宜春原油投资协会

专用砂浆半柔性路面材料及其工程应用研究

沥青路面2019-01-10 12:47:14


摘要:马歇尔试验、车辙试验、浸水马歇尔试验及冻融劈裂试验结果表明:专用砂浆半柔性路面材料具有良好的高温稳定性和抗水损害能力。G78汕昆高速重载交通陡坡半柔性路面试验路段通车近2年,目前使用情况良好,验证了半柔性路面能够经受广东湿热重载交通的作用,具有良好的综合路用性能,可为长陡坡等特殊路段提供解决方案。

 

关键词:半柔性路面;专用砂浆;沥青混合料;路用性能;试验路段

 

半柔性路面是一种复合型路面,它是通过开级配沥青混合料之间的相互嵌挤作用和灌入的水泥砂浆共同形成强度。半柔性路面材料兼具水泥路面和沥青路面的特点。水泥砂浆使半柔性路面具有较大的刚性,高温稳定性和水稳定性相较一般沥青混凝土路面有显著提高;沥青混合料使半柔性路面具有一定的柔性和应力松弛能力,抗裂性能也比一般水泥混凝土路面更佳,可不设接缝以保证行车舒适度。

 

该文采用自行研制的专用砂浆作为灌浆料。该专用砂浆具有强度高、超大流动性、微收缩和开放交通快速的特点。由于砂浆强度高,采用该专用砂浆的半柔性路面具有更好的抵抗冲击和飞散的性能。

 

广东属典型湿热气候区,交通量大,大多数高速公路都有相当比例的长陡坡等特殊路段,怎样提高沥青路面高温稳定性成为道路工作者热切关注的问题。该文使用自行研制的专用砂浆作为半柔性路面材料,以提高广东省沥青路面的路用性能。

 

原材料

 

集料

 

集料为凝灰岩,粗集料规格组成为10~20、10~15、5~10mm3档碎石,细集料为0~3mm石屑,矿粉采用石灰岩。参照《公路工程集料试验规程》进行检验,结果合格。

 

改性沥青

 

采用PG-82改性沥青,参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》进行检验,符合《专用砂浆半柔性路面应用技术规范》的相关规定。

 

需要说明的是,采用PG-82改性沥青并非半柔性路面本身的技术要求,而纯粹是出于施工方便的考虑。从技术上考虑,半柔性路面高温稳定性提高主要是基于砂浆的刚性而非沥青改性,因此半柔性路面材料可以采用其他改性沥青,甚至普通石油沥青,以节省工程造价。

 

专用砂浆

 

专用砂浆是由水泥、砂和其他掺配料配制成干粉,与水混合后形成流动度大、强度高的水泥砂浆。研究所采用的专用砂浆为自行研制的路用砂浆,参照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》进行检验,结果符合《专用砂浆半柔性路面应用技术规范》的相关规定。

 

基体沥青混合料配合比设计

 

基体沥青混合料配合比设计应符合《半柔性路面应用技术指南》规定。

 

路用性能评价研究

 

通过马歇尔试验、车辙试验、浸水马歇尔、冻融劈裂等室内试验主要考察半柔性路面材料的高温稳定性和抗水损害路用性能。

 

马歇尔试验

 

采用上述基体沥青混合料配合比,参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》成型马歇尔试件后灌浆,参考水泥混凝土养生龄期分别养生3、7和28d,进行马歇尔稳定度试验。

 

可知:马歇尔稳定度随基体设计空隙率和养生龄期的增加而增大,3种基体设计空隙率的半柔性路面材料稳定度均为普通沥青混合料AC-13C的2倍以上,流值均小于AC-13C,表明半柔性路面材料高温下抵抗变形能力优于普通沥青混合料。

 

车辙试验

 

参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》成型标准车辙试件后灌浆,分别养生3、7d,进行车辙试验。

 

可知:动稳定度随基体设计空隙率和养生龄期的增加而增大,3种基体设计空隙率的半柔性路面材料动稳定度均为抗车辙性能优良的改性沥青混合料SMA-13的2倍以上,表明半柔性路面材料抗车辙能力较强。养护7d后,空隙率为25%、28%的半柔性材料动稳定度出现无穷大的情况,主要是由于高强度的专用水泥砂浆的存在,试验20min后试件变形已不再增加。

 

可知:半柔性路面材料高温稳定性优良,基体设计空隙率和养生龄期越大,高温稳定性越好。且形成强度的养生龄期短,可较快开放交通。

 

浸水马歇尔试验

 

成型标准马歇尔试件后灌浆,分别养生3、7和28d,进行浸水马歇尔试验。

 

可知:残留稳定度随基体设计空隙率和养生龄期的增加而增大。其中出现了残留稳定度大于100%的情况,是由于部分水泥砂浆没有完全硬化,长时间高温湿养让这部分水泥砂浆继续水化,致使浸水48h后稳定度反而高于浸水30min。故以浸水马歇尔试验表征半柔性路面材料的抗水损害能力存在一定的局限性。

 

冻融劈裂试验

 

成型标准马歇尔试件后灌浆,分别养生3、7和28d,进行冻融劈裂试验。

 

可知:劈裂抗拉强度随基体设计空隙率和养生龄期的增加而增大,3种基体设计空隙率的半柔性路面材料冻前和冻融后的劈裂抗拉强度均高于SMA-13,但冻融劈裂抗拉强度比在基体设计空隙率为25%时最大,表明半柔性路面材料抗水损害能力较强。

 

可知:半柔性路面材料水稳定性优良,基体设计空隙率和养生龄期越大,水稳定性越好。其原因是灌注的水泥砂浆使水较难渗入其中。

 

试验路段

 

为验证专用砂浆半柔性路面的工程应用效果,研究选取G78汕昆粤境北斗至清潭段高速公路为依托工程,在广东梅州往汕头方向纵坡为4%的上坡路段修筑专用砂浆半柔性路面试验段,探索专用砂浆半柔性路面施工工艺、质量控制方法,并进行跟踪观测。

 

试验路段结构方案

 

结合汕昆高速公路工程项目的实际情况,选取典型路段修筑半柔性路面试验段。此路段不仅交通流量大,且梅州往汕头方向大货车、重车比例非常高,为典型重载交通陡坡路段。根据“G78汕昆高速公路粤境北斗至清潭段沥青混凝土路面加铺工程设计后服务函”,选取汕头方向K98+592~K98+410作为“广东湿热重载交通条件下高速公路半柔性路面”结构层试验段,于2015年1月23日施工。

 

试验段的施工

 

半柔性路面的施工主要包括基体沥青混合料面层的铺筑和专用砂浆的浇筑两个阶段。

 

现场基体沥青混合料面层的铺筑施工与普通沥青混合料路面相同。由于混合料中细料少,应严格控制油石比和拌和及运输温度,避免沥青析漏。碾压时不宜采用轮胎压路机,以免表面空隙堵塞造成灌浆困难。

 

砂浆浇灌过程中应严格控制灌浆量。既要避免灌浆量不足使半柔性路面材料内部空隙填充不足导致路面发生早期松散破坏等病害,又要避免反复多次刮耙致使灌浆量过多而导致路表面构造深度丧失。施工过程中遇到过量灌浆使表面构造深度不足时应及时采取高压吹气、高压水冲洗表面、拉毛甚至刻纹等技术措施,以保证路面的构造深度和摩擦系数满足要求。

 

试验路段跟踪观测

 

2015年9月7日依计划对半柔性路面试验路段进行现场检测,检测项目主要包括:①路面破损状况调查;②路面承载能力测试;③路面填充率检测。

 

试验路破损状况。路面的破损状况调查,主要采用目测、仪具量测并结合拍照的方法,对路面的损坏类型、损坏程度及位置、范围等内容进行调查,在此基础上可以全面评价路面的使用状况。调查时,主要按照《公路技术状况评定标准》对汕昆高速公路车行道的各种病害进行了分类汇总。调查发现试验段的主要病害为:全路段主车道及超车道典型的反射裂缝。

 

路面承载能力检测。调查采用贝克曼梁法测定弯沉值并计算接缝传荷系数等指标的评价方法,对路面结构承载能力进行了综合调查。检测时采用标准车及贝克曼梁弯沉仪检测接缝的弯沉差。

 

弯沉检测结果表明:最大弯沉值位于K98+503,其值为30,最大弯沉差也位于K98+503处,弯沉差为30。根据规范,高速公路或者一级公路的沥青面层保证率系数为1.645,计算得出试验段的弯沉代表值为27.5,弯沉差代表值为21.2。路面承载能力满足规范要求。

 

路面取芯。通过对路面的钻芯取样,可以调查半柔性路面板的厚度、填充率等情况。采用100mm的钻芯机对检测路段进行随机取样,并对所取面层芯样按《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》测量厚度后,按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》对芯样进行最大理论相对密度试验,测定半柔性路面试件专用砂浆的填充率。

 

可知:①汕昆高速试验路段半柔性路面芯样厚度为64.1~98.3mm;②灌浆后的芯样空隙率小于6%,其结果符合《专用砂浆半柔性路面应用技术规范》的相关规定;③汕昆高速试验路段路面芯样填充率为92.2%~94.7%,符合《专用砂浆半柔性路面应用技术规范》的相关规定;④K98+420处所取芯样厚度小于设计值,该处路面损坏较为严重,表明半柔性路面材料的厚度是影响其路用性能的主要因素之一。

 

病害成因及分析。调查结果表明,半柔性路面试验段的主要病害为主车道与超车道的裂缝,这些裂缝均位于下卧层水泥混凝土路面的接缝处,为典型的反射裂缝。主要是此路段位于隧道入口处,原为水泥路面,加铺半柔性路面层时正值春运临近,工期十分紧张,同时,施工期间大货车数量多,交通压力巨大。因此,原旧水泥路面根本做不到逐板检测和灌浆换板处理,直接导致了板边、板角弯沉较大,板缝弯沉差较大。加之半柔性路面由于砂浆灌入刚性增加,多种因素造成了反射裂缝的更早更快发生。

 

其次,调查中发现试验段硬路肩由于行车较少未出现开裂,这一点也恰好说明反射裂缝是由于行车荷载作用形成的,同时表明半柔性路面材料具有较好的体积稳定性,在环境温度变化的作用下不会发生收缩开裂,专用砂浆半柔性路面具有足够的柔性而可不设接缝。也就是说,如果下卧层为沥青层或强度足够且均匀的水泥路面,反射裂缝完全可能推迟发生甚至可能避免。

 

结语

 

马歇尔试验、车辙试验、浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验等室内试验结果显示,专用砂浆半柔性路面材料具有良好的高温稳定性和水稳定性。G78汕昆高速重载交通陡坡半柔性路面试验路段通车近2年的使用情况良好,验证了半柔性路面能够经受广东湿热重载交通的作用,具有良好的综合路用性能,可为长陡坡等特殊路段提供解决方案。