土工合成材料在沥青路面的运用及施工工艺
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摘要:随着交通运输能力的快速发展,对路面使用性能的要求越来越高,但是目前沥青混凝土路面还存在着种种问题,为了更好的确保工程质量,新材料的出现以及技术的发展很大程度上促进了我国路用土工合成材料产品的不断发展。本文就土工合成材料在沥青混凝土路面的应用及施工工艺方面展开探讨。
关键词:土木合成材料 运用 施工工艺
一、目前我国沥青路面存在的问题
沥青路面以其行车舒适、噪音低、扬尘少、易维修等优点已占据我国公路建设的主导地位。然而,其中存在的弊端随着车辆的不断增加和人们过往的日益频繁,严重影响了沥青路面的使用效果。
一是使用寿命短,目前我国的沥青混凝土路面中使用寿命较长的为8年～12年,普遍短于设计使用寿命的15年～20年,再加上由于自然环境的影响和运行状况不良等因素,有的路面甚至刚刚使用了3、5年就需要整体翻修改造。费工费料不说,还严重影响人们的生活正常秩序。
二是路面的早期破坏严重,有的新路面开通后短的2、3年之内,长的8年左右就出现坑糟、开裂、车辙、剥落、泛油、抗滑性能不足等病害而需要维修。这些原因,除了交通量增长过快,重载、超载严重,使道路长期处于超负荷运转状态以外,主要是设计和施工方面的原因,比如材料(沥青、骨料等)性能差,导致路面抵抗拉应力(如冷热、干湿的胀缩应力、荷载弯拉与疲劳应力、反射裂缝的扩张应力等)、剪应力、渗水和粘结老化等能力相对不足。
以上两方面的弊端非常严重地影响了行车的舒适性和行车的安全性。可想而知,路况差,必然增加行驶难度,造成驾驶人员紧张,降低运输效率,增加油耗,直接影响市政道路运输和经济发展,并带来不良社会影响。
二、土工合成材料的类型
“土工合成材料”是从80 年代后期兴起的早期称之为“土工布”、“土工织物”、“土工织物与土工膜”等系应用于土木工程中的合成纤维织物的统称。随着高分子化学工业的飞速发展合成纤维新品种和高分子合成新材料均不断出现这些新型材料已超越“织物”的范畴其产品或组合产品均相继在岩土工程中得到广泛的应用故而统称为“土工合成材料”。目前应用于强沥青路面的土工合成材料主要有塑料格栅、玻璃纤维格栅和土工织物。
(1)塑料格珊和玻纤网均为网状结构,在沥青路面中作用机理也完全相同。所不同的是塑料格栅刚度较小,延伸性较大,在路面结构中能够以较大的变形吸收应力,从而减少应力集中;玻璃纤维网刚度较大,且本身强度很高,能够依靠自身的刚度扩散应力分布范围,承受较大的应力。
(2)土工织物是透水性的平面土工合成材料。按制造方法分为无纺(非织造)土工织物和有纺(织造)土工织物。无纺土工织物是由细丝或纤维按定向排列或非定向排列并结合在一起;有纺土工织物是两组平行细丝或纱按一定方式交织而成的织物。
(3)玻纤聚酯防裂布是玻璃纤维和聚酯纤维的混合物,利用玻璃纤维的强度和聚酯纤维的柔韧特性生成的防裂布,提高了二种原料的优点,弥补了单一材料的缺陷。防裂布通过与沥青材料热熔后形成的一个结构层,具有防水耐热和耐腐的物理特性,并具有膨胀系数低,韧性好。
三、土工合成材料在沥青路面中的运用
据国外统计数据,公路工程中应用的土工合成材料已占其全部用量的1/3以上。我国从上个世纪80年代,就在各地陆续开展了土木合成材料在路面工程中应用的现场试验。迄今为止应用于强沥青路面的土工合成材料最广泛的主要是塑料格栅、玻璃纤维格栅、土工织物和玻纤聚酯防裂布。
(1)选择合适的土工合成材料
在一般车辆荷载作用下,公路三层结构的动稳定度基本上取决于表层,而与中、下层关系不大。在目前广泛使用重交通道路沥青和规范规定的混合料骨料级配条件下,如果在面层下部或底面合理采用适合的土工合成材料,既可提高面层的抗裂、防渗性能,还可以对基层或路基承载能力的提高发挥作用,不仅能够相对节省造价和不增加施工难度,而且维修周期将有效延长,破损程度也将减轻。
比如纯水泥混凝土承担更高荷载作用时,如果只考虑水泥的力学性能或骨料的配合比而不加入适当的钢筋(高分子聚合物等非金属)来承担它工作中过大的拉、压、剪应力,那么它至今也不会获得如此广泛的应用。
根据以往实践经验和国家标准《土工合成材料应用技术规范》(GB 50290-98)第7.6节及交通部标准《公路土工合成材料应用技术规范》(JTJ/T019-98)第七章规定,为了减少或延缓新建道路基层(因干缩作用)或旧路面(各种拉应力作用)已有裂缝向上新铺面层反射,可以选用非织造针刺土工织物,其单位面积质量(g/)不大于200,极限抗拉强度不小于8kN/m,耐温性宜在170℃以上。也可选用玻纤网,其孔眼尺寸宜为沥青混凝土面层的混合骨科最大粒径的0.5～1.0倍,极限抗拉强度应大于50kN/m,最大负荷延伸率不大于3%.不过二者在面层下面实际所起的作用机理和效果是多方面的,既有相同但又有区别。
(2)玻璃纤维材料的应用
近年来刚刚出现的玻璃纤网具有高抗拉强度和摸量,无长期蠕变且热稳定性好,表面经处置后与沥青相容性、材质的化学稳定性和望个嵌锁骨料的作用均较好。因此它铺在沥青混凝土面层下部或底面时,能使面层抗变形能力增强。同时由于它摊铺的面积一般较大,有时是在整路段全铺,面层上轮轴荷载带来的压力、次生弯拉应力、箭力以及温度拉应力求会在界面变形相容条件下转由它承担,并通过它在其覆盖范围内得到扩散,从而使面层抗疲劳强度获得提高、抗车辙及鼓包能力增强,同时还可减少弯沉值。
2004年,广(州)至惠(州)高速公路K75+150～K84+940段路基设计宽为35 m,沥青路面为双向4车道。路面基层验收过程中发现局部路段出现了纵横交错裂缝。从抽芯检查情况看,裂缝深度已贯穿整个上基层,属于不正常的基层质量问题。初步分析认为施工不规范产生裂缝。处理方案采用了莱芜市土工合成材料有限公司生产的玻纤格栅,规格为BJG50―50。广惠高速公路全线通车已近7年,经过日晒雨淋、车载运行,从目前通车情况来看,玻纤格栅处理基层裂缝效果较为理想
(3)半刚性基层沥青路面的施工技术
当前,特别是在等级较高的公路由于是由石灰土、水泥稳定粒料、二灰稳定土(粒料)等作为基层或底基层。其半刚性基层刚度较大,受温度影响容易产生收缩裂缝;同时,半刚性基层在施工之后由于水分变化也易产生干缩裂缝。这些裂缝在半刚性基层成型过程和使用中,不但不会减少,而且会变得越来越严重。在交通荷载和环境因素的长期综合作用下,这些裂缝逐渐扩展至沥青面层,这种裂缝常被称为反射裂缝。为了防止这些裂缝的反射,我们可以借鉴国外的一些经验并结合自身实际采取以下措施:
首先,我国一些地区,通过在石灰土基层上修筑-碎石过渡层,然后在碎石层上修筑沥青面层,利用碎石层来减缓反射裂缝的出现;在国外,多半是修筑较厚的沥青面层,但这种方法造价比较昂贵。近年来,由于一些新材料的出现,用土工织物、橡胶沥青、玻纤格栅等方法来防止或延缓反射裂缝,取得了一定的效果。英国使用一种聚合物网格"Tenser ARI"来加强沥青路面,使路面的疲劳开裂寿命延长了10年,在防止反射裂缝的车辙方面,道路使用寿命是原来的3倍。
其次,为减轻反射裂缝,我们还可以从改变半刚性材料的温度和湿度敏感性入手,例如,在半刚性材料中掺入骨料和乳化沥青等,以减少它们的湿缩和干缩系数。
再次,由于半刚性基层的裂缝是不可避免的。那么对于它的力学分析,如仍用连续介质力学,就会产生较大的差误。因此,我们可以用断裂力学原理对它进行分析。特别在裂缝的尖端,由于应力集中会产生一个很大的应力场,对于设计各种防裂措施都是十分必要的。
(4)土工合成材料在施工中应注意的问题
首先,土工合成材料铺筑时,应先将一端固定,然后紧勒,使张拉伸长率控制在1.0%-1.5%之间,固定另一端。
其次,在施工时如果采用玻璃纤维网,那么最好先铺设玻纤网,再洒布热沥青作粘层油(0.4―0.6kg/m2)。而土工织物在使用前宜先洒粘层油,再铺土工织物,最后洒布粘层油(0.4～0.6kg/m2)。
第三,施工车辆不得在土工合成材料上转弯、急刹车,如摊铺机在其上打滑,应在粘层油土洒石屑。
参考文献:
[1]张军,余天庆,杨旺林.沥青加铺层反射裂缝扩展分析及防裂措施[J].重庆建筑,2006(11):53-54.
[2] 李嘉,林辉. 玻纤格栅沥青混合料的劈裂试验研究[J].中南公路工程,2006(5):5-7.