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干线公路改扩建工程新旧路面拼接关键技术

[摘要]为研究干线公路改扩建工程路面设计的关键技术,以相关干线公路改扩建工作为研究对象,采用调研分析、室内试验、理论分析相结合的研究方式,开展干线公路路面拼接形式、水稳基层拼接技术、沥青面层拼接、拼接处防裂措施等系列试验研究,获取和得出了相关数据和结论,分析证明了该研究的有效性和实用性,在此基础上形成了标准化的设计技术.该研究对于干线公路改扩建工程新旧路面拼接技术水平的提高具有积极的意义,具有一定的推广应用价值.

[关键词]干线公路；扩建工程；新旧路面拼接；技术；研究文章编号：2095 -4085( 2018) 02 - 0028 - 04

近年来,随着诸多干线公路提前达到设计使用寿命,对低等级干线公路升级改建的要求越来越迫切.而近10年来,由于各级公路的新建工程远多于拓宽改造工程,以致在公路拓宽改造方面的设计、施工经验较少.对于干线公路新旧路面拼接技术问题,国内外学者进行了大量研究,1994年,美国出现了水泥混凝土路面沥青加铺层的施工指导手册.同时期,形成了相应的沥青路面加铺水泥混凝土路面的设计方法,并对拓宽工程的加铺方案和拼接方法进行了说明,实例大多是普通道路,应用于高速公路的较少.目前,水泥混凝土路面拓宽的细节措施还没有形成标准和规范.

相对低等级公路改扩建,国内研究热点更多集中于高速公路改扩建工程的关键技术,早期实施改扩建的高速公路都针对本身的特点,开展了科研攻关,研究成果较为丰硕.高速公路改扩建的研究成果和工程实践经验,是低等级公路改扩建的技术参考和支撑.针对行业现状,很有必要根据我国国情,对低等级公路改扩建的新旧路面拼接设计关键技术进行研究.本文借鉴国内外研究成果,通过一系列试验,对公路拓宽改造的相关技术进行了较为系统的研究,得出了重要数据和结论,形成了标准化的设计技术,借得推广应用.

1 路面拼接形式研究

从对部分干线公路改扩建工程的调研来看,在硬路肩能满足技术性能要求的前提下,尽量不挖除作者简介：罗闯旦(1967-),男,汉,河南平顶山人.研究方向：道路工程.旧路硬路肩,充分利用原路面结构,发挥其使用价值；避免新旧路面拼缝位置行车道轮迹带位置,以免拼缝在行车荷载的作用下出现纵向反射裂缝.从实体工程应用效果来看,低等级干线公路改扩建工程新旧路面一般不设置台阶,直接拼接新旧路面结构层.如：南京市239省道高淳东段扩建工程和平顶山市31 1国道徐西线鲁山县八里仓至尧山镇段改建工程.丽高等级公路扩建,宜在沥青面层部位设置一级台阶,以台阶的形式拼接新旧路面,台阶宽度为30cm～40cm,从而使水稳基层、沥青面层拼缝错开,提高新旧路面拼接方案的技术可靠度.如我国最早建设的沈大、沪宁高速公路的拓宽改造.

2 水稳基层拼接技术研究

2.1 新旧水稳基层拼接分析

道路扩建工程中,确保新旧基层形成整体,减少拼接裂缝的反射以及对路面结构承载力的影响,是基层拼接需要解决的关键问题.具体是两个问题：一是提高新旧水泥稳定碎石基层竖向拼接界面粘结强度；二是拼接部位新建水泥稳定碎石基层的离析现象较为明显,粗集料较多,影响新旧水泥稳定碎石基层拼缝的强度.通过对不同剂量界面处理剂的粘结面进行拉拔等试验可解决第一个问题.采取减少摊铺机收斗的次数,改进熨平板等,可减少界面处水泥稳定碎石的离析可解决第二个问题.

2.2 水稳基层拼接试验研究

采用室内试验,比选不同的水泥混凝土竖向界面粘结材料乳化沥青、水泥净浆、水泥界面剂的粘结效果,期望能减少界面处的空隙率,增加界面粘结强度.

2.2.1 拉拔试验

从中部将水稳试件切割为2个半体,对半体水稳试件切割面采用3种处理方式,试件在25ce：室温条件下养生4d,待表面处理剂凝固,分别用高性能结构AB胶将5个拉拔扣粘结于每个半体试件表面,拉拔扣直径为20mm.其后在25℃室温条件下继续养生ld,待AB胶强度形成时,进行拉拔试验.结果表明：界面剂A：B：水泥等于1：3：6时的拉拔强度最高（平均值1. 62,CV27. 02%）；水泥净浆的拉比强度次之（平均值1. 08,CV16. 41,90）,乳化沥青的拉拔强度最差（平均值0．91,CV19.10%）.

2.2.2 复合水稳板试验

本研究采用特制的模具( 60cm X 60cm X 20cm)和空压机改制的振动器在实验室内进行水稳板的震动成型,水泥剂量取4.5%,用水量取5. 2%～5．6 %,水泥稳定碎石级配情况（图1）.

试验过程：对模具成型60cm X 60cm X 15cm的水稳板,分两层击实,第一层约9cm,第二层约6cm,标准温度25℃条件下湿养,龄期14d.待强度形成后,沿直线将水稳板切割4部分,取其二放入模具两侧.在中间空区拌制新水泥稳定石料,进行新旧水稳板复合分层振动成型,接缝处分别采用界面剂组分A、B与水泥质量比为1：3:6,水泥净浆：水灰比0.6以及乳化沥青：水泥等于2:1共三种界面处理剂处理.

根据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》( JTJ057 - 94)劈裂强度试验方法(T0806 - 94),测试仪器为多功能路面材料强度试验仪,测试压条的宽度采用18. 75mm,弧面半径为75mm,温度20℃,加载速度0．5kN/s,压力施加方向平行于试件接缝,劈裂强度按下式计算.

试件分为3种,即界面剂A：B：水泥等于1：3：6,水泥净浆：水灰比0.6,乳化沥青：水泥等于2:1,每种试件各4个,进行劈裂试验,按规程计算劈裂强度、平均值、变异系数见表1.

界面剂的劈裂强度值最高,达0．571MPa,而水泥净浆的劈裂强度变异系数最小,为7. 72,90,不同处理方案下的强度损失百分比情况（即跨缝劈裂强度与板中芯样劈裂强度平均值的比值）：界面剂51. 03 %；水泥净浆35. 480/0；郛化沥青22.14%.2.2.3 方案比选

不同界面粘结材料的室内拉拔、劈裂试验结果,见表2.

由汇总结果得出,界面剂的性能明显优于水泥净浆和乳化沥青,但界面剂处理方式非常难充分溶解和搅拌融合,导致变异系数较大,可能导致施工质量难以控制,埋下巨大隐患.

相关研究成果表明：半刚性基层层底的抗拉强度达到0．288MPa,即可满足重载交通和路堤沉降的要求,表2结果完全满足上述要求.考虑到界面剂工程造价较高,建议干线公路改扩建工程新旧水泥稳定碎石基层拼接竖向界面涂刷水泥净浆,水灰比为0.6,涂刷量为1.5-2kg/m’.

3 沥青面层拼接试验研究

沥青面层拼接主要解决新旧沥青结构层竖向界面粘结力学性能问题.

3.1 拼接材料试验方案

利用室内成型的新旧面层跨缝处的试件,通过劈裂、剪切、拉拔试验来评价拼缝处不同施工工艺和粘结材料的优劣.试件采用车辙板成型,车辙板尺寸30cm X 30cm X 6cm,将旧车辙板切成两半,侧面涂刷乳化沥青、热沥青、环氧(沥青和树脂的比例为1：4.5),采用火烤和不火烤两种形式,火烤时间15s,火烤采用火焰喷.成型新板碾压平行纵缝,温度不低于150℃,初压温度不低于145℃,碾压终了温度不低于100 0C.成型后在跨缝处钻芯取样.

3.2 拼接材料试验结果

3. 2.1 劈裂试验

拼接车辙板成型后在跨缝处钻芯取样进行劈裂试验,劈裂试验时施加力方向平行拼缝,试验温度15℃,加载速率50mm/min,劈裂试验结果分别是：界面处理剂为环氧+火的劈裂抗拉强度( MPa)0．67,变异系数18. 6,90；环氧的劈裂抗拉强度(MPa)0．71,变异系数13.8 %；乳化沥青+火的劈裂抗拉强度( MPa)0．78,变异系数14.5 %；乳化沥青的劈裂抗拉强度( MPa)0．89,变异系数9.2%；热沥青+火的劈裂抗拉强度( MPa)1.10,变异系数13.7%；热沥青的劈裂抗拉强度( MPa)1.14,变异系数7．0 %.可以看出：热拼火烤后劈裂强度有所降低.使用不同的粘结剂得到的劈裂强度相差不大,热沥青稍好.

3.2.2 冻融劈裂试验

试件分为两组,第一组在25℃恒温水槽中浸泡2h后测试劈裂强度；第二组将芯样在25℃恒温水槽中浸泡2h,然后在0．09MPa压力下浸水抽真空15min,再放到- 18℃冰箱中放置16h,取出试件立即放入60℃的恒温水槽中保持24h,接着再放入25℃的恒温水槽中浸泡2h后测试其劈裂强度.比较两组试件的冻融劈裂试验结果,可以得到如下结论：(1)室内试验再次证明火烤处理反而使得劈裂强度降低,冻融前和冻融后均是如此.(2)乳化沥青的TSR值最小.(3)热沥青冻融劈裂强度比最高,这说明使用热沥青作为粘结材料有着较好的抗水损害能力.

3.2.3 剪切试验

试验对不同粘结剂的抗剪能力在常温下测定,并对比.试验数据半自动采集,从常温剪切试验结果可以得到结论：(1)与劈裂试验的结果有些不同,热拼火烤后剪切强度有一定程度的增加,火烤后剪切强度数据的变异系数减小.(2)乳化沥青+热拼火烤处理的试件剪切强度最高,冷拼乳化沥青处理的试件强度最低.

冻融剪切强度试验.为了考察季节循环冻融后,拼缝拼接抗水损坏的能力,仿效冻融劈裂试验,把剪切试件放到- 18℃冰箱中放置16h,取出试件立刻放入600C的恒温水槽中保持24h,接着再放人25℃的恒温水槽中浸泡2h后测试其剪切强度.试验结论为：(1)使用乳化沥青并火烤处理的试件剪切强度最高,乳化沥青处理的试件强度最低.(2)冻融后,除使用乳化沥青的试件外,使用热沥青和环氧并且火烤处理的试件剪切强度都比冷拼接的试件强度低.(3)火烤热拼缝冻融后强度降低百分比比冷拼缝大的多,平均热拼缝强度降低多30 %左右.3.2.4 拉拔试验

拼接车辙板待成型两天后钻芯取样或锯成直径为52mm的圆形试件,试验温度为常温25 +1℃,试件为干态.试验前一天把拉拔头用环氧树脂粘牢,保持24h待拉拔头粘结牢固,再进行拉拔试验.拉拔速率采用人为手动控制l0mm/min,试验数据半自动采集.试验结果：拉拔试验结果和劈裂试验结果相吻合.对于三种材料试件,经过火烤热拼接,拉拔强度下降；冷拼接时拉拔强度相差不大,乳化沥青稍高.鉴此,国省干线公路改扩建工程新旧沥青混凝土面层拼接方案可采用冷拼+乳化沥青,乳化沥青涂刷量按纯沥青计为0．9kg/m‘—1.1k/gm2.

3.3 防裂措施适用性分析

(1)铺设土工织布.此类土工织布多为机织、针织或非织造的可渗透或不可渗透的聚合物材料,工程中应用较为广泛.但随着车辆荷载提升,累积轴载作用次数加大,气候环境恶化,路基干湿循环变化无常,路面防止反射裂缝材料要求随之提高.而某些型号的土工布如未经特殊加工处理,难以满足要求,有些反而造成对沥青罩面层的反效应.

(2)铺设土工格栅.此类土工格栅多由规则网状加筋抗拉条带组成,为了增强格栅的整体抗拉强度,部分型号格栅还加入玻璃纤维（即玻纤格栅）.玻纤格栅在我国水泥稳定碎石防裂中应用较广.美国德州公路局对其长期使用性能调研后,发现其应用效果甚至不能达到防裂的目的.

(3)铺设聚酯（玻纤）布.一种新型玻纤复合防裂材料,是我国近年来开始采用的裂缝防止措施,沪宁高速扩建工程部分路段采用了这种裂缝防治.

4 沥青路面防裂措施试验比选研究

参照《公路工程土工合成材料试验规程》的规定,裁剪200mm(纵向)X l00mm（横向）试样,每种材料5个平行样本,室内拉伸试验,拉伸速率50mm/min.试验结果：纵向拉伸强力测试后,高性能聚酯布中部发生“劲缩”伸长至极限断裂,伸长率最大；玻纤格栅在网格带被拉伸至极限的挣断,伸长率很低；聚酯玻纤布则是发生撕扯断裂,伸长率亦较低,见表3.

(1)拉拔试验.拉拔速率l0mm/min,设备自动化读取数据,记录最大拉拔强力,结果表明,玻纤格栅强度最高；玻纤格栅抗拉强度变异系数最大,粘结情况较其他两种材质差.

(2)剪切试验.45.斜剪,剪切速率l0mm/min,设备自动化读取数据,记录最大竖向压力,剪切试验验结果与拉拔试验结果相吻合.

(3)方案比选.各种防裂措施在不同试验条件下的使用性能汇总.

相比土工织布（聚酯玻纤布、高性能聚酯布）,土工格栅（玻纤格栅）的抗拉、抗剪切性能较好.此结论可应用于干线公路改扩建工程,以提高拼接部位抗裂性能.

5 结语

试验表明：(1)为消除老路硬路肩病害,充分利用原路面,避免拼接台阶处于轮迹带,干线公路改扩建工程在旧路面外侧使拼缝距车道左侧1/4至1/2范围内,设置一级台阶,以台阶形式拼接新旧路面,台阶宽度为30cm是可行的.(2)干线公路改扩建工程新旧水泥稳定碎石基层拼接竖向界面涂刷水泥净浆,水灰比为0.6,涂刷量为1.5～2kg/m2是可行的.(3)干线公路改扩建工程沥青混凝土面层拼接方案为冷拼+乳化沥青,乳化沥青涂刷量按纯沥青计为0.9kg/m2—1.1kg/m2是可行的.(4)干线公路改扩建工程新旧基层纵向拼接位置铺设土工格栅；新旧面层纵向拼接位置铺设高性能聚酯布或聚酯玻纤布,提高拼缝位置的防水抗裂性能是可行的.参考文献：

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