摘要:介绍了旧水泥混凝土路面加铺沥青层防止反射裂缝的常用方法。分析了各种方法的机理和注意事项。
关键词:水泥混凝土 路面沥青 加铺层 反射 裂缝
中图分类号:U416.216 文献标识码:A
反射裂缝是沥青加铺层最主要的病害之一, 控制反射裂缝已成为旧水泥混凝土路面加铺层设计的关键。目前国内外许多学者及工程技术人员针对反射裂缝的产生机理进行了大量的研究, 取得了一定的成果, 许多成果已应用于工程实际。以下对旧水泥混凝土路面做沥青加铺层的常用方法进行介绍和分析。
1 增加沥青加铺层厚度
增加沥青加铺层的厚度, 是减少反射裂缝最常见也是一种行之有效的方法。随着沥青加铺层厚度的增加, 裂缝尖端应力强度因子逐渐减小。增加沥青加铺层的厚度, 一方面可以减少旧路面结构的温度变化, 降低接缝处沥青加铺层的温度拉( 弯拉) 应力, 另一方面可以增加路面结构的弯曲刚度, 降低接缝处的弯沉及弯沉差, 减少加铺层的剪切应力。同时, 对于较厚的加铺层来说, 裂缝由加铺层底面扩展到顶面需要经历较长的距离与时间, 也即可以延长其使用寿命。
由有限元计算结果可知, 水泥混凝土板接缝处沥青加铺层底的车辆荷载应力及温度应力均随加铺层厚度的增加而减小, 且接缝处的应力集中现象逐渐趋于平缓。当加铺层厚度从6 cm 增加到22 cm时, 车辆荷载的最大主应力σ1、等效应力σe 及最大剪应力τmax 分别减少79.0%、58.7%、58.8%, 加铺层平均每增加1 cm 厚度( Ea=1 200MPa) , σ1、σe、τma x 可分别降低0.005MPa、0.064MPa 及0.036MPa。
此外, 接缝两侧弯沉及弯沉差随着加铺层厚度的增加也递减较快, 平均每增加1 cm 厚的沥青加铺层可减小接缝两侧的弯沉差0.0007 mm, 即平均效果为3.4%/cm。
增加沥青加铺层的厚度对减小加铺层底的温度应力作用更为明显。在温度荷载的作用下, 当加铺层厚度从6 cm 增加到22 cm 时, 最大主应力σ1、等效应力σe 及最大剪应力τma x 分别减少了85.4%、85.0%、84.6%, 即加铺层平均每增加1 cm 厚度,σ1、σe、τma x 可分别降低0.318 MPa、0.275MPa 及0.152 MPa。
为防止或减缓加铺层反射裂缝的出现, 沥青加铺层应保证一定的厚度, 一般应不低于10 cm, 太薄的沥青厚度势必在短期内即出现反射裂缝。当然, 若不采取其他防止反射裂缝的措施, 仅仅通过无限制地增加加铺层厚度的方法来减小车辆荷载应力及温度应力的方法显然是不经济的, 沥青层的厚度太厚还易出现车辙。
2 设置土工合成材料夹层
土工合成材料夹层一般设置在沥青加铺层与旧水泥混凝土路面板之间, 常用的有土工布、土工格栅等, 土工合成材料的厚度较薄, 一般在2～5 mm之间, 土工织物的模量约为10～160 MPa, 土工格栅的模量约为900～2 500 MPa, 它们的特点是变形能力较强, 在水平方向上可承受较大的拉应力, 而在垂直方向上则刚度较小, 抗弯拉及抗剪切能力低, 其力学性能与薄膜类似。
土工合成材料用于防止反射裂缝主要起到以下作用: ①隔离阻断作用。将旧水泥混凝土路面接缝或裂缝与沥青加铺层隔离, 降低了混凝土板接缝或裂缝尖端的拉应力集中, 使应力强度因子减小, 从而延缓裂缝反射到路表; ②加筋作用。土工合成材料夹层具有一定的强度, 可承受一定的裂缝拉应力, 提高了沥青加铺层的抗拉强度, 减少了裂缝张开变形; ③具有传荷能力。铺筑于接缝上的土工合成材料, 可提高接缝处的传荷能力, 当荷载作用在接缝一侧时, 能将部分荷载传递至另一侧, 减小接缝的弯沉差, 降低了裂缝尖端的剪应力集中。
由于土工合成材料模量较低, 且厚度较薄, 因此它们对减少由车辆荷载引起的垂直方向的剪应力作用不大, 其主要作用体现在减小由温度作用引起的水平应力, 且由理论分析可知, 土工合成材料的模量越大, 其减小各种应力的作用就越明显, 因此从理论上来说, 土工格栅( 模量较大) 防止反射裂缝的能力要好于土工布( 模量较小) , 但它们防止反射裂缝的实际效果尚需要对试验路的长期观测验证。
3 设置应力吸收夹层( SAMI)
国外也采用在旧水泥混凝土板及沥青加铺层之间设置一层橡胶沥青、改性沥青砂或柔软沥青混凝土这类应力吸收中间层( SAMI) 来防止反射裂缝,可以减少和延缓反射裂缝。应力吸收层厚度一般为2～3 cm, 具有模量相对较小, 较柔软, 变形能力较强, 可承受较大的变形而不断裂的特点。由于它们具有一定的厚度, 在路面结构中能够保持自身的性质, 在计算时可把这类材料按各向同性线弹性材料考虑, 用三维空间单元模拟。它们防止反射裂缝的机理与土工合成材料类似, 此外, 应力吸收层还可防止路表开裂后路表水的下渗。对于具有一定厚度的应力吸收层, 它们抗剪切型反射裂缝的能力要稍好于土工合成材料一类的薄膜型材料, 理论计算得知, 此类应力吸收层模量越大, 其防裂效果越差,所以为了防止沥青加铺层的反射裂缝, 宜选用模量低、抗剪切性能好、柔性大、变形能力强的材料作为应力吸收层。
4 铺筑级配碎石过渡层
级配碎石作为旧水泥混凝土板和沥青加铺层之间的过渡层在加拿大、南非等国家及我国的沪宁高速公路部分试验段已得到了应用, 证明其防止反射裂缝的效果良好。
级配碎石过渡层之所以能够有效防止和减缓旧水泥混凝土路面沥青加铺层的反射裂缝, 主要基于以下原因:
( 1) 级配碎石作为散粒结构具有不传递拉应力、拉应变的能力, 且级配碎石过渡层本身处于三向受压的特殊受力状态, 即水泥混凝土板接缝尖端的拉应力不会在碎石层面形成应力集中, 因而碎石基层吸收了接缝所释放的应变能, 从而达到止裂效果。也可以认为级配碎石散粒结构具有较大的塑性变形能力, 这种能力能充分吸收接缝释放的应变能, 从而阻碍了水泥混凝土板接缝向上延伸扩展。对于张开型裂缝( Ⅰ型) , 其扩展的必要条件必须是裂纹尖端存在张开的拉应力。对于只有交通荷载作用下的碎石裂缝过渡层结构, 此时不论是裂缝尖端( 旧水泥混凝土板接缝) , 还是整个碎石基层均受压应力作用, 因此裂缝不存在扩展的基本条件。交通荷载作用唯一可能出现的是车辆偏荷载作用产生的剪切型裂缝( Ⅱ型) , 然而对于旧水泥混凝土板接缝, 由于接缝两侧凹凸不平的啮合作用使接缝具有一定的传荷能力, 使得产生的Ⅱ型裂纹的可能性要小于Ⅰ型裂纹。
( 2) 级配碎石的隔离作用大大改善了旧水泥混凝土路面的温度状况。由于碎石过渡层较厚, 一般为10～15 cm, 级配碎石的加入使得旧水泥混凝土板遭受的温度变化、温度变化速率及温度梯度大大降低, 水泥混凝土板的温度收缩应力及温度翘曲应力都大大减少了, 因而就减少了旧水泥混凝土板对沥青加铺层的影响。
( 3) 从理论上讲, 可以认为级配碎石收缩系数极小, 几乎为零, 加上其本身并不传递应力和位移, 因此它能消散、吸收单纯由环境因素变化, 尤其是温度骤降情况下裂纹尖端的应力及应变。
5 铺筑特粗粒径沥青碎石裂缝缓解层
美国沥青协会建议采用AM- 75、AM- 63 及AM- 50 特粗粒径沥青碎石铺筑于旧水泥混凝土路面与沥青加铺层之间, 作为裂缝缓解层。沥青( 针入度40～50) 的含量为1.5%～3.0%, 混合料含有25%～35%的连通孔隙, 阻碍裂缝尖端的扩展, 因而可提供缓解裂缝扩展的作用, 并且该结构层具有一定的厚度, 降低温度对水泥混凝土板的影响, 减少水泥混凝土板接缝张开量和翘曲量, 并且减少接缝处的弯沉及弯沉差, 从而减少反射裂缝产生的可能性。
沥青碎石混合料的集料由坚硬、多棱角的碎石、轧制砾石或矿渣组成。美国沥青协会建议的3种集料级配范围见表1。混合料的拌和温度为93 ℃～121 ℃, 拌和时间不超过30 s。采用4 t～10 t 的钢轮压路机, 碾压1～3 遍。
2002 年在济枣西线铺筑了900 m 长的AM- 40特粗粒径裂缝缓解层试验路段。特粗粒径沥青碎石AM- 40 的级配范围按表2选用。
沥青碎石混合料的配合比设计应根据实践经验和马歇尔试验的结果, 经过试拌试铺论证确定。对沥青碎石混合料压实度的计算及确定方法可按《公路沥青路面施工技术规范》( JTJ032—94) 附录F 中F.0.5 的规定执行, 即对沥青碎石可以将试验段钻孔试验的平均密度作为标准密度, 且密度的测定方法应与试验段钻孔试件的测定方法相同。此种情况下, 试验段的铺筑应由监理工程师与施工单位一起参加, 在温度及采用的压路机合理的情况下, 反复碾压至无轮迹, 用核子密度仪定点检查密度不再变化为止。然后取不少于15 个的钻孔试件的平均密度作为压实度计算的标准密度。
6 旧水泥混凝土板上半刚性基层预切缝并铺筑土工合成材料
由于一些旧水泥混凝土路面的整体强度过低,必须先在其上铺筑一层补强半刚性基层, 然后再加铺沥青面层。但从实际工程来看, 这种不采用其他防裂措施, 直接加铺的方法并不好, 由于温度应力及基层干缩应力的影响, 在旧水泥混凝土板接缝处的半刚性基层及沥青面层仍不可避免的会出现反射裂缝, 因此可采用在半刚性补强基层顶面进行预切缝再加铺条状土工合成材料的方法进行处理。具体方法是在铺筑沥青加铺层之前将旧水泥混凝土路面上的半刚性基层按一定间距( 10～15 m) 设置预切深5～8 cm 的缝, 并在接缝上铺约1 m 宽的土工合成材料, 以减少加铺层中的反射裂缝。
它的防裂机理主要是通过锯缝释放半刚性基层因温度下降及水份散发收缩受阻而产生的拉应力提供预定的不连续的断面位置, 从而控制随意裂缝的出现, 同时, 利用切缝上的土工合成材料在一定程度上缓解裂缝处沥青应力集中, 消除沥青加铺层反射裂缝的产生。
7 旧水泥混凝土板破碎稳定
在旧水泥混凝土板结构损坏较严重, 断板率较高, 对损坏板进行修复后再采用其它措施已不经济时, 可以对旧水泥混凝土板进行破碎和稳定处理。由于破碎板块尺寸减小, 温度下降时的收缩位移大大降低, 从而也降低了加铺层的拉应力。同时, 接缝和裂缝两侧板块的弯沉量和弯沉差也随板块尺寸的减小而减小。但破碎板的稳固是施工关键所在,若破碎板有松动现象, 对其上的沥青加铺层也会带来不利影响。
在计算路面应力时, 可将破碎的旧水泥混凝土路面板当作底基层或基层, 用FWD 或贝克曼梁测定弯沉反算破碎板顶面的当量抗压模量, 也可采用承载板法直接测定破碎板顶面的当量抗压模量。旧水泥混凝土路面采用带有改进型桩靴的打桩机、安装在拖拉机牵引的拖车上的落锤、截断机落锤或滑动落锤来进行破碎, 也可采用冲击压路机进行破碎稳固。旧水泥混凝土路面的破碎结果应为边长为45～60 cm 大小的块, 偶尔有一些75 cm 左右的块也可以, 同时, 大于60 cm 的块不超过70%。碎块并非一般意义上的明显碎块, 而是裂缝( 纹) 贯穿块与块之间形成嵌锁结构从而保全原路面具有的大部分结构强度。破碎型式应既能减少板的过度位移( 垂直和水平) , 又能使板作为加铺层的稳定基础使板保持足够的结构完整性。
水泥混凝土板在水平方向所受约束愈小, 破碎效果愈好, 故在施工中选定从路肩→行车道的顺序进行破碎。
混凝土路面经过破碎以后, 应将混凝土块稳固到基层上。稳固块的目的是各点均能与基层接触,从而提高承载力。最常用的稳固板的方法是用15 t轮胎压路机碾压5 次。压路机的碾压速度小于2.5 m/s。避免过度的碾压, 以免影响破碎块之间的嵌锁效果。
参考文献
[ 1] JTJ073. 1- 2001, 公路水泥混凝土路面养护技术规范[ S]
[ 2] JTGD- 40- 2002, 公路水泥混凝土路面设计规范[ S]
