水電站重載交通公路瀝青路面結構組合設計探討

黃俊華,聶大豐,張 丹

(中國水電顧問集團成都勘測設計研究院,四川 成都 610072)

1 前 言

水電作為清潔可再生能源,無污染、運行費用低,有利于提高資源利用率和經濟社會的綜合效益。在地球傳統能源日益緊張的情況下,世界各國普遍優先開發利用水能資源。

隨著國民經濟的持續、快速、健康發展和人民生活水平的不斷提高,國家對能源的需求迅速增長,從而使我國加快了水電開發利用步伐。

水電站建設施工運輸要求的車輛多為重型車輛,其總質量、軸載質量較大,水電站建設施工運輸車輛一般為汽車 -40級、汽車 -60級、汽車 -80級等,單軸重可達到 200～300kN,雙軸重可達到 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,主要表現為專用公路運行主要車載總質量和軸載質量大,且只在電站建設施工期持續。本文就水電站交通工程重載下的瀝青路面結構設計作初步探討。

2 路面結構組合設計

提高重載交通環境下瀝青路面的性能關鍵還在于路面各個結構層的材料設計和組合設計。如何提高瀝青路面結構的強度是重載瀝青路面結構設計的核心,通常從改善瀝青混合料質量、合理選擇瀝青層厚度、提高基層強度水平、加強結構層之間的粘結、提高基層的抗水損害和面層結構的抗滑能力等途徑綜合考慮。

2.1 改善瀝青混合料的質量

瀝青混合料是一種復合材料,由瀝青、粗集料、細集料、礦粉及外加劑所組成。這些組成材料在混合料中,由于組成材料質量的差異和數量的多寡,可形成不同的組成結構,并表現為不同的力學性能。

瀝青混合料應具備有一定的力學強度;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定性、低溫抗裂性以及耐久性;為了便利施工還應具備施工和易性。

改善瀝青混合料質量可以從合理選擇原材料、調整混合料的級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性質,隨氣候條件、交通性質、瀝青混合料的類型和施工條件等因素而異。對于水電站重載交通公路,宜采用較稠的瀝青,當瀝青標號不符合使用要求時,可采用不同標號的瀝青摻配,但摻配后的技術指標應符合要求。

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,提高內摩擦角。

細集料應潔凈、干燥、無風化、不含雜質,并有適當的級配范圍。對于水電站重載交通公路,宜采用優質、硬度較大的堿性石料和經反復破碎后得到的機制砂。

2.1.2 采用合適的礦料級配

通常瀝青混合料按其組成結構可分為 3類:懸浮 -密實結構、骨架 -空隙結構和密實 -骨架結構。瀝青混合料的三軸試驗結果表明,密實 -骨架結構不僅具有較高的粘聚力 c,而且也具有較高的內摩阻角 φ。對于水電站重載交通公路,宜選用該類型的級配,混合料中細料的壓實體積應“臨界”于粗集料形成的空隙體積,粗集料在壓實混合料中有一定“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,實質上是路面使用功能的破壞。

在瀝青路面設計中,合理選擇瀝青面層的厚度是一個重要課題。瀝青面層過厚,對于提高瀝青路面的整體承載力有一定的貢獻,但是同時也帶來了一系列的問題,在重載下主要表現為車轍、推移等;瀝青面層過薄,在重載下層底拉應力過大,容易開裂。因此,在重載條件下應根據公路的特點和交通量進行計算,選擇合理的面層厚度范圍。瀝青面層厚度的選擇應考慮兩方面因素:一是理論上的計算厚度;二是考慮實際施工水平的采用厚度。一般來說,采用厚度應略大于計算厚度。

2.3 提高基層強度水平

基層是主要承重層,應具有穩定、耐久、較高的承載能力。對于運輸強度大、設計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構,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,剛性基層有強度和剛度高、較好的整體性和穩定性、抗沖刷能力強等特點。

以貧混凝土為例,按照結構組成特征可分為密實貧混凝土和多孔貧混凝土。這類基層具有良好的強度和剛度。貧混凝土基層的基準水泥含量為 6%～12%,水泥穩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度和抗彎拉強度分別為水泥穩定粒料的 1.6～3倍以上,抗壓彈性模量為水泥穩定粒料的 3倍以上,故剛性基層的強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含量較高形成的骨架結構和水泥含量的增加。

剛性基層膠結料含量少,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定性。

剛性基層的抗沖刷性和水泥的粘結作用強弱與材料中的細料含量有關。水泥含量越高混合料的結合效果越好,其抗沖刷性能就越好。法國道路當局利用旋轉和振動臺做了大量的沖刷試驗,結果表明,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屆世界道路會議的混凝土道路技術委員會報告中,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用于我國各級公路路面結構中。

半剛性基層造價低,這對于仍處于發展中的我國而言,是其他基層材料所無法比擬的。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度隨被穩定材料的級配組成和結合料的不同可以在很寬的值域內變化;半剛性基層的收縮開裂是可以減小的,及時地保濕養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,則可以具有更長的疲勞壽命。

綜上所述,材料強度的獲得不僅要靠一定劑量的結合料,更要靠良好級配的集料。基層強度不單由水泥劑量決定,也與基層組成材料的級配有關。為了適應重載交通的需要,為了追求更高的基層強度而一味地加大水泥劑量,不單不經濟,也容易形成收縮裂縫。因此,應該在材料級配和水泥用量中找到一個適合的比例,采用骨架密實型級配,盡量減少細集料的含量。采用合適的水泥劑量,既可達到設計規定的強度,也能減少基層的收縮開裂,使基層強度達到其功能要求,并經濟合理。

2.4 減小反射裂縫的措施

2.4.1 應力吸收層

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

應力吸收層不同于應力吸收膜,它是具有空隙率較小、彈性恢復能力很強、密實不透水、厚度為 20～25mm的細粒式改性瀝青混凝土薄層結構?；旌狭系酿そY料的技術指標宜符合美國 SHRP的 PG70-28或 PG76-22等級要求,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生,是在溫度變化下拉應力產生的拉伸變形和荷載作用下產生的豎向剪切應力造成的豎向變形,在剛性基層斷裂裂縫處產生應力集中向面層傳遞,使面層斷裂。反射裂縫是剛性基層瀝青路面損壞的關鍵問題,研究表明,反射裂縫的擴展速度一般為 2.5cm/年。從結構方面來講,反射裂縫對道路的破壞不是簡單的裂縫問題,更嚴重的是反射裂縫產生后水對道路的進一步破壞:路表水以反射裂縫為通道向下滲透直至路基,導致基層和路基損壞。

路面結構中鋪了應力吸收層以后,不僅能夠良好地消散剛性基層板塊接縫處的應力集中,而且還能有效地防止剛性基層因溫度應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分散,降低了加鋪層內部尖端的應力強度因子的幅值,使裂縫不會很快失穩擴展,從而延緩了裂縫反射至面層的速度。

2.4.2 應力吸收膜

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

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

橡膠瀝青應力吸收膜夾層實質上是一種碎石封層,吸收層材料模量較低,柔韌性和彈性較好,能夠彎曲和蠕變,從而釋放應力,修復已經發生的裂縫,阻止裂縫的進一步擴展,延緩和減少罩面反射裂縫的發生。另外,封層碎石在碾壓時能夠嵌入罩面,防止沿著較厚的橡膠瀝青膜形成滑動面。

2.5 加強瀝青面層層間與基層的粘結

壓實成型的瀝青混合料的強度構成來源于瀝青材料的粘結力和骨料的摩阻力,同時材料本身的均質性和連續性也是強度構成的根本條件。瀝青路面結構設計中基層和瀝青面層及面層之間是按連續狀態計算的,實際工程中,在完成自下而上每一個結構層的鋪裝時,都需要進行足夠的振實碾壓。因而這些結構層的表面都達到了相對密實平整狀態,在層與層結合面上摩阻力就會大大低于混合料本身,其強度構成轉為對粘結力的依賴。所以,為了保證路面結構的整體性和結構層間應力傳遞的連續性,瀝青面層層間及面層與基層之間的粘結也相當重要。如果沒有更加優質的材料進行粘結處理,創造一個等于或大于混合料強度的層間體,層間結合面就會成為一個薄弱環節,難以承受水平方向過大剪切力的破壞。

為加強路面結構層間的粘結并提高防水及封水效果,對于水電站重載交通公路,各面層及面層與基層之間可以設置 SBR改性乳化瀝青粘層油。

SBR是一種高分子聚合物,與特殊復合材料在瀝青之中相互交連形成網狀,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與車輪粘連,也不會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材料。它的優越性,通過許多工程實例都得到了證實。

3 結束語

隨著我國加快水電開發建設的步伐,重載交通的規模也越來越大。隨著時間的推移以及新技術、新材料的應用,通過優化重載瀝青路面的結構組合設計,水電站重載交通公路瀝青路面也將會迎來推廣運用的春天。

[1]中交公路規劃設計院主編.JTG D 50—2006《公路瀝青路面設計規范》[S].北京:人民交通出版社,2006.

[2]交通部公路科學研究所主編.JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術規范》[S].北京:人民交通出版社,2004.

[3]嚴家伋.道路建筑材料[M].北京:人民交通出版社,2002.

[4]《公路瀝青路面設計規范》編寫組.《公路瀝青道路設計規范》釋義手冊[M].北京:人民交通出版社,2008.

[5]王莉,徐建成,劉空軍.重載交通環境下瀝青路面結構層設計初探[J].黑龍江交通科技,2007(1).

[6]靳進釗.關于如何完善重載瀝青路面結構設計的探討[J].交通標準化,2006(7).

[7]閆鵬,劉紅杰,李正華.剛性基層的路面新結構探討.黃河規劃設計[J].2008(3).

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