工程案例

    考虑施工缺陷的抗裂土工布沥青层间黏结性能研究
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    考虑施工缺陷的抗裂土工布沥青层间黏结性能研究
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    详细描述

    土工织物用于沥青面层的目的在于利用其良好的整体性、连续性和耐久性,防止沥青路面过早开裂,提高抗永久变形能力;同时土工织物和黏层油结合之后具有良好的防水效果,可以防止沥青面层开裂之后路表水渗入路面结构,造成路面结构由于水的存在而产生更严重的损坏。土工布抗拉力相对稍低,但其综合性能较好,不但可减少和缓解裂缝处的应力集中,而且在浸透沥青后能防止路面雨水下渗从而形成理想的防渗层。Sam-DeokCho在沥青加铺层与旧水泥混凝土路面之间设置玻璃纤维板,研究表明玻璃纤维板夹层是一种能有效抵抗反射裂缝的措施。

    公路路面加筋用土工布

    许多试验路的资料表明,土工织物的应用可以在相同的面层厚度情况下,提高路面的抗反射裂缝能力,并在一定程度上提高路面的抗车辙能力,从而增加路面的使用寿命。张起森、周志刚通过研究认为土工布用以防止路面反射裂缝性能取决于所用黏结剂的类型和用量,研究表明在沥青混合料试件底部铺设土工布或玻璃纤维格栅,可延长试件疲劳寿命约1倍以上。翟晓星研究表明土工合成材料可以很大程度上减小行车荷载与温度荷载作用而产生的应力,有效地缓解裂缝尖端的应力集中,防裂效果明显。

    在四川省道305线乐峨路段运用防裂土工布对旧水泥混凝土路面进行“白+黑”改造抗裂处治,较为详细的介绍了施工工艺,提出黏层油撒布均匀性、撒布量及施工工艺影响路面质量。全幅大面积摊铺土工布,由于土工布在热沥青上推移,摊铺机难以保证土工布绝对平顺,总是不可避免的存在大小不一、高度参差不齐的褶皱。陈斌、张启斌等结合湖北黄黄高速公路旧水泥混凝土路面加铺过程中应用聚酯土工布,提出土工织物应尽量避免打皱,并要求对褶皱高度大于2cm的必须切开褶皱,并重新用热沥青胶结。

    为减少半刚性基层沥青路面反射裂缝,西藏拉萨至林芝高等级公路以及林芝至米林机场高等级公路在半刚性基层顶面铺设一层抗裂土工布。由于这是我国首次在高海拔、大温差地区新建公路中大规模探索性使用抗裂土工布,对防裂土工布抗裂机理,尤其是土工布摊铺施工中难免出现的施工缺陷是否影响路面质量存在着严重的认知不足,本文针对拉萨至林芝高等级公路路面结构以及防裂土工布铺设位置,通过室内物理模拟试验,以掌握土工布施工中黏层油洒布温度和褶皱对层间黏结性能的影响。

    抗裂土工布基本性质

    对拉林高等级公路使用的聚丙烯抗裂土工布不同批次随机抽取6组试样,按照《公路工程土工合成材料试验规程》规定的试验方法对土工布进行了单位面积质量、厚度、CBR顶破强度、刺破强度、纵(横)向拉伸强度试验。采用差示扫描量热仪DSC对土工布进行热熔温度和玻璃化转化温度测试,以便掌握抗裂土工布耐热性能和温度脆化特性。

    试验段路面结构

    拉林高等级公路拉萨段地处青藏高寒区,位于VII6a-拉萨副区,气候分区为2-3-3(夏热冬冷半干区),设计年限内一个车道上的累积当量轴次为7.74×106次。根据设计文件路面结构从上至下依次为上面层4cm细粒式沥青混凝土AC-13C,中面层6cm中粒式沥青混凝土AC-20C,下面层7cm粗粒式沥青混凝土AC-25C,封层:1cmSBS改性乳化沥青同步碎石封层,基层:32cm4.5%水泥稳定碎石基层,底基层20cm级配碎石,沥青采用90号A级重交通道路石油沥青。

    黏层油温度对于层间黏结性能的影响

    根据我国公路行业标准《公路沥青路面施工技术规范》的要求90号石油沥青,沥青加热温度一般为150~160℃,沥青混合料出料温度一般为140~160℃,混合料摊铺温度低温施工条件下一般不低于140℃,改性沥青加热温度一般为160~165℃,成品改性沥青加热温度一般不大于175℃。

    施工中通常是当水泥稳定碎石基层施工、养生、验收合格后,开始抗裂土工布的施工。抗裂土工布铺设于半刚性基层表面时采用热沥青作为黏层油,抗裂土工布施工顺序一般是:(1)在半刚性基层顶面喷洒乳化沥青透层油;(2)按设计撒布量撒布90号热沥青作为黏层油;(3)摊铺抗裂土工布,并进行养生与缺陷处理;(4)SBS改性沥青同步碎石封层和沥青混合料下面层施工。

    2015年11月16日对用红外测温仪对施工过程中黏层油表层温度随时间变化进行现场监测,同时在抗裂土工布顶部布设热敏电阻温度传感器监测SBS同步碎石封层以及下面层沥青混合料施工时土工布顶部的温度时程曲线。现场测试时天气晴,气温12℃,二级风。

    测试结果表明,抗裂土工布在摊铺及路面后续工序施工中,受到了明显的三次加热过程,并且存在加热-冷却-重复加热的热作用过程,这三次加热分别是黏层油、SBS同步碎石封层以及下面层沥青混合料的加热。在黏层油喷洒之后,土工布摊铺机具与热沥青撒布车间距越小,热沥青对土工布加热温度越高,以施工后5min对应的温度作为特征值,此时加热温度约100℃。SBS改性沥青同步碎石封层施工时,摊铺温度较高,土工布厚度较薄,热传导下土工布顶面温度最高能达到156.2℃;下面层沥青混合料施工时土工布顶面热作用最高能达到141.4℃,并且热作用持续时间长,30min后温度仍然高达100℃左右。第二次和第三次热作用是的已经冷却的黏层油沥青再次加热并软化,在下面层碾压过程中进一步促进土工布与半刚性基层间的界面黏结。

    现场施工经验表明,为减少土工布紫外作用及施工损伤,一般黏层油喷洒、土工布摊铺以及同步封层会连贯施工,下面层施工根据实际情况可间隔数小时或数天后施工,这种情况下黏层油的温度可考虑为自然界温度。

    为研究在土工布摊铺施工环节中热沥青撒布车与土工布摊铺机间距较远,或者冬季施工黏层油冷却较快对层间黏结性状是否有较大的影响,合理确定施工工艺,因此在试验室进行物理模拟试验,并进行定量比较分析,为施工工艺提供基础数据支撑。

    试验设计及制样

    为合理确定抗裂土工布施工工艺参数,特别是掌握冬季低温施工过程中黏层油喷洒在基层表面后温度会快速降低,对层间黏结性能的影响,室内试验按照现场施工工艺制作水稳基层—土工布—下面层复合试件(以下简称复合试件)。复合试件的结构同样是自下至上依次为水稳基层+基质沥青+土工布+改性沥青+碎石+AC25沥青混合料,各结构层的厚度、配合比等参数与现场施工参数完全相同。在水稳基层的表面,土工布分为两部分铺设。上半部分在均匀洒布黏层油后,立即铺设土工布,铺设前用红外测温仪测得黏层油表面温度为100℃;下半部分在洒布黏层油之后,等待冷却至室温后,再铺设土工布,铺设前测得黏层油表面温度为25℃,由于黏层油厚度较薄,从洒布到冷却至室温的过程只有5min左右。随后进行改性沥青同步碎石封层以及下面层AC25沥青混合料摊铺与压实,压实度满足相关规范要求,同时进行养生。

    复合试件养生完毕后,用钻孔取芯机取样,进行复合试件土工布界面的直接剪切试验,一组试验包括3个平行试样。

    试验结果及分析

    试验结果表明,黏层油洒布温度为100℃和25℃的两种情况复合试件的剪切强度并无明显差异,两者差值仅为0.02MPa,仅仅相差3.1%。

    主要原因是25℃工况下铺设抗裂土工布再在其表面洒布改性沥青碎石下封层和加铺AC25沥青混凝土下面层时,改性沥青和沥青混合料的温度较高约150℃左右,在成型过程中黏层油会被二次加热和二次碾压,从而使得复合件层间黏结性能并未明显降低。因此在冬季施工过程中,由于改性沥青下封层和沥青混合料的二次加热作用,即使铺设土工布时黏层油温度不高,也不会明显影响层间的剪切强度。

    土工布褶皱对于层间黏结性能的影响

    抗裂土工布在现场大面积铺设施工过程中由于土工布本身柔性变形、半刚性基层表面平整度、摊铺车辆轮速差以及公路线性平曲线和竖曲线客观存在以及铺设设备及技术等原因,土工布与基层表面很难黏贴的完全平整,难免会出现不同程度的褶皱,在褶皱中通常填充空气,使得土工织物复合夹层存在初始施工缺陷。对于较大面积的褶皱,项目业主、监理会要求施工单位进行必要措施的处治甚至返工,对于褶皱高度低于2cm宽度小于1cm的褶皱是否能降低层间黏结,从而导致路面病害。本文试图在室内成型具有不同程度褶皱土工布的复合试件,以模拟现场情况,研究土工布的褶皱程度对于层间黏结性能的影响。

     

    试验设计

     

    复合试件的结构和制作与前文试验完全相同,在铺设抗裂土工布时,人工制作不同程度的褶皱,褶皱高度低于2cm宽度小于1cm。水稳基层试件表层铺设的土工布,左侧设置一道褶皱,中间部分保证完全平顺,右侧设置两道褶皱,铺设完成后,再均匀涂布改性沥青同步碎石封层和加铺AC25沥青混合料,褶皱两端在试件中钉入锰钢钉以示标记。待养生结束后,用钻孔取芯机在每种褶皱情况钻取两个复合试件,进行复合试件土工布界面的直接剪切试验。

     

    试验结果及分析

     

    试验表明:无褶皱、一道褶皱以及两道褶皱情况下,复合件剪切强度分别为0.643MPa,0.595MPa和0.537MPa。与无褶皱情况相比,抗裂土工布褶皱的存在会明显降低黏结层间的剪切强度,一道褶皱和两道褶皱的情况分别会使试件的平均剪切强度降低至原来的92.5%和83.5%。当在室内成型带有褶皱的复合试件时,由于试件面积较小,在土工布表面涂布改性沥青下封层时,可以涂得较为均匀,包括褶皱两面都能沾满改性沥青。而在现场铺设土工布如果存在褶皱,其表面由机械洒布改性沥青黏层油,在洒布不均匀的地方存在的褶皱(如洒布机械边缘处),改性沥青无法喷洒到褶皱下表面,这种情况可能会明显降低层间的剪切强度,降低层间黏结性能。

     

    褶皱预防与处置工艺

     

    在现场铺设土工布前,要注意基层表面的平整,清除碎石等杂物,铺设过程中尽量将土工布铺设均匀。在褶皱处,要保证褶皱的两面都有改性沥青下封层的涂布,尽量降低褶皱对于剪切强度的影响。对于高度低于2cm宽度小于1cm的褶皱在铺设后立即用专用剪刀,对褶皱剪开释放包裹其他,减掉凸起部分,用小型滚轮重新抚平褶皱部位土工布。对于高度大于2cm宽度大于1cm褶皱,应用剪刀剪去褶皱所在的矩形区域,人工撒布热沥青重新手工敷设土工布。

     

    结语

     

    本文针对抗裂土工布在低温施工过程中喷洒在基层表面的黏层油的温度会快速降低以及施工中出现不同程度的褶皱问题,在室内开展了水稳基层—土工布—下面层复合试件剪切试验,研究了不同工况下复合试件层间黏结性能,并对抗裂土工布经历多次加热过程进行了现场测试,得到以下结论:

     

    (1)对SBS同步碎石封层以及下面层沥青混合料施工时土工布顶部的温度进行了监测,获得了土工布顶部温度时程曲线。监测结果表明,同步碎石封层和下面层沥青混合料施工时土工布顶面温度分别到达156.2℃和141.4℃,并且热作用持续时间长,30min后温度仍高达100℃左右。

     

    (2)抗裂土工布在摊铺及路面后续工序施工中,受到了明显的三次加热过程,并且存在加热-冷却-重复加热的热作用过程。

     

    (3)土工布低温施工过程中黏层油喷洒在基层表面后的温度对层间黏结性能影响不明显。黏层油洒布温度分别为100℃和25℃的两种情况复合试件的剪切强度差值为0.02MPa,仅相差3.1%。

     

    (4)试验表明:无褶皱、一道褶皱以及两道褶皱情况下,复合件剪切强度分别为0.643MPa,0.595MPa和0.537MPa。

     

    (5)抗裂土工布褶皱的存在会明显降低黏结层间的剪切强度,一道褶皱和两道褶皱的情况分别会使试件的平均剪切强度降低至原来的92.5%和83.5%。

     

    (6)对于高度低于2cm宽度小于1cm的褶皱在铺设后立即用专用剪刀,对褶皱剪开释放包裹其他,减掉凸起部分,用小型滚轮重新抚平褶皱部位土工布。

     

    (7)对于高度大于2cm宽度大于1cm褶皱,应用剪刀剪出褶皱所在的矩形区域,人工撒布热沥青手工进行打补丁式重新敷设土工布。





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