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基于疲勞開裂的瀝青路面預防與養護技術

發布時間:2018-7-2  新聞類別:無 點擊次數:686
 

隨著公路交通量日益增長,公路建設事業得到了迅猛發展,截至2012 年底,我國公路通車總里程


達到423.75 萬km,高速公路達9.65 萬km。四通八達的公路網,已經成為我國經濟和社會發展的重要


保障。但是,經過多年的使用和觀測表明,許多高速公路通車一年后路面就出現嚴重的橋頭跳車和早期


損壞,有的通車幾年后由于早期病害嚴重,特別是裂縫過多就不得不進行翻修,使其使用性能大大降低。


文獻[1]把瀝青路面損壞分為11 類21 項,其中有4 類9 項與裂縫有關,特別是疲勞開裂對路面使用性能


影響較大。因此,對疲勞裂縫產生的原因進行系統的分析,提出經濟、合理、適用的瀝青路面結構,并


從設計、施工和養護等多方面對防止疲勞開裂和路面破壞提出有效的預防措施,采用先進的養護技術維


修養護,使其在公路建設和養護中進一步推廣應用,發揮更大的社會經濟效益。


二、疲勞開裂原因分析與防治措施


(一)基本理論


隨著傳統的疲勞破壞理論的發展,人們認識到,路面的破壞是由于荷載在路面材料中引起的重復


加載疲勞應力,超過了路面混合料的抗拉強度而發生的。美、英、蘇、德等國,根據十多年的大量試


驗,相繼進行了基于疲勞強度理論在設計上的重大改革。并且,目前各國瀝青類路面設計仍主要沿用


這種疲勞強度理論。我國從六十年代開始對路面疲勞特性進行系統研究,借鑒金屬材料斷裂力學理論,


認為疲勞斷裂是一個疲勞裂紋的萌生、擴展直至后斷裂的逐漸發展過程[2],如圖1。理論與實踐證


明,路面在移動車輪荷載作用下,其內部各點處于不同的應力應變狀態之下,路面結構的底面各點,


當輪載駛近時該點出現擠壓應力;當輪載處于正上方時則受到全拉應力作用,當輪載駛離時,該點的


主拉應力減弱并伴有剪應力產生,路面表面則相反,車輪駛近時受拉,車輛直接作用時受壓,車輪駛


過后又受拉。路面在整個使用過程中,因長期處于拉壓應力重復循環并伴有剪切作用的狀態而產生疲


勞破壞。瀝青路面抗拉強度比較小,所以路面多是從底部或頂部受拉而產生裂紋以至破壞。[3]另外,


國內現行路面設計方法一般基于靜態彈性體系模型,而實際車輪荷載均為動態,對路面施以隨時間變


化的垂直振動和沖擊作用以及水平推擠作用。由于路面結構本身對荷載的時變因素具有相當的敏感性,因而在實際動態荷載作用下所表現出的力學性能通常與靜態模型的情況存在較大差異,對路面的


早期破損有著不可忽視的作用。








(二)疲勞開裂防治措施


國內外對于疲勞開裂防治常用方法主要有土工織物材料、橡膠瀝青封層和應力吸收膜等。通過進行


材料的合理組成設計,調整結合料用量與配比來實現抗裂性能。另外,也可以在瀝青面層上采用預切縫。


級配碎石緩沖層,即所謂倒裝結構,在美國、澳大利亞及南非瀝青路面結構中應用較多,厚度為10 ~


15 cm,具有一定效果。


三、常用的疲勞開裂的養護方法


(一)霧封層—預防性和輕微病害治理


霧封層是預防性養護中的一種,它是將慢裂乳化瀝青稀釋液或特制路面保護劑噴灑(霧花)到現有


瀝青路面表層,目的是恢復那些由于瀝青在正常使用中氧化造成的輕微干裂、損失小骨料等損壞,同時


還可以起到封住細小裂縫及表面孔洞、防水及抑制松散的作用。使用年限一般為1~2 年,如圖2。








(二)上封層(磨耗層)—增加路面紋理,初期綜合病害治理,防止水損害


磨耗封層主要增加路面紋理。撒布瀝青后,撒布均勻粒徑石屑。重交通工程可以采取兩層法。采用


乳化改性高模量瀝青,慢裂型。適用于各種道路,使用壽命在3 年以上。


(三)稀漿封層—適合路面中、后期綜合病害的維修


稀漿封層,由適當級配的石屑或砂、填料水泥、石灰、粉煤灰、石粉等、乳化瀝青、外摻劑和水為


材料,按一定比例拌和成稀漿狀,攤鋪、硬化、成型后起到封層作用的一種路面結構。由于該種稀漿混


合料的稠度較稀,形態似漿狀,鋪筑厚度一般在3-10mm 之間,主要起防水或改善恢復路面功能的作用。


見圖3。








(四)微表處—適合路面車轍嚴重、損害嚴重的路面


微表處采用改性乳化瀝青混合料鋪筑8-12mm 的路面處置層。其優點路面防水性能好,封閉表面防


止水下滲。高速路路面剎車性能好。施工后可以快速通車;路面耐磨性能好,夏天抗車轍,冬天抗龜裂。


環保性能好,常溫瀝青不散發污染物。填補車轍性能好,無須打磨路面。路面的使用壽命可以延長。其


不足就是對攤鋪設備要求很精確,施工控制難度加大。


(五)超薄磨耗層—適合路面損害嚴重,綜合治理


改性超薄磨耗層采用優質軋制集料,間斷級配,具有可以分為兩部分:一是改性乳化瀝青的撒布,


二是改性熱拌瀝青混凝土的攤鋪及碾壓。改性乳化瀝青所起到的作用主要是密封原路面及保證新混合料


與原路面的有效粘結。而改性熱拌瀝青混凝土是由較大粒徑的斷級配集料、改性瀝青經熱拌和而成,其


主要作用是提供一個平順、耐久、具有一定抗滑能力的表面。


四、疲勞開裂的養護的新設想


疲勞開裂是瀝青混凝土模量長期變化,引起長期破壞的結果,當路面出現許多細小裂縫時,說明路


面已經出現破壞,現在我們采用一種新型技術——“超薄養護封層”來處理這些因為疲勞開裂引起的路


面病害,超薄養護封層技術是介于霧封層和超薄磨耗層之間,或替代磨耗層而采取一種新型養護技術,


這種技術已經在歐美等很多國家開始使用,利用這種技術處理公路道路,城市道路由于汽車荷載引起的


路面疲勞開裂,來延長道路的使用壽命。超薄養護封層技術主要原料為封層乳化瀝青膠漿(簡稱瀝青膠漿),在國外其發展經歷了三個階段,第一階段,使用熱瀝青與無機物乳化技術。隨著對產品的儲存穩


定性能、路用性能的要求提高,出現了第二階段產品煤瀝青類(或混合瀝青類),具有好的儲存穩定性


和滲透性能,缺點是抗氧化性和環保性能堪憂。隨著乳化瀝青技術的不斷完善,乳化劑性能不斷提升,


第三階段產品在此背景產生。采用乳化瀝青與無機礦料溶合制成乳化瀝青膠漿。隨著化工工藝的發展,


新的產品引進了改性乳化瀝青技術,克服了之前改性劑與無機礦料的相互“干擾現象”,F在這種產


品被廣泛應用于各等級公路、城市道路、停車場、車庫和水泥路面的疲勞開裂防護上,F就這種新型技


術在國外鋪筑的試驗路介紹給大家。


五、試驗路段鋪筑及性能檢驗


(一)停車場試驗路段的鋪設


2011 年8 月,加拿大乳化瀝青有限公司首先研發出新一代產品——超薄養護封層,采用手工方式施


工,使用封層乳化瀝青膠漿,在停車場進行試驗。原有路面有大量疲勞開裂的裂縫,并且部分路面出現


松散掉,F象,顏色淡白,見下圖。通過人工清理路面,吹凈路表面的顆粒及粉塵,以手工方式進行超


薄養護封層施工,施工結果2 小時后,車輛可以駛入停車場,停車場路面可承載,維修養護后路面不滲


水,松散部分黏合良好,疲勞裂縫消失,色澤黑亮。見圖4、圖5。












超薄養護封層試驗路鋪筑完成后要進行的檢測項目包括:


(1)滲水性試驗,要求實際滲水率小于200ml/min。


(2)裂縫修復率試驗,表觀檢測原有裂縫是否封閉完好,是否肉眼可見。




(3)松散修復率試驗,原有路面的早起松散治理情況,達到修復后平整,松散部分固化并不可見。


(4)色澤恢復率試驗,恢復黑色并有光澤、不泛油。


(5)平整度試驗,修復后此路段具有良好的平整度。


(6)1 年以后檢測指標:①不褪色;②平整度保持良好;③裂縫不可見;④持續保持不滲水性能;


⑤沒有松散發生。


一年后復查,見圖6,路面保持原有黑色不退,沒發現新的裂縫出現,防水性能保持不變。








經當地檢測部門檢測以上檢測指標完全達到技術設計指標要求。


(二)高速公路試驗段鋪設


2011 年在蒙特利爾640高速公路部分路面進行超薄養護封層,采用機械攤鋪施工,施工后效果良好,


高速公路修復后的路面見圖7。修復了原有裂縫,增加了路面紋理、使路面重新返回黑色,防水性滿足


設計要求。








采用超薄養護封層技術(厚度可以1—10mm 之間,通常在5mm 以下)無論手工還是機械施工,都


能達到預期效果。施工工期短,開放交通快,一般1-2 小時即可開放交通。超薄養護層的施工工藝簡單


有效,施工設備投入少;同時原料造價低廉。工程成本不足稀漿封層的三分之一。因此超薄養護封層技


術對路面的早起防護和疲勞性開裂治理非常見效,施工后2年內性能基本保持不變。在公路養護施工中,


可以替代霧封層、碎石封層或稀漿封層。




這種新型材料新型工藝的引進是完全可以各級路面的預防性養護。對路面輕微病害路面的處治性養


護(疲勞裂縫、表層石料松散、路面紋理差、泛油等)是完全使用的,同時可以防止路面因疲勞開裂引


起的水損害;還可以改變由于路面長期使用引起的泛白,使其變成黑色和亮麗,保證行車安全具有很好


的用途。超薄養護封層應用相當廣泛,可用此維修養護方法進行前期、中期養護,工藝簡單快捷,對提


高公路使用壽命,降低公路養護成本具有廣泛的應用前景,因此值得在國內進行推廣。


 
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