水泥砼路面在長(zhǎng)期使用過(guò)程中將不可避免地出現(xiàn)結(jié)構(gòu)和功能性破壞。當(dāng)前水泥砼路面修復(fù)較多地運(yùn)用瀝青加鋪層進(jìn)行改造,加鋪瀝青面層具有方法簡(jiǎn)單、工期短、造價(jià)低、對(duì)交通影響小、修復(fù)路面服務(wù)性能好等優(yōu)點(diǎn)。但往往由于原水泥砼板在溫度和交通荷載作用下產(chǎn)生變形,造成瀝青加鋪層在原接縫(裂縫)處反射開(kāi)裂,較大的反射裂縫會(huì)導(dǎo)致雨水滲入,從而導(dǎo)致瀝青加鋪層新的病害。控制與防治反射裂縫成為水泥路面瀝青加鋪層改造工程的難點(diǎn),也是道路工程研究領(lǐng)域的重要方面。
加鋪層反射裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展機(jī)理直接關(guān)系到防治反射裂縫措施的針對(duì)性。一般認(rèn)為舊水泥砼路面瀝青加鋪層反射裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展的主要因素是交通荷載及溫度荷載。交通荷載、溫度變化及溫度梯度的綜合作用將在瀝青加鋪層內(nèi)產(chǎn)生復(fù)雜的周期性彎、拉、剪應(yīng)力狀態(tài)。反射裂縫的產(chǎn)生階段是由于交通荷載、溫度應(yīng)力反復(fù)作用導(dǎo)致瀝青砼裂縫和接縫處疲勞開(kāi)裂;反射裂縫的擴(kuò)展階段對(duì)應(yīng)于斷裂力學(xué)中裂縫的疲勞擴(kuò)展規(guī)律,即瀝青加鋪層要達(dá)到傳統(tǒng)材料強(qiáng)度理論意義上的最終破壞,裂縫擴(kuò)展有一個(gè)從開(kāi)始變形直至破壞逐漸劣化的過(guò)程,即隨著溫度應(yīng)力和交通荷載繼續(xù)作用,其損傷斷裂存在一個(gè)量變直至破壞的質(zhì)變過(guò)程,這個(gè)擴(kuò)展過(guò)程可用斷裂理論的裂縫擴(kuò)展位移模式來(lái)描述。
1工程概況
國(guó)道105線連平縣城過(guò)境段路面大修設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)起訖樁號(hào)為K2339+000 ~ K2349+040,采用水泥砼結(jié)構(gòu)形式。該道路自建成以來(lái)一直是國(guó)家交通路網(wǎng)主干線,至今已有十多年,未進(jìn)行大修改造。因道路為早期修建,設(shè)計(jì)理論不健全,排水設(shè)計(jì)不完善,加上車流量大,重載車多,造成水泥板板底水沖刷導(dǎo)致基層強(qiáng)度不足或有不均勻的沉降和支撐,加之后期養(yǎng)護(hù)不當(dāng)或養(yǎng)護(hù)不及時(shí)等,使得水泥砼路面平整度差,噪音大,已出現(xiàn)斷板、脫空、唧泥、翻漿、沉陷等病害,嚴(yán)重影響路面的使用性能。為了節(jié)省工程造價(jià),考慮到現(xiàn)狀舊路的維修利用以及項(xiàng)目所處區(qū)域沿線對(duì)噪音、景觀等要求較高,設(shè)計(jì)采用加鋪瀝青砼進(jìn)行大修。
1.1路面使用狀況調(diào)查
舊砼路面的調(diào)查是在JTG D40-2002《公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范》和JTJ073.1-2001《公路水泥混凝土路面養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》推薦方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行。路面破損狀況調(diào)查時(shí)先將路面破壞種類進(jìn)行歸類,采用隨機(jī)抽樣調(diào)查與路面破損逐塊調(diào)查兩種方法來(lái)統(tǒng)計(jì)水泥面板的破損程度。為確定路面損壞的具體位置,為設(shè)計(jì)提供詳細(xì)而準(zhǔn)確的資料,項(xiàng)目組在用隨機(jī)法抽樣調(diào)查的基礎(chǔ)上,對(duì)沿線10.4 km水泥砼面板進(jìn)行破損情況逐塊調(diào)查,然后按JT J073.1-2001《公路水泥混凝土路面養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》推薦的方法對(duì)調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。
調(diào)查分析結(jié)果如下:PCI綜合指數(shù)為46.5,斷板率為18.5%;水泥砼路面結(jié)構(gòu)的厚度變異較大,面板厚度標(biāo)準(zhǔn)值為22.4~23.8 cm;由于采用石灰穩(wěn)定土作為基層,基層的均勻性、穩(wěn)定性較差,基層頂面模量變異水平處于高變異水平的路段占34.8%、中變異水平的路段占19.0%,路面結(jié)構(gòu)可靠度較低;水泥板接縫傳荷系數(shù)在85.0%以上,傳荷能力良好。檢測(cè)結(jié)果如下:板底脫空的情況較多,嚴(yán)重脫空板塊數(shù)占路段總數(shù)的10.4%,主要集中在破損嚴(yán)重的板塊上;舊砼路面彎拉強(qiáng)度實(shí)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)值為4.5 MPa,彎拉彈性模量標(biāo)準(zhǔn)值為32.4 GPa,基層頂面回彈模量標(biāo)準(zhǔn)值為152.5 MPa。
根據(jù)路況調(diào)查分析結(jié)果,該道路PCI綜合指數(shù)為46.5,斷板率大于18.5%,其損壞狀況等級(jí)為次,根據(jù)JT J073.1-2001《公路水泥混凝土路面養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》應(yīng)進(jìn)行加鋪瀝青砼進(jìn)行大修。
1.2舊水泥路面的處治措施
(1)換板。對(duì)于明顯破裂的水泥砼面板,破碎清理后重新澆筑等強(qiáng)度的水泥砼板。基層強(qiáng)度不足時(shí),應(yīng)破除舊路基層,清理干凈后采用C15素砼重做基層。
(2)縱橫向接縫維修。用小扁鑿或清縫機(jī)、吹塵器吹塵清掃,清掃干凈后再灌注熱瀝青。
(3)裂縫維修。對(duì)寬度在0.5 cm以下的非擴(kuò)展性裂縫,采用壓漿法修復(fù);對(duì)局部性裂縫,縫口較寬(0.5~2 cm)時(shí),采用條帶罩面法進(jìn)行修補(bǔ)。
(4)錯(cuò)臺(tái)維修。砼板出現(xiàn)錯(cuò)臺(tái),但板塊完好時(shí),根據(jù)錯(cuò)臺(tái)高差進(jìn)行處治。錯(cuò)臺(tái)高差小于10 mm時(shí),用切削機(jī)具鑿除錯(cuò)臺(tái),修補(bǔ)面縱坡變化控制在1%之內(nèi);錯(cuò)臺(tái)高差大于10 mm時(shí),進(jìn)行換板處理。
(5)板塊脫空處治。當(dāng)砼板塊有脫空現(xiàn)象或板塊唧泥嚴(yán)重時(shí),采取灌漿措施,以加強(qiáng)板下支撐。
2防治反射裂縫及瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)方案
瀝青加鋪層鋪設(shè)之前面臨的主要問(wèn)題是如何減輕舊水泥砼面板的接裂縫對(duì)加鋪層的影響,使現(xiàn)有道路能夠繼續(xù)承擔(dān)未來(lái)的交通、溫度荷載,即盡可能防止加鋪后產(chǎn)生反射裂縫。
針對(duì)舊水泥砼路面瀝青加鋪層反射裂縫的防治,國(guó)內(nèi)外都進(jìn)行了大量試驗(yàn)路鋪設(shè)及理論分析研究,提出了相當(dāng)多的處治措施,取得了不同程度的效果。目前應(yīng)用較多的防治反射裂縫的措施主要有增加瀝青加鋪層的厚度、采用土工合成材料夾層、設(shè)置應(yīng)力/應(yīng)變吸收薄膜夾層、斷裂穩(wěn)固舊砼板、鋪設(shè)大粒徑瀝青混合料和級(jí)配碎石裂縫緩解層以及在瀝青混合料中摻入纖維等阻裂材料、對(duì)半剛性層進(jìn)行預(yù)切縫并加鋪土工織物處理、對(duì)舊水泥砼路面板進(jìn)行灌漿處理等。其中鋪設(shè)土工織物(如玻璃纖維格柵)和設(shè)置應(yīng)力/應(yīng)變吸收層(如STRATA應(yīng)力吸收層)應(yīng)用最廣泛。
土工合成材料夾層一般設(shè)置在瀝青加鋪層及舊水泥砼路面板之間,常用的有土工布、玻纖格柵等。土工合成材料的厚度較薄,一般為0.5~5 mm。它們的特點(diǎn)是變形能力較強(qiáng)或隔離阻斷應(yīng)力,在水平方向上可承受較大的拉應(yīng)力;缺點(diǎn)是在垂直方向上剛度較小,抗彎拉及抗剪切能力不足。
應(yīng)力吸收層是一種采用特殊聚合物改性的瀝青混合料,瀝青含量高、混合料中細(xì)礦料比重大,具有高彈性、不透水、粘附性強(qiáng)及抗裂性能好等優(yōu)點(diǎn),其承受的疲勞循環(huán)次數(shù)遠(yuǎn)高于普通聚合物改性瀝青混合料。應(yīng)力吸收層瀝青混合料防治反射裂縫的特點(diǎn)如下:
(1)具有良好的柔韌性和彈性恢復(fù)能力,良好的彈性使得瀝青混合料中間層能夠消散吸收部分剪切、拉伸能量,提高裂縫區(qū)域的局部承載能力。
(2)具有良好的抗疲勞性能,這是應(yīng)力吸收層作為抗反射裂縫材料的關(guān)鍵指標(biāo)。
(3)具有吸收應(yīng)力的厚度效應(yīng)和使反射裂縫偏離原接裂縫的偏離效應(yīng)。吸收層具有一定的力學(xué)厚度,這是其區(qū)別于一般土工合成材料夾層的關(guān)鍵指標(biāo)之一,同時(shí)設(shè)置應(yīng)力吸收層可減薄加鋪層的結(jié)構(gòu)厚度,即應(yīng)力吸收層本身的厚度除了加入結(jié)構(gòu)總厚度外,還可轉(zhuǎn)化為增加其上的普通瀝青砼厚度。
(4)應(yīng)力吸收層混合料主要由細(xì)集料組成,空隙率非常小,具有良好的防水滲透功能,是一個(gè)天然的防水層,有利于延長(zhǎng)道路使用壽命。
與土工合成材料夾層進(jìn)行對(duì)比,應(yīng)用應(yīng)力吸收層防治瀝青加鋪層反射裂縫在力學(xué)機(jī)理和減小加鋪層厚度等方面具有優(yōu)勢(shì)。鑒于此,該道路改造工程中選擇STRATA應(yīng)力吸收層防治瀝青加鋪層反射裂縫。其瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)見(jiàn)表1。

注:機(jī)動(dòng)車道的表面層使用SBS改性瀝青;下面層及非機(jī)動(dòng)車道的表面層使用70號(hào)道路石油瀝青;應(yīng)力吸收層采用美國(guó)科氏瀝青材料公司提供的STRATA專用聚合物改性瀝青。
3 STRATA應(yīng)力吸收層瀝青及混合料性質(zhì)
STRATA應(yīng)力吸收層采用的是專用的聚合物改性瀝青混合料,對(duì)混合料變形的彈性恢復(fù)能力、抗疲勞及防滲等性能有著很高的要求;使用的結(jié)合料是STRATA專用聚合物改性瀝青,結(jié)合料的主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2。

STRATA瀝青混合料細(xì)集料很多,要求生產(chǎn)配合比的變動(dòng)很小,而在原材料中細(xì)集料往往含有較多的粉塵,這就要求采取與常規(guī)瀝青混合料不同的拌和方法,如何在傳統(tǒng)攪拌設(shè)備上拌和出級(jí)配穩(wěn)定的高質(zhì)量STRATA瀝青混合料成為關(guān)鍵。要求對(duì)集料棱角性、砂當(dāng)量和黏土含量嚴(yán)格把關(guān)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工原材料狀況,經(jīng)過(guò)反復(fù)設(shè)計(jì)、大量試驗(yàn)和驗(yàn)證,并結(jié)合應(yīng)力吸收層材料路用性能研究分析結(jié)果提出該工程實(shí)際控制的STRATA礦料級(jí)配范圍(見(jiàn)表3)。

應(yīng)力吸收層混合料目標(biāo)配合比設(shè)計(jì)采用美國(guó)SH RP瀝青混合料體積設(shè)計(jì)方法,采用SGC旋壓成型瀝青混合料,其中Ndes=25次,Nmax=50次。在規(guī)定的溫度下采用SGC成型試件后,測(cè)定在設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)或最大旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)下所成型試件的體積指標(biāo)。根據(jù)SH RP瀝青混合料設(shè)計(jì)指南和KOCH路面應(yīng)力吸收層設(shè)計(jì)指南,初選8.5%9.0%、9.2%、9.5%四組瀝青用量分別進(jìn)行配合比試驗(yàn),根據(jù)瀝青含量與壓實(shí)試件空隙率之間的關(guān)系確定最佳瀝青用量為9.0%。采用最佳油量拌和混合料進(jìn)行性能檢測(cè)試驗(yàn)(包括HVEEM穩(wěn)定度和BEAM疲勞試驗(yàn)),試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

混合料性能試驗(yàn)結(jié)果表明所確定的最佳瀝青用量滿足要求。
4瀝青混合料生產(chǎn)和攤鋪碾壓質(zhì)量控制
4.1瀝青混合料生產(chǎn)
STRATA瀝青混合料的礦料中小于2.36 mm的細(xì)集料含量很大,屬于難拌和的混合料,加之石屑中礦粉含量很高,為了保證瀝青混合料的拌和質(zhì)量,不得不采用加大引風(fēng)的方式去除部分粉塵。為了使攪拌設(shè)備適應(yīng)STRATA瀝青混合料的生產(chǎn)和保證穩(wěn)定的生產(chǎn)質(zhì)量,需對(duì)攪拌設(shè)備的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行合理的設(shè)置。
由于STRATA應(yīng)力吸收層混合料中的細(xì)集料較多,所以拌和時(shí)間與一般瀝青混合料相比要長(zhǎng)10~15 s,其拌和時(shí)間為65~70 s。混合料要拌和均勻,色彩一致,無(wú)離析。同時(shí)應(yīng)力吸收層混合料對(duì)加熱溫度以及溫控精度有很高的要求,若出料溫度偏低,攤鋪到路面上,溫降很快,往往難于達(dá)到碾壓要求,空隙率則偏大;出料溫度太高,則可能由于瀝青老化嚴(yán)重影響混合料質(zhì)量。因此,出料溫度盡量控制在允許出料溫度的上限附近,溫度波動(dòng)控制在±2.5^oc以內(nèi)。再者,原材料含有較多的小于0.075mm的粉塵,需要依靠攪拌設(shè)備的除塵系統(tǒng)進(jìn)行凈化,應(yīng)將引風(fēng)設(shè)備調(diào)整到合適的狀態(tài),并且保持穩(wěn)定,以避免造成除塵不穩(wěn)定,影響混合料的級(jí)配組成,同時(shí)避免除塵系統(tǒng)溫度過(guò)低或過(guò)高。
4.2 STRATA應(yīng)力吸收層的鋪筑
為了保證瀝青砼加鋪層與舊水泥砼板的良好粘結(jié),在找平層鋪筑之前,應(yīng)灑布一定的粘層瀝青。粘層瀝青采用乳化瀝青,用量控制在0.3~3.5kg/m²。應(yīng)力吸收層的平均厚度為20 mm,允許誤差為&5 mm,采用等厚攤鋪式施工。施工時(shí)要注意對(duì)溫度的控制。
(1)碾壓溫度的控制。為保證應(yīng)力吸收層的壓實(shí)度,最佳卸車溫度和碾壓溫度分別為160~175#和155~165#。應(yīng)力吸收層混合料薄層溫降很快,經(jīng)驗(yàn)表明:環(huán)境溫度為34#時(shí)有效碾壓時(shí)間為10min(終壓溫度120#),環(huán)境溫度為26#時(shí)有效碾壓時(shí)間6 min。因此,壓路機(jī)需緊跟攤鋪機(jī)后30 m內(nèi)實(shí)施短距離碾壓。在碾壓過(guò)程中,由于STRATA應(yīng)力吸收層混合料的施工溫度較高,水泥砼板面不夠干燥時(shí),碾壓密實(shí)后可能形成水蒸汽不易釋放,會(huì)產(chǎn)生氣泡。產(chǎn)生氣泡后必須有專人將氣泡刺破,將氣體釋放后壓實(shí)即可。
(2)攤鋪和碾壓設(shè)備參數(shù)選擇。由于應(yīng)力吸收層含油量較高,鋪層又薄(2.0 cm&0.5 cm),為保證其初壓實(shí)效果,攤鋪機(jī)振動(dòng)參數(shù)的選擇非常重要。經(jīng)驗(yàn)表明:應(yīng)力吸收層施工時(shí),攤鋪機(jī)振動(dòng)熨平板和攤鋪機(jī)夯錘的頻率、振幅不同于加鋪層其他瀝青混合料,而且只有10~16 t靜態(tài)鋼輪壓路機(jī)可以用于壓實(shí)應(yīng)力吸收層混合料。在碾壓時(shí)宜采用靜壓法緊跟攤鋪機(jī)碾壓(一般3臺(tái)),不宜用膠輪壓路機(jī),以免路面泛油或振壞。
(3)壓實(shí)度控制。應(yīng)力吸收層混合料經(jīng)過(guò)5~6次碾壓能夠達(dá)到常規(guī)的密度,壓實(shí)密度為最大理論密度的97%±2%;壓實(shí)完成后鋪層孔隙率應(yīng)控制在1%~5%;最后一遍壓實(shí)后,路面結(jié)構(gòu)緊密。
5結(jié)論
(1)瀝青砼應(yīng)力吸收層能很好地消散舊水泥砼接縫處的應(yīng)力集中現(xiàn)象,可有效防治溫度及荷載引起的反射裂縫;在力學(xué)機(jī)理和減小加鋪層厚度方面比當(dāng)前應(yīng)用較廣泛的土工合成材料夾層更具優(yōu)勢(shì)。
(2)ST RAT A應(yīng)力吸收層對(duì)材料、配合比及施工工藝方面的要求嚴(yán)格,需要根據(jù)應(yīng)力吸收層的材料特點(diǎn)、級(jí)配特征制定相應(yīng)的施工工藝,合理選擇和設(shè)置拌和設(shè)備、攤鋪設(shè)備、碾壓設(shè)備的工作參數(shù)及混合料生產(chǎn)時(shí)振動(dòng)篩篩孔,合理掌握拌和時(shí)間和溫度及攤鋪、碾壓溫度的有效時(shí)間。
(3)鑒于我國(guó)道路工程即將進(jìn)入改造維修高峰期,雖然應(yīng)力吸收層在國(guó)內(nèi)道路改造的應(yīng)用已有相當(dāng)多的實(shí)體工程,但對(duì)于應(yīng)力吸收層結(jié)合料及混合料施工工藝控制的關(guān)鍵技術(shù)的系統(tǒng)研究還較欠缺。今后應(yīng)在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上,通過(guò)試驗(yàn)路和實(shí)體工程的實(shí)踐,探索應(yīng)力吸收層新材料的應(yīng)用,并對(duì)應(yīng)力吸收層瀝青混合料設(shè)計(jì)、施工控制進(jìn)行系統(tǒng)研究,形成相應(yīng)的施工工藝和有效的質(zhì)量控制方法。
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