应力吸收层在旧水泥混凝土路面改造中的应用

沈 旭,武和平

(长沙理工大学交通运输工程学院,湖南长沙 410004)

0 引言

由于交通量迅猛增长、加之重载车辆数量急剧增加或设计、施工质量等方面的原因,我国现有的水泥混凝土路面早期破坏现象屡见不鲜,出现结构性破坏和功能上缺陷面临大修或改造。在旧水泥混凝土路面大修及改造工程中被广泛采用的方法是加铺沥青混凝土罩面层,这种方式能有效地改善旧水泥混凝土路面的使用性能,提高路面的通行能力,并且具有造价低、施工难度小、对交通环境影响小及修复周期短的优点。但因原混凝土板已经出现的各种病害并且原水泥混凝土路面有接缝的存在使沥青罩面层在使用过程中很容易出现反射裂缝,缩短沥青罩面的使用寿命。国内外大量的工程实践研究表明在基层与沥青混凝土面层间设置应力吸收层可改善沥青面层与基层之间的层间结合状况,防止面层推移、剥落破坏,消解基层接缝和裂缝缺陷处的应力集中现象,可以依靠自身的韧性和塑性变形吸收来自下层裂缝尖端处的应力,从而推迟路面反射裂缝的发生时间有效防止反射裂缝。并能起到防水排水及承上启下的粘结作用。

1 不同类型的应力吸收层

1.1 砂胶应力吸收层

砂胶应力吸收层具有良好的弹性和抗疲劳性能,使半刚性基层引起的水平位移在较宽范围内分散,降低面层内部尖端应力强度因子的幅值,使裂缝不会很快失稳而扩展,从而延缓裂缝反射至面层的速度。砂胶应力吸收层在路面结构中的特殊作用决定了其主要由矿料和特殊改性沥青组成,其典型特征是采用的细集料(均在5mm以下)、矿粉用量大、油石比大、空隙率低及饱和度大,石料基本上悬浮于沥青与矿粉形成的胶浆之间,与上下面层的粘附性较好。砂胶应力吸收层中吸收应力起主导作用的是沥青与细集料形成的沥青胶砂。因此,要求沥青结合料具有较高的软化点、优良的弹性恢复性能和低温延性,与矿料粘附性好。

1.2 橡胶沥青应力吸收层

此应力吸收层具有良好的可靠的水稳性和高、低温稳定性,与其他胶结材料相比,其抗老化和抗裂性能更突出。采用橡胶沥青应力吸收层能够有效预防、延缓甚至阻止反射裂缝的形成和传播,并提供防水、填缝和粘结的作用,含有高粘弹性橡胶沥青黏结剂的石屑封层,能够吸收下层裂缝部位的集中应力,从而达到延缓或减少反射裂缝的目的,遏制基层裂缝的反射保护,同时填充面层和基层的裂缝,防止水分下渗,保护基层。橡胶沥青应力吸收层拥有非常优异的耐疲劳性能,可有效地抵抗反射裂缝的发展,同时具有施工速度快,质量容易控制的优点。

1.3 改性沥青应力吸收层(SMA)

它是由碎石粗集料为骨架,细集料、矿粉、沥青、纤维稳定剂混合物为玛蹄脂,由玛蹄脂填充碎石粗集料之间的空隙形成的骨架嵌挤型密实结构混合料,既具备开级配混合料的嵌挤能力,提高抗车辙能力和抗滑阻力,又具备密级配混合料的优点,空隙率小、沥青用量多,可提高疲劳寿命和抗水损害能力。故SMA应力吸收层具有较好的抗滑性能和层间粘结力。

1.4 STRATA的应力吸收层

它由美国科氏公司研究,它具有弹性高、耐疲劳、抗塑性变形能力强、密实、不透水等特点,能有效延射裂缝的发生,从而提高沥青路面的抗水害能力,延长了沥青路面的使命。但由于STRATA沥青结合料的价格较高,从而限制了这种措施推广。

2 Sup-10应力吸收层的配合比设计

本文依托柳州市潭中西路路面维修工程着重说明采用SBS改性沥青Sup-10作为应力吸收层的工程应用,该工程位于柳州市柳南区,起点为潭中西路金都汇,终点为潭中西路柳南区政府,全长400m,维修为机动车道宽度15 m,双向4车道,该段路面具有典型混凝土路面病害:严重开裂,局部网裂且有沉陷变形等现象。

Superpave是高性能沥青混凝土路面,是美国战略研究计划(SHRP)的重要研究成果,包括21项内容,其中有一项是Superpave集料级配。它与我国传统的马歇尔设计方法不同,其设计方法没有规定的级配范围,但是,为了确保混合料具有足够的VMA和避免过多使用天然砂,Superpave规定了级配设计的限制区和控制点,要求混合料设计时级配曲线应避开限制区并在控制点之间通过。

为了规范级配,用0.45次方级配图确定为容许级配,最大密度线为集料颗粒排列最紧密的组成,可使集料达到最大的密实度。级配控制要以4种控制筛孔为基础:最大筛孔、公称最大筛孔、4.75mm筛孔和0.075mm筛孔。尝试3种级配:一次中等级配(既不靠近控制点的级配极限,也不接近限制区的级配)、一次粗的级配(接近公称最大筛孔、4.75 mm筛孔和0.075mm筛孔的最小标准的级配)、一次细的级配(接近公称最大筛孔的最大标准和限制区的级配),3种级配尽量通过限制区的下方。根据经验确定沥青用量,根据沥青的粘温曲线,确定混合料的拌和温度、压实温度,然后制作旋转压实试件(拌和后的混合料要在压实温度下老化2 h),评定相关的体积指标,后确定最佳级配。

应力吸收层的配合比设计如下:

1)原材料性能。

采用SBS改性沥青,SBS改性沥青应满足规范技术要求,对其针入度、延度、软化点进行检测,见表1。

表1 SBS改性沥青性能检测

2)Sup-10混合料的配合比设计。

矿料比例为5～10∶0～5∶矿粉=39%∶56%∶5%。实验结果见表2。

级配曲线见图1,体积参数见表3。

表2 实验结果%

图1 级配曲线图

3 Sup-10C应力吸收层施工质量抽检结果汇总

按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTJ 052-2000)中(T 0702-1993)方法制成沥青混合料试件,并按照(T 0709-1993)方法进行沥青混合料马歇尔稳定度试验和浸水马歇尔稳定度试验。而沥青混合料车辙试验同样按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTJ 052-2000)中(T 0703-1993)方法制成车辙板,并按照(T 0719-1993)方法进行。仅北半幅路实验结果。

1)混合料马歇尔试验结果。

表3 体积参数

应力吸收层的马歇尔残留稳定度试验结果见表4。

表4 Sup-10C应力吸收层马歇尔试验结果

2)车辙试验结果。

通过车辙试验来评价应力吸收层的高温抗变形能力,结果表明,应力吸收层在标准试验条件下的动稳定度为DS=4 904.4次/mm,满足DS＞3 000次/mm的要求。见表5。

表5 Sup-10C沥青混合料车辙试验结果

3)抽提试验(见表6、表7)。

表6 Sup-10C沥青混合料抽提试验结果

表7 Sup-10C沥青混合料配合比实验结果

4 结语

不同材料的应力吸收层都会表现各自不同的优点和缺点,而Sup—10沥青混合料应力吸收层能够很好地满足设计和工程实际的需要,在性能上比其他材料应力吸收层具有更明显的优势。

试验路工程施工实践证明,验证了对Sup—10沥青混合料配比试验的可靠性,采用以上工程设计级配,沥青混合料施工性能稳定,密水抗滑,且易形成骨架型嵌锁结构,对今后同类型工程提供参考。

目前,试验段施工已经完成,施工质量良好,通过初步检测,路面整体质量较好,采用SBS改性沥青Sup—10作为应力吸收层能够达到预期的设计要求。

[1]武和平,何唯平,崔志波.公路大修改造工程施工新技术[M].北京:人民交通出版社,2008.

[2]沈金安.国外沥青路面设计方法总汇[M].北京:人民交通出版社2004.

[3]薛 明,刘晓旭,钟 洲.橡胶沥青应力吸收层的作用机理及技术控制[Z].第十届中国科协年会论文集(四),2008.

[4]廖卫东,陈拴发,刘云全.STRATA应力吸收层抗疲劳特性研究[J].武汉理工大学学报,2003.

[5]王 玮,高建华,季 节,等.改性沥青混合料应力吸收层的材料组成与性能评价[J].公路,2005,(12).

[6]李 迎,刘文勇.应力吸收层沥青性能评价和分析[J].公路交通科技,2008.