金屬網(wǎng)應(yīng)力吸收層在路面大修工程中的應(yīng)用

史任杰

(湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院, 湖南 長沙 410008)

金屬網(wǎng)應(yīng)力吸收層在路面大修工程中的應(yīng)用

史任杰

(湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院, 湖南 長沙 410008)

反射裂縫是路面大、中修工程中最常見的病害，也是工程設(shè)計(jì)中要研究和解決的重要問題。結(jié)合(G5513)長沙至張家界高速公路益陽至常德段K121+446～K124+349大修工程實(shí)施方案，對一種新型的補(bǔ)強(qiáng)型應(yīng)力吸收層——路面加筋網(wǎng)與瀝青同步碎石封層組合而成的“金屬網(wǎng)補(bǔ)強(qiáng)應(yīng)力吸收層”的防反射裂縫性能進(jìn)行了研究與分析，結(jié)論表明“金屬網(wǎng)補(bǔ)強(qiáng)應(yīng)力吸收層”可以有效緩解反射裂縫、車轍以及差異沉降等病害對路面結(jié)構(gòu)的影響，大幅度提高路面結(jié)構(gòu)層的抗疲勞壽命。

高速公路; 路面加筋網(wǎng); 應(yīng)力吸收層; 反射裂縫

0 引言

就我省目前經(jīng)歷的多個(gè)高速公路大修工程項(xiàng)目而言，工程設(shè)計(jì)主要從兩個(gè)角度考慮對反射裂縫的處治： ①加鋪補(bǔ)強(qiáng)型罩面，利用罩面自身強(qiáng)度來實(shí)現(xiàn)防反射裂縫，如京港澳國家高速公路(G4)長沙至湘潭段、湘潭至耒陽段、耒陽至宜章段大修工程中大量采用并得到成功經(jīng)驗(yàn)的“復(fù)合式路面加鋪——連續(xù)配筋方案”； ②通過對原舊路面進(jìn)行碎石化(水泥路面共振碎石化、多錘頭碎石化)或者再生處理(瀝青路面就地或場拌、冷或熱再生)。選擇正確的防反射裂縫處治設(shè)計(jì)方案，要根據(jù)項(xiàng)目自身特點(diǎn)、交通量大小及組成、加鋪路面設(shè)計(jì)壽命等因素綜合考慮。

路面應(yīng)力吸收層作為一種傳統(tǒng)的抗裂工藝，其應(yīng)力吸收效果是通過大粒徑碎石相互嵌擠并形成較大空隙，當(dāng)下層裂縫延伸至應(yīng)力吸收層，裂縫必須發(fā)展到某種程度，超出大粒徑碎石孔隙率所能承載的極限范圍，才能穿透應(yīng)力吸收層進(jìn)一步發(fā)展。因此應(yīng)力吸收層的兩項(xiàng)指標(biāo)最為重要，一是骨料粒徑，二是瀝青性能和用量。理論上粒徑越大空隙越大，吸收應(yīng)力效果越好，但是骨料太大，其與瀝青的粘附效果和穩(wěn)固性就越差，瀝青用量就要加大，過大的瀝青用量既不經(jīng)濟(jì)，又對加鋪層路面有負(fù)面的影響。

在路面加筋網(wǎng)鋪設(shè)固定后，撒布應(yīng)力吸收層，由于加筋網(wǎng)的格柵效果可以確保骨料較為均勻的分布在各個(gè)網(wǎng)格之中，起到一種“捆綁”效果，同等油量下大骨料的包裹和穩(wěn)固性更佳；再則是提高了應(yīng)力吸收層整體的抗拉強(qiáng)度，要達(dá)到拉伸而不斷裂；三則是整體提升瀝青混凝土加鋪結(jié)構(gòu)層的抗拉強(qiáng)度和與原路面的粘附強(qiáng)度，瀝青下面層鋪筑于其上，并通過充分的壓實(shí)揉搓，柔性加筋網(wǎng)與瀝青混凝土融為一體，與之形成類似于“鋼筋瀝青混凝土”的受力結(jié)構(gòu)。

金屬網(wǎng)應(yīng)力吸收層結(jié)合了兩種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，能夠更有效地抑制反射裂縫傳播，吸收瀝青層內(nèi)部裂縫應(yīng)力，限制瀝青集料變形，在充分利用舊路面情況下，降低整體造價(jià)，是一種極具性價(jià)比的技術(shù)方案。

1 工程項(xiàng)目情況

1.1 項(xiàng)目簡介

G5513長張高速公路(益常段)是長沙至張家界高速公路二期工程，位于湖南省益陽市和常德市境內(nèi)，全長71.2km，設(shè)計(jì)速度100km/h，采用雙向四車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，路基寬度27m，1999年12月建成通車運(yùn)營，截止至大修工程開展已經(jīng)運(yùn)營了15a。該項(xiàng)目是湖南省規(guī)劃“六縱九橫三環(huán)”中第三橫——瀏陽至花垣高速公路的一段，也是實(shí)施湖南湘西大開發(fā)戰(zhàn)略，加強(qiáng)與川、鄂、渝等省市溝通聯(lián)系，促進(jìn)湘西北地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和繁榮的重要通道。

原路面結(jié)構(gòu)為25cm水泥混凝土面層+18cm半剛性基層+15cm半剛性底基層，此次大修工程的主旨為“白改黑”。選擇其中的K121+446～K124+349段上行益陽到常德方向作為金屬網(wǎng)補(bǔ)強(qiáng)應(yīng)力吸收層的加鋪試驗(yàn)段，全長2926m。

1.2 設(shè)計(jì)思路

益常高速原路狀況: 脫空38.3%接縫傳荷能力較差，四車道路面均不同程度出現(xiàn)多處典型的水泥板常規(guī)病害，其中行車道更為嚴(yán)重，主要類型有破碎板、修補(bǔ)、裂縫、板角斷裂、唧泥、錯(cuò)臺、邊角剝落等。交通組成:2012年工可調(diào)查的交通量為：18181輛/d，其中大型車占比為：31.4%。設(shè)計(jì)路面結(jié)構(gòu)類型見圖1。

圖1 設(shè)計(jì)路面結(jié)構(gòu)類型

由于益常高速原水泥砼路面板的板縫位置都設(shè)置了傳力桿和拉桿，同時(shí)考慮到本項(xiàng)目雖然交通量較大，但重載交通量組成比較小，并結(jié)合考慮工程造價(jià)、資源回收利用及環(huán)保等因素，設(shè)計(jì)對本大修工程項(xiàng)目進(jìn)行了方案對比，如表1所示。

表1 舊水泥板塊處治技術(shù)對比

考慮到益常高速(K121+446～K124+349段上行益陽到常德方向)路面狀況較好，路面破損狀況評定等級和接縫傳荷能力評定等級分別為“優(yōu)”和“良”，且結(jié)合工程造價(jià)、資源回收利用及環(huán)保等因素，設(shè)計(jì)推薦采用：在對原路面進(jìn)行換板、灌漿等病害綜合處治后鋪設(shè)金屬網(wǎng)+SAMI應(yīng)力吸收層并“直接加鋪”的方案。

路面加筋網(wǎng)以其獨(dú)特網(wǎng)格形式與瀝青同步碎石封層集料很好地咬合嵌擠作用形成一個(gè)高強(qiáng)抗剪應(yīng)力吸收層，切斷車輛荷載剪切圓弧，降低面層彎曲變形，降低車輛荷載產(chǎn)生的車轍和推移效應(yīng)，從而改善路面使用狀況，提高路面的使用壽命。

1.3 路面加筋網(wǎng)材料性能

路面加筋網(wǎng)由網(wǎng)孔規(guī)格為8cm×10cm的雙絞合金屬網(wǎng)面制成，并將橫向加筋棒以大約16cm的間距編織到網(wǎng)面中。路面加筋網(wǎng)的卷長30m，卷寬為2～4m。為了防止路面加筋網(wǎng)的腐蝕，采用鍍鋅鋼絲，如圖2。

圖2 路面加筋網(wǎng)圖樣

路面加筋網(wǎng)的特點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下兩方面。

1.3.1 材料特點(diǎn)

結(jié)構(gòu)主材為低碳鍍鋅絞合鋼絲，具有較高的彈性，這主要是考慮能充分適應(yīng)瀝青混凝土的高溫穩(wěn)定性，施工過程中瀝青的高溫不會(huì)引起材料變形，并降低后期項(xiàng)目運(yùn)營中受氣溫變化導(dǎo)致的蠕變影響。而且金屬防腐材質(zhì)自身強(qiáng)度高，較土工、玻纖等材質(zhì)的拉筋材料更耐久。

1.3.2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

3D開敞式結(jié)構(gòu)：三維立體結(jié)構(gòu)，具有較大的骨架空間，利于瀝青骨料與網(wǎng)孔的結(jié)合，不會(huì)出現(xiàn)空洞等現(xiàn)象。

嵌固咬合作用：橫向加筋棒與網(wǎng)面鋼絲形成封閉立體空間，瀝青集料經(jīng)過壓路機(jī)碾壓后能夠與鋼絲緊密嵌固咬合，并產(chǎn)生邊界收緊的作用，加強(qiáng)與瀝青的結(jié)合強(qiáng)度。

高抗剪層：網(wǎng)面鋼絲與橫向加筋棒厚度在6～9mm之間，與瀝青集料結(jié)合后，形成一個(gè)加筋高強(qiáng)度抗剪層，提高路面抗車轍和變形能力。

雙向抗拉：網(wǎng)面形式為雙絞合六邊形金屬網(wǎng)，從結(jié)構(gòu)受力考慮，六邊形結(jié)構(gòu)具有很好的雙向抗拉穩(wěn)定性，結(jié)合較粗直徑的橫向加筋棒進(jìn)一步加強(qiáng)網(wǎng)面抗拉強(qiáng)度。

易施工性：雖然結(jié)構(gòu)為金屬材質(zhì)，但經(jīng)過機(jī)器加工形成一種柔性網(wǎng)面結(jié)構(gòu)，鋪設(shè)方便，以錨釘固定，尤其適合大縱坡、彎道等復(fù)雜地段路面改造。

1.4 現(xiàn)場施工情況

益常高速大修工程(K121+446～K124+349段)路面總施工面積32000m2，施工周期9月6日至9月21日，其中有效施工時(shí)間為9.5d，每班組施工人員10人，網(wǎng)面鋪設(shè)施工效率為3368m2/d。具體施工流程如圖3。

1) 舊路面灌縫修補(bǔ)處理

2) 縱橫縫貼設(shè)聚酯玻纖布

3) 鋪設(shè)固定路面加筋網(wǎng)

4) 撒布改性瀝青粘層

5) 鋪設(shè)應(yīng)力吸收層

6) 瀝青面層攤鋪施工

2 相關(guān)試驗(yàn)研究

為了進(jìn)一步驗(yàn)證金屬加筋材料在路面工程中的效應(yīng)，安排進(jìn)行了必要的試驗(yàn)并查閱了國外的相關(guān)資料，從金屬網(wǎng)在路面結(jié)構(gòu)層中的抗剪切、抗反射裂縫和抗車轍3個(gè)角度對金屬網(wǎng)路面加筋結(jié)構(gòu)進(jìn)行評估，并與其他加筋類方案進(jìn)行技術(shù)比較。

2.1 金屬網(wǎng)在瀝青結(jié)構(gòu)層中的抗剪切試驗(yàn)

通過剪切試驗(yàn)評估不同夾層筋材和瀝青之間的粘結(jié)強(qiáng)度。試驗(yàn)裝置如圖4所示。

圖4 各種界面系統(tǒng)在循環(huán)剪切荷載作用下的粘結(jié)強(qiáng)度測試

在此剪切試驗(yàn)中，測量了2個(gè)用于評估界面系統(tǒng)有效性的重要參數(shù)，即剪切強(qiáng)度和剪切剛度，對于剪切強(qiáng)度，和傳統(tǒng)的“加筋土”的剪切試驗(yàn)不同的是，這里施加的是和路面工程實(shí)踐更接近的循環(huán)荷載；而對于剪切剛度，主要反映界面系統(tǒng)剪切變形和剪切應(yīng)力的關(guān)系。根據(jù)試驗(yàn)成果，各種筋材的上述參數(shù)如表2所示。

表2 各種界面系統(tǒng)的界面剪切剛度和剪切強(qiáng)度

從表2可以看到，在標(biāo)準(zhǔn)正壓力環(huán)境下，動(dòng)荷載的反復(fù)作用，使除了金屬加筋網(wǎng)之外，所有加筋界面系統(tǒng)的剪切強(qiáng)度均有很大程度的折減。而對于鋪設(shè)了土工膜之類的界面系統(tǒng)，由于筋材和瀝青集料之間不能形成相互咬合，因此界面強(qiáng)度有顯著的折減。之所以能夠忽略由于鋪設(shè)金屬加筋網(wǎng)而導(dǎo)致的剪切剛度和強(qiáng)度的折減，是由于金屬加筋網(wǎng)特殊的三維開敞式結(jié)構(gòu)，金屬筋材和瀝青集料之間有充分的咬合。

試驗(yàn)研究成果歸納如下：

1) 根據(jù)路面結(jié)構(gòu)的不同，界面系統(tǒng)的剛度是決定加筋瀝青鋪面系統(tǒng)有效性的重要因素，因此，對于選擇加筋材料，優(yōu)先選擇界面剪切剛度大的產(chǎn)品。

2) 根據(jù)理論和試驗(yàn)相結(jié)合的分析，筋材和周圍瀝青的粘結(jié)強(qiáng)度是影響加筋瀝青抗反射裂縫性能的重要因素，因此選擇三維幾何特性的筋材，以保證足夠的粘結(jié)強(qiáng)度非常重要。

3) 金屬加筋網(wǎng)可將未加筋的瀝青加鋪層抗反射裂縫能力提高至原來的2.5至3倍。

2.2 金屬網(wǎng)在復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)中的抗反射裂縫試驗(yàn)

該試驗(yàn)對多種拉筋材料在復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)中的作用進(jìn)行了測試。試驗(yàn)中，混凝土板的裂縫(或施工縫)以非常小的循環(huán)張開變化來模擬下層的移動(dòng)，下層混凝土板的位移差將在板縫位置產(chǎn)生應(yīng)力集中，到一定極限值時(shí)板縫變形將突破界面系統(tǒng)，發(fā)展到瀝青加鋪層上來，形成反射裂縫。在整個(gè)測試中，在一定循環(huán)荷載作用次數(shù)下，瀝青加鋪層中裂縫不斷向上發(fā)展，各種筋材組成的界面系統(tǒng)抵抗溫度型反射裂縫的有效性將得到體現(xiàn)。試驗(yàn)裝置如圖5。

圖5 水泥混凝土界面系統(tǒng)抗溫度性反射裂縫的試驗(yàn)裝置示意

如圖6所示，試驗(yàn)結(jié)論如下：

1) 對于金屬加筋網(wǎng)界面系統(tǒng)，幾乎沒有裂縫反射傳播至瀝青加鋪；而為其他加筋的樣品，在經(jīng)歷45h的測試后，裂縫長度大都已經(jīng)超過7cm。

2) 所有的筋材(除金屬加筋網(wǎng))，均能不同程度地延緩裂縫傳播的進(jìn)程，唯獨(dú)金屬加筋網(wǎng)和玻纖格柵兩種材料完成了45h的試驗(yàn)。

對于路面加筋網(wǎng)抗疲勞性能，在全球范圍內(nèi)的大學(xué)和公路交通部門也進(jìn)行了大量的試驗(yàn)和理論研究，在循環(huán)荷載試驗(yàn)基礎(chǔ)上，通過試驗(yàn)路段獲取實(shí)際數(shù)據(jù)，結(jié)合有限元模型分析及經(jīng)典疲勞法則發(fā)現(xiàn)路面加筋網(wǎng)可以大大改善路面抗疲勞壽命，性能提升1.4～3倍之間。

圖6 各種界面系統(tǒng)抗溫度性反射裂縫的有效性對比

2.3 金屬網(wǎng)的抗車轍試驗(yàn)

為了更好地研究路面加筋網(wǎng)的抗車轍性能，在一公交站選取試驗(yàn)路面進(jìn)行了抗車轍測試，在此試驗(yàn)中在路面層中布設(shè)應(yīng)變感測儀等精密感應(yīng)元件(見圖7、圖8)，來測試公交車等車輛加速行駛、正常行駛和剎車3種情況下加筋路面和未加筋路面瀝青的應(yīng)變情況。

圖7 公交車站試驗(yàn)路段

圖8 金屬網(wǎng)與應(yīng)變感應(yīng)元件設(shè)置

經(jīng)過長期跟蹤測試及數(shù)據(jù)監(jiān)控，獲取應(yīng)變數(shù)據(jù)見表3。

從表3中可以發(fā)現(xiàn)：

1) 無論沿道路縱向還是道路橫向，采用路面加筋網(wǎng)的路段應(yīng)變監(jiān)測值明顯小于未加筋路段應(yīng)變值。

2) 沿道路縱向，加筋路段應(yīng)變值在剎車、加速和正常行駛3種情況下，應(yīng)變值分別降低14%、48%和48%。

表3 3種情況下應(yīng)變數(shù)據(jù)

3) 沿道路橫向，加筋路段應(yīng)變值在剎車、加速和正常行駛3種情況下，應(yīng)變值分別降低88%、77%和46%。

該試驗(yàn)充分體現(xiàn)了路面加筋網(wǎng)在限制瀝青集料變形的情況下，能更有效地控制集料橫向推移變形，降低車轍產(chǎn)生的幾率。

3 結(jié)論

本文根據(jù)益常高速公路(K121+446～K124+349段)大修工程路面加筋網(wǎng)應(yīng)力吸收層的應(yīng)用實(shí)例，進(jìn)一步驗(yàn)證了路面加筋網(wǎng)這種金屬網(wǎng)材在路面大修工程中應(yīng)用的可行性；同時(shí)通過相關(guān)室內(nèi)試驗(yàn)及實(shí)際工程應(yīng)用得到的數(shù)據(jù)，表明路面加筋網(wǎng)同步碎石封層可以有效緩解反射裂縫、車轍以及差異沉降等病害對路面結(jié)構(gòu)的影響，大幅度提到路面結(jié)構(gòu)層的抗疲勞壽命。

路面加筋網(wǎng)結(jié)合應(yīng)力吸收層組合而成的金屬網(wǎng)應(yīng)力吸收層是一種新型的路面夾層結(jié)構(gòu)形式，它充分結(jié)合了金屬加筋網(wǎng)材和應(yīng)力吸收層優(yōu)良的抗拉、限制集料變形和吸收裂縫應(yīng)力的性能，形成一種更為穩(wěn)定可靠的復(fù)合應(yīng)力吸收層，相信在進(jìn)一步的跟蹤研究之后，能為國內(nèi)公路大、中修鋪面改造提供一種更為有效的技術(shù)。

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