超薄罩面技術在水泥路面養護中的應用

冼振光,馬乃富,楊德勝,黃 峰

(1.廣西新平高速公路有限公司,廣西 桂林 541002;2.重慶市智翔鋪道技術工程有限公司,重慶 400067)

0 引言

超薄罩面使用改性瀝青與集料、礦粉、纖維等拌和,經過壓路機碾壓在原路面表面攤鋪形成瀝青混凝土薄層,其厚度通常≤25 mm[1]。超薄罩面攤鋪厚度薄,施工速度快,能夠節約大量的建筑材料,是一種低成本和高效的路面預防養護技術[2-3]。

我國公路的預防養護大多是針對瀝青路面進行,而對于提升水泥路面抗滑性能、平整度等方面,目前還沒有較多的研究和工程經驗,將瀝青路面預防養護技術應用在水泥路面具有一定的可行性[4-6]。《公路水泥混凝土路面養護技術規范》(JTJ073.1-2001)提出,當水泥路面出現較大范圍磨損和露骨時,可在水泥路面加鋪厚度為1.0～1.5 mm的瀝青混凝土磨耗層。然而該規范出版時間較早,提出的瀝青混凝土級配較為單一,沒有對膠結料做技術要求,無法滿足目前高等級水泥路面對路面抗滑、滲水、平整度、耐久性的要求[7]。

隨著超薄罩面技術的發展,采用骨架密實型、骨架間隙型和改性瀝青形成的超薄罩面技術被不斷用于高等級公路的預防養護[8-9]。超薄罩面大多應用在瀝青路面上,對路面的抗滑和平整度改善顯著,通常能夠使路面的構造深度達到0.75 mm以上,同時具有較好的耐久性和抗裂性能[10-11]。與瀝青路面相比,水泥路面屬于剛性路面結構且面層具有均勻分布的縮縫與脹縫,超薄罩面在層間粘結性能、抗反射開裂性能、施工工藝等方面均有較多的差異,如何防止水泥路面加鋪超薄罩面后產生反射裂縫、脫層等病害是保證施工質量的關鍵。本文基于2020年實施的廣西三柳高速公路K56+840～K62+084路段超薄罩面工程,對水泥路面加鋪超薄罩面的路面結構、材料、施工工藝和后期服役性能等進行記錄和分析,為水泥路面加鋪超薄罩面提供技術參考。

1 加鋪方案

三柳高速公路位于廣西壯族自治區北部,北起三江縣南接柳州市,全長168.729 km。本次試驗段位于上行K56+840～K62+084段,原路面結構為:30 cm水泥混凝土面板+3 cm橡膠瀝青混凝土+透層+20 cm 5%水泥穩定碎石基層+18 cm 4%水泥穩定碎石底基層+20 cm級配碎石墊層,總厚度為91 cm。本研究采用EMC-13、EMC-10、AC-8、AC-8(纖維)、Thus-20共5種級配的瀝青混合料進行加鋪,層間粘結劑采用溶劑型粘結劑和改性乳化瀝青。EMC-10、EMC-13、AC-8、AC-8(纖維)為骨架密實型級配,Thus-20為骨架間隙型,均具有良好的表面抗滑性能,構造深度>0.75 mm。

2 基面處治工藝

2.1 裂縫處治

裂縫是影響超薄罩面使用壽命的主要病害,根據水泥路面裂縫的損壞程度制定如下處治方案:

(1)對于縫寬<1.5 cm的裂縫,先進行清縫,然后用填縫料進行封縫。清縫時,縫壁應垂直,如縫寬<0.5 cm,則擴縫寬度為0.6～1.0 cm,深度為2.5～3.0 cm,如縫寬>0.5 cm,則擴縫寬度為1.0～2.0 cm,深度為3.0～3.5 cm。

(2)當縫寬>1.5 cm時,若裂縫處無破碎,在不影響行車安全及舒適性的前提下可按方案(1)的方法進行處理。若裂縫處棱角掉塊嚴重,板下有脫空現象,影響行車安全和舒適性,則根據板內其他破損情況分別按板角修補、板邊修補或換板修補等方案進行修復。

2.2 接縫處治

水泥路面接縫包括縮縫和脹縫,縮縫寬度為5～7 mm,脹縫寬度為20～30 mm。該項目設計了兩種接縫處治方案和三種灌縫材料,處治方案如下:

方案一:對路面進行精銑刨后使用切縫機進行清縫,然后填入灌縫材料。

方案二:使用切縫機清除接縫內4 cm深度的舊填縫料,然后灌入早強水泥漿;水泥砂漿養生6～8 h后進行精銑刨,然后對接縫進行切縫并填入灌縫料。

方案一精銑刨后路面接縫邊緣存在破損和接縫擴寬的情況,原路面接縫由5～8 mm擴寬至50～60 mm。采用早強水泥漿對接縫進行預灌縫補強后,再進行精銑刨,能夠避免接縫損壞。

灌縫材料采用聚氨酯、瀝青膠砂、環氧膠砂、聚氨酯膠砂,材料的技術特點如表1所示。

表1 灌縫材料的技術特點和應用效果表

2.3 抗裂措施

瀝青路面使用的層間抗裂材料包括土工格柵、土工布、抗裂貼等,由于基面為水泥混凝土,常規的土工格柵和土工布無法與基面固定,因此,該項目采用抗裂貼。瀝青路面的抗裂貼厚度一般為2～3 mm,過大的厚度不利于超薄罩面加鋪后的平整度;同時由于超薄罩面厚度較薄,在攤鋪瀝青混合料時攤鋪機對抗裂貼推擠作用較強,因此抗裂貼厚度過大容易出現推移的現象。為解決上述問題,采用定制的聚酯玻纖加強格柵抗裂貼,技術指標如表2所示。

表2 抗裂貼技術指標表

3 層間粘結方案

層間粘結劑使用溶劑型粘結劑和改性乳化瀝青,溶劑型粘結劑由樹脂、瀝青、溶劑等混合而成,具有二階反應特征。溶劑型粘結劑撒布固化后在路面形成一層質地較硬的薄層,具有不粘輪的特點,經過加鋪混合料的高溫使其融化達到層間粘結的效果,適用于EMC-10、EMC-13、AC-8、AC-8(纖維)等異步施工的超薄罩面。溶劑型粘結劑撒布量為0.3～0.5 kg/m2,采用自主設計的車載式撒布車,施工效率為11 000 m2/h。改性乳化瀝青用于同步施工的Thus-20罩面的粘結層,撒布量為0.7～0.9 kg/m2。溶劑型粘結劑的技術指標如表3所示。

表3 溶劑型粘結劑技術指標表

4 超薄罩面技術

4.1 配合比設計

EMC-13、EMC-10、AC-8、AC-8(纖維)使用高彈改性瀝青為膠結料,Thus-20使用Thus Binder改性瀝青,技術指標如表4所示。超薄罩面的級配范圍如表5所示。

表4 超薄罩面瀝青技術指標表

表5 超薄罩面級配范圍表

經過馬歇爾試驗確定最佳油石比,EMC-10為5.5%,EMC-13為4.8%,AC-8為5.8%,AC-8(纖維)為6.2%,Thus-20為5.2%,對混合料馬歇爾指標、高溫性能、低溫性能、水穩定性、孔隙率等指標進行測試,結果如表6所示。

表6 超薄罩面路用性能測試結果表

4.2 超薄罩面施工

4.2.1 混合料生產

超薄罩面瀝青混合料的生產工藝與普通熱拌改性瀝青混合料的生產一致,由于超薄罩面攤鋪厚度較薄,混合料級配的波動對超薄罩面路用性能影響十分顯著,這是目前大部分密實型超薄罩面滲水無法滿足要求的原因之一。因此,在生產混合料前必須對拌和站計量系統進行標定,嚴格控制每一盤料的生產。混合料的干拌時間為8～10 s,濕拌時間為40～45 s,集料加熱溫度為185±5 ℃,瀝青加熱溫度為145±5 ℃,混合料拌和溫度為155±5 ℃。對AC-8(纖維)瀝青混合料,將纖維制成固定質量的包裝,然后在生產時人工投入拌和鍋與骨料進行干拌,然后加入瀝青拌和均勻。對Thus-20瀝青混合料,集料加熱溫度為195±5 ℃,瀝青加熱溫度為160±5 ℃,混合料拌和溫度為175±5 ℃,同時應延長混合料濕拌時間8～10 s,以提高改性劑與瀝青的融合度。

4.2.2 混合料的攤鋪、碾壓

EMC-13、EC-10、AC-8和AC-8(纖維)均采用異步式攤鋪工藝,采用雙機聯鋪,前后攤鋪機縱向間距為10～15 m,橫向熱接縫搭接寬度為3～5 cm,攤鋪速度為5～8 m/min,Thus-20采用同步攤鋪。攤鋪時的連續性對超薄罩面的平整度影響極大,因此在施工時需待料車多于4輛后方可開始攤鋪,施工時應連續攤鋪。

受到加鋪層厚度和水泥基面剛度的影響,超薄罩面壓實較為困難,對壓實后的罩面性能進行檢測,結果如表7所示。從表7可以看出,EMC-13滲水系數為314.9 mL/min,IRI為1.29 mm,導致EMC-13滲水系數過大和平整度較差的原因主要是混合料粒徑較大,而罩面攤鋪厚度較薄,混合料中的粗顆粒在輪碾作用下的偏轉和位移較小,混合料難以達到較高的壓實度,對EMC-10使用了“鋼-膠-鋼”和“膠-鋼”兩種壓實工藝,“鋼-膠-鋼”初壓和終壓為鋼輪,復壓為膠輪,“膠-鋼”為初壓和復壓均采用膠輪壓路機,重壓采用鋼輪壓路機收輪跡。對比不同壓實工藝的EMC-10超薄罩面可知,使用“膠-鋼”的碾壓工藝能夠減小超薄罩面的滲水系數,對路面的抗滑性能和平整度有不利影響。AC-8采用常規的“鋼-膠-鋼”碾壓工藝,除滲水系數較大之外,其他指標均較優。AC-8(纖維)相比AC-8的滲水系數更小,主要原因是初壓和復壓采用鋼輪壓路機振動壓實提高了壓實功,此外還有混合料油石比和纖維的填隙作用。通過Thus-20的壓實效果可以看出,Thus-20滲水系數和構造深度均較大,這是由于其級配為大孔隙的開級,混合料設計孔隙率為12.6%。此外,Thus-20平整度較差,其原因主要是Thus-20采用同步攤鋪工藝施工,攤鋪機的乳化瀝青罐容量約為2～3 t,在施工時攤鋪寬度為4.5 m,每攤鋪700 m即需減速或停機加注乳化瀝青,對超薄罩面的平整度影響極大。

表7 超薄罩面壓實工藝及路用性能檢測結果表

綜上所述,對于骨架密實型級配超薄罩面,采用鋼輪進行初壓,膠輪壓路機進行復壓和鋼輪壓路機收輪跡能夠獲得較好的平整度和構造深度。同步攤鋪工藝能夠解決乳化瀝青粘輪的問題,但是由于乳化瀝青破乳時間短導致層間殘留較多的水分在通車后緩慢蒸發,主要適用于大孔隙的瀝青混合料。現有的同步攤鋪機在對單車道封閉施工時施工機械需呈縱向隊列加注乳化瀝青,加注過程需減速或停機,影響混合料攤鋪的連續性,導致超薄罩面平整度不足。

5 應用效果評估

于通車后6個月對路面的RQI、SRI、RDI和滲水系數進行檢測,如下頁表8所示。從表8可以看出,經過6個月的通車運行,超薄罩面的RQI、SRI、RDI均保持在較優水平,除AC-8滲水系數較大之外,其他超薄罩面滲水系數均滿足設計要求。

表8 通車6個月后路用性能檢測結果表

6 結語

針對水泥路面提升表面平整度和抗滑性能等功能的需要,提出采用超薄罩面對水泥路面進行加鋪,結合基面處治工藝,快速、高效地完成了水泥路面養護工程。通過對病害處治、接縫灌縫、抗裂處治等進行方案設計,有效提高了超薄罩面的抗裂性能。針對不同級配的瀝青混合料進行配合比設計、混合料生產、混合料攤鋪碾壓,總結了超薄罩面的施工工藝。通過對路面性能進行觀測,驗證了5種級配的超薄罩面在水泥路面上的長期使用效果。超薄罩面具有良好的平整度、抗滑性能,在通車6個月后路面各項性能指標均保持在較優水平,鋪裝層整體質量良好。超薄罩面在三柳高速公路水泥路面上的成功應用為我國水泥路面預防養護提供了一定的借鑒作用。