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基于疲劳寿命与粘结强度的沥青路面裂缝修补技术研究
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基于疲劳寿命与粘结强度的沥青路面裂缝修补技术研究
2022年04月25日    阅读量:83858    新闻来源:《道路工程》  |  投稿

摘 要

随着我国公路总里程数的不断升高,沥青路面的养护工作越来越成为交通基础设施运营中的关键。沥青路面裂缝是其最主要、最常见的病害之一,及时、有效地对裂缝进行修补填封是保障沥青路面长期性能的重点。本文以沥青路面裂缝的形成机理为基础,探究填缝构造形式、粘结剂种类以及用量对于裂缝修补效果的影响,为选择合理的填缝构造与粘结剂方案提供参考沥青网sinoasphalt.com


关键词

沥青路面 | 裂缝修补技术 | 疲劳寿命 | 粘结强度


随着国内交通基础设施网络的不断完善,沥青路面的公里数持续上升,相当一部分的沥青路面将逐渐进入设计年限的后期阶段,各种路面病害发生愈加频繁。其中,裂缝是沥青路面最主要、最常见的病害之一,若在自然、交通条件恶劣的情况下,甚至会出现在公路运营的中前期。裂缝的存在不仅会使得水分更容易进入路面结构,导致坑槽、剥落等水损害,还会削弱路面的结构承载力,加速路面的破坏,对于路面寿命与行车安全都是极为不利的。


因此,合理的裂缝修补对于保证沥青路面长期高质量运营意义重大。根据不同裂缝的形成机理,根据实际情况采取最适合的裂缝修补技术,并选取合适的填缝构造、灌缝粘结剂种类与用量,从而利用有限的养护资金对沥青路面裂缝进行高质量的养护修补,使沥青路面服务水平重新回升。


沥青路面裂缝形成机理


沥青路面在车辆荷载与自然因素(温度变化、雨水浸入等)的作用下,常见的裂缝类型有龟裂、块裂、横向裂缝、纵向裂缝、反射裂缝等,其产生的机理各有相同又互有联系,主要有以下几点:


(1)车辆荷载的循环作用


沥青路面始终处在一个车辆动荷载交替作用的环境中,沥青路面上某一处的应力应变状态长时间处于类半正弦波的波动状态,在这个持续的循环过程中,具有粘弹性质的沥青混合料抗拉强度将逐渐下降,直至低于其抗拉强度极限时则会发生疲劳断裂,在路表面多处发生微小的疲劳断裂后则会形成龟裂。


(2)昼夜温度的循环变化


沥青路面始终处在暴露的自然环境中,其温度受到昼夜、天气影响很大,越接近路表的路面结构温度变化幅度越大。沥青混合料是典型的受温度影响极大的材料,在昼夜温度变化的过程中,沥青混合料可能产生膨胀与缩裂,此时若原材料的性质不佳(如沥青粘度不足)将很可能在长期温度应力的作用下出现松散,从而导致路面出现块裂、横向裂缝。


(3)半刚性基层开裂贯通至路面


我国道路普遍采用的半刚性基层在昼夜温度变化以及水泥混凝土自身水化作用下会发生温缩或干缩,当达到一定程度时会发生开裂,荷载作用时上部路面结构在开裂处所受的最大拉应力将会骤增,一段时间后将会导致下面层拉应力超过其抗拉强度而开裂,这个过程将逐渐向上发展,最后裂缝贯通至路表,形成反射裂缝。


填缝构造形式对路面性能的影响


填缝构造的形式有许多种,不同构造形式之间在填缝效果、成本投入、操作便捷程度等方面存在较大的不同,因此本文选取四种典型的填缝构造进行研究,分别为标准槽路表齐平式、标准槽梯形封顶式、浅刻槽梯形封顶式以及无刻槽梯形封顶式,如图1所示。

基于疲劳寿命与粘结强度的沥青路面裂缝修补技术研究 沥青网,sinoasphalt.com

采用典型的SMA-13级配与最佳油石比,成型车辙板试件,成型之前在车辙板模具中部放置相应填缝形式的活动钢板,成型之后取下以模拟沥青路面裂缝,并热熔型聚合物密封胶进行填缝。随后将车辙板试件切割成小梁,进行四点弯曲疲劳试验和拉拔试验,以获取不同填缝构造下沥青路面小梁试件的疲劳寿命和粘结强度,探究不同填缝构造对于裂缝修补后路面性能的影响。将疲劳试验得到的疲劳寿命次数Nf取对数得到疲劳寿命对数lgNf,将拉拔试验得到的粘结力与小梁横截面相除得到粘结强度,如表1、图2所示。

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由图2可以看出:

(1)对比标准槽路表齐平式与标准槽梯形封顶式,可以发现按照相应方式填缝后,后者的疲劳寿命与粘结强度均比前者高,且粘结强度提升明显,表明在填缝时进行梯形封顶能够有效地提高裂缝修补后该段沥青路面的路面性能,使裂缝两侧沥青混合料粘合紧密、受力均匀,能够维持相当一段时间的优良性能。


在填缝过程中若仅仅将填缝材料注满裂缝,填缝表面处仍然暴露在雨水、空气与行车荷载之中,填缝材料与两侧原始的沥青混合料之间连接仍然不够牢固;在此基础上,若将填缝材料在裂缝之上浇灌成以更完全地封住开裂处,则一方面加强了开裂两侧的连接,另一方面也保护了开裂处直接受到空气与雨水的作用,有效保护了路面脆弱的部位。同时在开放行车后,在车辆荷载的反复作用下,该梯形封顶将被缓慢碾平,部分填缝材料将被填充进因温度升高而导致裂缝膨胀的体积中去,进一步强化了开裂处的抗疲劳和剪切能力。


(2)对比标准槽梯形封顶式、浅刻槽梯形封顶式以及无刻槽梯形封顶式,可以发现按照相应方式填缝后,无刻槽的疲劳寿命与粘结强度均大幅低于另外两者有刻槽的填缝形式,而在同样刻槽的填缝形式中,浅刻槽的疲劳寿命与粘结强度均略微低于标准刻槽,表明刻槽对于裂缝修补十分关键,能够明显提高裂缝修补的质量,同时浅刻槽的填缝效果略差于标准刻槽,但仍然处于较高水平,可以根据道路实际情况选择合适的填缝形式。


在填缝过程中进行裂缝刻槽的意义在于为填缝材料提供一个稳定、平整、清洁的界面,使得填缝材料能够充分地填充整个空间且受力简单明确,粘结效果显著提升,有利于裂缝修补后路面的长期性能,但因此对于路面养护修补时的人员、仪器与操作提出更高的要求;若不进行刻槽直接进行填缝,能够节省一定的养护时间与开支,但填缝后开裂处仍然可能在多次车辆荷载后达到其抗拉强度的极限,从而再次被撕裂,需要进行再次的养护修补,不利于路面长期性能的保持。


灌缝粘结剂对路面性能的影响


沥青路面在车辆和雨水、温度等自然因素的作用下,裂缝病害可能发生在任何一个位置,但若在沥青路面摊铺施工过程中由于工时安排、天气因素等中断摊铺留下冷接缝,次日继续摊铺时,接缝位置没有进行妥善的处理,接缝处抗疲劳与剪切能力弱,则在道路运营过程中将很有可能在此位置发生裂缝病害。因此,在处理该接缝时,粘结剂的种类与用量将会显著影响到该接缝后期的力学性能,进而影响到该段沥青路面的整体路面性能。因此,通过采用不同的粘结剂以及不同粘结剂含量,探究灌缝粘结剂对于路面性能的影响,以寻找一定条件下最佳的粘结剂方案。


粘结剂种类


采用如前述相同的试验与评价方法,选取最常见的三种接缝粘结剂进行研究,分别为普通乳化沥青、树脂乳化沥青、高粘乳化沥青,粘结剂用量统一采用0.6kg·m^-2。试验结果如表2、图3所示。

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由图3可以看出:

对比疲劳寿命,三种乳化沥青作为粘结剂,其修补灌缝后的试件疲劳寿命相差有限,其中高粘乳化沥青灌缝后的试件具有最高的疲劳寿命,树脂乳化沥青灌缝后的试件疲劳寿命则在三者中处于最低;对比粘结强度,从普通乳化沥青到树脂乳化沥青再到高粘乳化沥青,其粘结强度呈现明显的上升趋势,高粘乳化沥青灌缝后的路面接缝处的粘结强度很高。


可以发现,随着乳化沥青粘度的增高,其对于路面疲劳寿命的提高有限,但能够显著改善路面接缝处灌缝后的粘结强度,因此在三种粘结剂中采用高粘乳化沥青具有最好的后期路面性能,但在实际中需要结合具体情况与成本限制作出综合考虑与比选。


粘结剂用量


采用如前述相同的试验与评价方法,选取粘结剂用量为0.3、0.6、0.9kg/㎡三种方案进行试验,粘结剂统一采用高粘乳化沥青。试验结果如表3、图4所示。

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由图4可以看出:

随着粘结剂用量的提升,灌缝后试件的疲劳寿命与粘结强度呈现先升后降的趋势,由0.3kg·m^-2用量增加至0.6kg·m^-2用量时两种路面性能提升较为明显,由0.6kg·m^-2用量增加至0.9kg·m^-2用量时两种路面性能不仅没有提升,反而有略微的下降,在0.6kg·m^-2用量下试件的两种路面性能最优。


可以发现,随着粘结剂用量的增加,试件的疲劳寿命与粘结强度并不是始终保持增长的,在一定范围内存在一个最佳用量。这是由于适量的粘结剂可以充分地填充接缝并与两侧沥青混合料接触并融合,在此基础上若继续增加粘结剂反而会在一定程度上撑开接缝甚至溢出,多余的粘结剂反而过渡润滑了接缝,使得传力效果下降。因此,在三种粘结剂用量中采用0.6kg·m^-2具有最好的后期路面性能,但在实际中需要结合具体情况与成本限制作出综合考虑与比选。


结语


沥青路面裂缝的存在将导致沥青路面处于一个极易受破坏的状态,及时、有效地对裂缝进行修补填封是沥青路面养护工作中的重中之重。在裂缝修补时需要根据实际情况、养护人员与资金配置合理地选取填封构造、粘结剂的种类与用量,在养护质量与成本投入之间寻找一个最佳平衡点。

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标签:今日头条综合论文施工案例技术中心沥青混凝土
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