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半刚性基层沥青混凝土路面反射裂缝的防治
发布人: | 发布时间:2010-06-29 00:00:00 | 阅读量:7116次 | 来源:本站 |

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刘尚俊


【摘要】 半刚性基层是目前我国较为常用的一种路面基层类型,由于其自身抗变形能力差,容易产生裂缝,并反射道路其上的沥青面层。但是,立足于反射裂缝产生的机理,采用适当的防治措施可以延缓裂缝的产生,延长其使用寿命。
【关键词】 半刚性基层 沥青路面 反射裂缝 防治

1、前言
    最近10年,我国建设事业日新月异,作为基础设施建设的公路及城市道路更是如蛛网一般渐成网络。道路建设中,半刚性类材料以其优良的工程性能和显著的经济效益得到了广泛的应用,并越来越占有特殊的重要地位。然而,半刚性材料具有自身的缺点,如抗变形能力差,在温度、湿度变化时易产生裂缝。由于面层材料在设计时要求与基层有相当的结合力,因而通过两层接触面的应力传递,使基层裂缝反射传播至面层。同时,沥青路面本身也容易产生低温裂缝。所以,随着时间的推移,裂缝逐渐加大,如不及时处治,最终会导致路面结构性破坏,影响路面的整体使用功能。
    一般来说,增加路面层厚度可以加大基层裂缝向上反射的距离。可以减少反射裂缝。但是,彻底消除反射裂缝是不经济、不现实的,目前业界所采用的方法都只是尽量延缓并控制早期的反射裂缝的产生的时间,并在裂缝产生后延长其使用寿命,而不能消除开裂。基于此,本文根据反射裂缝产生的机理提出多种防治反射裂缝的方法。

2、反射裂缝形成机理
    如图所示,沥青混凝土面层反射裂缝形成的主要原因是基层水平、竖向超限位移产生的拉应力超过沥青混凝土面层的抗拉强度时,面层便会在原路面板接缝及板中裂缝处出现反射裂缝。其中以水平位移为主。

 

 

 

 

 

 

2.1垂直位移
    造成板缝两侧垂直位移的原因是交通荷载。在半刚性基层沥青路面设计合理、施工质量良好的条件下,单纯由荷载作用引起面层开裂的可能性不大。
2.2水平位移
    水平位移由温度变化引起。一年四季的温度变化造成水泥板的收缩与膨胀。一昼夜的冷热变化造成板的翘曲。这些变化都造成水泥板接缝处的水平位移。位移的大小与温度变化大小、水泥混凝土的线膨胀系数、缝的间距、基层与水泥板及水泥板与沥青加铺层之间的摩擦力大小有关。

3、防治方法
    主要从设计和施工两个方面进行防治。设计时应考虑在沥青层和半刚性基层之间设置应力吸收层,有效降低基层的反射裂缝。施工时也应考虑采取适当措施,减少施工后反射裂缝的产生。主要方法有:
3.1设置应力吸收层
    作为高、低模量之间的夹层,应力吸收层主要由以下一些材料组成:沥青砂、AC-10、SMA-10、SMA-5、Superpave-10、稀浆封层、改性乳化(橡胶)沥青,以及土工织物等等。
    在基层与沥青加铺层之间设置中间夹层,可以防治反射裂缝,并能起到防水排水及承上启下的粘结作用。夹层的种类很多,模量也相差较大,常用的有沥青或改性沥青混合料、乳化沥青及改性沥青石屑、改性沥青防水油毡和土工材料夹层等。高模量的夹层(如土工织物、土工网格或格栅),可以起到加筋稳定,这类材料要有较高的强度,同时要有较好的耐高温性能。低模量的夹层用在旧水泥混凝土路面与沥青加铺层之间,可以吸收或缓冲裂尖端的应力集中,对于抑制反身裂缝的产生和扩散肯有一定的效果。设置了一层能与上下层粘结的高塑性形变缓冲层时,由于夹层具有抗变形能力强,劲度模量低的特点,变形通过缓冲层传递至加铺层可以起到降低裂缝应力峰值的作用。
    应力吸收层应该有良好的柔韧性、粘结性和防水效果,其抗剪强度也应达到足够的要求。而对于应力吸收层(粘结层)抗剪能力计算,长安大学通过实验计算分析,综合考虑温度、垂直荷载、剪切速率等影响因素,获得对应于路面实际行车荷载作用下层间抗剪强度公式为:
τmax=kvC+σz tgφ
式中:kv为剪切速率修正系数,与实际设计车速有关;σz为垂直荷载,可近似取0.7MPa;C、φ分别为60℃时粘结材料的粘聚力和内摩擦角。
3.1.1稀浆封层
    稀浆封层是一种经济、快速、高效的路面处治技术,发源于上世纪40年代的德国,60年代后在欧美开始推广,80年代后在世界范围内大面积推广。稀浆封层技术是以级配的砂石材料为骨料,选用满足某种技术要求的乳化沥青材料作为结合料,加入适量的水、填料和必要的外加剂,在专用的稀浆封层机具内,在行驶中按比例配制成具有一定技术性能且达到某种功能的封层。由于该种稀浆混合料的稠度较稀,形态似浆状,铺筑厚度一般在3-10mm之间,故称稀浆封层。
    稀浆封层具有良好的粘结性、耐水性和防水性,可作为沥青路面的封层。作为下封层时,可显著提高路面的防水性能,延迟半刚性基层的反射裂缝、增强基层与沥青面层的粘结力。按粒料尺寸分类乳化沥青稀浆封层混合料按矿料级配尺寸可分为粗、中、细三种(即Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型),一般可用水泥、石灰粉、粉煤灰等小于0.074mm 粒径的粉料,也可采用掺和橡胶胶乳或高分子聚合物的改性乳液,以提高封层的强度和耐久性。
3.1.2土工织物

经编复合土工布             土工格栅
    沥青面层与基层之间放置土工织物可以有效的减少和防治沥青路面反射裂缝现象的发生,其防治路面反射裂缝作用的机理可归纳为三个方面:
1)隔离作用:土工织物间层可以将路面面层和基层隔离开,由于没有直接接触,所以基层裂缝不会直接反射到沥青面层。显然,面层与基层之间的结合力会因此降低,但是,可以通过(橡胶)沥青粘合材料将土工织物间层与面层连成一个整体,从而共同承担车辆荷载,以防止界面上下相对位移而保持连续。
2)缓冲作用:由于土工织物本身具有一定的强度和柔韧性,在基层裂缝拉应力的作用下,土工织物间层首当其冲,首先受力变形。当该变形超过其强度限制时,面层才开始承受由土工织物间层传递上来的拉应力。可见,土工织物间层起到了加筋和效能缓冲的作用,从而提供了路面结构层的抗拉强度,延缓了路面反射裂缝的产生。
3)隔水防渗作用
    通过使用(橡胶)沥青粘合料将土工织物的孔隙封闭,形成土工织物间层,可以起到防止沥青体系水向下渗透,延缓基层材料性质进一步恶化,从而延缓裂缝向上延伸。
    综上所述,土工织物用于沥青混凝土面层与基层之间可有效抑制基层裂缝向上传递,而要充分发挥土工织物的抗拉作用及吸能作用,关键是要保证土工织物与沥青面层之间有很好的附着力。另外,在铺设土工织物时,对其应加一定预拉力,以保证土工织物能与沥青混凝土面层共同工作,使沥青混凝土面层的抗拉能力得到加强。
3.1.3橡胶沥青
    橡胶沥青起源于上世纪60年代。我国早在上世纪80年代也在实验室里进行相关的实验。2003年才开始向国外学习与引进生产设备,全国第一条橡胶沥青试验路于2004年10月份在北京开铺,从此拉开了橡胶沥青在中国的应用序幕。经过近50年的发展应用证明,把橡胶沥青应用于道路工程中,可以在提高道路各种使用性能的同时大大降低建造成本与养护费用,降低行车噪音提高居民生活质量。同时,橡胶沥青生产可环保利用废旧轮胎,变废为宝,值得提倡。
    橡胶沥青一个较为重要的用途就是作为沥青路面应力吸收层,可以有效抵抗半刚性基层沥青路面的反射裂缝。在铣刨、填缝、整治、调平后的旧路面上铺装橡胶沥青应力吸收层(SAMI)是国际公认的抗反射裂缝最有效的解决方案,因为橡胶沥青利用较强的粘性,可有效解决加铺层与水泥路面的粘接问题,同时高用量的橡胶沥青与单一粒径的碎石强力粘结,形成约1cm厚弹性良好的防裂层(如下图),原路面的各种裂缝将难以穿透该橡胶沥青应力吸收层向上传播。在美国的设计规范中:1cm橡胶沥青应力吸收层的防反射裂缝能力相当于5cm普通重交沥青混合料。

 

 

(橡胶沥青应力吸收层SAMI示意图)
(橡胶沥青应力吸收层SAMI实拍图)
    所谓橡胶沥青应力吸收层(SAMI),是指将单一粒径的石料均匀的满铺在橡胶沥青层上,用胶轮压路机进行嵌挤碾压,橡胶沥青被挤压到石料高度的约3/4,石料嵌锁形成后将构成结构性支撑,这时所形成碎石封层模式的路面即为橡胶沥青应力吸收层。
    应力吸收层主要铺筑于半刚性基层与沥青路面之间或者水泥混凝土路面与沥青路面之间的,具有高变形能力的改性沥青层,它能够吸收裂缝部位的应力集中,防止沥青路面形成反射裂缝,同时起到防水与粘结作用。
应力吸收层的作用机理:
    由满布的粒料将面层可承受的荷载传递至基层;粒料间0.5~2mm厚、3/4粒料高的橡胶沥青承担基层变形;1/4高度的间隙承担夏季橡胶沥青的膨胀。橡胶沥青在沥青面层和基层之间形成了一层1cm左右厚度的高粘弹性的软介层,通过等粒径碎石的传递及橡胶沥青的粘结作用,将面层和基层联结成为整体。
SDC10924    应力吸收层能把裂缝处基层位移引起的应变消散在夹层范围内,有效缓解基层裂缝处沥青面层底面的应力集中现象,起到遏制基层裂缝向面层扩展的作用;同时填充面层和基层的缝隙,防止水分下渗,起到封层的作用;橡胶沥青的高粘性,能够使面层牢固的吸附粘结在基层上,使路面形成统一的结构整体,共同发挥作用。
    橡胶沥青应力吸收层SAMI由单一粒径的集料和橡胶沥青组成,采用洒布施工。其中沥青用量较高,是利用橡胶沥青较强的柔韧性和抗疲劳性能好的优点来解决沥青路面反射裂缝问题。国外研究表明,SAMI应力吸收层对减缓反射裂缝的产生与扩展有明显的效果,可使裂缝处相对位移产生的应力传到面层时大为减少,可明显地减弱裂缝尖端应力的奇异性,降低应力强度因子,从而达到延缓反射裂缝产生的目的。
3.1.4聚酯玻纤布和玻纤格栅
3.1.4.1聚酯玻纤布

    聚酯玻纤布是美国欧文斯科宁公司(Owens Corning)生产的全新玻纤复合防裂材料,是由60%玻璃纤维和40%聚酯纤维组成的一种复合土工合成材料。这种独特的组合为Trupave提供了玻璃纤维的强度和聚酯纤维的柔韧性,却没有原材料的缺点。聚酯玻纤布(Fiberglass- Polyester Paving Mat)是继土工布、土工格栅、条带聚合物之后发展起来的一种新型复合土工合成材料,与沥青混合料有良好的相容性。
    工程实践表明,玻纤格栅没有防水功能,其网格能与沥青混合料形成嵌挤作用,但使用中难以固定,易于膨胀而不服贴,影响沥青混合料的正常摊铺和其加筋作用;土工布能防止水下渗,但是土工布在热沥青混合料摊铺温度超过160℃时,其强度和抗蠕变性能较差而无法发挥加筋抗裂效果;而Trupave聚酯玻纤布克服了这两者的缺点。它能有效处理路面裂缝以及桥面和路面水损坏。
    聚酯玻纤布与其它土工织物相比,具有如下特点:
    1)具有很低的延伸率和较高的抗拉强度,没有长期蠕变性。可有效清除路面结合处或裂缝处的应力集中,降低裂缝在路面中的扩展和向上反射,延缓了反射裂缝的产生,延长道路使用寿命,极大降低道路养护成本。
    2)相容性和高温稳定性好。与沥青和沥青混合料具有良好的相容性,Trupave聚酯玻纤布的熔点在230℃以上,在230℃时其物理化学特性稳定。所以,在170℃热铺沥青混凝土下稳定性不受任何影响,可经受改性沥青混合料的高温施工;
    3)化学稳定性好。经过特殊处理后的Trupave聚酯玻纤布能防止各类化学侵蚀,抵制生物侵蚀和气候变化。
    4)Trupave聚酯玻纤布与热沥青粘层油形成防水层,即使面层出现裂缝,也能有效防止表面水下渗,保证基层材料免于水损坏。
    5)可以粉碎和再生使用。铣刨时,会被粉碎成非常小的纤维而增进再生料(RAP)的性能。
聚酯玻纤布不仅可以应用于半刚性基层收缩裂缝的修补,还适合新建及道路拓宽改造、旧水泥混凝土路面加铺沥青面层、沥青路面面层裂缝的修补、旧沥青道路维修,以及为机场跑道、桥梁、运动场、高尔夫球车道等提供加强层。
3.1.4.2破纤格栅

    玻璃纤维土工格栅(玻纤格栅)以玻璃纤维为主要原料,采用一定的编织工艺制成的网状结构材料,为保护玻璃纤维、提高整体使用性能,经过特殊的涂复处理工艺而形成新型优良的土工材料。玻璃纤维具有很高的耐热性和优异的耐寒性,强度大、模量高、化学稳定性好、耐腐蚀、膨胀系数低、尺寸稳定性好等特点。经表面改性并涂覆处理后,改变了玻璃纤维的表面性能,提高了其同沥青的复合性能,极大提高了该基材的耐磨性能及抗剪切能力。
    由于玻璃纤维土工格栅对沥青罩面层的加筋作用,因而可以在有效控制反射裂缝的前提下,减小沥青罩面层的厚度(与不加铺玻纤土工格栅相比),降低造价,从而取得较好的经济效益。

4、施工控制
    除了在设计时考虑多种措施防治反射裂缝外,在施工阶段也应加强控制,以进一步减少反射裂缝的发生。主要措施有以下三个方面:
4.1减少温缩
    在施工过程中,当沥青面层较厚时,对半刚性基层有很好的隔温保护作用,能够明显降低半刚性基层顶面所受负温的绝对值,也可明显减少半刚性基层顶面的温度变化,从而可减少半刚性基层产生温缩裂缝。在昼夜温差较大的季节,水泥稳定层完成后应采用覆盖养生,以保持温度变化不致太大,防止稳定层由温差引起的开裂。
    当材料所处的环境温度变化条件一定时,应减小混合料中土的含量,尽量采用水泥稳定砂砾掺碎石或水泥稳定级配碎石作路面上基层,同时采取有效的路面排水措施,使基层处于较低含水量状态。
4.2减少干缩
    干缩的预防在基层碾压完成后要及时进行养生,使混合料的含水量不受损失,决不能让基层暴晒变干裂。养生结束后,应立即喷撒稀释的高粘度沥青,做成透层或封层,在其上撒布3mm~8mm 的石屑。透层具有一定的保温保湿作用,但如果时间稍长,半刚性基层混合料中的水分也会损失,并产生干缩裂缝,在温差大时也可能产生温缩裂缝,因此做完透层或封层后要尽快铺筑沥青面层。
    在碾压过程中,严格控制含水量。基层碾压成型后,要及时养生,保持基层表面含水量不受损失,更不能使其曝晒干裂。对水泥稳定类基层尽可能采用草袋覆盖养生7d~14d。养生结束后,应立即喷洒沥青下封层,并尽早铺筑沥青路面。
4.3减少干缩
    通过实地调查并分析裂缝的分布情况表明,由于施工过程中原材料质量的波动、粗细集料比例的变化等等原因,将影响混合料的均匀性。其主要影响因素有:
    (1)水泥稳定性差,摊铺材料水泥剂量不稳定。水泥剂量不稳定会导致半刚性水泥稳定层强度高低不一,使开裂的机率大大增加。如上基层试验配合比的水泥含量为5%,施工配合比按水泥含量为5.15%控制,但是,由于水泥罐的水泥输出波动,使瞬时或时段内水泥输出超量。
   (2)集料(碎石、石屑、砂)含泥量及有机物质含量超标。水泥稳定层中的水泥与骨料的界面粘结不良,往往是产生初期开裂的薄弱部位。集料的含泥量和有机物含量超过规范要求,必然造成界面缺陷,容易开裂。

四、总结
    半刚性基层沥青路面的反射裂缝是不可避免的,也是无法完全消除的,但是,只要立足其反射裂缝形成机理,就能从源头上采取措施减少其发生的机会。设计时提出适合当地实际情况的处治措施,施工时严把配料和施工工艺关,通过两个方面的结合,就能将裂缝发生的时机延后,并能减少裂缝的发生数量和规模,从而延长道路使用寿命,并减少后期维修费用。

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