摘要:介紹了舊水泥混凝土路面加鋪瀝青層防止反射裂縫的常用方法。分析了各種方法的機(jī)理和注意事項(xiàng)。
關(guān)鍵詞:水泥混凝土 路面瀝青 加鋪層 反射 裂縫
中圖分類(lèi)號(hào):U416.216 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
反射裂縫是瀝青加鋪層最主要的病害之一, 控制反射裂縫已成為舊水泥混凝土路面加鋪層設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。目前國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者及工程技術(shù)人員針對(duì)反射裂縫的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了大量的研究, 取得了一定的成果, 許多成果已應(yīng)用于工程實(shí)際。以下對(duì)舊水泥混凝土路面做瀝青加鋪層的常用方法進(jìn)行介紹和分析。
1 增加瀝青加鋪層厚度
增加瀝青加鋪層的厚度, 是減少反射裂縫最常見(jiàn)也是一種行之有效的方法。隨著瀝青加鋪層厚度的增加, 裂縫尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子逐漸減小。增加瀝青加鋪層的厚度, 一方面可以減少舊路面結(jié)構(gòu)的溫度變化, 降低接縫處瀝青加鋪層的溫度拉( 彎拉) 應(yīng)力, 另一方面可以增加路面結(jié)構(gòu)的彎曲剛度, 降低接縫處的彎沉及彎沉差, 減少加鋪層的剪切應(yīng)力。同時(shí), 對(duì)于較厚的加鋪層來(lái)說(shuō), 裂縫由加鋪層底面擴(kuò)展到頂面需要經(jīng)歷較長(zhǎng)的距離與時(shí)間, 也即可以延長(zhǎng)其使用壽命。
由有限元計(jì)算結(jié)果可知, 水泥混凝土板接縫處瀝青加鋪層底的車(chē)輛荷載應(yīng)力及溫度應(yīng)力均隨加鋪層厚度的增加而減小, 且接縫處的應(yīng)力集中現(xiàn)象逐漸趨于平緩。當(dāng)加鋪層厚度從6 cm 增加到22 cm時(shí), 車(chē)輛荷載的最大主應(yīng)力σ1、等效應(yīng)力σe 及最大剪應(yīng)力τmax 分別減少79.0%、58.7%、58.8%, 加鋪層平均每增加1 cm 厚度( Ea=1 200MPa) , σ1、σe、τma x 可分別降低0.005MPa、0.064MPa 及0.036MPa。
此外, 接縫兩側(cè)彎沉及彎沉差隨著加鋪層厚度的增加也遞減較快, 平均每增加1 cm 厚的瀝青加鋪層可減小接縫兩側(cè)的彎沉差0.0007 mm, 即平均效果為3.4%/cm。
增加瀝青加鋪層的厚度對(duì)減小加鋪層底的溫度應(yīng)力作用更為明顯。在溫度荷載的作用下, 當(dāng)加鋪層厚度從6 cm 增加到22 cm 時(shí), 最大主應(yīng)力σ1、等效應(yīng)力σe 及最大剪應(yīng)力τma x 分別減少了85.4%、85.0%、84.6%, 即加鋪層平均每增加1 cm 厚度,σ1、σe、τma x 可分別降低0.318 MPa、0.275MPa 及0.152 MPa。
為防止或減緩加鋪層反射裂縫的出現(xiàn), 瀝青加鋪層應(yīng)保證一定的厚度, 一般應(yīng)不低于10 cm, 太薄的瀝青厚度勢(shì)必在短期內(nèi)即出現(xiàn)反射裂縫。當(dāng)然, 若不采取其他防止反射裂縫的措施, 僅僅通過(guò)無(wú)限制地增加加鋪層厚度的方法來(lái)減小車(chē)輛荷載應(yīng)力及溫度應(yīng)力的方法顯然是不經(jīng)濟(jì)的, 瀝青層的厚度太厚還易出現(xiàn)車(chē)轍。
2 設(shè)置土工合成材料夾層
土工合成材料夾層一般設(shè)置在瀝青加鋪層與舊水泥混凝土路面板之間, 常用的有土工布、土工格柵等, 土工合成材料的厚度較薄, 一般在2～5 mm之間, 土工織物的模量約為10～160 MPa, 土工格柵的模量約為900～2 500 MPa, 它們的特點(diǎn)是變形能力較強(qiáng), 在水平方向上可承受較大的拉應(yīng)力, 而在垂直方向上則剛度較小, 抗彎拉及抗剪切能力低, 其力學(xué)性能與薄膜類(lèi)似。
土工合成材料用于防止反射裂縫主要起到以下作用: ①隔離阻斷作用。將舊水泥混凝土路面接縫或裂縫與瀝青加鋪層隔離, 降低了混凝土板接縫或裂縫尖端的拉應(yīng)力集中, 使應(yīng)力強(qiáng)度因子減小, 從而延緩裂縫反射到路表; ②加筋作用。土工合成材料夾層具有一定的強(qiáng)度, 可承受一定的裂縫拉應(yīng)力, 提高了瀝青加鋪層的抗拉強(qiáng)度, 減少了裂縫張開(kāi)變形; ③具有傳荷能力。鋪筑于接縫上的土工合成材料, 可提高接縫處的傳荷能力, 當(dāng)荷載作用在接縫一側(cè)時(shí), 能將部分荷載傳遞至另一側(cè), 減小接縫的彎沉差, 降低了裂縫尖端的剪應(yīng)力集中。
由于土工合成材料模量較低, 且厚度較薄, 因此它們對(duì)減少由車(chē)輛荷載引起的垂直方向的剪應(yīng)力作用不大, 其主要作用體現(xiàn)在減小由溫度作用引起的水平應(yīng)力, 且由理論分析可知, 土工合成材料的模量越大, 其減小各種應(yīng)力的作用就越明顯, 因此從理論上來(lái)說(shuō), 土工格柵( 模量較大) 防止反射裂縫的能力要好于土工布( 模量較小) , 但它們防止反射裂縫的實(shí)際效果尚需要對(duì)試驗(yàn)路的長(zhǎng)期觀測(cè)驗(yàn)證。
3 設(shè)置應(yīng)力吸收夾層( SAMI)
國(guó)外也采用在舊水泥混凝土板及瀝青加鋪層之間設(shè)置一層橡膠瀝青、改性瀝青砂或柔軟瀝青混凝土這類(lèi)應(yīng)力吸收中間層( SAMI) 來(lái)防止反射裂縫,可以減少和延緩反射裂縫。應(yīng)力吸收層厚度一般為2～3 cm, 具有模量相對(duì)較小, 較柔軟, 變形能力較強(qiáng), 可承受較大的變形而不斷裂的特點(diǎn)。由于它們具有一定的厚度, 在路面結(jié)構(gòu)中能夠保持自身的性質(zhì), 在計(jì)算時(shí)可把這類(lèi)材料按各向同性線(xiàn)彈性材料考慮, 用三維空間單元模擬。它們防止反射裂縫的機(jī)理與土工合成材料類(lèi)似, 此外, 應(yīng)力吸收層還可防止路表開(kāi)裂后路表水的下滲。對(duì)于具有一定厚度的應(yīng)力吸收層, 它們抗剪切型反射裂縫的能力要稍好于土工合成材料一類(lèi)的薄膜型材料, 理論計(jì)算得知, 此類(lèi)應(yīng)力吸收層模量越大, 其防裂效果越差,所以為了防止瀝青加鋪層的反射裂縫, 宜選用模量低、抗剪切性能好、柔性大、變形能力強(qiáng)的材料作為應(yīng)力吸收層。
4 鋪筑級(jí)配碎石過(guò)渡層
級(jí)配碎石作為舊水泥混凝土板和瀝青加鋪層之間的過(guò)渡層在加拿大、南非等國(guó)家及我國(guó)的滬寧高速公路部分試驗(yàn)段已得到了應(yīng)用, 證明其防止反射裂縫的效果良好。
級(jí)配碎石過(guò)渡層之所以能夠有效防止和減緩舊水泥混凝土路面瀝青加鋪層的反射裂縫, 主要基于以下原因:
( 1) 級(jí)配碎石作為散粒結(jié)構(gòu)具有不傳遞拉應(yīng)力、拉應(yīng)變的能力, 且級(jí)配碎石過(guò)渡層本身處于三向受壓的特殊受力狀態(tài), 即水泥混凝土板接縫尖端的拉應(yīng)力不會(huì)在碎石層面形成應(yīng)力集中, 因而碎石基層吸收了接縫所釋放的應(yīng)變能, 從而達(dá)到止裂效果。也可以認(rèn)為級(jí)配碎石散粒結(jié)構(gòu)具有較大的塑性變形能力, 這種能力能充分吸收接縫釋放的應(yīng)變能, 從而阻礙了水泥混凝土板接縫向上延伸擴(kuò)展。對(duì)于張開(kāi)型裂縫( Ⅰ型) , 其擴(kuò)展的必要條件必須是裂紋尖端存在張開(kāi)的拉應(yīng)力。對(duì)于只有交通荷載作用下的碎石裂縫過(guò)渡層結(jié)構(gòu), 此時(shí)不論是裂縫尖端( 舊水泥混凝土板接縫) , 還是整個(gè)碎石基層均受壓應(yīng)力作用, 因此裂縫不存在擴(kuò)展的基本條件。交通荷載作用唯一可能出現(xiàn)的是車(chē)輛偏荷載作用產(chǎn)生的剪切型裂縫( Ⅱ型) , 然而對(duì)于舊水泥混凝土板接縫, 由于接縫兩側(cè)凹凸不平的嚙合作用使接縫具有一定的傳荷能力, 使得產(chǎn)生的Ⅱ型裂紋的可能性要小于Ⅰ型裂紋。
( 2) 級(jí)配碎石的隔離作用大大改善了舊水泥混凝土路面的溫度狀況。由于碎石過(guò)渡層較厚, 一般為10～15 cm, 級(jí)配碎石的加入使得舊水泥混凝土板遭受的溫度變化、溫度變化速率及溫度梯度大大降低, 水泥混凝土板的溫度收縮應(yīng)力及溫度翹曲應(yīng)力都大大減少了, 因而就減少了舊水泥混凝土板對(duì)瀝青加鋪層的影響。
( 3) 從理論上講, 可以認(rèn)為級(jí)配碎石收縮系數(shù)極小, 幾乎為零, 加上其本身并不傳遞應(yīng)力和位移, 因此它能消散、吸收單純由環(huán)境因素變化, 尤其是溫度驟降情況下裂紋尖端的應(yīng)力及應(yīng)變。
5 鋪筑特粗粒徑瀝青碎石裂縫緩解層
美國(guó)瀝青協(xié)會(huì)建議采用AM- 75、AM- 63 及AM- 50 特粗粒徑瀝青碎石鋪筑于舊水泥混凝土路面與瀝青加鋪層之間, 作為裂縫緩解層。瀝青( 針入度40～50) 的含量為1.5%～3.0%, 混合料含有25%～35%的連通孔隙, 阻礙裂縫尖端的擴(kuò)展, 因而可提供緩解裂縫擴(kuò)展的作用, 并且該結(jié)構(gòu)層具有一定的厚度, 降低溫度對(duì)水泥混凝土板的影響, 減少水泥混凝土板接縫張開(kāi)量和翹曲量, 并且減少接縫處的彎沉及彎沉差, 從而減少反射裂縫產(chǎn)生的可能性。
瀝青碎石混合料的集料由堅(jiān)硬、多棱角的碎石、軋制礫石或礦渣組成。美國(guó)瀝青協(xié)會(huì)建議的3種集料級(jí)配范圍見(jiàn)表1?；旌狭系陌韬蜏囟葹?3 ℃～121 ℃, 拌和時(shí)間不超過(guò)30 s。采用4 t～10 t 的鋼輪壓路機(jī), 碾壓1～3 遍。
2002 年在濟(jì)棗西線(xiàn)鋪筑了900 m 長(zhǎng)的AM- 40特粗粒徑裂縫緩解層試驗(yàn)路段。特粗粒徑瀝青碎石AM- 40 的級(jí)配范圍按表2選用。
瀝青碎石混合料的配合比設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和馬歇爾試驗(yàn)的結(jié)果, 經(jīng)過(guò)試拌試鋪論證確定。對(duì)瀝青碎石混合料壓實(shí)度的計(jì)算及確定方法可按《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》( JTJ032—94) 附錄F 中F.0.5 的規(guī)定執(zhí)行, 即對(duì)瀝青碎石可以將試驗(yàn)段鉆孔試驗(yàn)的平均密度作為標(biāo)準(zhǔn)密度, 且密度的測(cè)定方法應(yīng)與試驗(yàn)段鉆孔試件的測(cè)定方法相同。此種情況下, 試驗(yàn)段的鋪筑應(yīng)由監(jiān)理工程師與施工單位一起參加, 在溫度及采用的壓路機(jī)合理的情況下, 反復(fù)碾壓至無(wú)輪跡, 用核子密度儀定點(diǎn)檢查密度不再變化為止。然后取不少于15 個(gè)的鉆孔試件的平均密度作為壓實(shí)度計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)密度。
6 舊水泥混凝土板上半剛性基層預(yù)切縫并鋪筑土工合成材料
由于一些舊水泥混凝土路面的整體強(qiáng)度過(guò)低,必須先在其上鋪筑一層補(bǔ)強(qiáng)半剛性基層, 然后再加鋪瀝青面層。但從實(shí)際工程來(lái)看, 這種不采用其他防裂措施, 直接加鋪的方法并不好, 由于溫度應(yīng)力及基層干縮應(yīng)力的影響, 在舊水泥混凝土板接縫處的半剛性基層及瀝青面層仍不可避免的會(huì)出現(xiàn)反射裂縫, 因此可采用在半剛性補(bǔ)強(qiáng)基層頂面進(jìn)行預(yù)切縫再加鋪條狀土工合成材料的方法進(jìn)行處理。具體方法是在鋪筑瀝青加鋪層之前將舊水泥混凝土路面上的半剛性基層按一定間距( 10～15 m) 設(shè)置預(yù)切深5～8 cm 的縫, 并在接縫上鋪約1 m 寬的土工合成材料, 以減少加鋪層中的反射裂縫。
它的防裂機(jī)理主要是通過(guò)鋸縫釋放半剛性基層因溫度下降及水份散發(fā)收縮受阻而產(chǎn)生的拉應(yīng)力提供預(yù)定的不連續(xù)的斷面位置, 從而控制隨意裂縫的出現(xiàn), 同時(shí), 利用切縫上的土工合成材料在一定程度上緩解裂縫處瀝青應(yīng)力集中, 消除瀝青加鋪層反射裂縫的產(chǎn)生。
7 舊水泥混凝土板破碎穩(wěn)定
在舊水泥混凝土板結(jié)構(gòu)損壞較嚴(yán)重, 斷板率較高, 對(duì)損壞板進(jìn)行修復(fù)后再采用其它措施已不經(jīng)濟(jì)時(shí), 可以對(duì)舊水泥混凝土板進(jìn)行破碎和穩(wěn)定處理。由于破碎板塊尺寸減小, 溫度下降時(shí)的收縮位移大大降低, 從而也降低了加鋪層的拉應(yīng)力。同時(shí), 接縫和裂縫兩側(cè)板塊的彎沉量和彎沉差也隨板塊尺寸的減小而減小。但破碎板的穩(wěn)固是施工關(guān)鍵所在,若破碎板有松動(dòng)現(xiàn)象, 對(duì)其上的瀝青加鋪層也會(huì)帶來(lái)不利影響。
在計(jì)算路面應(yīng)力時(shí), 可將破碎的舊水泥混凝土路面板當(dāng)作底基層或基層, 用FWD 或貝克曼梁測(cè)定彎沉反算破碎板頂面的當(dāng)量抗壓模量, 也可采用承載板法直接測(cè)定破碎板頂面的當(dāng)量抗壓模量。舊水泥混凝土路面采用帶有改進(jìn)型樁靴的打樁機(jī)、安裝在拖拉機(jī)牽引的拖車(chē)上的落錘、截?cái)鄼C(jī)落錘或滑動(dòng)落錘來(lái)進(jìn)行破碎, 也可采用沖擊壓路機(jī)進(jìn)行破碎穩(wěn)固。舊水泥混凝土路面的破碎結(jié)果應(yīng)為邊長(zhǎng)為45～60 cm 大小的塊, 偶爾有一些75 cm 左右的塊也可以, 同時(shí), 大于60 cm 的塊不超過(guò)70%。碎塊并非一般意義上的明顯碎塊, 而是裂縫( 紋) 貫穿塊與塊之間形成嵌鎖結(jié)構(gòu)從而保全原路面具有的大部分結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。破碎型式應(yīng)既能減少板的過(guò)度位移( 垂直和水平) , 又能使板作為加鋪層的穩(wěn)定基礎(chǔ)使板保持足夠的結(jié)構(gòu)完整性。
水泥混凝土板在水平方向所受約束愈小, 破碎效果愈好, 故在施工中選定從路肩→行車(chē)道的順序進(jìn)行破碎。
混凝土路面經(jīng)過(guò)破碎以后, 應(yīng)將混凝土塊穩(wěn)固到基層上。穩(wěn)固塊的目的是各點(diǎn)均能與基層接觸,從而提高承載力。最常用的穩(wěn)固板的方法是用15 t輪胎壓路機(jī)碾壓5 次。壓路機(jī)的碾壓速度小于2.5 m/s。避免過(guò)度的碾壓, 以免影響破碎塊之間的嵌鎖效果。
參考文獻(xiàn)
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