提高沥青路面抗裂性能的关键技术措施研究

冯文魁 张名成

随着高等级公路的大量修建,半刚性基层沥青路面由于具有强度高、造价低、整体性好等优点,在我国公路建设中得到了广泛的应用,并占有越来越重要的地位。然而,半刚性材料的缺点在于抗变形能力低,在温度、湿度变化时易产生裂缝,当沥青面层较薄时易形成反射裂缝,而沥青路面一旦出现裂缝,就可能导致路面结构性破坏,不仅影响路面的美观和行车舒适性,更重要的是大大缩短了路面的使用寿命。因此,采取必要的有效措施来防治路面裂缝现象对于提高路面的使用性能,尤其是延长路面使用寿命具有十分重要的意义。

1 合理设计

1.1 沥青混合料面层

提高面层沥青混合料的抗裂性能是一种从面层自身考虑的防裂方法。如采用改性沥青、在混合料中采用添加剂(聚酯纤维、木质素纤维等)提高混合料性能、提高沥青用量、选择空隙率小和不透水的密级配等。尽可能采用沥青玛脂碎石混合料(SMA)做上面层,因为其具有优良的高温稳定性和低温抗裂性、良好的耐久性和表面特性,使路面的使用性能得到了全面提高,且延长了路面的使用寿命。

1.2 半刚性基层

1)尽量使用骨架密实结构矿料级配。2)调整结合料用量与比例,增加粗骨料含量并严格设计级配。3)在基层强度满足要求的情况下,用最小的水泥掺量。必要时可以在水泥稳定料中应用减水剂来降低用水量。

1.3 提高路基工作区的强度和稳定性

路基是路面的基础,路基工作区又是路基经受行车荷载影响较大的深度区域,该深度区域具有足够的强度和整体稳定性,对保证路面结构的强度和稳定性极为重要,否则将产生不均匀沉降致使路面产生开裂。因此,必须严格控制路基的填筑工艺,确保路基强度。填筑材料首选石、砾、砂类土,其次选用含砾、砂低液限黏土,再次选用低液限黏土,粉质土和有机土不能用于填筑路基;施工中必须严格检测控制压实度,每层的松铺厚度不应大于30 cm,以便最大限度地减小路基完工后沉降量。

1.4 合理路面厚度

适当增加沥青面层厚度,可有效地防止沥青路面低温开裂。不仅能防止温缩裂缝,而且能防止半刚性基层开裂引起的反射性裂缝。国内的一些研究表明,当沥青面层厚度大于18 cm时,能够有效减少裂缝或者延缓裂缝出现时间。

1.5 设置级配碎石过渡层

级配碎石层作为半刚性基层与沥青面层之间的中间层在国内外许多地区得到应用,并已证明其防止反射裂缝效果良好。级配碎石能充分吸收半刚性基层裂纹释放的应变能,不传递拉应力和拉应变,而且可大大改善半刚性基层的温度、湿度状况,从而去除和减少半刚性基层的温缩和干缩,减少反射裂缝。

1.6 设置沥青稳定碎石基层

沥青稳定碎石矿料级配属于典型的骨架密实型结构,根据密实度分为密级配、开级配及半开级配,由于沥青结合料的粘结力及集料间的嵌锁力使其具有良好的承载能力,具有较强的抗压强度和抗弯拉强度,因此其抗剪切变形能力也相当好,具有优良的泌水性和抗冲刷性。

1.7 半刚性基层预开裂

基层预切缝方法是在铺沥青面层前将半刚性基层按一定间距设置预锯缝,并且让这种裂缝仅保留在基层本身而不反射到面层。建议在半刚性基层上每隔8 m～12 m做一切缝,深6 cm～8 cm,缝宽10 mm～12 mm。

它的防裂原理主要是通过锯缝改善基层约束条件,从而在一定程度上释放温度应力来达到防裂目的。已经经过实体工程验证采用基层预锯缝措施有利于减少基层收缩裂缝的产生。

1.8 设置应力吸收层SAMI

SAMI是英文Stress Absorbing Membrane Interlayer的简称,一般译为应力吸收层,采用应力吸收薄膜,对减缓反射裂缝的产生与扩展有明显的效果,可使裂缝处相对位移产生的应力传到面层时大为减少,并明显减弱裂缝尖端应力的奇异性,降低应力强度因子。

常用的应力中间层可分为以下几类:橡胶沥青中间层,预制纤维膜,低稠度沥青混凝土层和开级配沥青混凝土底层等均匀应力吸收层。其中,同步碎石橡胶沥青下封层由橡胶沥青与细集料组成,置于沥青面层与半刚性基层之间,厚度约1 cm,具有良好防水和应力吸收的双层作用效果,可用来推广使用。

1.9 设置土工织物或格栅

在半刚性基层顶或沥青层之间设置各种土工合成材料,可以提高沥青混合料的抗拉强度与抗变形能力。20世纪80年代初,英国诺丁汉大学布朗教授通过对比加铺和未加铺土工格栅的沥青路面,认为前者比后者可以推迟疲劳裂缝出现达19倍,可以减少车辙50%。国内通过室内试验评价了土工布、玻璃纤维格栅、土工格栅等夹层的防裂效果,土工夹层材料对于由基层水平位移引起的张开型裂缝能起到较好的防裂作用,而且玻璃纤维格栅的防裂效果要大于土工布、土工格栅。

2 合理选材

2.1 推广应用抗裂性好的改性沥青

1)注意沥青的油源,如在严寒地区采用针入度较大、粘度较低的沥青,对防止沥青路面开裂有益,但同时要满足夏季的要求;2)选用温度敏感性小(PI大)的沥青有利于减少沥青路面的温度开裂。从改进沥青性能来说,改善感温性是最根本的措施;3)采用低温延伸性能好、应力松弛性能好的沥青结合料,采用PG低温等级较低,低温延度(10℃,5℃延度)大的沥青。

2.2 选择抗裂性好的材料作基层

通过半刚性基层材料的合理设计,基层材料应该选用抗冲刷能力好,最好使用温度膨胀系数低、抗拉能力高的半刚性材料,这是预防半刚性基层自身收缩开裂的有效途径。

2.3 选择合适的集料

1)沥青混合料的集料应选用表面粗糙、石质坚硬、耐磨性强、嵌挤作用好、与沥青粘附性好的材料。如果集料呈酸性,则应填加一定数量的抗剥落剂或石灰粉,确保混合料的抗剥落性能。同时,应尽量降低集料的含水量,尽可能使用人工砂代替天然砂;2)采用100%轧制的碎石集料来拌制沥青混合料;3)采用吸水率小的集料,尤其粗集料的吸水率应严格控制至小于2%。

3 正确施工

1)施工过程中的最低温度控制是有效避免半刚性路面基层产生裂缝的重要措施,建议最低施工温度最好控制在8℃以上,这样才能有效地避免或减少由于温度影响产生的缩裂;2)控制半刚性基层的碾压,尤其在寒冷地区的沥青路面,其压实度最好提高到98%以上,有效降低施工结束时的残余空隙率至小于6%,含水量宜为最佳含水量的0.9倍;碾压后要及时地进行保湿养护,养护结束后应立即喷洒沥青乳液,做成透层或封层,并尽快铺筑沥青面层;如果不能马上铺筑沥青层,则宜在透层油的基础上再铺筑乳化沥青或者改性乳化沥青稀浆封层做下封层;3)沥青面层与半刚性基层应设置透层、封层;面层间要洒布粘层油,中下面层间宜为乳化沥青,上中面层间宜为改性乳化沥青;4)除了做好接缝,应尽量避免冷接缝,做好与排水井等人工构造物的接头;5)严格防止施工过程中工序相互交叉干扰,杜绝施工污染;尽可能在同一年内完成半刚性沥青路面基层和沥青层的施工,从而确保沥青层成为一个整体;6)改善沥青路面压实度检验方法,因为钻孔处常常是温缩裂缝的发源地,所以应尽量减少取样钻孔的频度,钻孔处必须仔细回填,防止留下缺陷;7)完善路基路面的排水设施,确保路面排水顺畅。

4 加强养护及维修

沥青路面的早期损坏应该及时进行处理,避免基层破坏进而加剧面层的破坏,从而延长路面大修时间。常用维修方法有:乳化沥青稀浆封层、灌油修补法、沥青混合料罩面法及现场沥青再生法等。1)发现表面有微裂缝,应及时进行微表处或涂覆表面复苏剂等封面,防止进水;2)发现表面裂缝,应立即进行灌缝,如宽度太窄不好灌缝要先进行扩缝再灌缝;对于细裂缝(2 mm～5 mm)可用乳化沥青进行灌缝处理;对于大于5 mm的粗裂缝,可用改性沥青(如SBS改性沥青)进行灌缝处理;3)路面出现局部损坏,应迅速进行挖补;4)每隔一定年限,进行表面铣刨或罩面加铺、就地再生处理等。

5 结语

在提高沥青混凝土路面抗裂性能方面,设计、选材、施工、维护等各个环节对控制路面裂缝产生的影响都很大。合理设计和选材、正确施工、精心养护是提高沥青混凝土路面使用性能的唯一途径。对待沥青路面裂缝要做到积极防治、严格控制和及时处治,采取有效的预防措施和处理技术来最大限度降低路面裂缝的产生,将裂缝控制在允许的范围之内,来确保沥青路面的使用寿命。

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