土工布在舊水泥混凝土路面改建中的應用

摘　要　依托同三公路常安至哈爾濱段舊水泥混凝土路面改造的工程實踐,分析了舊水泥混凝土路面加鋪層反射裂縫的成因,闡述了土工布施工工藝及其注意事項,并對土工布的應用效果進行了評價。

關鍵詞　舊水泥混凝土路面;瀝青加鋪層;土工布;反射裂縫;控制

分類號　U418. 8

　　自20世紀80年代以來,我國不斷加大對高等級公路的建設力度,使得公路網(wǎng)總體水平逐漸提高。截止2004年底,全國公路總里程已達到187萬km,其中高速公路里程達3. 4萬km,居世界第二位。但隨著公路運營時間的增加,在行車荷載和自然因素(水、溫度等)的反復作用下,路面的狀況在不斷下降,其表面功能和結構強度在不斷衰變,逐漸產生各種各樣的損壞,公路需要不斷地養(yǎng)護、維修和改建。此外,公路在使用過程中,由于交通量日益增大、車輛超載嚴重及養(yǎng)護不當?shù)确矫娴脑?公路也出現(xiàn)了早期損壞。上述原因直接影響到公路的暢通、運輸效率以及行車舒適性;因此,在盡量降低工程投資的前提下,如何對現(xiàn)有舊路進行改造、維修和升級,已成為一個長期的技術課題。

　　公路改擴建工程是一項繁雜的系統(tǒng)工程,國內外的同行無論是從理論還是工程實踐上,均進行了許多有益的探索,得到了許多寶貴的經(jīng)驗;但由于各地區(qū)乃至各條公路破損的原因各不相同,加之設計理念以及施工管理的不同,所采用的改造方案也就不盡相同。為了更好地總結經(jīng)驗,筆者對同三公路常安至哈爾濱段改建工程土工布的應用進行了歸納和整理,力求為今后改擴建工程提供參考。

1　舊路面現(xiàn)狀與評價

　　常安至哈爾濱段改建工程,起迄樁號為K484 + 500 -K567 + 221,全長82. 842 km,該段舊路面類型為水泥混凝土路面。其結構為22 cm厚水泥混凝土面層+ 18 cm厚5%水泥穩(wěn)定砂礫(或5%水泥穩(wěn)定風化砂礫碎石) + 18 cm厚4%水泥穩(wěn)定風化砂礫或石渣;潮濕路段設20 cm砂礫墊層, 1997年通車。經(jīng)過8 a運營,路面整體服務水平與初期相比已大大降低,水泥混凝土面板整體損壞十分嚴重(特別是佳木斯至哈爾濱方向) ,局部路段斷板、唧泥、錯臺、斷角、沉降現(xiàn)象較嚴重。

　　依據(jù)《公路水泥混凝土路面養(yǎng)護規(guī)范》規(guī)定,采用路面狀況指數(shù)(調查路段的路面總破損狀況)和斷板率(調查路段的路面結構破損狀況)來評定破損狀況。評定標準分為5個等級(見表1) 。

　　測算結果顯示:平均路面狀況指數(shù)為62. 5,路面狀況等級評定為“中”; 斷板率達40% , 路面斷板率等級評定為“差”。由此可見,路面總體現(xiàn)狀已不利于車輛正常行駛,需對舊路面進行改造維修。

2　瀝青混凝土加鋪層反射裂縫成因

　　本次改建工程綜合國內外的經(jīng)驗,采取在水泥混凝土面板上加鋪瀝青混凝土,因此,反射裂縫的控制成了改建能否成功的關鍵。

　　舊水泥混凝土面板和其上的瀝青加鋪層組成的是一種特殊的路面結構。根據(jù)斷裂力學的觀點,產生反射裂縫的內部原因主要是由于舊水泥混凝土路面的裂縫或接縫作為原始的缺陷存在,引起瀝青混凝土的應力集中造成的。瀝青加鋪層反射裂縫的擴展模式主要有2種:剪切型反射裂縫及張拉型反射裂縫(見圖1和圖2) 。交通荷載及溫度作用是引起反射裂縫的兩大因素。剪切型反射裂縫通常由交通荷載引起。車輪荷載駛經(jīng)接縫(或裂縫)時,在車輪偏荷載的作用下,接縫(或裂縫)兩側的板端出現(xiàn)彎沉差,使接縫上方的瀝青混凝土加鋪層承受較大的彎拉應力和剪切應力。此彎拉應力和剪切應力若超過瀝青混合料的彎拉強度或抗剪強度,在接縫(或裂縫)處就會出現(xiàn)反射裂縫。舊混凝土板越薄,接縫(或裂縫)的傳荷能力越弱,基層的剛度越小,則輪載作用下的彎沉差越大,瀝青混凝土加鋪層出現(xiàn)反射裂縫的機率就越大,在大軸載、大流量的車輛荷載長期反復作用下,反射裂縫會加速出現(xiàn)。

　　溫度變化可引起張拉型反射裂縫。瀝青混凝土加鋪層粘附在舊面層板上,舊面層板因溫度下降而收縮時,由于舊面層板與加鋪層的層間粘附阻力,瀝青混凝土加鋪層也會相應出現(xiàn)收縮變形。混凝土板的收縮在兩條接縫(或裂縫)內進行,混凝土板降溫時會導致接縫(或裂縫)上方的瀝青混凝土加鋪層內出現(xiàn)較集中的拉應力。此時拉應力若超過瀝青混合料的抗拉強度,加鋪層便出現(xiàn)開裂。拉應力隨舊路面層板的收縮變形量和混凝土板與加鋪層間的粘附阻力大小而變化。接縫(或裂縫)間距越長,舊面層板與加鋪層底面間的摩擦阻力越大,板平均溫度下降量或下降速率越大,混凝土板與瀝青加鋪層之間的粘附作用越強,則瀝青加鋪層內出現(xiàn)的拉應力越大,瀝青加鋪層開裂的機率就越大。

　　反射裂縫一般先出現(xiàn)在輪跡處,然后再向兩側發(fā)展,初期時對路面的使用性能影響不大;但隨著雨水或雪水的浸入及瀝青的氧化,裂縫兩側的路面結構層,特別是裂縫附近的土基含水量加大,甚至飽和,在大量行車荷載反復作用下,產生動水壓力。由于水泥穩(wěn)定砂礫基層抗沖刷能力較低,舊水泥混凝土路面便出現(xiàn)唧泥現(xiàn)象,水泥混凝土板底脫空,垂直相對位移加大,路面結構的承載能力大幅下降,路面加速破壞,使用功能喪失,使用壽命縮短。因此,瀝青加鋪層反射裂縫的控制成為舊水泥混凝土路面改造的最重要技術問題。

3　常安至哈爾濱段改建工程設計方案

　　常安至哈爾濱段改建工程采用了綜合處理方案:瀝青加鋪層上面層采用SBS改性瀝青,中上面層調整了混合料的級配,采用骨架密實結構,設置了土工布夾層,舊混凝土板采用蘭派破碎,對病害嚴重路段的舊路面進行了處理[ 1 - 2 ]。

　　根據(jù)對原水泥路面板塊破損調查記錄,并結合路基、路面檢測結果,對本項目的原水泥砼路面采取2種處理方式: ①挖除舊路面面板或全部基、面層; ②將原面板進行破碎后作基層。

3. 1　舊水泥混凝土路面板塊挖除處理

　　挖除舊路面路段: ①在路面調查中,路面被評定為病害嚴重,裂板率> 28,且板塊嚴重破碎、沉陷及唧泥頻繁發(fā)生路段;②主線上跨橋梁橋頭兩側設置的過渡段。

　　在原水泥路面挖除后,對基層及土基現(xiàn)狀進行相應的判斷,提出處理方案: ①原基層整體性好,無明顯破損,測其回彈模量,若低于160MPa,用C15混凝土進行補強,直至滿足要求(即換板處理) ; ②基層強度差、承載能力較低、損壞嚴重路段,對基層進行開挖重做路面,基底做碎石樁處理和設置路面墊層。

3. 2　將原面板進行破碎后作基層

　　為了盡量減少原板塊對上面層的反射裂縫,簡化施工程序,加快施工進度,對其余原混凝土路面板塊進行破碎。原面板破碎前處理:在整段路面破碎前,根據(jù)路面調查資料及檢測資料,目測破碎、沉陷、唧泥嚴重的單獨或連續(xù)幾塊路面板塊,將原板塊進行挖除,對基層、底基層處理方法與挖除原面板處理方式相同,再澆筑混凝土至原路面相同標高。水泥混凝土板破碎方案:舊路面板塊及基層處理完畢之后,進行舊砼板的破碎。采用蘭派沖擊破碎技術。利用蘭派設備對原有混凝土路面進行打裂和壓穩(wěn),以解決板底脫空問題,減少反射裂縫并穩(wěn)定原路面。

3. 3　路面結構組合

　　舊水泥混凝土路面段共分為3種結構組合。結構組合1:利用舊路面結構強度,將原混凝土路面沖壓破碎作為基層,對于路面完整、脫空少、路面狀況等級評定為“優(yōu)良”以上的路段按結構組合1加鋪(見圖3) 。

　　調平層的鋪設原則:當調平層的厚度大于3 cm時,多出的部分h與底面層AC - 20Ⅰ型瀝青混凝土合并鋪筑,防反射裂縫土工布鋪在瀝青混凝土調平層之上。

　　結構組合2:利用舊路面結構強度,將原混凝土路面沖壓破碎作為基層,對于路面完整、脫空少、路面狀況等級評定為“中”以上的路段按結構組合2加鋪(見圖4) 。

　　調平層的鋪設原則:當調平層的厚度大于3 cm時,多出的部分h與底面層AC - 25Ⅰ型瀝青混凝土合并鋪筑,防反射裂縫土工布鋪在瀝青混凝土調平層之上。

　　結構組合3:將原混凝土路面挖除,底基層采用30 cm厚的5%水泥穩(wěn)定砂礫碎石,基層采用20 cm厚的6%水泥穩(wěn)定砂礫碎石,面層為17 cm瀝青混凝土,基層頂面與舊路面同高(見圖5)。

4　土工布的應用

　　為防止反射裂縫,在設計上采用了polyfeltPCTM14 土工布作夾層,進行防反射裂縫。它具有造價低、施工簡便、加固效果好等優(yōu)點。

4. 1　作用機理

　　在瀝青加鋪層與舊水泥混凝土路面之間設置土工布中間夾層,可起到應力吸收層的作用,是防止反射裂縫的一種有效措施,其主要作用機理如下: ①土工布浸透瀝青可以有效防止地表水滲入舊面板,避免出現(xiàn)舊基層滲水而使其承載力下降;②由于土工布浸透瀝青可有效地防止地下水滲入界面,減少瀝青加鋪層在反射裂縫處發(fā)生剝離破壞,避免出現(xiàn)坑洞現(xiàn)象;③土工布夾層材料可控制水泥混凝土板溫度升降,減小水泥混凝土板位移量; ④土工布具有較大的延伸性,舊水泥混凝土裂縫位移可通過土工布使應力擴展至更寬的范圍,從而緩解了裂縫處的應力集中。

4. 2　施工技術要求

　　層面準備:土工織物加鋪在瀝青砼調平層與底面層之間,按路面寬度全幅鋪放。首先要清潔路面,使其上沒有雜物,必要時可用水清洗,在噴黏層油前表面要保持干燥[ 3 - 4 ] 。

　　噴灑黏層油。使用噴灑型SBS改性乳化(代號PCR)瀝青作為黏層油,瀝青應滿足SBS乳化改性瀝青技術要求(見表2) ,用量為1. 6～1. 8 kg/m2 ,采用2次噴油法,在布下噴0. 4～0. 5kg/m2 ,在布上噴1. 1～1. 3 kg/m2。分3幅噴灑,兩側用4個噴油嘴,中間用6個噴油嘴,噴灑寬度應比鋪面織物寬出約1. 5 cm。噴灑時氣溫要在10 ℃以上,雨天和雨后路面潮濕時不得灑黏層油。

　　噴灑段不宜超過300 m,縱坡過大段不宜超過150 m (防止改性乳化瀝青過量流淌) ,粘層油噴灑要均勻,路面不得有瀝青流淌,過量粘層油要刮除。

　　鋪放polyfeltPGM14土工織物。鋪放時應使自然面朝上,可用鋪設設備或人工鋪設。機械壓力要低,行駛盡量沿直線,以保證織物平直不起皺。要在土工織物中心插入輕金屬管,防止其彎曲。拉平所有褶皺。鋪設土工織物時,要保證卷材距地一定高度,當土工織物被張拉平直后再與黏層油黏合,并用膠輪壓路機碾壓至少3遍(往、返算1遍) ,注意兩側邊緣壓實問題。當黏合了的土工織物出現(xiàn)大于1. 3 cm的皺折時,要用刀將其割開,并沿鋪設方向搭接。在邊緣和道路轉彎處鋪設織物時,如果有大的褶皺應在織物的內側呈三角形將其割開,并沿鋪設方向拉平壓實。

　　鋪石屑。織物與黏層油充分結合后,在其上撒布石屑,石屑用量取決于織物表面的泛油情況,一般1 000m2 用量為3～5m3 ,用膠輪壓路機壓實至少3遍后掃除多余的石屑。

　　需要注意如下事項。①土工布要保持干燥,如被雨淋,則要將其全部曬干方可鋪設。②當用于粘接土工布的改性乳化瀝青破乳后,再做上面層;在土工布處于飽和狀態(tài),改性乳化瀝青尚未破乳時不要在其上面行車。③在鋪設好的土工布上車輛不要調頭或急剎車。④在攤鋪面層過程中,攤鋪機前過量泛油的部分,用人工隨時加灑石屑,防止攤鋪機鏈軌在土工織物上打滑。⑤在施工之前要對工人進行必要的安全和技術培訓。

5　效果評價

　　2006年2月,竣工后第一個冬季指揮部對哈同舊路大修后的哈爾濱至常安段土工布裂縫進行了調查,其調查結果見表3和表4。由調查結果可以看出,瀝青混凝土調平層之上土工布的鋪筑能有效預防下部舊路面板引起的反射裂縫,使裂縫的平均間距增長較大,有效地改善了加鋪層的路用性能。

6　結論

　　土工布浸透瀝青可有效地防止地下水滲入界面,減少瀝青加鋪層在反射裂縫處發(fā)生剝離破壞,避免出現(xiàn)坑洞現(xiàn)象。采用土工布施工具有速度快、質量高、工程成本低和環(huán)境污染少等優(yōu)點,其經(jīng)濟效益明顯。舊混凝土路面板的結構層全部被利用,成為新路面結構層中的一個層次,從而能大大降低了工程造價。瀝青混凝土調平層之上土工布的鋪筑有效預防下部舊路面板引起的反射裂縫,使裂縫的平均間距增長較大,有效地改善了加鋪層的路用性能。

　　綜上所述,采用土工布技術來控制反射裂縫,對舊水泥混凝土路面技術改造工程是適用的,具有極大的使用和推廣價值。

參　考　文　獻

　　[1] 　閆寶杰,陳榮生. 城市水泥混凝土路面改造工程中破裂穩(wěn)固技術的應用[ J ]. 公路交通科技, 2005, 22 (12) : 20 - 22, 34.

　　[2] 　蘇衛(wèi)國,盧輝. 舊水泥混凝土路面應用沖擊壓實技術后的裂縫和沉降效果分析[ J ]. 中外公路, 2004, 24 (1) : 65 - 68.

　　[3] 　公路瀝青路面施工技術規(guī)范JTG F40 [ S]. 北京:人民交通出版社, 2004.

　　[4] 　趙曉雷. 佳哈高速公路大修改建工程路面施工作業(yè)指導書[M ]. 哈爾濱:黑龍江人民出版社, 2005.