十六、提升裝配式路面基層耐久性的技術(shù)驗(yàn)證

郭高',戰(zhàn)宏宇,張 旭',遲文仲1,郭梓爍2

(1:長(zhǎng)春市市政工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,吉林長(zhǎng)春1300332哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江哈爾濱150001)

（2021-08-18??? 發(fā)表于《北方建筑》）

【摘要】瀝青路面裝配式基層按嵌擠結(jié)構(gòu)鋪裝，能將點(diǎn)荷載擴(kuò)散到全面積，瀝青層底最大拉應(yīng)力51.0pe路基頂面最大豎向應(yīng)變?yōu)?4.9μe，該基層屬于類(lèi)板體半剛性結(jié)構(gòu)，路面彎沉代表值0.072mm。為了進(jìn)一步優(yōu)化其抗開(kāi)裂性能，我們對(duì)基塊進(jìn)行了例面涂層及接縫處插擋水板工藝處理，實(shí)驗(yàn)證明:基塊側(cè)面涂層減少溫縮開(kāi)裂55.6%;接縫體插板減少溫縮開(kāi)裂80%，歷青砂隔離層可防水、緩解應(yīng)力、整平;基塊頂面斜向網(wǎng)格粗糙度設(shè)計(jì)抗水平剪力效果好。再經(jīng)參數(shù)優(yōu)化，有可能成為長(zhǎng)壽命道路結(jié)構(gòu)。

【關(guān)鍵詞】裝配式基層;耐久性;涂層;插板;防溫縮

0 引言????????????????????????

??? 長(zhǎng)壽命瀝青路面又稱(chēng)為耐久性瀝青路面,我國(guó)耐久性半剛性基層瀝青路面定義為:路面使用 40年不發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞,瀝青面層罩面或重建的時(shí)間間隔大于10年。目前我國(guó)普遍使用的瀝青路面結(jié)構(gòu)為15 cm~20cm厚度瀝青層，加20m~40m厚度半剛性基層，達(dá)到設(shè)計(jì)壽命10年~15年的十分罕見(jiàn)，路面難以達(dá)到正常的大修年限和使用壽[1]給國(guó)家造成極大的經(jīng)濟(jì)損失和資源浪費(fèi)[2]。因此，提高道路工程質(zhì)量和耐久性是我國(guó)道路建設(shè)需要解決的主要問(wèn)題。長(zhǎng)春市政院多年來(lái)持續(xù)開(kāi)展關(guān)于基塊的嵌擠度[3]、頂面粗糙度和柔性耐候涂層及插板等防溫縮技術(shù)措施的試驗(yàn),還與哈爾濱工業(yè)大學(xué)、吉林大學(xué)聯(lián)合開(kāi)展瀝青路面裝配式基層道路結(jié)構(gòu)計(jì)算及灌漿料性能研究與試驗(yàn)[4],對(duì)如何提升裝配式基層道路結(jié)構(gòu)耐久性做了大量探索性工作。

1實(shí)驗(yàn)、發(fā)明與設(shè)計(jì)

1.1 基塊與基層試驗(yàn)???????

??? 大連路位于長(zhǎng)春市二道區(qū),道路等級(jí)為城市次干路，我們?cè)诖藢?duì)裝配式基層進(jìn)行了一系列研究該道路裝配式基層瀝青路面組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示,鋪裝的基塊為混凝土預(yù)制件，嵌擠度1/4[5]，厚度為300mm，基塊接縫采用灌漿工藝填充。根據(jù)吉林大學(xué)報(bào)告表明:砂漿摻加1%的A類(lèi)膠粉,28d抗折強(qiáng)度為5.2 MPa、抗壓強(qiáng)度28.0MPa，劈裂強(qiáng)度2.5 MPa，軸心抗壓強(qiáng)度21.3 MPa，靜力受壓彈性模量5.48GPa，吸水率11.9%，抗?jié)B強(qiáng)度1.3MPa抗凍性為50 次，疲勞加載 200萬(wàn)次的累計(jì)變形0.08 mm,未發(fā)生破壞，符合以配合比滿足力學(xué)和耐久性及抗疲勞性指標(biāo)作為專(zhuān)用水泥砂漿的技術(shù)要求的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)[6],可作為東北地區(qū)裝配式路面基層結(jié)構(gòu)中的專(zhuān)用水泥砂漿。

? 圖1裝配式基層瀝青路面組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

? ? ??? ? 根據(jù)哈工大研究報(bào)告表明:①瀝青路面裝配式基層結(jié)構(gòu),瀝青層底最大拉應(yīng)力51.0μe;荷載作用位置正下方瀝青層層底的水平應(yīng)變最大值也遠(yuǎn)小于瀝青混合料的抗拉應(yīng)變,面層受到疲勞破壞的可能性較低;2裝配式基層瀝青路面結(jié)構(gòu)路基頂面豎向壓變較小,路基頂面最大豎向應(yīng)變?yōu)?4.9μe，路基能夠處于良好的安定狀態(tài)。哈工大董澤蛟通過(guò)瀝青路面裝配式基層結(jié)構(gòu)有限元模型建模、計(jì)算及結(jié)果分析,確定裝配式基層瀝青路面各結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)與傳統(tǒng)的半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)分布規(guī)律大體上相似，屬于類(lèi)板體半剛性基層結(jié)構(gòu)，可將該層等效為半剛性基層開(kāi)展路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。按嵌擠結(jié)構(gòu)鋪裝的塊體之間能建立豎向互鎖及平面聯(lián)鎖關(guān)系[7],將點(diǎn)荷載逐漸擴(kuò)散到全面積?；鶎雍奢d傳遞率見(jiàn)圖2。

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??????????????????????????? 圖2 基層荷載傳遞率圖

?? ? ?標(biāo)準(zhǔn)彎沉<0.1mm的路面有可能成為長(zhǎng)壽命路面,而大連路道路竣工彎沉平均值、彎沉差及彎沉代表值分別為0.061 mm0.07mm.072 mm。國(guó)內(nèi)外研究將瀝青路面的主要破壞分為裂縫和永久變形,為保證路面結(jié)構(gòu)不出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性損壞，Monishmith andLong建議HMA層底彎拉應(yīng)變不應(yīng)高于60μe路基頂面壓應(yīng)變不高于200μs據(jù)此認(rèn)為裝配式基層瀝青路面已滿足耐久性對(duì)應(yīng)變的要求

1.2井筒周邊的異形塊裝配發(fā)明

? ? ?行車(chē)路面的檢查井及周邊在使用中產(chǎn)生的不均勻沉降會(huì)降低路面舒適性，為此采用在檢查井周邊裝配異形塊結(jié)構(gòu)預(yù)防井周沉降。該結(jié)構(gòu)利用太陽(yáng)輪與行星輪減速器機(jī)械原理,能實(shí)現(xiàn)圓形井筒與矩形基塊的適配[8]，并將井具安置在預(yù)制塊上預(yù)防井具沉降(見(jiàn)圖3)。

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? 圖3 日月型異形塊組件裝配圖? ? ? ? ? ?

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???????????? 圖4基塊頂面構(gòu)造圖

1.3瀝青層與基層的結(jié)合面處理

??? 為增加與瀝青層的結(jié)合,在基塊頂面設(shè)置有縱橫網(wǎng)格狀槽，槽深6mm，槽間距55mm，槽斷面為三角形,底角90°(見(jiàn)圖4)。槽斷面可以容納瀝青混合料并形成嵌擠,槽的深度給嵌入的瀝青混合料提供用于緩解車(chē)輪沖擊應(yīng)力的應(yīng)變區(qū)間?？v橫槽將基塊頂面分隔成多個(gè)四棱臺(tái),四棱臺(tái)頂面及底面積較大,可抗水平力剪切力以保持自身牢固，并使嵌入的瀝青混合料具有較高的抗滑能力。這種由混凝土與瀝青混合料形成相互插入的復(fù)合式過(guò)度結(jié)構(gòu)，還能提高瀝青層的抗車(chē)轍能力。經(jīng)過(guò)多年實(shí)踐，效果較好?，F(xiàn)已將縱橫網(wǎng)狀槽按與縱向呈45°布置，可避免通透的縱向槽對(duì)抗滑能力的不利影響，進(jìn)一步提高瀝青層抗滑能力?；鶋K頂面凸臺(tái)將瀝青層局部分割,對(duì)于道路瀝青層也可以分散溫縮應(yīng)力，并發(fā)揮錨固作用。??

1.4 防水隔離層的設(shè)置

??? 裝配式基層下增設(shè)有隔離層，材料選用AC-5瀝青砂,厚度20mm。隔離層的作用首先是頂面平整度好,有利于基塊的裝配和提高瀝青面層的平整度:其次,瀝青砂具有較好的防水作用;最后，瀝青砂有一定的柔韌性,有利于緩解基塊底部的應(yīng)力集中。

1.5預(yù)防基層溫縮開(kāi)裂措施

??? 由于環(huán)境溫濕度變化與土基密實(shí)度差異性及荷載的影響,在剛?cè)釓?fù)合式路面接縫處產(chǎn)生的反射裂縫仍然是水泥路面加鋪層的主要病害[9],通常將溫縮和干縮引起的瀝青路面反射裂縫統(tǒng)稱(chēng)為溫度型反射裂縫，預(yù)防或延緩反射裂縫的出現(xiàn)是延長(zhǎng)瀝青混凝土加鋪層使用壽命的關(guān)鍵1.3瀝青層與基層的結(jié)合面處理。為增加與瀝青層的結(jié)合，在基塊頂面設(shè)置有縱橫網(wǎng)格狀槽，槽深6mm，槽間距55mm，槽斷面為三角形,底角90°(見(jiàn)圖4)。槽斷面可以容納瀝青混合料并形成嵌擠,槽的深度給嵌入的瀝青混合料提供用于緩解車(chē)輪沖擊應(yīng)力的應(yīng)變區(qū)間。縱橫槽將基塊頂面分隔成多個(gè)四棱臺(tái),四棱臺(tái)頂面及底面積較大,可抗水平力剪切力以保持自身牢固，并使嵌入的瀝青混合料具有較高的抗滑能力。這種由混凝土與瀝青混合料形成相互插入的復(fù)合式過(guò)度結(jié)構(gòu)，還能提高瀝青層的抗車(chē)轍能力。經(jīng)過(guò)多年實(shí)踐，效果較好?，F(xiàn)已將縱橫網(wǎng)狀槽按與縱向呈45°布置，可避免通透的縱向槽對(duì)抗滑能力的不利影響，進(jìn)一步提高瀝青層抗滑能力?；鶋K頂面凸臺(tái)將瀝青層局部分割,對(duì)于道路瀝青層也可以分散溫縮應(yīng)力，并發(fā)揮錨固作用。

??? 鋪裝時(shí)基塊之間由空隙隔開(kāi),接縫灌漿后使各基塊濕接為基層整體?；鶋K之間的空隙是相互聯(lián)通的，使得灌縫砂漿凝固后可以形成網(wǎng)格式整體框架，為減少干縮與溫縮裂縫，我們采用涂層包裹基塊與植入塑料插板隔斷接縫體的兩項(xiàng)試驗(yàn),取得了大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)成果。

??? 涂層試驗(yàn):2019年10月在長(zhǎng)春市的2條城市支路--丙45路和大連盛海路開(kāi)展基塊側(cè)面噴涂可再分散膠粉涂層的對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)路膠粉用量1.2 kg/塊 2020年12月初進(jìn)行溫縮開(kāi)裂數(shù)據(jù)檢測(cè)，試驗(yàn)路長(zhǎng)612m，出現(xiàn)裂縫4條，低溫開(kāi)裂指數(shù)為0.65。對(duì)比路段長(zhǎng)594m.出現(xiàn)裂縫數(shù)9條，低溫開(kāi)裂指數(shù)為1.5，試驗(yàn)表明涂層使溫縮裂縫數(shù)降低55.6%,效果顯著。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表!

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 表1涂層試驗(yàn)結(jié)果

? ? 插板試驗(yàn):在砂漿縱向通道內(nèi)設(shè)置硬隔斷(見(jiàn)圖5)，使連續(xù)的砂漿網(wǎng)格被分隔成短段，避免溫縮應(yīng)力積累作用的影響,塑料插板尺寸為30cmx15 cm，板面設(shè)有杯形凹坑，插板沿縱斷間距6m設(shè)置1處。試驗(yàn)段長(zhǎng)度512m,在同一路段的南北兩幅進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表 2。2020年12月初，氣溫下降到-24℃，經(jīng)檢測(cè)試驗(yàn)路段裂縫數(shù)量降低80%，試驗(yàn)表明，采用在預(yù)制件側(cè)面增設(shè)柔性涂層及在縱向接縫內(nèi)設(shè)置插板的工藝可預(yù)防基層反射裂縫。

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? ? ? ? ? ? ? 圖5 基塊插槽內(nèi)設(shè)置插板的試驗(yàn)

1.6 耐沖刷下基層

? 下基層的主要作用是為上基層提供均勻支承，并有一定的剛度和足夠的耐沖刷能力,以防止唧泥和錯(cuò)臺(tái)導(dǎo)致的板底脫空。下基層采用不同厚度水泥穩(wěn)定碎石的對(duì)比試驗(yàn)，厚度及彎沉數(shù)據(jù)為:20cm，0.09 mm;30cm,0.07mm。根據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》JTGD50-2017,基層與底基層之間的模量比不宜大于2.5。裝配式基層與下基層水泥穩(wěn)定碎石層模量相差較大,建議在長(zhǎng)壽命道路組合設(shè)計(jì)時(shí)增加一層貧混凝土層,既減少模量差又可提高整體強(qiáng)度,減少路面彎沉值衰減率。

1.7 墊層試驗(yàn)

??? 2013年在飛躍中路10、2014年在世紀(jì)大街道路工程中采用在土基上鋪5cm碎石,再鋪鋼塑雙向凸點(diǎn)土工格柵鋪的工藝,意圖使用格柵拉緊基塊防止 至今沒(méi)有出現(xiàn)反射裂縫,但是格柵復(fù)雜的鋪裝工藝松散[11](見(jiàn)圖6。由于試驗(yàn)路段較短，為100m，盡管 和較低作業(yè)效率可能并不適合大面積使用。

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? ? ? ? ?圖6 基層下部鋪設(shè)土工格柵

2 長(zhǎng)壽命道路結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)方案

??? 根據(jù)之前各分項(xiàng)試驗(yàn)成果,擬定長(zhǎng)壽命道路組合設(shè)計(jì)具體方案:4cmAC-13SMA瀝青混凝土、6 cmAC-20SBS瀝青混凝土、30cm裝配式基層(強(qiáng)度為C40,涂層+插板砂漿摻膠粉+纖維)、2cmAC-5瀝青砂、18cm貧混凝土(8%)切橫縫、18cm水泥碎石(4%)切橫縫、10cm填隙碎石或排水板、增強(qiáng)土基50 Mpa，總厚度88cm其中①粘層油:瀝青層之間的粘層油噴灑之后易被瀝青層攤鋪時(shí)運(yùn)輸瀝青混合料的車(chē)輪帶走，減弱層間結(jié)合效果，應(yīng)采取措施改進(jìn)?？梢圆扇r青混合料攤鋪與粘層油噴灑同步作業(yè)的模式，避免混合料運(yùn)輸車(chē)輪行走在粘層油表面。②基塊采用涂層工藝，選用單組份水溶性聚氨酯I型或AB雙組分 I型聚脲,主要性能應(yīng)滿足低溫韌性、延伸率、抗老化、耐疲勞、可噴涂指標(biāo);同時(shí)采用插板預(yù)防反射裂縫工藝:摻加膠粉及易分散纖維提高砂漿耐久性[10]③土基，土基模量由30MPa增至50MPa，可選用沖擊壓實(shí)及聚合物土基等新材料技術(shù)，土基四周及橫斷分段切縫,縫深易超過(guò)冰凍最大深度，內(nèi)填充苯板，形成側(cè)面于自然土體孤立的狀態(tài)。④擬定設(shè)計(jì)壽命40年，各類(lèi)基層綜合評(píng)價(jià)見(jiàn)表3，根據(jù)表3可見(jiàn),裝配式基層性能綜合得分高于其他類(lèi)型基層。

3 結(jié)語(yǔ)

1）瀝青路面裝配式基層結(jié)構(gòu)屬于半剛性基層，裝配式基層瀝青路面各結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)與傳統(tǒng)的半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)分布規(guī)律大體上相似。針對(duì)耐久性道路要求進(jìn)一步優(yōu)化組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),可提高路面整體強(qiáng)度和耐久性 ；

2)基層采用涂層及插板措施可降低路面溫縮開(kāi)裂，遴選材料性能及價(jià)格均適合裝配式基層的涂 層材料是獲得高性價(jià)比的重點(diǎn)。

3)裝配式基層鋪裝工期短，可用于城市道路的快速鋪筑,且預(yù)制的塊體可重復(fù)使用。其質(zhì)量控制屬于加權(quán)模式,對(duì)結(jié)構(gòu)的耐久性更為有利，裝配式路面基層在緩解施工單位質(zhì)量負(fù)擔(dān)的同時(shí)，帶動(dòng)上游質(zhì)量管理投入，是一種更具公益性的工程形式。與傳統(tǒng)半剛性基層瀝青路面比較，裝配式基層結(jié)構(gòu)全壽命周期造價(jià)最低。開(kāi)展裝配式基層瀝青路面的耐久性試驗(yàn)與應(yīng)用,對(duì)提高道路質(zhì)量,提倡全壽命周期費(fèi)用管理模式有促進(jìn)作用，符合市政建設(shè)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展需要。

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