水泥混凝土路面改建中应力吸收层混合料设计方法研究.pdf

公路交通技术2 0 1 2年 8月 第 4期T e c h n o l o g y o f Hi g h w a y a n d T r a n s p o r t A u g 2 0 1 2 N o 4 水泥混凝土路面改建 中应力吸收层 混合料设计方法研究 陈 维 ( 广东省高速公路有限公司， 广州5 1 0 1 1 0 ) 摘要： 在对应力吸收层混合料设计特点深入分析的基础上，总结旧水泥路面加铺沥青层 4大关键技术问题， 并详 细解释应力吸收层技术发展现状， 探讨应力吸收层混合料旋转压实剪切试验( G T M) 设计方法的优越性。 关键词： 道路工程； 水泥混凝土路面； 加铺沥青 文章编号 ： 1 0 0 9 6 4 7 7 ( 2 0 1 2 ) 0 4 0 0 1 3 0 5 中图分类号 ： U 4 1 6 2 1 6 文献标识码 ： B Re s e a r c h o n De s ig n Me t h o d s f o r Mi x t u r e s f o r St r e s s Ab s o r b in g L a y e r i n Re c O n s t r u c t iO n O f Ce me n t& Co n c r e t e Pa v e me n t s CHEN W e j 旧水泥混凝土路面加铺改造技术研究一直是各 国道路研究者关注的热点问题。本文提出的改建技 术方案是为保持 旧路面整体性 ， 采取板底下灌浆补 强 、 局部置换或修补等措施 ， 在旧水泥混凝土路面上 直接加铺沥青罩层。这种方式可充分利用 旧水泥混 凝土路面的结构剩余强度 ， 减薄加铺层厚度 ， 但其反 射裂缝 问题一直是公路界所面临的难题之一。反射 裂缝的存在不仅影 响路面结构的整体强度 ， 而且 由 于地表水沿反射裂缝 向下渗透 ， 致使面层逐渐失粘 脱落， 路基强度降低， 从而严重影响路面的使用寿 命。如果在旧混凝土路 面板和加铺 层之 间设 置夹 层 ， 不仅使沥青加铺层底面的应力或应变因偏离应 力集 中的接缝 ( 或裂缝 ) 端部而降低 ， 而且还可以改 善包括夹层在 内的加铺层结构 的抗弯拉和抗剪切能 力。应力吸收层是夹层的一种 。本文对应力吸收层 混合料设计特点进行 了深入分析 ， 探讨应力 吸收层 混合料旋转压实剪切试验( G y r a t o r y T e s t i n g M a c h i n e ， G T M) 设计方法的优越性。 1 防止及减缓反射裂缝的措施 在旧混凝土路面板和加铺层之间设置夹层是一 种重要的防止及减缓反射裂缝的措施。迄今所采用 的夹层种类很多 ， 大致可分为以下 3类 。 收稿 日期 ： 2 0 1 2 0 3 04 作者简介 ： 陈维( 1 9 8 0 一 ) ， 男 ， 上海市人 ， 硕士 ， 工程师 1 1 应力吸收夹层 在旧混凝土路面上设置 1 层高弹性低劲度的橡 胶沥青 软夹 层 ， 厚 15 m m， 模 量 约 为 1 01 0 0 M P a 。其作用为降低旧路面与加铺层之间的粘附阻 力 ， 使二者易于蠕动一 滑移 ， 从而减少温度下降引起 的反射裂缝； 同时， 由于其隔开了接缝( 裂缝) 端部， 也可以降低加铺层底面的荷载应力。 据 F r a n c k e n 分析 ， 软夹层对距面层底面 3 5 mm以上的加铺层以及位于接缝 ( 裂缝) 之间的加铺 层 内的荷载应力具有不 良影响 ， 使其应力 和应变 比 不设夹层 时有所增 大。B l a n k e n s h i p等 将一 种 由 高沥青含量 、 高聚合物改性沥青 、 细粒碎石组成的热 拌沥青混合料作为应力吸收夹层 ( 厚 2 5 m m) ， 这种 夹层可承受 2 0 0 0 弯拉应变荷载 1 0 0 0 0 0 次重复 作用 ， 其抗弯曲疲劳能力强 ， 且透水性较小 ， 可提供 高弹性 以抵抗和部分 吸收拉应力、 剪应力 和弯 曲应 力， 且在加铺层出现反射裂缝后， 夹层仍能保持与旧 路面的粘结和不透水 。 Mo l e n a a r 的研 究 结 果 表 明， 应 力 吸 收 夹 层 ( S t r e s s A b s o r b i n g M e m b r a n e I n t e r l a y e r ， S A M I ) 应具有 以下性能 ： 1 )抗剪。如果 S A MI 与 旧路面及加铺层 间粘层油的抗剪强度过低 ，S A MI 会过早 出现分层 现象， 致使加铺层很快开裂。2 )劲度。S A M I 的劲 度与其模量、 厚度有关 ， 如果 S A MI 劲度很低 ， 则在 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 4 公路交通技术 2 0 1 2丘 加铺层的底部会 引起很大应 变， 从 而导致加铺层开 裂 ； 反之， 如果 S A MI 劲度过高 ， 或者特别薄 ， 则温度 应力会被 1 0 0 传递 到加铺层 中， 达不到 防治反射 裂缝的效果 。3 )韧度。如果 S A MI 韧度太低 ， 则裂 缝将很容易在 S A MI 中扩展 ， 使 S A MI 不具有防治效 果或者只有部分效果。 1 2土工 织物夹 层 土工织物夹层包括聚丙烯或聚酯编织物以及聚 乙烯 、 聚丙烯或聚酯无纺织物。无纺织物厚约 0 4 4 mm， 模量约 1 01 6 0 MP a ， 临界应力 52 0 M P a ， 临界应变 4 0 1 4 0 。编织物厚度较薄 ， 约 0 4 0 7 mm， 模量较高 ， 约 4 0 01 5 0 0 MP a ， 临界应力和 应变分别为 4 01 4 0 M P a和 8 1 5 。无纺织物 夹层的主要作用与橡胶沥青应力吸收夹层相似， 而 编织物由于模量稍高， 对加铺层仅有少量加筋作用。 1 3格栅 格栅包括聚丙烯或聚酯土工格栅、 玻纤格栅和金 属格栅。土工格栅厚约 0 81 1 mm， 模量约 9 0 0 2 5 0 0 M P a ， 临界应力和应变与编织物相近。金属格 栅厚约 2 4 mm， 模量可达 8 0 0 01 0 0 0 0 MP a ， 刚 度大的夹层对于降低加铺层内因温度下降而引起 的 应力和应变的作用不如软夹层 ， 但对于降低因荷载 而产生的应力和应变的作用则远大于软夹层 。如果 采用复合式夹层 ( 即下层为应力 吸收层 ， 上层为金 属格栅) ， 虽然可以像 软夹层那样 减少温度引起 的 反射裂缝 ， 但仍存在不能降低加铺层的荷载应力。 应力吸收层可以全部或部分消减水泥混凝土板 收缩变形对上部沥青面层的影 响， 其最大特点是特 种聚合物改性沥青受力后产生的粘结流动是 以大分 子链段为单元的整体移动， 在一定的变形范围内， 这 种固有的流变特性使得应力吸收层在外力冲压 、 推 挤作用下能发生塑性变形 ， 从而可有效缓冲中、 上面 层与旧水泥混凝土路面形成的剪切变形。因此 ， 应 力吸收层是 目前国内外广泛采用 的一种防止反射裂 缝 的措施。 2 应力吸收夹层混合料设计特点 应力吸收夹层混合料的材料组成、 级配特性不 同于一般热拌沥青混合料 、 稀浆封层 、 沥青砂砾石。 其典型特征是集料细( 小于 5 m m) ， 矿粉用量大 ， 油 石比大 ， 空 隙率低 ， 饱 和度大 ， 细石料基本上悬浮于 沥青与矿粉形成的胶浆之 间， 与上下面层 的粘结性 较好 。 针对于应力吸收夹层沥青混合料 ， 国内学者也 在级配和结合料 2方面开展了广泛研究。广州大学 吴旷怀 在对应力吸收夹层沥青混合 料的研究 中， 选用粘弹性高的 S B S改性沥青 ， 进行应力吸收夹层 ( S A MI ) 沥青混合料配合 比设计 ， 并对其各项性能进 行了试验研究 和分析 。武汉理工大学廖 卫东 研 发出一种新型的 S A MP A V E应力吸收夹层改性沥青 结合料。并通 过参考 S T R A T A 应力 吸收夹层沥青 混合料设计 ， 提出相应 的体积指标 ， 并建议采用 6 0 贯入试验评价混合料 高温性能 和采 用半 圆弯拉 ( S C B) 疲劳试验评价混合料抗裂性 能。周燕 、 陈拴 发 、 刘丹等人 根据应力吸收夹层混合料 目标配合 比和生产配合 比变动很小的要求 ， 采用变 i 法并结 合我 国规范 、 美 国规范和科 氏推荐级 配对 S a mp a v e 混合料级配进行设计。李祖仲 、 陈拴发等人 通过 低温弯 曲试 验 、 拉 伸 和 拉 压 疲 劳 试 验 分 别 分 析 S a m p a v e应力吸收夹层沥青混合料抗裂 性能 、 拉伸 与拉压疲 劳性 能指 出， S a m p a v e特种改性沥青混 合 料具有优 良的低温抗裂 、 抗拉伸和抗拉压疲劳性能。 邢明亮等人 通过对 自主研发的 S a m p a v e特种改性 沥青 、 K o c h特种沥青 、 S B R改性沥青 的应力吸收夹 层混合料以及不同矿料级配的应力吸收夹层混合料 进行低温弯曲破坏和低温蠕变试验 ， 分析沥青结合 料和矿料级配对应力吸收夹层沥青混合料低温抗裂 性能的影响。 由以上分析可以看 出， 在应力 吸收夹层混合料 设计方面 ， 目前 国内还无成熟的设计方法可循 ， 对 于 其体积参数及控制指标 ， 现行沥青混合 料设计规范 中也没有作明确规定 ， 因此 ， 对于应力吸收夹层配合 比的设计方法 ， 目前还处于摸索阶段。 尽管 S u p e r p a v e 混合料设计方法在设计 时考虑 了混合料的路用性能， 但设计过程 中确定体积参数 时 ， 有些参数带有 经验性 ， 如矿料有效相对密度 、 有 效沥青含量 、 设计空 隙率等 。此外 ， 原 有 S u p e r p a v e 结合料规范并没有考虑改性沥青结合料， 因此， 在实 际工程应用 中应充分考虑 S u p e r p a v e设计方法用于 应力吸收夹层混合料的适应条件 。 在应力 吸收 夹层 配合 比设 计 时， 需 充 分结 合 S u p e r p a v e 结合料设计方法 的优点 和应 力吸收夹层 工程实际的特点 ， 主要考虑以下 4点因素。 1 )S u p e r p a v e 结合料设计方法一般是在 固定空 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 2年第4期 陈 维： 水泥混凝土路面改建 中应力吸收层混合料设计方法研 究 l 5 隙率( 4 ) 下估算 沥青 用量 ， 考虑 到应力 吸收夹层 工程的实际特点， 其空隙率应控制在 1 3 之 间。 2 )应 力 吸收夹 层集 料最 大公 称 尺寸 一般 为 4 7 5 mm， 其矿料级配与 S u p e r p a v e结合料级配存在 较大差别。迄今为止 ， S u p e r p a v e 设计方法还没有专 门涉及最大公称尺寸为 4 7 5 m m的混合料设计。 3 )应力吸收夹层是在实践中总结 出来的， 根据 其使用功能， 对材质 、 级配特性 、 沥青结合料、 油石 比 有特殊规定 。 4 )因为马歇尔试件成 型过程 与道路实际压实 有较大差异 ， 对于应力吸收夹层混合料 ，S u p e r p a v e 设计方法采用的旋转压实成型方法能较好模拟路面 的压实。 鉴于 S u p e r p a v e 设计方法采用 的旋转压实成型 方法 的优越性 ， 本文借鉴其设计理念对应力 吸收层 混合料进行配合 比设计。采用 S u p e r p a v e设计方法 推荐 的公式初估沥青用量 ， 并参考美 国科氏材料公 司提供的应力吸收夹层体积控制指标 ， 以及美 国部 分州和国内沥青加铺层 的工程实际 ， 对油石 比进行 调整 ， 在美国工程兵团使用 的旋转压实剪切试验机 G T M上成型试件 ， 测试体积参数 ， 以确定最佳沥青 用量 3 应力吸收夹层混合料 G T M设计方法 由于 目前高速公路上交通量不断增大 ， 车辆轮 胎荷载进一步提高 ， 致使马歇尔击实仪不足以提供 模拟现实路面使用状态下的各种性能。因为马歇尔 击实仪的击实功不够 ， 单纯增加击实次数并不能提 高压实效果 ， 且有时还会使石料产生击碎现象。从 力学分析角度看 ， 施工和使用状态下 的路面受到车 轮的碾压作用很少受到撞击作用 ， 而旋转压实仪 的 压实过程较接近路面的实 际压实状 态 ， 压实程度可 以达到最大理论密度 的 9 8 以上 ， 并且成型时可 以 通过压实次数或者试件 高度等进行控制 ， 并 能采集 每压实 1次时的试件高度 ， 以便对沥青混合料的体 积特性进行评价。由于旋转压实仪具有较好 的模拟 性和数据采集的便利性， 其已成为沥青混合料制件 中较理想的压实工具 ， 本文采用 G T M法对应力吸收 夹层混合料进行最佳用油量设计。 3 1 混合料设计参数确定 通过大量室 内试验研究 ， 最后采用 J T G F 4 0 2 0 0 4 4 公路沥青路 面施工技术规 范 推荐 的计算 法 来计算理论最大相对密度。 3 2 矿料级配确定 由于应力吸收夹层主要 以抗疲劳 、 抗变形 、 抗渗 性能为主 ， 故应尽可能使用较高 的沥青用量 。矿料 级配设计 时， 需使矿料级配曲线远离最大密度 曲线 ， 以提高矿料 间隙率 ； 为增强抗疲劳 、 抗裂性能 ， 矿料 空隙率不宜过大， 以 0 5 一 2 5 为宜。矿料级配 范围见表 1 ， 实验室采用 的工程级配见表 2 。 表 1 应力吸收夹层混合料级配范 围 注： 为美 国科 氏沥青材 料公 司推荐 的混合料级 配 范 围。 表 2实验 室采用 的工程级配 3 3 GT M 试验及其体积参数测定 测试所选择 的矿料毛体积密度和表观密度 ， 并 逐级回配得到配合比所需的称量， 最少需要4组试 件 ( 4组 试 件 的沥 青 含 量 分 别 为 8 0 、 8 5 、 9 O 、 9 5 ) ， 每组 2个试件 ， 每个试件集料与沥青 的总重为 4 8 0 0 g 。计算得出所用沥青用量下的最 大理论密度如表 3所示。 试验过程如下 ： 将配好的集料试样放入拌和温 度下的烘箱中保温 2 h ， 沥青放人另一烘箱中预热至 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 6 公路交通技术 2 0 1 2血 拌和温度 。将搅拌锅 的温度调 节并控制在 拌和温 度 ， 混合料拌和时间约为 3 ra i n 。混合料拌和好后 ， 将其均匀铺在浅平盘 中， 约为 4 5 g c m ， 然后将盛 有混合料 的盘放入压实温度下的通风烘箱中强制老 化 2 h ， 且每 h搅拌 1 次 。压实第 1个试件前约4 5 6 0 m i n ， 把压实试 模和底压板放进设定在压实温度 的烘箱中预热。从烘箱 中取 出试模和底板 ， 把底板 放入试模 中， 同时放 1张纸片， 然后将经短期老化到 压实温度的混合料分 3次装入试模 中整平 ， 再放 1 张纸片在整平 的混合 料顶面 。将试模放进 压实机 内， 对中并启动系统开始旋转压实。压实结束后 ， 升 起加载头并从压实机 中取出装有压实试件的试模 ， 冷却 5 rai n后脱模并标记试件。 表 3 工程级配最大理论密度 沥青 含量 8 0 8 5 9 0 9 5 最大理论密 ( g c m。) 2 3 3 4 2 3 1 7 2 3 0 1 2 2 8 5 试验采用 G T M进行旋转压实 ， 旋转压实次数为 5 0次 ， 绘制各沥青用量下 的旋转压实次数与旋转压 实高度的关系曲线 ， 如图 1所示 。由试验发现 ： 随着 旋转压实次数的增加 ， 试件压实高度不断降低 ， 表明 混合料逐渐压密， 但 随着压实次数增加压密作用效 果逐渐下降 ， 且沥青用量不 同其压 密难易程度也不 相 同， 沥青用量越多越容易压密。 l 9 l 3 l 7 2 l Z 2 3 3 3 7 4I 4 5 4 9 压实次数 图 1 不同沥青用量下压实次数与压实高度对比图 从图 1 可以看出： 1 )随着压实次数的增加， 压 实高度逐渐减小 ， 旋转 压实在 3 0次 以内( 除 8 0 外) ， 随压实次数 的增加 ， 空隙率急剧减少 ； 旋转压 实在 3 0 次以后， 空隙率降低减缓； 旋转压实在 4 5 5 0次之间时 ， 空 隙率变化很小 ， 说明确定最大旋转 压实 5 O次是合理的 ； 2 )尽管试件 开始压实高度不 同 ， 但随着压实次数增加 ， 沥青用量越大 ， 最终 的压 实高度也越大 ， 表明混合料 的实 际毛体积密度 随油 量增加逐渐减少。 达到设计压实次数后 ， 试件压实高度变化不大 的沥青用 量接 近最佳 沥青 用量 ， 即图 1中所 示 的 9 O 沥青用量。 3 4 试件体积参数测试 将试件在室温下静置 2 4 h后 ， 用排水容器法分 别测试装满水和装有试件时容器的质量 、 试件饱 和 面干时的质量 ， 计算方法同水中重法相似 ， 得出 目标 控制空隙率 ( 1 6 ) 下 的最佳沥青用量和相应 的混 合料体积参数 ， 如图 2 4所示。 21 O 2 0 8 蔷2 0 6 星2 0 4 2 0 2 2 0O 75 8 8 5 9 9 5 1 O 沥青用量 图2 矿料间隙率与沥青用量关系曲线 7 5 8 8 5 9 9 5 1 O 沥青用量， 图 3 饱和度与沥青用量关系 曲线 40 3 O 2 0 l -0 O0 75 8 8 5 9 9 5 沥青用量， 图4 空隙率与沥青用量关系曲线 0 O O O O 0 罟 8 8 6 4 2 0 8 6 4 2 恒 幽 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 2年第 4期 陈 维： 水泥混凝土路 面改建 中应力吸收层混合料设计方法研 究 1 7 以 1 6 空隙率作为控制 指标 ， 寻找工程 级配 在此空隙率下的沥青用量。利用图4所示多项式 回 归方式绘制级配矿料空 隙率 与沥青用量 的关 系 曲 线 ， 用 回归方程计算 出空隙率为 1 6 时 的沥青含 量为 9 0 。通 过检验 ， 矿料 间隙率 和饱 和度均满 足设计标 准要求 ， 因此 初步 确定最 佳沥 青含 量为 9 0 4结语 结合 旧水 泥混凝土路面 加铺 沥青层 的技术要 求 ， 在对应力吸收夹层混合料设计特点深入分析 的 基础上 ， 探讨了应力吸收夹层混合料 G T M设计方法 在水泥混凝土路面加铺沥青层 中的应用 。研究了旋 转压实次数和试件高度 的关 系， 以 目标空 隙率 1 6 作为控制指标 ， 利用级配矿料空隙率与沥青用 量回归方程式寻找工程级配在此空隙率下的沥青用 量 ， 最终得到最佳沥青用量为 9 0 。 参 考 文 献 1 F r a n c k e n L ， V a n e l s t r a e t e A I n t e r f a c e S y s t e m s t o P r e v e n t R e f l e c t i v e C r a c k i n g ： Mo d e l i n g a n d E x p e r i me n t a l Te s t i n g M e t h o d s C P r o c o f 7 t h I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n As p h a l t Pa v e me n t s Re s t o n： ACSE， 1 9 9 2 2 B l a n k e n s h i p P ， I k e r N， D r b o h l a v J I n t e r l a y e r a n d D e s i g n C o n s i d e r a t i o n s t o Re t a r d Re f l e c t i v e C r a c k i n g J J o u r n a l o f Tr a n s po r t a t i o n Re s e a r c h Re c o r d， 2 0 0 4，1 8 9 6：1 7 7 1 8 6 3 M o l e n a ar A A A，He e r b e n s J C P E f f e c t s o f S t r e s s A b s o r b i n g Me m b r a n e I n t e r l a y e r s J P r o c e e d i n g s o f A A P T， 1 9 8 6 ( 5 5 ) ： 2 0 6 - 2 1 9 4 吴旷怀 应力吸收夹层沥青混合料设计研究 J 公路 交通科技 ， 2 0 0 6 ， 1 2 ( 2 3 ) ： 1 8 2 0 5 廖卫东 基于应力吸收层的旧水泥混凝土路面沥青加 铺层结构与材料研究 D 武汉 ： 武汉 理工大学 ， 2 0 0 7 6 周燕， 陈拴发 ， 刘丹， 等 S A MP A V E沥青混合料级 配设计研究 J 郑州大学学报 ： 工业 版 ， 2 0 1 0 ， 3 1 ( 1 ) ： 3 0-3 3 7 李祖仲， 陈拴发， 张登 良， 等 应力 吸收层材料拉伸与 拉压疲劳试验 J 公路， 2 0 0 7 ( 1 0 ) ： 1 9 0 1 9 4 8 邢明亮， 李祖仲， 陈拴发， 等应力吸收层沥青混合料 的低温抗裂性能 J 河北工业大学学报， 2 0 0 9， 3 8 ( 6) ： 6 8 7 2 O o o 0 0 ( 山区公路 网安全保障技术体系研究通过验收 2 0 1 2年 7月 1 4 1 5日， 交通运输部公路局在北京主持召开了“ 十一五” 国家科技支撑计划项 目 山区公 路网安全保障技术体系研究与工程示范 ( 课题编号： 2 0 0 9 B A G 1 3 A 0 2 ) 技术成果验收会。该项 目由国家科技 部 、 公安部 、 交通运输部共同启动实施 。项 目参研单位包括交通运输部公路科学研究 院、 重庆交通科研设计 院、 中交第一公路勘察设计研究院、 中交公路规划设计研究院 、 同济大学、 长安大学等国内 1 4家知名研究单 位和大学。其中， 由重庆交通科研设计 院承担的四个专题项 目取得如下创新成果 ， 并通过技术验收。 1 )针对山区公路隧道行车安全的关键控制因素 ， 开发了全国典型公路隧道数据库管理系统； 2 )提出了基于熵权云物元分析 的公路隧道安全评价方法 ， 建立 了公路 隧道安全评价指标体系 ， 开发 了 公路隧道( 群 ) 运营安全性评价系统软件 ； 3 )提出了公路隧道安全分类管理体系架构 ， 编制了隧道防灾救灾 的组织规程和防灾救援预案 ， 开发 了 公路隧道交通安全预警系统软件 ； 4 ) 对现行的 公路隧道设计规范 、 公路隧道通风照明设计规范 和 公路隧道交通工程设计规范 中 与隧道运营安全相关的技术指标开展 了分析研究 ， 提出了隧道线形、 横 断面和紧急停车带等设置要求 ， 修改 了公路隧道卫生标准 、 C O、 烟雾基准排放量 的折减率 ， 建立 了基于公路服务水平的隧道通风系统计算方法 ， 开发了洞外亮度 。 ( s ) 测试方法 、 隧道照明设计方法 ， 提 出了洞外亮度取值和长短隧道照明指标 、 以及不 同 光色光源及新型光源照明设计标准要求。( 老关) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m