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摘要:近些年来,随着公路建设的发展,公路的改建和扩建工程越来越多,在旧水泥混凝土路面上加铺沥青面层是一种常用的、有效的路面修复技术。它具有工期短、对交通影响小、修复后路面服务性能好等优点,国内有相当多的公路采用了此类改造方案。
关键词:路面施工 沥青 反射裂缝力学分析
1 反射裂缝力学分析
1.1 对称荷载作用下,当加铺层的厚度小于17cm时,裂缝尖端处于受压状态。应力强度因子KI=0,KII=0,旧水泥路面中的裂缝属于闭合型裂缝。而当加铺层厚度超过17cm后,裂缝尖端处于受拉状态,此时属于张开型裂缝。
1.2 随着加铺层厚度的增加,裂缝尖端应变能密度呈减小趋势。这表明在交通荷载作用下,增加沥青混凝土层加铺层厚度有利于降低面层底部裂缝尖端的应力集中程度。但面层厚度增大到一定程度后,减小的程度趋于缓慢。
1.3 胎压对加铺层断裂性能的影响非常显著,说明重载车辆对沥青混凝土加铺层的破坏情况严重。
1.4 格栅模量对加铺层开裂性能的影响较显著。随着格栅模量的增加,裂缝尖端应变能密度值不断减小;当格栅模量超过2000MPa 后,继续增加格栅模量,裂缝尖端应变能密度的减小速度逐渐变慢。
1.5 沥青稳定碎石模量对加铺层的抗裂性能有重要影响,计算表明,当沥青稳定碎石模量在800～1000MPa时,裂缝尖端的水平应力和应变能密度较小。由此可见,在沥青稳定碎石混合料设计时,应选用密级配,提高混合料的抗变形能力,对加铺层反射裂缝的防止有重要作用。
2 施工材料要求
2.1 沥青 采用重交通道路石油沥青AH—70,其质量应满足《公路沥青路面施工技术规范》的要求。
2.2 集料
2.2.1 粗集料 粗集料必须使用坚韧、粗糙、有棱角的优质石料,必须严格限制集料中的扁平颗粒含量,所使用碎石应采用捶击式或锥式碎石机破碎,不得使用颚板式轧石机破碎。
2.2.2 细集料 细集料在整个集料中只占很小的比例,但为了提高混合料的高温稳定性,要求细集料具有良好的棱角性和嵌挤性能。建议采用机制砂,或者机制砂和天然砂混合使用,其中天然砂的含量不大于10%。
2.2.3 填料 为保证沥青混合料有足够的温度稳定性、耐久性和良好的级配,混和料中还应掺配适量的高质量的石粉和石屑填料,石粉用量一般为混和料总重的2%～4%,具体用量应根据马歇尔稳定度试验确定,但不得少于2%,石屑剂量根据材料筛分结果计算确定。
2.3 沥青混合料 沥青碎石混合料的配合比设计应遵循《公路沥青路面施工技术规范》中关于热拌沥青混合料配合比设计的要求,根据实践经验和马歇尔试验的结果,经试拌试铺论证确定。
2.4 混合料的生产、运输和碾压 沥青混合料必须在沥青拌和厂采用机械拌制,经拌和的沥青混合料应均匀一致,无花白料,无结团成块或严重的粗细料分离现象,不符合要求时不得使用,并应及时调整。气温低于5℃时,不宜摊铺沥青混合料。机械摊铺的混合料除特殊情况外,一律不得用人工反复修整,以保证路面平整度达到规范要求。
2.5 接缝要求 沥青混合料在施工缝及构筑物两端的连接处必须仔细操作保证紧密平顺。纵向接缝在摊铺时应采用热接缝,不能采用热接缝时,必须洒粘层油使之粘结良好。相邻2幅及上下层的横向接缝均应错位1m以上。中下层的横向接缝可采用斜接缝,上面层应采用垂直的平接缝。铺筑接缝时,可在已压实部分上面铺设一些热混合料使之预热软化,以加强新旧混合料的粘结。
3 复合式加铺层结构设计的原则
3.1 设计方案制定的主要目标①防止雨水渗入原水泥混凝土路面与基层结构层中;②提高路面结构承载能力,以适应国道主干线的交通需要;③尽可能减弱原路基与路面结构的先天不足,消除质量隐患;④恢复路面平整度与抗滑能力,改善路面使用性能,提高通行能力。
3.2 设计方案制定的原则①路面结构内部应按照防排结合的原则进行防排水设计,将路面结构与防排水进行综合设计,尽量防止雨水渗入路面结构与路基内部,排除可能渗入路面结构内部的雨水。②在满足技术要求(交通量和使用性能)的条件下,因地制宜、合理选材、节约投资的原则进行路面结构方案的技术经济比较,选择技术先进、安全可靠、经济合理、方便施工的结构方案。③按照科学、可靠、可行、经济的指导思想,尽可能应用成熟技术,确保改造工程的成功。对新技术、新材料、新工艺应慎重采用,先修筑试验路,取得经验后再推广应用。④路面结构方案应注重环境保护的有关规定,合理安排沥青混合料的拌和站位置,妥善处理好旧水泥混凝土破碎块废料及废弃沥青混合料,保护环境,减少对环境的影响。⑤旧路加铺改造设计, 应尽可能采用较薄的路面结构,减少对沿线交通设施的影响;减少桥梁恒载的增加;减少对天桥净空的影响;减少对软弱地基及高填方不均匀沉降的影响;减少路线纵坡的频繁变化可能造成的路面纵向不平整和行车舒适性降低。⑥尽可能不增加桥梁恒载,在桥梁检测与桥梁结构验算的基础上慎重考虑桥面加铺层结构与材料,以及选择合适的桥梁加固方案。
4 沥青加铺关键技术探讨
4.1 加铺层的设计标准 目前国内对于混凝土板加铺沥青混凝土面层往往最关心的是如何减少加铺后沥青混凝土面层的反射裂缝问题。对于这个问题我们认为:国内外大量的工程实践证明,沥青混凝土路面的裂缝是无法避免的,无论采用任何措施,沥青混凝土路面的裂缝是早晚要产生的;其次,沥青混凝土路面产生裂缝后,如果正常养护使其不再进一步发展,产生其他病害,并不会对路面的使用性能产生多大影响;再者,多年的研究表明对于较厚的沥青混凝土面层,裂缝产生的原因主要是温度裂缝,而不是反射裂缝或对应裂缝。因此,把防止反射裂缝作为水泥混凝土路面上加铺沥青混凝土面层设计的重点有失偏颇。没有必要将减少反射裂缝作为罩面工程的主要设计指标,更不必为了减少反射裂缝而过度增加沥青混凝土面层的厚度。当然,这并不等于说不需要采取措施,在混凝土板面上铺设玻璃纤维网、撒铺改性沥青防水层有利于改善铺装层的整体受力状态,减少裂缝的产生。加铺沥青混凝土面层的设计标准应与一般的沥青混凝土路面设计一样,在满足承载能力的前提下,沥青混凝土面层应满足使用功能的要求,路面结构应有良好的水稳定性和高温强度。同时考虑到水泥混凝土路面改造的特殊性,应有分期修建的思想。
4.2 沥青混凝土面层的厚度 沥青混凝土面层的厚度大小取决于其使用功能的要求,尽管这种观点有些不合潮流。过厚的沥青混凝土面层,对改善路面使用效果没有意义。现在看来,旧路改造,采用2层结构比较理想、经济。
5 结论
在加铺沥青混凝土面层前需要对老路面进行全面的调查、评价。这是与一般复合式路面设计最大的不同点,也是设计的难点。根据水泥混凝土路面上加铺复合式沥青路面结构设计的原则,借鉴国内外实体工程的实施经验与理论分析结果证明在结构上是可行的,并且有利于结构承载能力的提高与表面使用性能的改善。
关键词:路面施工 沥青 反射裂缝力学分析
1 反射裂缝力学分析
1.1 对称荷载作用下,当加铺层的厚度小于17cm时,裂缝尖端处于受压状态。应力强度因子KI=0,KII=0,旧水泥路面中的裂缝属于闭合型裂缝。而当加铺层厚度超过17cm后,裂缝尖端处于受拉状态,此时属于张开型裂缝。
1.2 随着加铺层厚度的增加,裂缝尖端应变能密度呈减小趋势。这表明在交通荷载作用下,增加沥青混凝土层加铺层厚度有利于降低面层底部裂缝尖端的应力集中程度。但面层厚度增大到一定程度后,减小的程度趋于缓慢。
1.3 胎压对加铺层断裂性能的影响非常显著,说明重载车辆对沥青混凝土加铺层的破坏情况严重。
1.4 格栅模量对加铺层开裂性能的影响较显著。随着格栅模量的增加,裂缝尖端应变能密度值不断减小;当格栅模量超过2000MPa 后,继续增加格栅模量,裂缝尖端应变能密度的减小速度逐渐变慢。
1.5 沥青稳定碎石模量对加铺层的抗裂性能有重要影响,计算表明,当沥青稳定碎石模量在800～1000MPa时,裂缝尖端的水平应力和应变能密度较小。由此可见,在沥青稳定碎石混合料设计时,应选用密级配,提高混合料的抗变形能力,对加铺层反射裂缝的防止有重要作用。
2 施工材料要求
2.1 沥青 采用重交通道路石油沥青AH—70,其质量应满足《公路沥青路面施工技术规范》的要求。
2.2 集料
2.2.1 粗集料 粗集料必须使用坚韧、粗糙、有棱角的优质石料,必须严格限制集料中的扁平颗粒含量,所使用碎石应采用捶击式或锥式碎石机破碎,不得使用颚板式轧石机破碎。
2.2.2 细集料 细集料在整个集料中只占很小的比例,但为了提高混合料的高温稳定性,要求细集料具有良好的棱角性和嵌挤性能。建议采用机制砂,或者机制砂和天然砂混合使用,其中天然砂的含量不大于10%。
2.2.3 填料 为保证沥青混合料有足够的温度稳定性、耐久性和良好的级配,混和料中还应掺配适量的高质量的石粉和石屑填料,石粉用量一般为混和料总重的2%～4%,具体用量应根据马歇尔稳定度试验确定,但不得少于2%,石屑剂量根据材料筛分结果计算确定。
2.3 沥青混合料 沥青碎石混合料的配合比设计应遵循《公路沥青路面施工技术规范》中关于热拌沥青混合料配合比设计的要求,根据实践经验和马歇尔试验的结果,经试拌试铺论证确定。
2.4 混合料的生产、运输和碾压 沥青混合料必须在沥青拌和厂采用机械拌制,经拌和的沥青混合料应均匀一致,无花白料,无结团成块或严重的粗细料分离现象,不符合要求时不得使用,并应及时调整。气温低于5℃时,不宜摊铺沥青混合料。机械摊铺的混合料除特殊情况外,一律不得用人工反复修整,以保证路面平整度达到规范要求。
2.5 接缝要求 沥青混合料在施工缝及构筑物两端的连接处必须仔细操作保证紧密平顺。纵向接缝在摊铺时应采用热接缝,不能采用热接缝时,必须洒粘层油使之粘结良好。相邻2幅及上下层的横向接缝均应错位1m以上。中下层的横向接缝可采用斜接缝,上面层应采用垂直的平接缝。铺筑接缝时,可在已压实部分上面铺设一些热混合料使之预热软化,以加强新旧混合料的粘结。
3 复合式加铺层结构设计的原则
3.1 设计方案制定的主要目标①防止雨水渗入原水泥混凝土路面与基层结构层中;②提高路面结构承载能力,以适应国道主干线的交通需要;③尽可能减弱原路基与路面结构的先天不足,消除质量隐患;④恢复路面平整度与抗滑能力,改善路面使用性能,提高通行能力。
3.2 设计方案制定的原则①路面结构内部应按照防排结合的原则进行防排水设计,将路面结构与防排水进行综合设计,尽量防止雨水渗入路面结构与路基内部,排除可能渗入路面结构内部的雨水。②在满足技术要求(交通量和使用性能)的条件下,因地制宜、合理选材、节约投资的原则进行路面结构方案的技术经济比较,选择技术先进、安全可靠、经济合理、方便施工的结构方案。③按照科学、可靠、可行、经济的指导思想,尽可能应用成熟技术,确保改造工程的成功。对新技术、新材料、新工艺应慎重采用,先修筑试验路,取得经验后再推广应用。④路面结构方案应注重环境保护的有关规定,合理安排沥青混合料的拌和站位置,妥善处理好旧水泥混凝土破碎块废料及废弃沥青混合料,保护环境,减少对环境的影响。⑤旧路加铺改造设计, 应尽可能采用较薄的路面结构,减少对沿线交通设施的影响;减少桥梁恒载的增加;减少对天桥净空的影响;减少对软弱地基及高填方不均匀沉降的影响;减少路线纵坡的频繁变化可能造成的路面纵向不平整和行车舒适性降低。⑥尽可能不增加桥梁恒载,在桥梁检测与桥梁结构验算的基础上慎重考虑桥面加铺层结构与材料,以及选择合适的桥梁加固方案。
4 沥青加铺关键技术探讨
4.1 加铺层的设计标准 目前国内对于混凝土板加铺沥青混凝土面层往往最关心的是如何减少加铺后沥青混凝土面层的反射裂缝问题。对于这个问题我们认为:国内外大量的工程实践证明,沥青混凝土路面的裂缝是无法避免的,无论采用任何措施,沥青混凝土路面的裂缝是早晚要产生的;其次,沥青混凝土路面产生裂缝后,如果正常养护使其不再进一步发展,产生其他病害,并不会对路面的使用性能产生多大影响;再者,多年的研究表明对于较厚的沥青混凝土面层,裂缝产生的原因主要是温度裂缝,而不是反射裂缝或对应裂缝。因此,把防止反射裂缝作为水泥混凝土路面上加铺沥青混凝土面层设计的重点有失偏颇。没有必要将减少反射裂缝作为罩面工程的主要设计指标,更不必为了减少反射裂缝而过度增加沥青混凝土面层的厚度。当然,这并不等于说不需要采取措施,在混凝土板面上铺设玻璃纤维网、撒铺改性沥青防水层有利于改善铺装层的整体受力状态,减少裂缝的产生。加铺沥青混凝土面层的设计标准应与一般的沥青混凝土路面设计一样,在满足承载能力的前提下,沥青混凝土面层应满足使用功能的要求,路面结构应有良好的水稳定性和高温强度。同时考虑到水泥混凝土路面改造的特殊性,应有分期修建的思想。
4.2 沥青混凝土面层的厚度 沥青混凝土面层的厚度大小取决于其使用功能的要求,尽管这种观点有些不合潮流。过厚的沥青混凝土面层,对改善路面使用效果没有意义。现在看来,旧路改造,采用2层结构比较理想、经济。
5 结论
在加铺沥青混凝土面层前需要对老路面进行全面的调查、评价。这是与一般复合式路面设计最大的不同点,也是设计的难点。根据水泥混凝土路面上加铺复合式沥青路面结构设计的原则,借鉴国内外实体工程的实施经验与理论分析结果证明在结构上是可行的,并且有利于结构承载能力的提高与表面使用性能的改善。