结构组合。结构组合1:利用旧路面结构强度,将原混凝土路面冲压破碎作为基层,对于路面完整、脱空少、路面状况等级评定为“优良”以上的路段按结构组合1加铺(见图3) 。
调平层的铺设原则:当调平层的厚度大于3 cm时,多出的部分h与底面层AC - 20Ⅰ型沥青混凝土合并铺筑,防反射裂缝土工布铺在沥青混凝土调平层之上。
结构组合2:利用旧路面结构强度,将原混凝土路面冲压破碎作为基层,对于路面完整、脱空少、路面状况等级评定为“中”以上的路段按结构组合2加铺(见图4) 。
调平层的铺设原则:当调平层的厚度大于3 cm时,多出的部分h与底面层AC - 25Ⅰ型沥青混凝土合并铺筑,防反射裂缝土工布铺在沥青混凝土调平层之上。
结构组合3:将原混凝土路面挖除,底基层采用30 cm厚的5%水泥稳定砂砾碎石,基层采用20 cm厚的6%水泥稳定砂砾碎石,面层为17 cm沥青混凝土,基层顶面与旧路面同高(见图5)。
4 土工布的应用
为防止反射裂缝,在设计上采用了polyfeltPCTM14 土工布作夹层,进行防反射裂缝。它具有造价低、施工简便、加固效果好等优点。
4. 1 作用机理
在沥青加铺层与旧水泥混凝土路面之间设置土工布中间夹层,可起到应力吸收层的作用,是防止反射裂缝的一种有效措施,其主要作用机理如下: ①土工布浸透沥青可以有效防止地表水渗入旧面板,避免出现旧基层渗水而使其承载力下降;②由于土工布浸透沥青可有效地防止地下水渗入界面,减少沥青加铺层在反射裂缝处发生剥离破坏,避免出现坑洞现象;③土工布夹层材料可控制水泥混凝土板温度升降,减小水泥混凝土板位移量; ④土工布具有较大的延伸性,旧水泥混凝土裂缝位移可通过土工布使应力扩展至更宽的范围,从而缓解了裂缝处的应力集中。
4. 2 施工技术要求
层面准备:土工织物加铺在沥青砼调平层与底面层之间,按路面宽度全幅铺放。首先要清洁路面,使其上没有杂物,必要时可用水清洗,在喷黏层油前表面要保持干燥[ 3 - 4 ] 。
喷洒黏层油。使用喷洒型SBS改性乳化(代号PCR)沥青作为黏层油,沥青应满足SBS乳化改性沥青技术要求(见表2) ,用量为1. 6～1. 8 kg/m2 ,采用2次喷油法,在布下喷0. 4～0. 5kg/m2 ,在布上喷1. 1～1. 3 kg/m2。分3幅喷洒,两侧用4个喷油嘴,中间用6个喷油嘴,喷洒宽度应比铺面织物宽出约1. 5 cm。喷洒时气温要在10 ℃以上,雨天和雨后路面潮湿时不得洒黏层油。
喷洒段不宜超过300 m,纵坡过大段不宜超过150 m (防止改性乳化沥青过量流淌) ,粘层油喷洒要均匀,路面不得有沥青流淌,过量粘层油要刮除。
铺放polyfeltPGM14土工织物。铺放时应使自然面朝上,可用铺设设备或人工铺设。机械压力要低,行驶尽量沿直线,以保证织物平直不起皱。要在土工织物中心插入轻金属管,防止其弯曲。拉平所有褶皱。铺设土工织物时,要保证卷材距地一定高度,当土工织物被张拉平直后再与黏层油黏合,并用胶轮压路机碾压至少3遍(往、返算1遍) ,注意两侧边缘压实问题。当黏合了的土工织物出现大于1. 3 cm的皱折时,要用刀将其割开,并沿铺设方向搭接。在边缘和道路转弯处铺设织物时,如果有大的褶皱应在织物的内侧呈三角形将其割开,并沿铺设方向拉平压实。
铺石屑。织物与黏层油充分结合后,在其上撒布石屑,石屑用量取决于织物表面的泛油情况,一般1 000m2 用量为3～5m3 ,用胶轮压路机压实至少3遍后扫除多余的石屑。
需要注意如下事项。①土工布要保持干燥,如被雨淋,则要将其全部晒干方可铺设。②当用于粘接土工布的改性乳化沥青破乳后,再做上面层;在土工布处于饱和状态,改性乳化沥青尚未破乳时不要在其上面行车。③在铺设好的土工布上车辆不要调头或急刹车。④在摊铺面层过程中,摊铺机前过量泛油的部分,用人工随时加洒石屑,防止摊铺机链轨在土工织物上打滑。⑤在施工之前要对工人进行必要的安全和技术培训。
5 效果评价
2006年2月,竣工后第一个冬季指挥部对哈同旧路大修后的哈尔滨至常安段土工布裂缝进行了调查,其调查结果见表3和表4。由调查结果可以看出,沥青混凝土调平层之上土工布的铺筑能有效预防下部旧路面板引起的反射裂缝,使裂缝的平均间距增长较大,有效地改善了加铺层的路用性能。
6 结论
土工布浸透沥青可有效地防止地下水渗入界面,减少沥青加铺层在反射裂缝处发生剥离破坏,避免出现坑洞现象。采用土工布施工具有速度快、质量高、工程成本低和环境污染少等优点,其经济效益明显。旧混凝土路面板的结构层全部被利用,成为新路面结构层中的一个层次,从而能大大降低了工程造价。沥青混凝土调平层之上土工布的铺筑有效预防下部旧路面板引起的反射裂缝,使裂缝的平均间距增长较大,有效地改善了加铺层的路用性能。
综上所述,采用土工布技术来控制反射裂缝,对旧水泥混凝土路面技术改造工程是适用的,具有极大的使用和推广价值。
参 考 文 献
[1] 闫宝杰,陈荣生. 城市水泥混凝土路面改造工程中破裂稳固技术的应用[ J ]. 公路交通科技, 2005, 22 (12) : 20 - 22, 34.
[2] 苏卫国,卢辉. 旧水泥混凝土路面应用冲击压实技术后的裂缝和沉降效果分析[ J ]. 中外公路, 2004, 24 (1) : 65 - 68.
[3] 公路沥青路面施工技术规范JTG F40 [ S]. 北京:人民交通出版社, 2004.
[4] 赵晓雷. 佳哈高速公路大修改建工程路面施工作业指导书[M ]. 哈尔滨:黑龙江人民出版社, 2005.
