一、土工布在公路铺设加层中的应用

我国现有的水泥混凝土路面,有相当一部分接近或已超过设计年限,且由于交通量剧增,汽车超载日益严重及设计、施工等方面的原因,导致路面损坏日渐加重,影响了道路的使用功能,以致越来越多的旧水泥砼路面迫切需要进行大修、改造。在旧水泥砼路面上加铺沥青混凝土面层作为一种典型的改造措施,目前普遍地被国内旧路改造工程所采用。但加铺的沥青混凝土常出现反射裂缝,会很大程度上影响到加铺层的使用寿命。如何防治、减缓反射裂缝,也就成了许多道路工程师重视和普遍研究的课题。近年的试验研究表明,使用专用土工布是减缓沥青加铺层反射开裂的一种有效的、经济实用的方法。

国道107广州黄埔段作为广州市东部的一条主要出口道之一,其水泥混凝土路面已使用了十多年。为解决路面板出现的断裂、错台及板底脱空等病害问题,彻底改善路况质量,经研究采取了加铺沥青混凝土面层的工程改造方案,并就土工布的应用进行了研究与探索。加铺层方案为:4cm改性沥青混凝土(AC–13I) + 5cm中粒式沥青混凝土(AC–20I) + 7mm沥青下封层 + 专用土工布贴缝(宽1m)。

二、沥青加铺层开裂的成因分析

旧水泥混凝土路面上加铺沥青层是一种特殊的路面结构,由于旧路面板接缝、裂缝的存在,当车辆通过不连续的板块时,沥青混凝土加铺层中由于接裂缝两侧路面在荷载作用下产生垂直方向的相对位移,使沥青加铺层在接裂缝处出现最大的弯拉应力,并在附近形成最大的剪应力,这种剪应力是沥青混凝土加铺层产生荷载型反射裂缝的最主要原因。另外,由于路面暴露在大气中,受气温周期性变化的影响,沥青加铺层和旧水泥混凝土板都会膨胀、收缩,产生水平位移,形成温度应力。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它本身以及旧路面所产生的温度应力,特别是在冬季气温较低时,沥青混凝土加铺层会因为与接裂缝对应处的拉应力过大而开裂,形成所谓的温度型反射裂缝。研究发现,温度变化引起的水平位移是产生反射裂缝的重要因素。在温度、湿度及荷载应力的综合作用下,裂缝不断向上开展,最后反射到沥青面层表面。周而复始,路面沥青加铺层的整体性将不可避免地遭到破坏,影响到加铺层的使用寿命。

三、土工布防裂、缓裂的作用机理

根据上述分析,为防止、减轻反射裂缝破坏,延长道路的使用寿命,必须对原有接缝、裂缝进行处理。在旧水泥混凝土路面与加铺层之间铺设一层专用土工布,使加铺层与旧砼路面之间形成弹性的间层,能起到缓裂、防裂的作用。其主要作用机理如下:

  • (一)土工布减小了加铺层与旧砼路面层间的结合力。研究表明,有了间层,原来二层界面处的结合力明显减小,由此使加铺层最大拉应变减小。例如广东惠深公路与沪嘉高速公路试验段测得7~12cm沥青面层底部拉应力较不设间层时减小20%。虽然界面强度下降,却仍足以防止界面上下的相对位移而保持连续。
  • (二)由于土工布具有较高的强度和较大的延伸性,能起到应力吸收夹层的作用。土工布间层将反射裂缝应力由垂直方向转为水平方向,并使应力扩展至更宽范围,从而缓解接裂缝处的应力集中,起到了消散水平应变和传递竖向荷载的作用,并且增强沥青混凝土的整体抗拉强度,延缓反射裂缝的产生。
  • (三)防渗作用。由于土工织物可以充分浸透沥青,能在旧砼路面与沥青加铺层之间形成一层有效的防水层,即使加铺层出现裂缝,也能防止地表水渗入旧路接裂缝和基层,使基层材料不受水破坏而影响其性能。
  • (四)铺设土工织物时一般都先给予预拉,从而可降低其在荷载下的拉应力。

由于土工布能有效地改善加铺层路面结构应力分布,抵抗和延缓由于旧路面接裂缝引起的沥青混凝土路面反射裂缝的发生,从而提高路面的使用寿命。

四、土工布的技术特性及要求

综上所述,作为间层材料,土工布必须应具有较高的抗拉强度和较大的伸延度,否则在加铺层应力的作用下会被撕裂;同时由于沥青摊铺时粘层油和混合料的高温要求,土工布又必须具有较高的熔点,以保证摊铺沥青时不会卷缩变形。一般情况下,沥青路面专用土工布应具有以下特性:

  • (一)耐高温。其熔点一般不应低于170℃,较好能达到200℃以上,以防止在沥青摊铺时产生高温下的收缩变形,保障土工布本身性能的稳定。
  • (二)抗拉强度高。其极限抗拉强度应大于等于8KN/m2,断裂伸长率不小于50%。
  • (三)均匀性好。土工布为各向异性材料,为保证强度均匀,对无纺土工织物纵横两向的强度比,一般要求不大于1.2。
  • (四)吸附性、渗透性强。土工布要求表面均匀,可以均匀吸收、渗透沥青并达到饱和,使之与路面充分粘结。
  • (五)抗化学、抗生物性强。要求土工布对化学、生物作用稳定,耐酸碱,且具有耐冻融性等特性。
  • (六)厚度要求。为防止铺设土工布后造成沥青加铺层的不良负效应(剥离破坏),土工布要求单位质量在100~200g/m2之间,厚度以小于2mm为宜。

为方便施工,专用土工布还要求应具有单面烧毛工艺,使土工布铺设后不致被施工车辆卷起而影响使用效果。有关资料显示,在各类的土工布当中,聚酯无纺土工织物的性能最佳,对防治反射裂缝的效果也最明显。根据上述要求,我们在国道107黄埔段沥青加铺层工程中采用了广州地区某公司所生产的一种200#聚酯无纺针刺土工布。

五、土工布铺设工艺要求

土工布施工质量的好坏对土工布的使用效果有很大的影响,因此正确地铺设土工布尤显重要。其基本的工艺要求如下:

(一)清扫旧路面
人工或机械清扫、清洗路面后,再使用压缩空气彻底清除旧路表面的灰尘,使路面保持干净、干燥。
(二)喷洒粘层沥青
采用沥青洒布机在旧路面上均匀喷洒一层约0.3~0.5 L/m2的粘层沥青。粘层油可采用乳化沥青或热液体石油沥青,但其基质沥青应选用与沥青面层相同的沥青。当气温低于10℃时,不得洒布粘层油。
(三)铺设土工布
待粘层乳化沥青破乳或热液体石油沥青的稀释剂基本发挥后,即可进行土工布的铺设。土工布可以用人工或专用设备铺设。本工程土工布设计宽1m, 骑缝铺贴两侧各50 cm。铺设时,应将土工布烧毛粗糙的一面朝上,拉紧、拉平直,给予土工布一定的预张力,且避免折叠起皱。土工布纵、横向的搭接宽度一般不小于10厘米,纵向搭接应根据沥青摊铺方向将后一端压于前一端部之下,搭接处的结合面应涂满粘层油。土工布铺设后,应在表面用轻型工具碾压,使土工布与旧路面紧密粘结。

土工布铺设后,可立即进行下封层或沥青下面层的施工。

六、土工布铺设其它需注意的问题

土工布防治沥青加铺层反射裂缝要取得成功,除了土工织物本身的性能和铺设质量必须得到保证外,还应充分考虑旧路病害、沥青混凝土材料等多方面因素的影响,加强对这些问题的处理及全面质量控制,达到综合防治的目的。

(一)旧水泥砼路面病害的防治处理
沥青混凝土路面属柔性路面,面层的强度直接取决于基层的强度,基层强度不足将直接导致面层的破坏。因此,必须首先对旧水泥砼路面板进行防治处理。主要措施包括:将旧路面上尖锐凸出部分铲除;凿平或用沥青砂调平板块错台严重部位;更新或补灌旧路面板接、裂缝;将破碎板挖除进行水泥砼修复;对板底脱空采取压浆补强处理等。这样才能较好地发挥旧水泥混凝土路面作为高强度基层的作用。
(二)沥青混凝土加铺层厚度的确定
有人认为,由于土工布的使用,沥青加铺层的厚度可以设计得很薄,这种观点其实是错误的。土工布虽然可以有效地改善沥青加铺层的应力分布,但不可以使加铺层厚度减薄很大。加铺层厚度过薄或过厚其实都不可取。据有关试验表明,当加铺层厚度达到6cm以上时,抭反射裂缝效果才随厚度增加而提高;当厚度在10cm左右时,可有效地防止受拉疲劳产生的次生裂缝,并可降低车辆荷载引起的剪应力;但过厚的沥青混凝土面层由于高温蠕变影响则易产生车辙,而失去旧水泥混凝土板作基层所产生的强基薄面的优势。在我国目前尚没有在旧砼路面上加铺沥青混凝土层设计规范的情况下,可以参考使用ARE设计法、美国沥青协会(AI)法、美国工程兵团和联邦航空局(FAA)法、AASHTO罩面设计法等四种国外相对较为成熟的设计方法。旧路改造沥青加铺层一般采用两层沥青混凝土结构,最小厚度8~10cm较为理想。据理论分析和国道107黄埔段的实际情况,本工程确定采用5cm普通沥青混凝土(AC–20I) +4cm改性沥青混凝土(AC–13I)即9cm的沥青混凝土加铺层。
(三)沥青混凝土材料的选择及施工控制
关键材料沥青应选用重交通道路石油沥青或改性沥青,其性能必须符合高等级路面沥青技术指标要求。面层采用改性沥青,适当增加沥青用量,减小混合料空隙率,同时加强施工碾压,使路面达到较高的密实度,都有助于减少反射裂缝,延缓裂缝的扩展。此外,沥青混合料的摊铺要严格按照沥青路面施工技术规范进行。
(四)下封层的选用
沥青混凝土路面的防水破坏十分重要,必要时可增加一层沥青下封层,防止路面水分渗入旧路基层。本工程在旧路面与沥青下面层间设置了一层厚7mm的热沥青下封层。

七、土工布在公路铺设加层中的应用结语

  • (一)在旧水泥砼路面与沥青加铺层之间铺设专用土工布,能有效地防止加铺层的反射开裂。合理的加铺层设计,优质土工布的选用,及其铺设质量的保证,对确保土工布的最佳使用效果非常重要。
  • (二)国道107黄埔段沥青加铺层工程完工后两年来的运营表明,应用土工布的沥青路面基本无反射裂缝、推移、车辙等病害问题,行车平稳、舒适。由于土工布应用的效益显著,施工简单、方便,因此具有较高的推广价值。