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【摘要】刚柔复合式路面通常指的是水泥混凝土路面加铺沥青面层后形成的复合式路面,广义上讲,凡是面层结构材料的模量相差特别大,明显呈现“一刚一柔”相结合的特点的路面都可以称为刚柔性路面。由于材料差异较大,刚柔性路面有着许多不同于一般路面结构的行为特点,本文将对刚柔复合式路面结构的特点进行全面深入的分析。
【关键词】刚柔复合路面;界面层;抗剪强度;拉拔试验;剪切试验
Characteristics and Common Diseases Analysis on Rigid Composite Pavement Structure
Huang Jian-sheng,Yi Wen-wei
(Yueyang city Road and Bridge Infrastructure CorporationYueyangHunan414000)
【Abstract】Rigid Composite Pavement usually refers to the Cement Concrete Pavement Asphalt Surface compound formed after the road surface, in broad terms, any surface layer structure modulus of the material difference particularly clearly presented “a just a supple” combining the characteristics of the road can be called a rigid flexible pavement. As the materials are quite different there are many rigid-flexible nature of the road pavement structure is different from the normal behavior, this article will be rigid-flexible composite pavement structure is characterized by a comprehensive in-depth analysis.
【Key words】Rigid-flexible composite pavements; Interface layer; Shear strength; Pull-out test; Shear test
1. 概述
水泥混凝土路面加铺沥青面层形成了一种刚柔性的复合式路面结构,它不仅具有沥青路面行车舒适和噪音小的特点,还具有水泥路面强度高、承载能力大和稳定性好的特点。刚柔复合式路面主要问题集中在两个方面:一是刚柔性界面的处理技术。包括:(1)界面处理材料的选择;(2)水泥混凝土板的处理;(3)界面处治的施工工艺;二是反射裂缝的防治问题。旧水泥路面原有的接缝及在使用过程中产生的裂缝很容易反射到沥青面层。
2. 刚柔复合式路面的特点
2.1结构组成特点。
刚柔复合式路面绝大部分都是在水泥混凝土路面上加铺沥青面层之后形成的,其特点是路面整体刚度大,稳定性好,行驶舒适性好。路面结构组成为:基层+水泥混凝土板+界面层+沥青面层。沥青加铺层厚度较大时,通常分两层摊铺,层间洒乳化沥青粘层油以加强粘结,两层混合料的级配可以相同也可以不同。界面层的材料通常采用的是改性沥青,厚度只有几个毫米,主要起到粘结和防水作用。界面层材料模量小,具有高粘度,弹性恢复性能好,能够很好的吸收水泥混凝土板由于形变而产生的应力,能够有效的抑制反射裂缝的传播。
刚柔性路面最大的特点是组成面层结构的材料的模量不一样,刚度相差很大。水泥混凝土板具有强度高、刚度大、温度敏感性小,材料模量相对比较稳定,属脆性材料。沥青面层材料模量小,温度敏感性大,材料模量随温度变化,呈现明显的黏-弹-塑性。正是由于材料模量的差异较大,从而导致刚柔性路面在车辆荷载及温度应力作用下,呈现明显的变形不协调性。因此,较一般沥青路面而言,刚柔性沥青路面更容易出现车辙和开裂。
2.2力学行为特点。
路面结构的组成和各组成材料的力学性质决定了路面的力学行为特点。刚柔性路面的面层材料由刚性的水泥混凝土板和柔性的沥青混合料组成,其受力呈现以下几个方面的特点:(1)当面层沥青混合料厚度较小时,路面呈现出刚性路面特点,水泥混凝土板承受较大的竖向应力和水平应力。此时的沥青面层主要是起到改善路面行驶的舒适性,减小行驶噪音等功能性作用。(2)当沥青面层较厚时,此时沥青面层具有明显的抗剪效应,也就是说,沥青面层承受了主要的水平应力。同时,对竖向应力也起到了很好的扩散作用。(3)在刚柔性路面结构中,无论面层沥青混合料厚度如何,刚柔性界面层所受到的剪应力都是不能忽视的。另一方面,由于界面层处在刚柔过度的特殊位置,存在许多的不利的受力环境。例如,在水泥混凝土板的接缝处会出现剪应力集中;由于板面存在尖角,也容易出现应力集中现象。界面层局部应力集中加速了界面层的破坏。(4)除厚度外,面层混合料模量对结构的受力也有较大影响。沥青混合料的级配、沥青的劲度等直接影响其扩散荷载的能力。
3. 刚柔复合式路面损坏模式及原因分析
3.1损坏模式。
大量的工程实践表明,刚柔性路面的损坏形式主要有以下三种:(1)开裂;(2)车辙;(3)水损坏。刚柔性路面的开裂主要是反射裂缝,通常出现在旧水泥混凝土路面的接缝处。通过对裂缝处钻芯取样,可明显看到反射裂缝由下向上发展的痕迹。刚柔性路面的车辙同一般的柔性基层或半刚性基层沥青路面有所不同,刚柔性路面的车辙仅发生在沥青面层,其下部的水泥混凝土板是不会发生永久性的变形。由于材料模量差异较大,沥青面层又较薄,容易出现推移和沥青面层剥离等现象。刚柔性路面的水损坏主要表现为表面沥青面层的松散、坑槽,严重时可产生唧泥。
3.2损坏原因。
首先,从设计方面来看,没有对刚柔复合式路面的实际受力情况进行深入细致的分析,没有建立合理有效的刚柔复合式路面的力学分析模型,导致设计出来的沥青面层厚度不合理。刚柔界面的处理也缺乏相关理论作为指导,界面处理方式简单粗糙,防水粘结材料的选择不严格,导致界面层无法起到应有的作用,严重影响了刚柔性路面的使用寿命。此外,对加铺层沥青混合料的组成设计方面也缺乏研究,常采用与普通沥青路面相同的矿料级配和相同品质的沥青,没有从刚柔性路面的实际使用状况出发考虑沥青面层材料的设计问题。其次,在材料方面,目前还有待开发高性能的改性沥青和其它品种的材料,使其能够更好的适应刚柔界面极其苛刻的受力环境。对于面层沥青混合料而言,由于其厚度一般较小,通常只有普通沥青路面面层厚度的三分之一,因此,对其抗疲劳开裂性能,耐久性等要求就更高。因此,重点研究用于刚柔性路面界面层和面层的混合料材料具有重要的实用价值。
4. 反射裂缝的形成机理及防治措施
反射裂缝是由于旧面层接缝或裂缝附近的位移引起接缝或裂缝上方沥青加铺层内出现应力集中造成的。可以这么说,反射裂缝是一种“继生裂缝”,它是在原有裂缝的作用及影响下形成和发展的。旧水泥混凝土板在接缝处的位移包括由温度变化引起的水平方向的伸缩位移和由荷载作用下产生的竖向剪切位移。由于沥青层与板之间的粘结作用,导致沥青层内出现竖向剪切应力和水平向的拉应力。当此应力超过沥青混合料的抗拉强度,沥青层就会开裂。由于各地区的温度状况不同,各路段的交通条件和路面结构状况也不同,反射裂缝可能主要由于温度作用产生,也可能主要由于荷载作用产生,或者由二者共同作用产生。
对于反射裂缝的防治,主要有以下几种:(1)锯切横缝,在加铺的沥青层上锯切新的横缝,从而释放沥青层内过大的拉应力。(2)加铺厚的沥青层,虽然厚的沥青层对于延缓反射裂缝的发展能起到一定的作用,但是从经济上考虑是不可取的,且过厚的沥青层会带来其他的问题,如车辙可能会因此变得严重。(3)将水泥混凝土板碎石化。将板彻底破碎到规定尺寸范围,形成柔性基层,然后再加铺沥青面层,事实证明这样做能很好的控制反射裂缝问题,因为它避免了沥青层中可能出现的应力集中现象。但是,这样处理对环境影响较大,且破碎过程中对原有路基的强度和稳定性会造成很大的伤害,同时,有学者认为,这样做是一种很浪费的行为,因为,它没有充分利用原有路面的强度,而是毁坏了这种强度。(4)加铺夹层。通过对刚柔性界面的处理,设计厚度几毫米的夹层,能够有效的控制反射裂缝的传播。目前,这种办法被认为是最有效也是最经济的解决刚柔性路面反射裂缝的办法。
5. 车辙和推移的形成机理及防治措施
车辙和推移是发生在沥青面层的永久性变形。车辙表现为在轮迹处沥青层的凹陷,产生这种变形主要有几种可能。一是由于面层沥青混合料压实度不够,导致后期在车辆荷载的作用下,混合料被进一步压密所致,由此产生的车辙也叫“再压密型”车辙。还有就是由于沥青混合料的高温稳定性不足,导致在高温季节,在车辆荷载的作用下,沥青混合料出现侧向的剪切流动,形成车辙。除此之外,还有可能是由于面层混合料被磨耗而形成的车辙。推移主要是由于沥青混合料的高温稳定性不足,在车辆荷载水平力的作用下,发生推移。对于刚柔性路面而言,由于面层沥青混合料的厚度一般较小,且多数采用的是高粘度的改性沥青,沥青混合料的高温稳定性较好。因次,刚柔复合式路面的车辙并不是十分突出的问题。推移现象倒是常见,这主要是由于刚柔界面的抗剪及粘结强度不够所致。由于,水泥混凝土板刚度大,沥青层模量小且厚度薄,在车辆荷载水平力的作用很容易出现界面层的剥离,从而导致面层出现推移和拥包现象。
对于刚柔性路面出现的车辙和推移病害,主要的处治措施是两个方面,一方面提高沥青面层混合料的高温稳定性和强度,采用高性能的改性沥青作为粘结料。另一方面,重点加强刚柔界面的粘结处理,提高其抗剪强度和粘结强度。使沥青层与水泥混凝土板更好的粘结在一起,提高整体受力性能。
6. 水损坏的发生与防治
水损坏是一个带有普遍性的话题,在此不做详细分析。刚柔性路面的水损坏的发生主要还是由于面层沥青混合料的设计空隙率不合理所致。笔者认为,由于刚柔性路面的沥青面层较普通沥青路面的面层厚度要小,通常只有4cm-8cm。因此,水更容易从混合料空隙渗入。因此,建议用于水泥路面加铺层的沥青混合料设计空隙率要么小,直接做成不透水性沥青混凝土,或者干脆做大,直接做成透水性沥青面层,但是,修筑透水性路面必须做好刚柔界面的防水及排水措施,对此可参照透水路面的设计方法。此外,加强刚柔界面的粘结与防水处理,对于提高刚柔性路面的抗水损坏能力也是大有帮助的。对于面层沥青混合料的设计,应该考虑集料沥青的黏附性,尽量减小发生水损坏的可能性。
[文章编号]1006-7619(2009)09-22-893
[作者简介]黄建胜(1975.1- ),男,汉族,工程师。
【关键词】刚柔复合路面;界面层;抗剪强度;拉拔试验;剪切试验
Characteristics and Common Diseases Analysis on Rigid Composite Pavement Structure
Huang Jian-sheng,Yi Wen-wei
(Yueyang city Road and Bridge Infrastructure CorporationYueyangHunan414000)
【Abstract】Rigid Composite Pavement usually refers to the Cement Concrete Pavement Asphalt Surface compound formed after the road surface, in broad terms, any surface layer structure modulus of the material difference particularly clearly presented “a just a supple” combining the characteristics of the road can be called a rigid flexible pavement. As the materials are quite different there are many rigid-flexible nature of the road pavement structure is different from the normal behavior, this article will be rigid-flexible composite pavement structure is characterized by a comprehensive in-depth analysis.
【Key words】Rigid-flexible composite pavements; Interface layer; Shear strength; Pull-out test; Shear test
1. 概述
水泥混凝土路面加铺沥青面层形成了一种刚柔性的复合式路面结构,它不仅具有沥青路面行车舒适和噪音小的特点,还具有水泥路面强度高、承载能力大和稳定性好的特点。刚柔复合式路面主要问题集中在两个方面:一是刚柔性界面的处理技术。包括:(1)界面处理材料的选择;(2)水泥混凝土板的处理;(3)界面处治的施工工艺;二是反射裂缝的防治问题。旧水泥路面原有的接缝及在使用过程中产生的裂缝很容易反射到沥青面层。
2. 刚柔复合式路面的特点
2.1结构组成特点。
刚柔复合式路面绝大部分都是在水泥混凝土路面上加铺沥青面层之后形成的,其特点是路面整体刚度大,稳定性好,行驶舒适性好。路面结构组成为:基层+水泥混凝土板+界面层+沥青面层。沥青加铺层厚度较大时,通常分两层摊铺,层间洒乳化沥青粘层油以加强粘结,两层混合料的级配可以相同也可以不同。界面层的材料通常采用的是改性沥青,厚度只有几个毫米,主要起到粘结和防水作用。界面层材料模量小,具有高粘度,弹性恢复性能好,能够很好的吸收水泥混凝土板由于形变而产生的应力,能够有效的抑制反射裂缝的传播。
刚柔性路面最大的特点是组成面层结构的材料的模量不一样,刚度相差很大。水泥混凝土板具有强度高、刚度大、温度敏感性小,材料模量相对比较稳定,属脆性材料。沥青面层材料模量小,温度敏感性大,材料模量随温度变化,呈现明显的黏-弹-塑性。正是由于材料模量的差异较大,从而导致刚柔性路面在车辆荷载及温度应力作用下,呈现明显的变形不协调性。因此,较一般沥青路面而言,刚柔性沥青路面更容易出现车辙和开裂。
2.2力学行为特点。
路面结构的组成和各组成材料的力学性质决定了路面的力学行为特点。刚柔性路面的面层材料由刚性的水泥混凝土板和柔性的沥青混合料组成,其受力呈现以下几个方面的特点:(1)当面层沥青混合料厚度较小时,路面呈现出刚性路面特点,水泥混凝土板承受较大的竖向应力和水平应力。此时的沥青面层主要是起到改善路面行驶的舒适性,减小行驶噪音等功能性作用。(2)当沥青面层较厚时,此时沥青面层具有明显的抗剪效应,也就是说,沥青面层承受了主要的水平应力。同时,对竖向应力也起到了很好的扩散作用。(3)在刚柔性路面结构中,无论面层沥青混合料厚度如何,刚柔性界面层所受到的剪应力都是不能忽视的。另一方面,由于界面层处在刚柔过度的特殊位置,存在许多的不利的受力环境。例如,在水泥混凝土板的接缝处会出现剪应力集中;由于板面存在尖角,也容易出现应力集中现象。界面层局部应力集中加速了界面层的破坏。(4)除厚度外,面层混合料模量对结构的受力也有较大影响。沥青混合料的级配、沥青的劲度等直接影响其扩散荷载的能力。
3. 刚柔复合式路面损坏模式及原因分析
3.1损坏模式。
大量的工程实践表明,刚柔性路面的损坏形式主要有以下三种:(1)开裂;(2)车辙;(3)水损坏。刚柔性路面的开裂主要是反射裂缝,通常出现在旧水泥混凝土路面的接缝处。通过对裂缝处钻芯取样,可明显看到反射裂缝由下向上发展的痕迹。刚柔性路面的车辙同一般的柔性基层或半刚性基层沥青路面有所不同,刚柔性路面的车辙仅发生在沥青面层,其下部的水泥混凝土板是不会发生永久性的变形。由于材料模量差异较大,沥青面层又较薄,容易出现推移和沥青面层剥离等现象。刚柔性路面的水损坏主要表现为表面沥青面层的松散、坑槽,严重时可产生唧泥。
3.2损坏原因。
首先,从设计方面来看,没有对刚柔复合式路面的实际受力情况进行深入细致的分析,没有建立合理有效的刚柔复合式路面的力学分析模型,导致设计出来的沥青面层厚度不合理。刚柔界面的处理也缺乏相关理论作为指导,界面处理方式简单粗糙,防水粘结材料的选择不严格,导致界面层无法起到应有的作用,严重影响了刚柔性路面的使用寿命。此外,对加铺层沥青混合料的组成设计方面也缺乏研究,常采用与普通沥青路面相同的矿料级配和相同品质的沥青,没有从刚柔性路面的实际使用状况出发考虑沥青面层材料的设计问题。其次,在材料方面,目前还有待开发高性能的改性沥青和其它品种的材料,使其能够更好的适应刚柔界面极其苛刻的受力环境。对于面层沥青混合料而言,由于其厚度一般较小,通常只有普通沥青路面面层厚度的三分之一,因此,对其抗疲劳开裂性能,耐久性等要求就更高。因此,重点研究用于刚柔性路面界面层和面层的混合料材料具有重要的实用价值。
4. 反射裂缝的形成机理及防治措施
反射裂缝是由于旧面层接缝或裂缝附近的位移引起接缝或裂缝上方沥青加铺层内出现应力集中造成的。可以这么说,反射裂缝是一种“继生裂缝”,它是在原有裂缝的作用及影响下形成和发展的。旧水泥混凝土板在接缝处的位移包括由温度变化引起的水平方向的伸缩位移和由荷载作用下产生的竖向剪切位移。由于沥青层与板之间的粘结作用,导致沥青层内出现竖向剪切应力和水平向的拉应力。当此应力超过沥青混合料的抗拉强度,沥青层就会开裂。由于各地区的温度状况不同,各路段的交通条件和路面结构状况也不同,反射裂缝可能主要由于温度作用产生,也可能主要由于荷载作用产生,或者由二者共同作用产生。
对于反射裂缝的防治,主要有以下几种:(1)锯切横缝,在加铺的沥青层上锯切新的横缝,从而释放沥青层内过大的拉应力。(2)加铺厚的沥青层,虽然厚的沥青层对于延缓反射裂缝的发展能起到一定的作用,但是从经济上考虑是不可取的,且过厚的沥青层会带来其他的问题,如车辙可能会因此变得严重。(3)将水泥混凝土板碎石化。将板彻底破碎到规定尺寸范围,形成柔性基层,然后再加铺沥青面层,事实证明这样做能很好的控制反射裂缝问题,因为它避免了沥青层中可能出现的应力集中现象。但是,这样处理对环境影响较大,且破碎过程中对原有路基的强度和稳定性会造成很大的伤害,同时,有学者认为,这样做是一种很浪费的行为,因为,它没有充分利用原有路面的强度,而是毁坏了这种强度。(4)加铺夹层。通过对刚柔性界面的处理,设计厚度几毫米的夹层,能够有效的控制反射裂缝的传播。目前,这种办法被认为是最有效也是最经济的解决刚柔性路面反射裂缝的办法。
5. 车辙和推移的形成机理及防治措施
车辙和推移是发生在沥青面层的永久性变形。车辙表现为在轮迹处沥青层的凹陷,产生这种变形主要有几种可能。一是由于面层沥青混合料压实度不够,导致后期在车辆荷载的作用下,混合料被进一步压密所致,由此产生的车辙也叫“再压密型”车辙。还有就是由于沥青混合料的高温稳定性不足,导致在高温季节,在车辆荷载的作用下,沥青混合料出现侧向的剪切流动,形成车辙。除此之外,还有可能是由于面层混合料被磨耗而形成的车辙。推移主要是由于沥青混合料的高温稳定性不足,在车辆荷载水平力的作用下,发生推移。对于刚柔性路面而言,由于面层沥青混合料的厚度一般较小,且多数采用的是高粘度的改性沥青,沥青混合料的高温稳定性较好。因次,刚柔复合式路面的车辙并不是十分突出的问题。推移现象倒是常见,这主要是由于刚柔界面的抗剪及粘结强度不够所致。由于,水泥混凝土板刚度大,沥青层模量小且厚度薄,在车辆荷载水平力的作用很容易出现界面层的剥离,从而导致面层出现推移和拥包现象。
对于刚柔性路面出现的车辙和推移病害,主要的处治措施是两个方面,一方面提高沥青面层混合料的高温稳定性和强度,采用高性能的改性沥青作为粘结料。另一方面,重点加强刚柔界面的粘结处理,提高其抗剪强度和粘结强度。使沥青层与水泥混凝土板更好的粘结在一起,提高整体受力性能。
6. 水损坏的发生与防治
水损坏是一个带有普遍性的话题,在此不做详细分析。刚柔性路面的水损坏的发生主要还是由于面层沥青混合料的设计空隙率不合理所致。笔者认为,由于刚柔性路面的沥青面层较普通沥青路面的面层厚度要小,通常只有4cm-8cm。因此,水更容易从混合料空隙渗入。因此,建议用于水泥路面加铺层的沥青混合料设计空隙率要么小,直接做成不透水性沥青混凝土,或者干脆做大,直接做成透水性沥青面层,但是,修筑透水性路面必须做好刚柔界面的防水及排水措施,对此可参照透水路面的设计方法。此外,加强刚柔界面的粘结与防水处理,对于提高刚柔性路面的抗水损坏能力也是大有帮助的。对于面层沥青混合料的设计,应该考虑集料沥青的黏附性,尽量减小发生水损坏的可能性。
[文章编号]1006-7619(2009)09-22-893
[作者简介]黄建胜(1975.1- ),男,汉族,工程师。