水電站重載交通公路瀝青路面結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)探討

黃俊華,聶大豐,張 丹

(中國(guó)水電顧問集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,四川 成都 610072)

1 前 言

水電作為清潔可再生能源,無(wú)污染、運(yùn)行費(fèi)用低,有利于提高資源利用率和經(jīng)濟(jì)社會(huì)的綜合效益。在地球傳統(tǒng)能源日益緊張的情況下,世界各國(guó)普遍優(yōu)先開發(fā)利用水能資源。

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)、快速、健康發(fā)展和人民生活水平的不斷提高,國(guó)家對(duì)能源的需求迅速增長(zhǎng),從而使我國(guó)加快了水電開發(fā)利用步伐。

水電站建設(shè)施工運(yùn)輸要求的車輛多為重型車輛,其總質(zhì)量、軸載質(zhì)量較大,水電站建設(shè)施工運(yùn)輸車輛一般為汽車 -40級(jí)、汽車 -60級(jí)、汽車 -80級(jí)等,單軸重可達(dá)到 200～300kN,雙軸重可達(dá)到 300～550kN,從而使水電站專用公路與普通公路在功能上存在較大差異,主要表現(xiàn)為專用公路運(yùn)行主要車載總質(zhì)量和軸載質(zhì)量大,且只在電站建設(shè)施工期持續(xù)。本文就水電站交通工程重載下的瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)作初步探討。

2 路面結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)

提高重載交通環(huán)境下瀝青路面的性能關(guān)鍵還在于路面各個(gè)結(jié)構(gòu)層的材料設(shè)計(jì)和組合設(shè)計(jì)。如何提高瀝青路面結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度是重載瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的核心,通常從改善瀝青混合料質(zhì)量、合理選擇瀝青層厚度、提高基層強(qiáng)度水平、加強(qiáng)結(jié)構(gòu)層之間的粘結(jié)、提高基層的抗水損害和面層結(jié)構(gòu)的抗滑能力等途徑綜合考慮。

2.1 改善瀝青混合料的質(zhì)量

瀝青混合料是一種復(fù)合材料,由瀝青、粗集料、細(xì)集料、礦粉及外加劑所組成。這些組成材料在混合料中,由于組成材料質(zhì)量的差異和數(shù)量的多寡,可形成不同的組成結(jié)構(gòu),并表現(xiàn)為不同的力學(xué)性能。

瀝青混合料應(yīng)具備有一定的力學(xué)強(qiáng)度;除了受重載的作用外,還受到各種自然因素的影響,因此還必須具備抵抗自然因素作用的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性以及耐久性;為了便利施工還應(yīng)具備施工和易性。

改善瀝青混合料質(zhì)量可以從合理選擇原材料、調(diào)整混合料的級(jí)配及組成比等方面著手。

2.1.1 合理選擇原材料

拌制瀝青混合料所用的瀝青材料的技術(shù)性質(zhì),隨氣候條件、交通性質(zhì)、瀝青混合料的類型和施工條件等因素而異。對(duì)于水電站重載交通公路,宜采用較稠的瀝青,當(dāng)瀝青標(biāo)號(hào)不符合使用要求時(shí),可采用不同標(biāo)號(hào)的瀝青摻配,但摻配后的技術(shù)指標(biāo)應(yīng)符合要求。

瀝青混合料所用粗集料,可以采用碎石、破碎礫石和礦渣等。對(duì)于水電站重載交通公路,宜選用紋理粗糙、棱角多的石料,提高內(nèi)摩擦角。

細(xì)集料應(yīng)潔凈、干燥、無(wú)風(fēng)化、不含雜質(zhì),并有適當(dāng)?shù)募?jí)配范圍。對(duì)于水電站重載交通公路,宜采用優(yōu)質(zhì)、硬度較大的堿性石料和經(jīng)反復(fù)破碎后得到的機(jī)制砂。

2.1.2 采用合適的礦料級(jí)配

通常瀝青混合料按其組成結(jié)構(gòu)可分為 3類:懸浮 -密實(shí)結(jié)構(gòu)、骨架 -空隙結(jié)構(gòu)和密實(shí) -骨架結(jié)構(gòu)。瀝青混合料的三軸試驗(yàn)結(jié)果表明,密實(shí) -骨架結(jié)構(gòu)不僅具有較高的粘聚力 c,而且也具有較高的內(nèi)摩阻角 φ。對(duì)于水電站重載交通公路,宜選用該類型的級(jí)配,混合料中細(xì)料的壓實(shí)體積應(yīng)“臨界”于粗集料形成的空隙體積,粗集料在壓實(shí)混合料中有一定“骨架作用”。

2.2 合理選擇瀝青面層厚度

瀝青面層主要起功能作用,而非承重層。就功能性作用而言,各層的作用是互不相同的,各有其主要作用。目前我國(guó)瀝青路面的主要損壞形式為水損害、抗滑性能不足、車轍類高溫剪切破壞、低溫收縮開裂等,實(shí)質(zhì)上是路面使用功能的破壞。

在瀝青路面設(shè)計(jì)中,合理選擇瀝青面層的厚度是一個(gè)重要課題。瀝青面層過厚,對(duì)于提高瀝青路面的整體承載力有一定的貢獻(xiàn),但是同時(shí)也帶來(lái)了一系列的問題,在重載下主要表現(xiàn)為車轍、推移等;瀝青面層過薄,在重載下層底拉應(yīng)力過大,容易開裂。因此,在重載條件下應(yīng)根據(jù)公路的特點(diǎn)和交通量進(jìn)行計(jì)算,選擇合理的面層厚度范圍。瀝青面層厚度的選擇應(yīng)考慮兩方面因素:一是理論上的計(jì)算厚度;二是考慮實(shí)際施工水平的采用厚度。一般來(lái)說(shuō),采用厚度應(yīng)略大于計(jì)算厚度。

2.3 提高基層強(qiáng)度水平

基層是主要承重層,應(yīng)具有穩(wěn)定、耐久、較高的承載能力。對(duì)于運(yùn)輸強(qiáng)度大、設(shè)計(jì)荷載大的大型水電站特重交通瀝青路面宜采用剛性基層結(jié)構(gòu),其余重載交通可采用半剛性基層。

2.3.1 剛性基層

剛性基層是采用貧混凝土、混凝土、連續(xù)配筋混凝土等材料鋪筑的路面基層。

和其他類型的基層相比,剛性基層有強(qiáng)度和剛度高、較好的整體性和穩(wěn)定性、抗沖刷能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

以貧混凝土為例,按照結(jié)構(gòu)組成特征可分為密實(shí)貧混凝土和多孔貧混凝土。這類基層具有良好的強(qiáng)度和剛度。貧混凝土基層的基準(zhǔn)水泥含量為 6%～12%,水泥穩(wěn)定粒料基層中的水泥含量一般不超過 6%,二者水泥含量相差約為 40～50kg/m3,而貧混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗彎拉強(qiáng)度分別為水泥穩(wěn)定粒料的 1.6～3倍以上,抗壓彈性模量為水泥穩(wěn)定粒料的 3倍以上,故剛性基層的強(qiáng)度和剛度比半剛性基層有較大提高,這主要依賴于粗集料的相對(duì)含量較高形成的骨架結(jié)構(gòu)和水泥含量的增加。

剛性基層膠結(jié)料含量少,空隙率一般較大,有利于界面水的排放,故有較好的整體性和穩(wěn)定性。

剛性基層的抗沖刷性和水泥的粘結(jié)作用強(qiáng)弱與材料中的細(xì)料含量有關(guān)。水泥含量越高混合料的結(jié)合效果越好,其抗沖刷性能就越好。法國(guó)道路當(dāng)局利用旋轉(zhuǎn)和振動(dòng)臺(tái)做了大量的沖刷試驗(yàn),結(jié)果表明,剛性基層如貧混凝土的抗沖刷性能總體好于其它基層類型,在第 16屆世界道路會(huì)議的混凝土道路技術(shù)委員會(huì)報(bào)告中,將其列為低沖刷材料。

2.3.2 半剛性基層

半剛性基層廣泛地應(yīng)用于我國(guó)各級(jí)公路路面結(jié)構(gòu)中。

半剛性基層造價(jià)低,這對(duì)于仍處于發(fā)展中的我國(guó)而言,是其他基層材料所無(wú)法比擬的。不僅如此,半剛性基層材料還有以下特性:半剛性基層材料的強(qiáng)度隨被穩(wěn)定材料的級(jí)配組成和結(jié)合料的不同可以在很寬的值域內(nèi)變化;半剛性基層的收縮開裂是可以減小的,及時(shí)地保濕養(yǎng)生可以避免干燥收縮裂縫;合適的材料組成可以顯著地提高抗沖刷性能;將半剛性基層放在路面中的合適層位,使其不承受過大的荷載,則可以具有更長(zhǎng)的疲勞壽命。

綜上所述,材料強(qiáng)度的獲得不僅要靠一定劑量的結(jié)合料,更要靠良好級(jí)配的集料?；鶎訌?qiáng)度不單由水泥劑量決定,也與基層組成材料的級(jí)配有關(guān)。為了適應(yīng)重載交通的需要,為了追求更高的基層強(qiáng)度而一味地加大水泥劑量,不單不經(jīng)濟(jì),也容易形成收縮裂縫。因此,應(yīng)該在材料級(jí)配和水泥用量中找到一個(gè)適合的比例,采用骨架密實(shí)型級(jí)配,盡量減少細(xì)集料的含量。采用合適的水泥劑量,既可達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)定的強(qiáng)度,也能減少基層的收縮開裂,使基層強(qiáng)度達(dá)到其功能要求,并經(jīng)濟(jì)合理。

2.4 減小反射裂縫的措施

2.4.1 應(yīng)力吸收層

重載交通下,剛性基層瀝青路面面層與基層之間宜設(shè)置瀝青應(yīng)力吸收層來(lái)抵抗反射裂縫。

應(yīng)力吸收層不同于應(yīng)力吸收膜,它是具有空隙率較小、彈性恢復(fù)能力很強(qiáng)、密實(shí)不透水、厚度為 20～25mm的細(xì)粒式改性瀝青混凝土薄層結(jié)構(gòu)?；旌狭系酿そY(jié)料的技術(shù)指標(biāo)宜符合美國(guó) SHRP的 PG70-28或 PG76-22等級(jí)要求,瀝青用量一般為 8%～10%。該混合料具有較好的抗變形能力、抗疲勞性能和防止反射裂縫的效果。

剛性基層瀝青路面的反射裂縫由溫度和荷載的共同作用而產(chǎn)生,是在溫度變化下拉應(yīng)力產(chǎn)生的拉伸變形和荷載作用下產(chǎn)生的豎向剪切應(yīng)力造成的豎向變形,在剛性基層斷裂裂縫處產(chǎn)生應(yīng)力集中向面層傳遞,使面層斷裂。反射裂縫是剛性基層瀝青路面損壞的關(guān)鍵問題,研究表明,反射裂縫的擴(kuò)展速度一般為 2.5cm/年。從結(jié)構(gòu)方面來(lái)講,反射裂縫對(duì)道路的破壞不是簡(jiǎn)單的裂縫問題,更嚴(yán)重的是反射裂縫產(chǎn)生后水對(duì)道路的進(jìn)一步破壞:路表水以反射裂縫為通道向下滲透直至路基,導(dǎo)致基層和路基損壞。

路面結(jié)構(gòu)中鋪了應(yīng)力吸收層以后,不僅能夠良好地消散剛性基層板塊接縫處的應(yīng)力集中,而且還能有效地防止剛性基層因溫度應(yīng)力而引起的瀝青面層反射裂縫,其良好的彈性和抗疲勞性能使水平位移在較寬的范圍內(nèi)分散,降低了加鋪層內(nèi)部尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子的幅值,使裂縫不會(huì)很快失穩(wěn)擴(kuò)展,從而延緩了裂縫反射至面層的速度。

2.4.2 應(yīng)力吸收膜

反射裂縫是我國(guó)半剛性基層瀝青路面的典型病害。對(duì)于半剛性基層,采取應(yīng)力吸收膜是減少反射裂縫的重要措施。

國(guó)外采用較多的橡膠瀝青應(yīng)力吸收層(因厚度很薄,我國(guó)稱為應(yīng)力吸收膜),一般稱為 SAMI(Stress Absorbing Membrane Interlayer),本質(zhì)上是通過隔離作用,將基層裂縫處位移產(chǎn)生的應(yīng)力消散(吸收)在應(yīng)力吸收層內(nèi)部,從而起到保護(hù)面層的作用。

橡膠瀝青應(yīng)力吸收膜夾層實(shí)質(zhì)上是一種碎石封層,吸收層材料模量較低,柔韌性和彈性較好,能夠彎曲和蠕變,從而釋放應(yīng)力,修復(fù)已經(jīng)發(fā)生的裂縫,阻止裂縫的進(jìn)一步擴(kuò)展,延緩和減少罩面反射裂縫的發(fā)生。另外,封層碎石在碾壓時(shí)能夠嵌入罩面,防止沿著較厚的橡膠瀝青膜形成滑動(dòng)面。

2.5 加強(qiáng)瀝青面層層間與基層的粘結(jié)

壓實(shí)成型的瀝青混合料的強(qiáng)度構(gòu)成來(lái)源于瀝青材料的粘結(jié)力和骨料的摩阻力,同時(shí)材料本身的均質(zhì)性和連續(xù)性也是強(qiáng)度構(gòu)成的根本條件。瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中基層和瀝青面層及面層之間是按連續(xù)狀態(tài)計(jì)算的,實(shí)際工程中,在完成自下而上每一個(gè)結(jié)構(gòu)層的鋪裝時(shí),都需要進(jìn)行足夠的振實(shí)碾壓。因而這些結(jié)構(gòu)層的表面都達(dá)到了相對(duì)密實(shí)平整狀態(tài),在層與層結(jié)合面上摩阻力就會(huì)大大低于混合料本身,其強(qiáng)度構(gòu)成轉(zhuǎn)為對(duì)粘結(jié)力的依賴。所以,為了保證路面結(jié)構(gòu)的整體性和結(jié)構(gòu)層間應(yīng)力傳遞的連續(xù)性,瀝青面層層間及面層與基層之間的粘結(jié)也相當(dāng)重要。如果沒有更加優(yōu)質(zhì)的材料進(jìn)行粘結(jié)處理,創(chuàng)造一個(gè)等于或大于混合料強(qiáng)度的層間體,層間結(jié)合面就會(huì)成為一個(gè)薄弱環(huán)節(jié),難以承受水平方向過大剪切力的破壞。

為加強(qiáng)路面結(jié)構(gòu)層間的粘結(jié)并提高防水及封水效果,對(duì)于水電站重載交通公路,各面層及面層與基層之間可以設(shè)置 SBR改性乳化瀝青粘層油。

SBR是一種高分子聚合物,與特殊復(fù)合材料在瀝青之中相互交連形成網(wǎng)狀,大大限制了瀝青膠束的自由度,噴灑于道路表面成型后不會(huì)與車輪粘連,也不會(huì)因施工車輛通行而影響粘層效果,所以是一種很好的層間粘結(jié)材料。它的優(yōu)越性,通過許多工程實(shí)例都得到了證實(shí)。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著我國(guó)加快水電開發(fā)建設(shè)的步伐,重載交通的規(guī)模也越來(lái)越大。隨著時(shí)間的推移以及新技術(shù)、新材料的應(yīng)用,通過優(yōu)化重載瀝青路面的結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì),水電站重載交通公路瀝青路面也將會(huì)迎來(lái)推廣運(yùn)用的春天。

[1]中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院主編.JTG D 50—2006《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》[S].北京:人民交通出版社,2006.

[2]交通部公路科學(xué)研究所主編.JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》[S].北京:人民交通出版社,2004.

[3]嚴(yán)家伋.道路建筑材料[M].北京:人民交通出版社,2002.

[4]《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》編寫組.《公路瀝青道路設(shè)計(jì)規(guī)范》釋義手冊(cè)[M].北京:人民交通出版社,2008.

[5]王莉,徐建成,劉空軍.重載交通環(huán)境下瀝青路面結(jié)構(gòu)層設(shè)計(jì)初探[J].黑龍江交通科技,2007(1).

[6]靳進(jìn)釗.關(guān)于如何完善重載瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的探討[J].交通標(biāo)準(zhǔn)化,2006(7).

[7]閆鵬,劉紅杰,李正華.剛性基層的路面新結(jié)構(gòu)探討.黃河規(guī)劃設(shè)計(jì)[J].2008(3).

[8]王海令,趙海芬.剛性基層瀝青路面利用應(yīng)力吸收層抗反射裂縫措施[J].黑龍江科技信息,2008(23).