新型道路材料在工程中的应用

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  摘要:随著我国公路交通的迅速发展,对道路材料的要求越来越高,新材料以其优良的技术性能和经济性能得到了广泛的应用。几种新材料通过本文介绍,可为道路专业人员在道路设计及维修养护方案的选择上提供借鉴。
  关键词:土壤固化剂防裂土工布抗车辙添加剂旧路冷再生 改性沥青
  中图分类号:U283.5文献标识码:A
  沈阳经济技术开发区创建于1988年6月,1993年4月经国务院批准为国家级经济技术开发区。开发区位于母城沈阳西南部,总规划面积444平方公里,已建成区域面积145平方公里。以建设中国现代制造业之都为目标,大力引进、发展和培育制造业企业,努力成为聚集国际先进制造产业的平台,全力打造中国发展现代制造业的新高地。未开发区域现状为自然村落、旱田、水田。大部分区域正处于开发建设时期,造成了其道路交通组成极其特殊,生产企业大型运输车辆较多,建设工地的运料车来往频繁。
  综合考虑沈阳经济技术开发区的地质特点及交通特点,本文结合四个沈阳经济技术开发区道路工程实例对开发区道路设计的新技术、新材料的应用进行了阐述。
  一、土壤固化剂、防裂土工布、抗车辙添加剂的应用
  浑河20街加宽改造工程
  浑河20街位于开发区中东部,南北走向,贯穿开发区,机动车道宽15m,改造后机动车道宽23m。道路两侧已布满大型企业,现状道路的交通量很大,重载、超载车辆多。
  浑河20街道路路面破损严重,归其原因是因为道路上超载、重载车过多缘故,为了适用重载、超载对道路路基、路面功能及强度要求,在浑河20街道路部分路段采用土壤固化剂、防裂土工布、抗车辙添加剂三种新兴材料,以抵抗重载、超载对道路路面的影响。
  1、土壤固化剂
  由于重载道路要求土基具有较高的强度,为了满足这一要求,改变常规采用山皮石处理路基的方法,利用低剂量的石灰土或水泥石灰土中掺加土壤固化剂进行路基处理,一方面增加土基强度,另一方面改善常规石灰土或水泥石灰土的水稳性,使石灰土或水泥石灰土由亲水性变为疏水性,在后期使用过程中不致于由于地下水的侵蚀而降低强度,具有显著的优势。同时由于固化剂与水作用时,改变了原土体表面的附着自由水,使其重新排列组合,大量自由水以结晶形式固定下来,使土壤中的含水量迅速减少,土壤颗粒重新按两端正负荷相互吸引而紧密结合,经过碾压后,密实度增大,毛细管破坏,路基强度增大,耐水性和抗冻性得到提高。
  土壤固化剂是一项现代土木工程高新技术,用于改善土壤物理力学性质以适应工程技术要求,是一种新型的化学材料,由于它应用广泛、造价低廉、节省工期、技术性能优越,颇受工程界欢迎。在国际学术界被誉为“特种水泥”。
  2、防裂土工布
   由于水泥稳定碎石半刚性基层所具有的干缩、温缩性能,无法避免其开裂,这些裂缝必然会反射到沥青面层中,考虑水泥稳定碎石可能引起的沥青路面开裂,在水泥稳定碎石上铺筑聚丙烯长丝无纺土工布,减少反射裂缝的发生,具有很好的效果,特别是对于浑河20街,由于重载、超载车辆很多,如水泥稳定碎石产生的反射裂缝引起了沥青路面的开裂,在重载的作用下必然迅速扩张,引起路面的破坏,这将严重影响浑河20街的使用寿命,因此,在浑河20街水泥稳定碎石基层上采用防裂土工布以减少裂缝的产生。
  从目前国内及沈阳市道路的使用效果来看,防裂土工布可以减少裂缝率达40%~60%以上,具有明显的效果。其具有以下优势:
  (1)耐温。以聚酯为原料,熔点达230℃,沥青混合料摊铺时性能稳定,不收缩、不变形。
  (2)高强、表面均匀可以快速浸透沥青并达到饱和,使之与路面紧密结合。
  (3)稳定。防紫外线、耐冻融、耐化学药品。
  (4)施工便利。
  3、抗车辙添加剂
  抗车辙添加剂是一种多种聚合物复合成的沥青混合料添加剂,它通过集料表面的增粘、加筋、填充以及沥青改性、弹性恢复等多重作用而大幅提高沥青混合料的高温稳定性,并对混合料的水稳定性和低温抗裂性也有改善。其与传统改性沥青及沥青添加剂相比具有以下明显特点:
  (1)优越的性能
  在普通沥青混合料中掺加0.3%~0.5%的抗车辙添加剂,即可显著提高沥青混合料的高温性能,并改善抗水损坏性能、抗低温开裂性能等。
  (2)性价比高
  与传统沥青改性工艺相比,抗车辙添加剂直接投入拌和缸内与集料拌和,不需要增加特殊设备,可显著降低生产过程中的能耗,同时避免了改性沥青储存稳定性差的问题。
  (3)不影响配合比
  在任何掺量下不改变沥青混合料的级配,仅需对油石比进行微调。
  (4)施工工艺简单
  直接加入到拌和缸中,只需适当延长拌和时间和提高施工温度,拌和、摊铺、碾压不受影响。
  (5)直接投入法实现了随欲而加
  直接投入法就是将抗车辙添加剂在沥青拌和过程中直接投入到沥青混合料拌缸中,属于对沥青混合料的改性,不同于对沥青的改性。这种方法能够根据所期望的抗车辙性能程度不同,添加不同掺量的抗车辙添加剂。
  从室内抗车辙试验可看出,采用抗车辙添加剂沥青的抗车辙性能大大提高,抗车辙能力提高了4倍。
  二、旧沥青路面的冷再生应用
  开发22路加宽改造工程
  开发22路位于开发区中东部,东西走向,贯穿开发区,现状机动车道宽度15m,加宽后机动车道宽度23m。现状道路的交通量很大,以货车及工程运输车辆为主。
  开发22路为旧路拓宽改造工程,旧路铣刨掉的路面结构如果被废弃,一方面会造成环境污染,另一方面也造成了资源浪费。开发22路改造工程结合现场实际采用旧路冷再生技术,既节约了道路建设成本,又保护了环境。
  自上世纪90年代以后我国陆续建成的各级公路目前已进入大、中修期,大量的翻挖、铣刨,沥青混合料被废弃,一方面会造成环境污染,另一方面也造成了资源浪费,而且大量的使用新石料,开采石料会导致森林植被减少,水土流失。旧沥青路面如能加以利用,每年可节省的材料费数目非常可观。因此,沥青路面再生技术的研究,对保护生态环境以及对我们国家的公路建设都有重大意义。
  旧沥青路面的再生利用,就是将旧沥青路面经过路面再生专用设备的翻挖、回收、破碎、筛分后,与再生剂、新沥青、新集料等按一定比例重新拌和成混合料,满足一定的路用性能并重新铺筑于路面的一整套工艺。随着再生技术的发展,许多性能完善的现代化再生机械设备相继出现,所生产的再生沥青混合料完全可以和新拌制的混合料媲美。实践结果表明,旧沥青路面就地冷再生具有几大优点。首先,全部旧料就地冷再生,节约了新材料的用量,而且大大降低了运输成本。其次,减轻环境污染,减少能源消耗。再次,在翻修的旧沥青路面上有很大的灵活性。既可以做成一层路面结构,又可以在其上加铺磨耗层,或作为新修建路面的基层。同时,降低了施工成本,节约了施工时间。
  再生沥青路面按施工工艺可分为表面再生法、厂拌再生法和就地冷再生法。其中就地冷再生法的应用前景最为广阔。
  沥青路面就地冷再生法是指利用再生机械将旧沥青路面材料就地打碎,并加入适当的沥青及改性材料后拌和压实,以旧路面材料为主修筑道路的技术。
  与厂拌冷再生法相比较,就地冷再生法省去了回收料的运输、铣刨下材料的堆储、设备的组装与拆卸等环节,并不受气候影响,除少量沥青外,成品料不再运输,对交通干扰少。
  就地冷再生机械设备,是一个由计算机控制的再生料筛分、计算、搅拌和破碎系统。由铣刨转鼓翻松的旧沥青路面材料经斗式提升器送至一水平的振动筛进行筛分,通过筛分网的混合料落在传送带上,称量后进入搅拌器和乳化沥青、添加剂一起搅拌,随后摊铺碾压成型。其主要材料为:旧沥青混合料、再生剂、乳化沥青、水泥、水。
  施工方法包括:采用水泥进行就地冷再生、使用乳化沥青的就地冷再生、使用水泥和乳化沥青的就地冷再生。
  水泥进行就地冷再生:撒布水泥,由专门水泥撒布机撒布,水泥撒布量根据试验资料确定,根据经验水泥撒布量3.5%~4.5%。铣刨和拌和,通过就地冷再生机铣刨和拌和,废旧沥青路面材料与水泥均匀拌和在一起,然后从再生机出料口出料。铣刨材料的摊铺,用平地机和整平板整平,用适宜的重量级压路机或光轮压路机碾压。
  乳化沥青的就地冷再生:首先要对旧沥青料进行试验检测,其施工工艺与用水泥进行就地冷再生方法相同。
  水泥和乳化沥青的就地冷再生:采用水泥加上乳化沥青可以减少乳化沥青的用量,另一方面乳化沥青的加入可以减少材料的刚性和路面的反射裂缝。其施工工艺与用水泥进行就地冷再生方法相同。
  旧沥青路面就地冷再生技术是一项新型的公路建设和养护技术,有着广泛的应用前景,可以节省大量的原材料,降低养护成本,同时在环境保护方面,由于做到了废物的再利用,不仅保护了生态环境,而且大大减轻了一线养护工人的劳动强度,减少了沥青熬制对人体的伤害,是利国利民的一件大好事。
  三、改性沥青在养护中的应用
  沈西五路、沈西九路道路养护工程
  沈西五路、沈西九路位于开发区中部,东西走向,横断面形式均为二块板,即11.5m机动车道+7m绿化带+11.5m机动车道=30m。现状道路的交通量很大,经多年使用,路面出现裂缝、松散、车辙、推移等现象,严重影响了路面的使用寿命,采用改性沥青作为旧有路面的磨耗层和采用改性沥青对旧有路面进行稀浆封层。这两种养护作用原理类似,主要的区别在于使用材料。
  1、超薄磨耗层
  由于旧路面通常出现细裂缝、表面松散、车辙及波浪病害,在裂缝出现的地方水会渗透进入路基,道路结构会慢慢受到水的侵蚀而产生破坏,从而失去承载能力。通过及时的罩面,表面裂缝可在严重损坏出现前得到封闭。
  超薄罩面层其性能在很大程度上表现在抗疲劳方面,它的抗疲劳性能必须高,以防止滑动开裂、反射性开裂及路面变形。很明显,普通沥青粘结料不能满足这些要求。唯一的途径是寻找一种具有良好的抗老化、强内聚力及粘结力(与石料之间)的改性沥青材料。
  其施工工艺一般为:清扫路面,保持路面整洁,根据施工气温及材料情况,改性沥青的喷洒温度一般控制在190℃~210℃之间,喷洒后的地表油温应在170℃以上撒铺碎石。为控制好地表油温,施工工序应安排紧凑。当改性沥青喷洒后,应立即均匀摊铺碎石,并马上进行碾压,碾压应由低向高重叠1/3轮进行,直至路面平整、稳定、密实。在施工完成后三天内应经常扫除多余的矿料以防止路面脱皮。
  铺设后路面的防水性能有明显改善。主要由于在原沥青混凝土路面上洒布改性沥青后,
  起到愈合裂缝和封层的作用,有效提高了路面抗渗透水能力和路基水稳定性。铺设后由于路面表面具有良好的微观结构(源于集料本身)和宏观结构(源于集料级配、颗粒形状及棱角),大大改善了路面抗滑性能,并提高了车辆行驶的安全性和舒适性。由于采用单级矿料,该磨耗层路面空隙率较大,加快了排除地表水速度,减少了雨天沥青路面形成水膜的可能性。
  与铣刨后加铺普通沥青混凝土面层相比,改性沥青新型磨耗层由于为超薄层,因此不仅具有较高的经济效益,同时还具有显著的社会效益(修复快、阻断交通时间短、增加行车安全)有较好的推广应用价值。
  2、稀浆封层
  城市主干路大都具有交通量大、超载严重、车速慢、刹车频繁等特点,造成这类路面工作环境严酷,也更容易出现程度较为严重的各种路面病害。如何在最短时间内完成这类路面的养护,同时最大限度延长每次养护的使用期,是养护工作所关注的核心问题。
  稀浆封层技术作为一种常见的路面养护技术,经实践证明具有相当突出的优点。
  稀浆封层是将适当级配的骨料、填料、乳化沥青、水、添加剂等几种原材料,按一定比例掺配拌和,制成均匀的稀浆混合料,并按要求的厚度和宽度摊铺在路面上。稀浆封层施工法无论是对低等级道路或高等级道路,无论是对城市道路或郊区道路,都可以产生显著的经济效益和社会效益。稀浆封层可以使磨损、老化、裂縫、光滑、松散等病害,迅速得到修复,起到防水、防滑、平整、耐磨等作用。
  为了提高封层后的路面路用性能,现在越来越多的趋向于采用改性乳化沥青进行稀浆封层。改性乳化沥青稀浆封层技术相比于其它道路养护方法的优点:
  (1)与热沥青铺筑相比,其摊铺厚度薄,造价低,且平均使用寿命长,可达6~8年。改性沥青稀浆封层在5℃以上即可施工,可以延长施工时间1~2个月,且减少环境污染,施工简便,降低劳动强度,节约能源设备,改善施工条件。
  (2)改性乳化沥青自身具有较好的弹性和高低温性能,改性稀浆封层混合料具有较好的物理性能,因此改性乳化沥青稀浆封层可以治愈或减少路面病害,延长路面的使用年限,年使用成本比普通乳化沥青稀浆封层下降。
  (3)普通乳化沥青稀浆封层开放交通的时间需要4小时,改性乳化沥青稀浆封层开放交通的时间需要0.5~1小时,中断交通时间大大缩短,半幅施工、半幅开放交通,直接成本下降。
  以上仅仅对目前道路工程中应用较广泛的新技术、新材料的性能及应用做了简要介绍,意在通过对新技术、新材料的认识和了解,提高我们在项目实施中的知识水平,控制和把握好施工过程中的各个环节,确保施工质量满足规范、规程要求,同时这些新技术和新材料的应用,对设计和施工单位来讲,也具有一定的借鉴和参考作用。
  
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