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同步碎石封层技术在防治沥青路面裂缝中的应用
美国埃盟泰国际有限公司 张宗辉
摘 要:本文针对沥青路面普遍存在裂纹病害的问题进行了原因分析、提出了预防措施并详细阐述了路面裂缝治理预防的新工艺—同步碎石封层技术及其具体应用。
关键词:路面裂缝 同步碎石封层 KRAXTOP(裂缝阻扩)理论
概述
沥青路面建成后,不论基层是柔性的还是半刚性的,都会不可避免地产生不同程度的裂缝。裂缝的形成初期虽然对路面使用功能影响不大,但裂缝的扩展将会逐步减弱结构承载力,裂缝渗水导致基层以下的结构层产生冲刷与水稳定性问题,从而导致网裂、龟裂、坑槽及其它病害的产生,降低路面的服务水平。因此对裂缝进行适时的预防性养护对延长路面使用寿命是极其重要的。
沥青路面裂缝
(一)产生原因及分类
沥青路面,因其具有地质条件适应性强、行车舒适、维护方便等优点,而被广泛用于高速公路。但在高速公路通车后沥青路面会逐渐出现多种路面病害,造成沥青路面破损的原因很多,主要有交通条件、气候条件、排水条件、材料因素、施工水平、管理水平(养护频率、资金投入和设备条件)等。但归根结底,还是由于沥青路面的使用性能下降造成的。概括地讲,沥青路面的使用性能主要是指高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性、抗疲劳性、抗老化性及表面服务功能。
沥青路面的破损主要可分为裂缝类;变形类(车辙、推移、波浪或搓板、沉陷、拥包);松散类(坑槽、磨光、松散、剥落)及其它类四大类。而其中裂缝是最常见的病害,也是养护中首先遇到的问题,是预防性养护工作的主要内容之一。裂缝可分为轻微裂缝与严重裂缝:
⑴轻微裂缝
该裂缝多属局部裂缝,一般是在路面使用3-5年后发生的,其表现多是细线状裂缝。裂缝的形状有以下两种:
①发状或条状:不需要放大即能发现的路面条状裂缝。沥青面层较薄时将成为贯穿裂缝;面层较厚时,尚不贯通。
②发射裂缝:由于基层物理性的开裂,发映至沥青面层而呈现出的条状裂缝(又称反射裂缝)。
⑵严重裂缝
①龟裂:路面由于压实不足、路基下沉等原因产生的小网格式的、成块的、不规则破碎性的网状裂缝,由于其形状类似于乌龟背壳,故俗称为龟裂。
②网裂:不规则的大网格式片网状裂缝,裂缝间距大小相近,形状和尺寸上都有别于龟裂。
③纵横裂:顺路方向出现在行车道的纵向长条裂缝,或横断方向有规则的裂缝。其中横向裂缝通常在温差变化较大的地区发生。夏季完好的路面到了冬季会由于路面温度收缩,产生纵向近似等间距的横向裂缝。横向裂缝一般贯通整个路面宽度,纵向间距约为5-30m不等。纵向裂缝通常以单条裂缝出现。
(二)防治措施
沥青路面使用初期产生的裂缝对沥青路面的使用性能常无明显影响,但随着表面雨水或雪水的逐渐浸入,导致裂缝两侧的路面结构层特别是裂缝附近土基的含水量加大,甚至饱和。其结果是路面承载能力明显降低,在大量行车荷载反复作用下,产生冲刷和唧浆现象,加速路面破坏,所以对沥青路面产生的裂缝必须及时治理。减轻或防治裂缝的措施基本上可分为三类,第一类是针对基层的,第二类是设置隔离裂缝中间层或应力吸收膜(或称应变消减膜)中间层,第三类是针对沥青面层的。
自2002年同步碎石封层技术从法国赛格玛(SECMAIR)公司引入中国由辽宁三鑫集团在辽宁省省道成功施工以来,该技术在短时间内得到中国公路界众多领导和专家的一致认可。同步封层技术以其明显增强路面的防水性,降低路面的噪音,延长道路的使用寿命等综合优势在中国道路养护施工中被广泛采用,该技术在路面裂缝的预防及治理中行之有效,且实施所消耗的费用很低,取得了良好的经济效益。
同步碎石封层技术
(一)概念
为更好地理解什么是同步碎石封层技术,让我们与传统的石屑封层技术作一比较:传统的石屑封层是指为提高已摊铺的、未摊铺的,车流量大的或小的公路面层的防水性和防滑性,而进行的先洒布沥青结合料、后撒布骨料的技术。它通常是通过使用两种不同的设备辆—一沥青结合料洒布车,一辆骨料撒布车来进行的。这样做的成效并不显著,会由于骨料流失而导致低劣的养护性能。
同步碎石封层技术是法国赛格玛(SECMAIR)公司在40多年的实际道路养护经验中总结发明的新一代道路养护技术,是指同一设备在一秒钟内同时撒布沥青结合料和骨料的技术。
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(二)性能
同步碎石封层与传统的碎石封层相比具有许多优异的性能主要表现在:
1. 良好的防水性
同步碎石封层是唯一允许摊铺到公路表面的,低能量沥青结合料顺利渗入表面微裂缝的技术。这种特性可以满足公路表面防水性能的要求。对一条公路的持久性而言,必不可少的一种因素是它的防水性能。
适当温度沥青结合料的喷洒具有双重防水的功能,顺利渗入表面微裂缝L1部分弥补了因裂缝对路面防水性能造成的缺陷。喷洒在路面形成的沥青结合料薄层L部分,形成一层严密的沥青结合料防水层。
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2. 高度防滑性
被沥青结合料粘结到公路上的骨料直接接触轮胎,这种骨料镶嵌的粗糙度将提供最好的粘附养护性能。确保它能以最低的能耗,极好地满足路面防滑性的要求,一种成功的做法是当沥青结合料仍具有很好的流动性且可粘住骨料时,将骨料迅速摊铺到粘结层。
3. 高度耐磨耗及耐久性
这是过去20多年来这种公路技术上的最大革新。当沥青结合料仍处于很好的流动性时,可以保证沥青结合料和骨料之间最大的表面接触程度,在此后的塑性阶段,像恢复通车阶段那样,可立即进行压实。所以,可在最好的条件下,现场拌和沥青结合料和骨料。毛吸引力可以使沥青结合料产生一个凹面,该凹面与骨料间好似镶嵌珠宝,因此,不会有骨料流失。
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以下试验可形象的表明同步碎石封层技术与传统石屑封层技术在沥青结合料与骨料的结合性上的差异:
传统石屑封层 同步碎石封层
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同步碎石封层技术的最大优点,就是保证了沥青结合料与骨料间很好的结合性。应用传统石屑封层时,当沥青与骨料接触时,沥青结合料的温度已经降到很低(约70摄氏度),图示中,钢球落入沥青结合料的接触面角为负角,接触面小,沥青结合料与骨料的结合性差。
应用同步碎石封层时,当沥青与骨料接触时,沥青结合料的温度下降很小(约120摄氏度),图示中,钢球落入沥青结合料的接触面角为正角,接触面大,沥青结合料与骨料的结合性好。
4. 成本低
同步碎石封层技术,是一种薄层的公路技术,其单层施工的厚度大致为所用骨料的粒径大小,与热摊铺和稀浆封层/微表处比较更薄;沥青与骨料无需高温加热拌和或搅拌拌和即可很好的结合。这样几点优势,也使同步碎石封层技术,成为一种施工成本最低的技术。法国就是大量的采用同步碎石封层技术进行施工,将节省的资金用于实施它的新公路建设计划,才使的法国的高速公路网和县乡公路网能够居世界前列。
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同步碎石封层应用于裂缝处治
路面长时间的抵抗交通带来的压力迟早会产生裂缝,从而影响路面的渗透性,渗透性的增强提高了路面层内部水的含量从而造成了内部裹附能力的消耗。由于裂缝外观状况和裂缝宽度等的不同裂缝病害可分为不同的损坏等级,要根据路面开裂的密度和裂缝状况,确定适宜的养护措施。法国赛格玛(SECMAIR)公司对此提出LOOKRAX理论,即在重新摊铺实现之前通过摄像机对路面的裂缝情况进行观测并记录的系统,这一理论获得了2003年巴黎系统内部展览的发明银棕榈奖。对于路面裂缝的观察及处理是一项持久的工作,从第一年就要开始。
同步碎石封层技术针对不同程度的裂缝有以下三种处治方案:
(一)KRAXTOP(裂缝阻扩)技术
KRAXTOP(裂缝阻扩)技术主要用于轻微裂缝的处治。在高温季节全部或大部分可愈合的轻微裂缝,可不加处理。对高温季节不能愈合的轻微裂缝,需将有裂缝的路段清扫干净对路面进行局部处理。KRAXTOP技术是在存在裂缝病害的路段摊铺1,2 Kg / m²的沥青层,使用的骨料为2-4mm或4-6mm的细碎石,摊铺后的沥青层可以持久地防止渗透(及渗透产生的结果)。这种裂缝处治技术整体施工面积小,所耗成本低,所费时间短,可以很快地开放交通。KRAXTOP只铺洒一层沥青的实现是一个经济而又及时的措施,而且可能发挥的效能是最大的,但这种技术对裂缝处治的精度要求很高,因此要求施工的设备具有相当的技术先进性。而赛格玛(SECMAIR)公司的同步碎石封层机先进的电脑雷达控制装置能够精准地控制沥青与碎石的定点同步洒布,完全可以进行KRAXTOP技术的成功实施。
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Kraxtop养护概念防止裂缝扩散及控制 |
采用Kraxtop裂缝阻扩技术施工后的路面 |
(二)同步碎石封层
因路面沥青性能不好或路龄较长、油层老化产生较大面积的裂缝(包括网裂),但基层强度尚好时,可采用同步碎石封层技术对裂缝路面进行全面处理。同步碎石封层对材料的要求如下:
1.沥青粘结料
同步碎石封层技术的领先性能很高,但对适用沥青没有特别严格的要求。可以使用不同的沥青结合料,如软化纯沥青、聚合物改性沥青、乳化沥青、聚合物改性乳化沥青、稀释沥青等,热沥青主要由于大规模封层。使用改性沥青作为粘结料时,为保证雾状喷洒而形成均匀、等厚度的沥青膜,必须保证沥青的温度在160℃~170℃范围内。
2.碎石
常用的结构:普遍采用间断级配结构,碎石封层所用石料粒径范围有严格要求,即等粒径石料最理想。考虑到石料加工的难易程度及路面防滑性能的要求不同,可分2~4mm,4~6mm,6~10mm,8~12mm,10~14mm等5档,比较常用的粒径范围为4~6mm,6~10mm这两种,而8~12mm和10~14mm两档主要用于低等级公路过渡型路面的下面层或中面层。
碎石要求经过反击破碎(或锤式破碎)得到的碎石,针片状石料严格控制在15%以内,几何尺寸要好,不含杂质和石粉,压碎值小于14%,对石料酸碱性无特殊要求,并严格经过水洗风干。
(三)粘结层
对路面裂缝不仅要治理,还要实施有效的预防措施。同步碎石封层还可以做新建沥青路面下面层与上基层之间的覆层。若在沥青路面下面层与上基层之间加铺一层能承受很大应变而不破坏,能分散基层的收缩应力或应变,将由于车辆荷载产生的应力重新分布的应力吸收中间层,则能够有效防止或减少向上发展的反射裂缝。该应力吸收中间层同样可以设置在旧路面与新铺沥青混合料之间,能够有效减少旧路面的裂缝向上覆层扩散。该应力吸收中间层在国外称之为SAMI。。应力吸收中间层延缓反射裂缝的原理图如下:
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利用同步碎石封层技术进行的沥青路面应力吸收膜(SAMI)施工,在上基层与沥青下面层之间设置了一定厚度的碎石中间层,可以明显减小基层裂缝在沥青下面层底面引发的应力,因此能减轻甚至全部消除基层对沥青面层的反射裂缝。此种结构在法国、美国、澳大利亚、南非等地应用较多。国内许多公路上铺有试验段,效果良好。但对材料和施工要求较高。
结论:
沥青路面裂缝在我国公路网各种等级的公路上到处可见,是非常普遍的一种破损现象,要考虑裂缝损坏程度、交通量、路面类型等因素制定技术经济均合理的处治措施,这对延长路面的使用寿命是极其重要的。本文介绍的同步碎石封层技术是公路养护技术的重要革新,具有极强的耐久性、防滑性和防水性,在处治路面裂缝方面具有良好的成本效益和性能,它适用于各种公路、交通条件、气候。此外同步碎石封层设备还可用于以下道路施工工艺:
1. 高速公路、高等级公路路面养护
2. 高速公路、高等级公路下封层
3. 旧水泥路面改造为沥青路面的防水粘结层
4. 低等级公路、乡村公路建设
5. 桥面防水粘结层
6. 与稀浆封层/微表处结合施工-开普封层
同步碎石封层技术被公认是世界上耗能最低、性价比最高的公路建设和路面养护技术,这也是该项技术得以快速发展遍及世界的基础,这对我国尚处于发展中国家的国情也是十分适用的。
法国赛格玛(SECMAIR) 41型同步碎石封层机
参考文献:
孙祖望 长安大学工程机械学院 «筑路机械与施工机械化» 2004年第8期,22-24页 沥青路面养护维修技术的发展与新材料、新工艺、新技术的应用(一)
李富普 «石油沥青» 中国石化齐鲁石油化工胜利炼油厂中国石化沥青情报站 2005年第73期,1~6页 高速公路沥青路面的早期损坏与预防性养护
常魁/高群 «公路沥青路面养护新技术» 人民交通出版社 第四章 土工合成材料防治路面裂缝技术
郭忠印/李立寒 «沥青路面施工与养护技术» 人民交通出版社 第九章 沥青路面预防性养护管理与养护技术
