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【摘 要】常用的反射裂缝处治措施,能有效的减少反射裂缝,常用的方法为:应力应变吸收层、改性沥青应力吸收层、土工合成材料夹层和级配碎石层。采取大粒径沥青混合料和纤维沥青混合料等加铺层材料,也是沥青路面反射裂缝处治的有效方法。
【关键词】道路工程;复合式路面;反射裂缝;处治措施
Discuss Treatment Measures of Asphalt Pavement Crack Reflection
Liu Xiao-yang, Wang De-wen
(Inner Mongolia Transport Construction and Management Consulting Co., Ltd. Hulunbeier Inner Mongolia 021008)
【Abstract】The commonly used reflective cracking Treatment measures can effectively reduce reflective cracking, commonly used methods are: stress and strain absorbing layer, modified asphalt stress absorbing layer, geosynthetic layer and layer of graded gravel. To take a LSAM and fiber asphalt overlay and other materials, is also reflective cracking of asphalt pavement Treatment in an effective manner.
【Key words】Road engineering; Composite Pavement; Reflective crack; Treatment measure
1. 研究概况
1.1 锯切横缝。在沥青面层上,对准水泥混凝土路面或水泥稳定类基层上的接缝位置锯切横缝,在横缝内填入封缝料,保持有效地密封,防止水或异物进入,有效防止了反射裂缝的产生。在多年的工程实践表明,这种方法对水泥混凝土板状况良好的路面结构,防治反射裂缝效果较好,而且要求对横缝有效地密封,否则还会引起其他病害。
1.2 加厚沥青面层。采用较厚的沥青面层,一方面可以增加路面结构的弯曲刚度,减少层内的弯曲应力和剪切应力;另一方面,裂缝从底面反射到顶面需要经历的距离变长,这样可以延长路面的使用寿命。国内外的一些代表性工程实践表明,采用较厚的沥青面层对延缓裂缝的反射有较好的作用,但采用这种方案的经济代价高。
1.3 铺设应力吸收层。通常采用橡胶沥青混合料的高弹性低劲度夹层,厚度为10~15mm,模量约为10~100MPa。其作用是改善沥青和水泥混凝土的层间结合状况,从而减少了由于温度引起的反射裂缝的产生,减少了应力集中现象。
1.4 铺设土工织物。采用聚乙烯、聚丙烯或紧张、聚脂无纺织物及玻璃纤维等,置于沥青层底,对沥青混凝土起着加强的作用,而且也是一种防水层。当水泥混凝土板接缝或水泥稳定类基层裂缝较宽且未填封时,如果没有足够的沥青渗入织物,织物是无法起到防水作用,所用粘层沥青必须能填充织物的孔隙。土工织物的物理力学性质,如抗腐蚀、耐热、抗拉强度、顶破与撕裂强度以及变形特性等也应满足路用性能的要求。从我国公路建设实践来 ,玻璃纤维织物防治反射裂缝的效果比较好。
1.5 铺设沥青碎石结构层。即粗开级配沥青碎石混合料结构层。该层可以作为沥青面层的下面层。在国外,沥青碎石层厚约90mm,全部为碎石材料,且混合料中含有25%~35%的连通孔隙。正是由于空隙率大,使得发生在水泥混凝土板或水泥稳定类基层上的接缝或裂缝处的垂直、水平相对位移通过该层时不能很快或减缓反射裂缝的发展速度。
国内外对反射裂缝进行了广泛而深入的研究,但由于反射裂缝的复杂性,对它的开裂机理、发展过程、处治措施等问题一直未能彻底解决。在工程实践中,沥青加铺层厚度明显影响反射裂缝的产生和发展。常用的措施有厚沥青加铺层、大孔隙沥青混凝土裂缝缓解层、橡胶沥青夹层等。在不同地区,不同气候条件下这些措施取得了一定效果,但是至今未能找到能完全防治反射裂缝产生的措施。
近年来,我们依托工程修筑了许多沥青路面结构。在工程中应用了土工织物、应力吸收层、增加沥青厚度等反射裂缝处治措施。这些研究分析了影响反射裂缝产生和发展的相关因素,通过室内试验和工程应用,提出了一套比较有效的反射裂缝处治措施,也积累了一些施工经验,现介绍如下供大家参考。
2. 反射裂缝处治措施
2.1 采用能减少反射裂缝的夹层。
研究和工程试验证明,修筑复合式路面时,在水泥混凝土板和沥青混凝土加铺层之间设置应力应变吸收层可以较好的防治反射裂缝产生和发展,常用的应力应变吸收层为应力吸收薄膜夹层、改性沥青胶砂应力吸收层和土工合成材料。
2.1.1 应力吸收薄膜夹层。
应力吸收薄膜夹层材料的特点是模量小,比较柔软,变性能力很强,即使在较大的变性下仍然不会开裂。在旧水泥混凝土路面上设置低模量的应力吸收薄膜夹层,可以将水泥板接缝处产生的相对位移在这层消耗掉,消弱了裂缝向加铺层上的反射。
应力吸收薄膜夹层施工时首先喷洒一层橡胶沥青或改性沥青,然后撤布单一粒径的集料,用胶轮压路机碾压,将集料压入到沥青中。此时,沥青膜的厚度约为5mm左右。在其上铺筑热拌沥青混合料的时候,集料又会嵌挤到沥青层中,最后会形成1cm左右的应力吸收薄膜夹层。施工简单方便,主要是对施工喷洒设备的要求比较高,要能够在高温下喷洒出高粘度的橡胶沥青或改性沥青。
2.1.2 改性沥青胶砂应力吸收层。
改性沥青胶砂应力吸收层是一种不渗透的、高温性能很强的沥青混合料。它的主要作用是吸收原路面上可能出现的裂缝、阻止雨水浸入到现有路面,确保磨耗层与原来路面的粘结,从而延长道路的使用寿命。
改性沥青胶砂应力吸收层是由SBS改性沥青、纤维稳定剂、矿料及少量细集料组成的沥青码碲脂间断级配的粗骨料间断级配的沥青混合料。它的基本的组成是碎石骨架和沥青玛碲脂结合料两大部分。各材料的组成比例由试验确定,一般沥青用量在6.0%左右,纤维用量在4.0%左右,空隙率在3.0%左右,细集料一般不超过10%。
2.1.3 土工合成材料。
美国材料与试验协会将土工合成材料定义为:由聚合物原料生产的用于土、岩石、基础等岩土工程构造物的产品。路面结构层中使用的土工合成材料有以下类:土工织物、土工格栅、土工模等产品。根据材料的特点,国内在复合式路面反射裂缝处治时大多选用玻璃纤维土工格栅和土工织物。
2.1.3.1 土工格栅。
(1)玻璃纤维土工格栅较高的刚度不但可以增大路面层整体刚度,还可以较快地发挥薄膜效应竖向荷载。此外,其较大的表面摩阻力还有利于减小沥青混合料的横向推移。(2)在减小沥青混合料侧移方面具有一定的效果,但对于稳定类材料这种效果并不明显。(3)玻璃纤维土工格栅位于基层顶面表现出了减少路面裂缝、减小路面综合破损率的效果。(4)玻璃纤维土工格栅加筋沥青加铺层对于因路面温度变化而引起的裂缝作用不明显。
2.1.3.2 土工织物。
土工织物可以分为两大料:有纺织物和无纺织物,有纺织物的特点是重量轻、弹性模量低、具有孔隙的特点是沿经线和纬线强度较高;无纺织物根据粘结方式不同又可以分为针刺、粘合、热粘三种。
土工织物浸润沥青后形成不透水层,防止水分下渗软化路面结构层;土工织物柔性材料在路面结构中作为应力吸收膜,通过自身变形吸收裂缝尖端的集中应力,降低应力集中程度,阻止裂缝发展。
同时,铺设土工织物会降低层间的结合能力,并且其较大的延伸率将使得沥青层在行车作用下产生推挤、滑动,最终导致路面破坏。为了避免过大层间滑动,工程应用中应考虑采用额外措施保证沥青层与加筋材料的粘和,尤其是在沥青面层较薄的情况下,或者将加筋材料布置在受剪应力影响较小的结构层。
2.1.3.3 土工合成材料的应用范围。
尽管多数研究和应用肯定了土工合成材料防治反射裂缝的效果,认为可以延缓反射裂缝2~4年,并且认为即使沥青加铺层厚度较薄,土工织物也能有效地防治裂缝反射。但是土工合成材料防治裂缝也有其适应条件,通过对防治裂缝等路面病害的不同措施进行调查的结果表明,土工织物对于开张型裂缝有效,并且刚度、强度越大效果越好,对于剪切型裂缝,格栅具有良好的效果,土工织物的作用不明显。
2.1.4 级配碎石。
通过三维有限元的力学分析计算表明,在沥青加铺层下设置级配碎石层可以明显改善复合式路面的力学性能,可以有效地减小路面的弯沉值,延缓甚至防止反射裂缝的发生与扩展。合理增大级配碎石层的厚度,对减小路面的弯沉值起了一定作用并有效的增加路面的力学性能。在内蒙古鲁霍公路改建建工程中采用的级配碎石,具体设计级配范围及配比见表1。
2.2 采用合理的沥青加铺层。
调查研究表明,沥青混合料的使用性能对反射裂缝的产生和发展有影响。不论是哪种反射裂缝,一般不会是由于一次应力的产生即形成裂缝,而是在应力集中点反复作用下产生的一种疲劳破坏,因此,提高沥青混合料抗疲劳性能可大大延缓反射裂缝的产生。当沥青混合料的拉伸强度较高时,可有效减小由于温度变化产生的混凝土板收缩而产的反射裂缝,当沥青混合料的抗剪强度较高时可有效减少由于偏荷载和弯沉差而产生的反射裂缝。
2.2.1 大粒径沥青混合料。
通过三维有限元对大粒径沥青混合料进行的力学分析计算表明大粒径沥青混合料能够有效消散、吸收由交通荷载及环境温度变化所产生的荷载应力和温度应力。而且由于大粒径沥青混合料收缩系数较小,其大粒径多空隙结构具有较大的塑性变形能力,可充分吸收接缝释放的应变能,减小接缝处加铺层的应力集中现象,从而延缓反射裂缝向上扩展的速度。在内蒙古鲁霍改建建工程试验路中使用了大粒径沥青混合料,大粒径沥青混合料集料规范要求级配范围与设计级配见表2。由于大粒径沥青混合料细集料和矿粉的用量与传统的混合料相对较少,所以其沥青用量也有所降低,通常大粒径沥青混合料沥青用量在2.5~4.0%之间,最佳沥青用量的确定方法主要采用大型马歇尔法和沥青膜厚度法。
2.2.2 纤维沥青混合料。
纤维沥青混合料由于加入纤维后孔隙率略微增大,沥青用量增大,沥青混合料的柔性相应提高,而且纤维的混杂加强作用对应力有一定的分散和扩散作用,对混合料抗裂性能有所改善。纤维加入后不仅增大了沥青用量、沥青稠度和劲度,还对沥青混合料有不定期的“桥接”与“加筋”作用,正因为纤维的这种加筋作用,对裂缝的产生有不同程度的阻碍作用。
3. 结语
纤维的加入使得混合料的最佳沥青用量增加,而且纤维掺量越大最佳沥青用量增加越多;加入纤维后混合料密度均有所下降,孔隙率和矿料间隙率都增大,而且纤维含量越大越明显;加入纤维后混合料的稳定度提高、流值增大。根据试验结果,综合纤维沥青混合料各项路用性能,选用的纤维沥青混合料的最佳纤维掺量为0.5%。
[文章编号]1006-7619(2010)12-27-124
【关键词】道路工程;复合式路面;反射裂缝;处治措施
Discuss Treatment Measures of Asphalt Pavement Crack Reflection
Liu Xiao-yang, Wang De-wen
(Inner Mongolia Transport Construction and Management Consulting Co., Ltd. Hulunbeier Inner Mongolia 021008)
【Abstract】The commonly used reflective cracking Treatment measures can effectively reduce reflective cracking, commonly used methods are: stress and strain absorbing layer, modified asphalt stress absorbing layer, geosynthetic layer and layer of graded gravel. To take a LSAM and fiber asphalt overlay and other materials, is also reflective cracking of asphalt pavement Treatment in an effective manner.
【Key words】Road engineering; Composite Pavement; Reflective crack; Treatment measure
1. 研究概况
1.1 锯切横缝。在沥青面层上,对准水泥混凝土路面或水泥稳定类基层上的接缝位置锯切横缝,在横缝内填入封缝料,保持有效地密封,防止水或异物进入,有效防止了反射裂缝的产生。在多年的工程实践表明,这种方法对水泥混凝土板状况良好的路面结构,防治反射裂缝效果较好,而且要求对横缝有效地密封,否则还会引起其他病害。
1.2 加厚沥青面层。采用较厚的沥青面层,一方面可以增加路面结构的弯曲刚度,减少层内的弯曲应力和剪切应力;另一方面,裂缝从底面反射到顶面需要经历的距离变长,这样可以延长路面的使用寿命。国内外的一些代表性工程实践表明,采用较厚的沥青面层对延缓裂缝的反射有较好的作用,但采用这种方案的经济代价高。
1.3 铺设应力吸收层。通常采用橡胶沥青混合料的高弹性低劲度夹层,厚度为10~15mm,模量约为10~100MPa。其作用是改善沥青和水泥混凝土的层间结合状况,从而减少了由于温度引起的反射裂缝的产生,减少了应力集中现象。
1.4 铺设土工织物。采用聚乙烯、聚丙烯或紧张、聚脂无纺织物及玻璃纤维等,置于沥青层底,对沥青混凝土起着加强的作用,而且也是一种防水层。当水泥混凝土板接缝或水泥稳定类基层裂缝较宽且未填封时,如果没有足够的沥青渗入织物,织物是无法起到防水作用,所用粘层沥青必须能填充织物的孔隙。土工织物的物理力学性质,如抗腐蚀、耐热、抗拉强度、顶破与撕裂强度以及变形特性等也应满足路用性能的要求。从我国公路建设实践来 ,玻璃纤维织物防治反射裂缝的效果比较好。
1.5 铺设沥青碎石结构层。即粗开级配沥青碎石混合料结构层。该层可以作为沥青面层的下面层。在国外,沥青碎石层厚约90mm,全部为碎石材料,且混合料中含有25%~35%的连通孔隙。正是由于空隙率大,使得发生在水泥混凝土板或水泥稳定类基层上的接缝或裂缝处的垂直、水平相对位移通过该层时不能很快或减缓反射裂缝的发展速度。
国内外对反射裂缝进行了广泛而深入的研究,但由于反射裂缝的复杂性,对它的开裂机理、发展过程、处治措施等问题一直未能彻底解决。在工程实践中,沥青加铺层厚度明显影响反射裂缝的产生和发展。常用的措施有厚沥青加铺层、大孔隙沥青混凝土裂缝缓解层、橡胶沥青夹层等。在不同地区,不同气候条件下这些措施取得了一定效果,但是至今未能找到能完全防治反射裂缝产生的措施。
近年来,我们依托工程修筑了许多沥青路面结构。在工程中应用了土工织物、应力吸收层、增加沥青厚度等反射裂缝处治措施。这些研究分析了影响反射裂缝产生和发展的相关因素,通过室内试验和工程应用,提出了一套比较有效的反射裂缝处治措施,也积累了一些施工经验,现介绍如下供大家参考。
2. 反射裂缝处治措施
2.1 采用能减少反射裂缝的夹层。
研究和工程试验证明,修筑复合式路面时,在水泥混凝土板和沥青混凝土加铺层之间设置应力应变吸收层可以较好的防治反射裂缝产生和发展,常用的应力应变吸收层为应力吸收薄膜夹层、改性沥青胶砂应力吸收层和土工合成材料。
2.1.1 应力吸收薄膜夹层。
应力吸收薄膜夹层材料的特点是模量小,比较柔软,变性能力很强,即使在较大的变性下仍然不会开裂。在旧水泥混凝土路面上设置低模量的应力吸收薄膜夹层,可以将水泥板接缝处产生的相对位移在这层消耗掉,消弱了裂缝向加铺层上的反射。
应力吸收薄膜夹层施工时首先喷洒一层橡胶沥青或改性沥青,然后撤布单一粒径的集料,用胶轮压路机碾压,将集料压入到沥青中。此时,沥青膜的厚度约为5mm左右。在其上铺筑热拌沥青混合料的时候,集料又会嵌挤到沥青层中,最后会形成1cm左右的应力吸收薄膜夹层。施工简单方便,主要是对施工喷洒设备的要求比较高,要能够在高温下喷洒出高粘度的橡胶沥青或改性沥青。
2.1.2 改性沥青胶砂应力吸收层。
改性沥青胶砂应力吸收层是一种不渗透的、高温性能很强的沥青混合料。它的主要作用是吸收原路面上可能出现的裂缝、阻止雨水浸入到现有路面,确保磨耗层与原来路面的粘结,从而延长道路的使用寿命。
改性沥青胶砂应力吸收层是由SBS改性沥青、纤维稳定剂、矿料及少量细集料组成的沥青码碲脂间断级配的粗骨料间断级配的沥青混合料。它的基本的组成是碎石骨架和沥青玛碲脂结合料两大部分。各材料的组成比例由试验确定,一般沥青用量在6.0%左右,纤维用量在4.0%左右,空隙率在3.0%左右,细集料一般不超过10%。
2.1.3 土工合成材料。
美国材料与试验协会将土工合成材料定义为:由聚合物原料生产的用于土、岩石、基础等岩土工程构造物的产品。路面结构层中使用的土工合成材料有以下类:土工织物、土工格栅、土工模等产品。根据材料的特点,国内在复合式路面反射裂缝处治时大多选用玻璃纤维土工格栅和土工织物。
2.1.3.1 土工格栅。
(1)玻璃纤维土工格栅较高的刚度不但可以增大路面层整体刚度,还可以较快地发挥薄膜效应竖向荷载。此外,其较大的表面摩阻力还有利于减小沥青混合料的横向推移。(2)在减小沥青混合料侧移方面具有一定的效果,但对于稳定类材料这种效果并不明显。(3)玻璃纤维土工格栅位于基层顶面表现出了减少路面裂缝、减小路面综合破损率的效果。(4)玻璃纤维土工格栅加筋沥青加铺层对于因路面温度变化而引起的裂缝作用不明显。
2.1.3.2 土工织物。
土工织物可以分为两大料:有纺织物和无纺织物,有纺织物的特点是重量轻、弹性模量低、具有孔隙的特点是沿经线和纬线强度较高;无纺织物根据粘结方式不同又可以分为针刺、粘合、热粘三种。
土工织物浸润沥青后形成不透水层,防止水分下渗软化路面结构层;土工织物柔性材料在路面结构中作为应力吸收膜,通过自身变形吸收裂缝尖端的集中应力,降低应力集中程度,阻止裂缝发展。
同时,铺设土工织物会降低层间的结合能力,并且其较大的延伸率将使得沥青层在行车作用下产生推挤、滑动,最终导致路面破坏。为了避免过大层间滑动,工程应用中应考虑采用额外措施保证沥青层与加筋材料的粘和,尤其是在沥青面层较薄的情况下,或者将加筋材料布置在受剪应力影响较小的结构层。
2.1.3.3 土工合成材料的应用范围。
尽管多数研究和应用肯定了土工合成材料防治反射裂缝的效果,认为可以延缓反射裂缝2~4年,并且认为即使沥青加铺层厚度较薄,土工织物也能有效地防治裂缝反射。但是土工合成材料防治裂缝也有其适应条件,通过对防治裂缝等路面病害的不同措施进行调查的结果表明,土工织物对于开张型裂缝有效,并且刚度、强度越大效果越好,对于剪切型裂缝,格栅具有良好的效果,土工织物的作用不明显。
2.1.4 级配碎石。
通过三维有限元的力学分析计算表明,在沥青加铺层下设置级配碎石层可以明显改善复合式路面的力学性能,可以有效地减小路面的弯沉值,延缓甚至防止反射裂缝的发生与扩展。合理增大级配碎石层的厚度,对减小路面的弯沉值起了一定作用并有效的增加路面的力学性能。在内蒙古鲁霍公路改建建工程中采用的级配碎石,具体设计级配范围及配比见表1。
2.2 采用合理的沥青加铺层。
调查研究表明,沥青混合料的使用性能对反射裂缝的产生和发展有影响。不论是哪种反射裂缝,一般不会是由于一次应力的产生即形成裂缝,而是在应力集中点反复作用下产生的一种疲劳破坏,因此,提高沥青混合料抗疲劳性能可大大延缓反射裂缝的产生。当沥青混合料的拉伸强度较高时,可有效减小由于温度变化产生的混凝土板收缩而产的反射裂缝,当沥青混合料的抗剪强度较高时可有效减少由于偏荷载和弯沉差而产生的反射裂缝。
2.2.1 大粒径沥青混合料。
通过三维有限元对大粒径沥青混合料进行的力学分析计算表明大粒径沥青混合料能够有效消散、吸收由交通荷载及环境温度变化所产生的荷载应力和温度应力。而且由于大粒径沥青混合料收缩系数较小,其大粒径多空隙结构具有较大的塑性变形能力,可充分吸收接缝释放的应变能,减小接缝处加铺层的应力集中现象,从而延缓反射裂缝向上扩展的速度。在内蒙古鲁霍改建建工程试验路中使用了大粒径沥青混合料,大粒径沥青混合料集料规范要求级配范围与设计级配见表2。由于大粒径沥青混合料细集料和矿粉的用量与传统的混合料相对较少,所以其沥青用量也有所降低,通常大粒径沥青混合料沥青用量在2.5~4.0%之间,最佳沥青用量的确定方法主要采用大型马歇尔法和沥青膜厚度法。
2.2.2 纤维沥青混合料。
纤维沥青混合料由于加入纤维后孔隙率略微增大,沥青用量增大,沥青混合料的柔性相应提高,而且纤维的混杂加强作用对应力有一定的分散和扩散作用,对混合料抗裂性能有所改善。纤维加入后不仅增大了沥青用量、沥青稠度和劲度,还对沥青混合料有不定期的“桥接”与“加筋”作用,正因为纤维的这种加筋作用,对裂缝的产生有不同程度的阻碍作用。
3. 结语
纤维的加入使得混合料的最佳沥青用量增加,而且纤维掺量越大最佳沥青用量增加越多;加入纤维后混合料密度均有所下降,孔隙率和矿料间隙率都增大,而且纤维含量越大越明显;加入纤维后混合料的稳定度提高、流值增大。根据试验结果,综合纤维沥青混合料各项路用性能,选用的纤维沥青混合料的最佳纤维掺量为0.5%。
[文章编号]1006-7619(2010)12-27-124