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白改黑工程中常用反射裂缝防治材料效果分析研究
“白改黑”工程中常用反射裂缝防治材料效果分析研究
公路交通技术2010年8月第4期TechnologyofHighwayandTransportAug.2010No.4
"白改黑"工程中常用反射裂缝
防治材料效果分析研究
王敏,张东长,窦彦磊1,2
(1.重庆交通大学,重庆400074;2.招商局重庆交通科研设计院有限公司,重庆400067)
摘要:
针对城市道路水泥混凝土路面改造成沥青混凝土路面(又称"白改黑")的反射裂缝问题.对无纺土工布,
土工格栅,镀锌铁板,SBS改性沥青防水卷材等4种应力吸收层进行2种不同罩面层厚度的实验室评价.结果显
示,除土工格栅外,其它措施对防治荷栽型反射裂缝都是有效的,但单纯依靠增加罩面层厚度来防治反射裂缝的效
果是有限的.
关键字:
城市道路;白改黑;薄层罩面;反射裂缝:
应力吸收层
文章编号:
1009—6477(2010)04—0038—05中图分类号:
U416.217文献标识码:
A
AnalysisandStudyonE仟ectOfComrnonReflectionCrackPrevention
Materialsin"WhitetoBlack"Projects
WANGMin一,ZHANGDongchang2,DOUYanlei'
Abstract:
Aimingatreflectioncrackprobleminurbanroadswhenmodifiedfromcementconcrete
pavementintoasphaltconcretepavement,thispaperperformsalabevaluationforfourstressabsorption
interlayersincludingnon-wovengeotextile,geogrid,galvanizedironsheetandSBSmodifiedasphalt
waterproofrollbasedonthicknessoftwodifferentfinishingcoats.Theresultshowsthattheotherthree
materialsexceptgeogridareeffectiveforpreventionofloadingreflectioncracks,however,dependenceon
addingthicknessoffinishingcoatonlytopreventreflectioncrackshasthelimitedeffect.
Keywords:
urbanroad;whitetoblack;thin—layerfinishingcoat;reflectioncrack;stressabsorption
interlayer
"白改黑"是指在运营的水泥混凝土路面上加
铺沥青混凝土路面,从而形成复合式结构,以提高
路面的行驶舒适性,是近年来城市道路路面改造中
的常用方案."白改黑"是一种特殊的路面结构,
其应力应变特征与一般的弹性层状体系有较大区
别.由于接缝的存在,旧水泥混凝土路面作为基层
的整体强度降低,在荷载和温度应力作用下,沥青
混凝土加铺层处于复杂的三维应力状态.车辆行驶
经过不连续的板体时,沥青混凝土加铺层由于接缝
两侧相邻板块产生竖向位移差而出现较大的剪切应
力,这种剪切应力是沥青混凝土加铺层产生荷载型
反射裂缝的主要原因.另外,由于路面暴露在大气
中,受气温周期性变化的影响,沥青加铺层和旧路
面板都会产生缩胀,因此产生温度应力.由于旧水
泥混凝土路面的应力在接缝处不连续,因此沥青加
铺层同时承受其本身及旧路面所产生的温度应力,
形成所谓的温度型反射裂缝.
我国新建的水泥混凝土路面大多采用接缝式混
凝土板,由于热胀冷缩的作用,接缝处理是"白改
黑"工程的薄弱环节,若处理不好将导致加铺后的
沥青混凝土路面产生反射裂缝,从而加速罩面层结
构损坏,缩短罩面层寿命.因此,反射裂缝是旧水
泥路面上加罩沥青层所面临的一大难题f.
国外从20世纪8O年代初就开始对采用土工
材料防治路面反射裂缝进行试验研究和工程实践,
有成功的经验,也有失败的教训,但是在材料选
型,施工工艺等方面已经积累了较丰富的经验.
我国在吸取国外经验的基础上,从20世纪90年
代中期开始进行这方面的试验研究.国内外的工
程实践和研究结果表明:
抗拉强度高,延伸率适
中,具有防水作用的土工复合材料能有效抑制和
延缓反射裂缝f31.本文将针对常用的防反射裂缝材
收稿日期:
2009—11--23
作者简介:
王敏(1985一),女,广西壮族自治区桂林市人,在读研究生
2010年第4期王敏,等:
"白改黑"工程中常用反射裂缝防治材料效果分析研究39
料,如无纺土工布,土工格栅,镀锌铁板,SBS
改性沥青防水卷材(图1)等防治反射裂缝的效果进
行实验室评价,为工程应用提供参考.
1防反射裂缝材料选择
在旧水泥混凝土路面上加铺沥青层的复合结构
涉及刚性,柔性2种路面结构形式,不仅材料性能
差异大,而且旧水泥板受温度变化影响大,旧路面
板上存在接缝和裂缝,并常常伴有错台,脱空等损
坏现象,使得复合结构中奇异部位尤为突出,这些
都加速了反射裂缝的产生和发展.与旧沥青路面上
加罩沥青层相比,反射裂缝在旧水泥混凝土路面上
加铺沥青层的复合结构中产生的速度更快,范围更
广,对罩面层使用性能的影响也更为严重.
根据国内实际应用状况,笔者选择了4种材
料:
无纺土工布,土工格栅,镀锌铁片和SBS改
性沥青防水卷材.这4种材料中SBS改性沥青防
水卷材的模量较高,同时具有很好的变形能力和与
旧水泥路面的粘结能力.4种材料的基本性状如表
1所示
2性能试验
2.1试验材料
(a)无纺土工布
(c)防水卷材
由于城市道路受路面标高限制,本次试验采用
Superflex改性沥青的SMA一13路面作为罩面层.其
优良的路用性能,相对于一般的改性沥青而言,用
于城市主干道的罩面层厚度可有所降低,一般采用
4~5cm.试验选用沥青路面常用的表面层类型
SMA一13来制备试件,集料级配如表2所示[51.采
用的Superflex改性沥青由印度尼西亚TMA公司生
产,作为薄层沥青混凝土罩面材料,其由Superflex
高浓度改性沥青与基质沥青经高速剪切制备而成.
Superflex沥青为天然屑粒橡胶改性沥青,既不是
SBS改性沥青,也不是SBR改性沥青,具有很高
的粘度和软化点,其性质介于SBS改性沥青与普
通沥青之间阎.Superflex改性沥青15℃时其针入度
为31.1,软化点为68.5℃,5~C时其延度为7.6.沥
青的最佳用量由马歇尔试验确定为6.5%(油石比).
沥青混合料配合比见表3.
2.2试样制备
为了更准确地评价各种材料防反射裂缝的效
果,沥青混凝土加铺层选择2种厚度,试件的长,
宽,高尺寸分别为:
30cm×12.5cm×dcm,30
cm×12.5cm×5cm;预制水泥混凝土试块为14.5
em×12.5cm×5cm.试件成型步骤:
1)在沥青混凝土试块上涂敷一层改性乳化沥
(b)土工格栅
图1应力吸收层类型
表14种应力吸收层基本性状
(d)镀锌铁片
公路交通技术2010血
表2SMA一13级配
通过率
表3沥青混合料配合比%
青粘层油,见图2;
2)在沥青混凝土试块上粘结应力吸收层,如
图3,Superflex改性沥青混合料作为应力吸收层
的,厚度取1em;
3)在应力吸收层上涂敷一层改性乳化沥青粘
层油后粘结水泥混凝土试块,确保2块混凝土试块
之间预留1em的裂缝,如图4.试件成型后,在
常温下放置12h.
2.3试验方案
笔者针对反射裂缝产生的机理进行了一系列试
验.例如,用MTS试验机(图5)模拟水泥混凝土路
面沥青加铺层进行弯拉型疲劳试验,以验证不同应
力吸收层抗反射裂缝的有效性,并采用不同厚度的
试样进行对比试验㈣.
模拟水泥混凝土路面沥青加铺层产生弯拉型反
图2在沥青混凝土试块上涂敷一层改性乳化沥青粘层油
图3在沥青混凝土试块上粘结应力吸收层
(以镀锌铁片为例)
图4试件成型
射裂缝,试验采用集中荷载加载,如图6所示,正
上方加载.在沥青加铺层顶部沿宽度方向加条形荷
载,加载面积为3em×12.5em,试验温度为
(25±1)℃.首先测定普通沥青混凝土加铺层结构
的极限破坏荷载,然后按0.4的应力水平循环加
载,测定各加铺试件疲劳破坏次数,荷载比为0.1.
加载的波形为半正弦波,加载频率为10Hzm.加
载值见表4.
在集中荷载作用下,测出各种材料上加铺结
构反射裂缝高度为1,2,3em及终裂的荷载次
数.裂缝观测刻度如图7所示(以4cm加铺层为
例)[9-101.
3试验结果
4,5em加铺层弯拉型疲劳试验结果分别见表
图5采用MTS试验机实现加载
钢模
单位:
cln
图6中荷载加载(弯拉型疲劳试验)
2010年第4期王敏,等:
"白改黑"工程中常用反射裂缝防治材料效果分析研究41
表4普通沥青混凝土加铺结构集中荷载作用下
最大及最小加载值kN
裂缝规'侧刎度戴
\}沥青混凝土
水泥混凝土垫块+裂缝
山一
单位:
cm
图7MTS疲劳试验反射裂缝观测刻度
5,表6.
根据表5,表6的数据分别绘出4,5cm疲劳
试验结果对比图,见图8,图9.
4试验结果讨论及分析
从表5,表6和图5,图6可以看出:
1)对于纯沥青混凝土SMA一13,在相同荷载
作用下,裂缝沿水泥混凝土接缝处随着荷载作用次
数由下至上逐渐扩展,裂缝无明显分叉现象,基本
上沿垂直方向向上延伸.裂缝到2cm刻度时扩展
迅速,在5种加铺层结构中承受中荷载疲劳作用次
数的能力最差.
2)对于无纺土工布+沥青混凝土SMA一13,
开裂深度,cm
84cm弯拉型MTS疲劳试验结果对比
升裂株度,c
图95cm弯拉型MTS疲劳试验结果对比
裂缝扩展规律与前一种基本相同,裂缝由下至上扩
展到2cm刻度时有"停滞"现象,裂缝扩展速度
缓慢.终裂时,接缝处土工布拉伸较长,土工布与
水泥混凝土板联结良好,未出现过大的层间滑移现
象.防裂效果处于第3位,说明土工布防裂夹层起
到了一定的作用.
3)对于土工格栅+沥青混凝土SMA一13,初
裂次数稍滞后于无功能层的沥青混凝土加铺层,当
裂缝达到2em刻度时,裂缝扩展速度比不加土工
表54cm加铺层弯拉型MTS疲劳试验结果
表65cm加铺层弯拉型MTS疲劳试验结果
簸敞莒蒸匡丽j鏖研糕献曹叵雨噬黜i莲
42公路交通技术2010年
表7罩面层厚度由4cm增加到5cm时裂缝扩展到相同厚度的荷载次数增加比例
应力吸收层类型裂缝扩展到相同厚度(cm)的荷载次数增加比例
12345
格栅时更快,由此可见,土工格栅基本起不到延缓
裂缝发展的作用,即没有防裂作用.
4)对于镀锌铁片+沥青混凝土SMA一13,裂
缝在整个扩展过程都较为缓慢,裂缝较细,终裂时
接缝处镀锌铁片有被拉伸的现象,但拉伸幅度远远
小于土工布,镀锌铁片与水泥混凝土板联结良好,
未出现大的滑移现象.对于整个结构而言,该种方
案在5种结构中抗弯拉效果最好.
5)对于SBS改性沥青防水卷材+沥青混凝土
SMA一13,初裂后,裂缝迅速往上延伸,裂缝到达
3cm刻度处,以后裂缝扩展速度有所减慢,裂缝
向荷载一侧斜向发展,终裂时防水卷材与水泥混凝
土板联结良好.由数据看出,防水卷材较之普通应
力吸收层有优良的变形性能和拉伸疲劳性能,在5
种结构中,防裂效果仅次于镀锌铁片.
为了能更直观地比较不同应力吸收层的防裂效
果,表7列出了罩面层从4cm增加到5cm,应用
不同应力吸收层时,裂缝扩展到相同厚度的荷载次
数的增加比例.
由表7可以看出:
1)沥青面层由4cm增加至5cm,裂缝扩展
到相同厚度的荷载次数均有所增加.例如,采用土
工格栅作为防治反射裂缝材料,沥青面层为4cm,
裂缝达到2cm时的压次为1043次;沥青面层为
5em,裂缝达到2cm时的压次为1253次,压次
增加了20.1%.但同等情况下,若采用镀锌铁片作
为防反材料,压次增加比例为14.9%.说明增加沥
青面层厚度可以延缓反射裂缝的发生,但采用不同
的防治反射裂缝材料压次增加的比例却有所不同.
2)沥青面层由4cm增加至5cm,沥青加铺层
完全断裂的压次也有所增加,但从表中可以看出,
压次增减的最大比例仅为33.8%.这说明增加面层
厚度可以延缓反射裂缝的发生,但效果有限.
5结论
1)除了土工格栅,镀锌铁片,防水卷材,无
纺土工布的加入可提高沥青混合料的抗反射裂缝能
力,且镀锌铁片>防水卷材>无纺土工布>土工格
栅.说明对于应力吸收层宜使用有一定抗剪强度的
材料,其机理主要是隔离裂缝的发展,而不是靠张
力阻止裂缝的发展.
2)增加沥青面层厚度可以延缓反射裂缝的开
展,但其程度有限.采用合适的防反射裂缝的材料
比单纯增加面层厚度效果更明显.
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