开普封层技术在普通干线公路养护工程中的应用研究
高旗
南召县公路管理局河南南阳 474650
摘要：为解决普通干线公路G345线南召段沥青路面龟裂、坑槽等病害问题,提出开普封层预防性养护方案。通过优化微表处矿料级配、提高材料指标要求等技术措施,解决了开普封层在重载渠化交通状况下易产生车辙、泛油、脱皮等问题。经过两年多的跟踪观测,试验路段经历了夏季连续高温和重载交通的考验,路面状况良好。
关键词：龟裂病害;开普封层;预防性养护;高温重载;
开普封层作为一种典型的预防性养护技术,由碎石封层下层和微表处(稀浆封层)上层组成,具有优异的抗滑、耐磨和封水性能,且由于下层为沥青碎石封层,可以起到应力吸收层的作用,延缓裂缝向上反射,提高路面耐久性。同时,由于开普封层为复合封层,沥青用量较大,在重载渠化交通状况下,容易出现泛油、车辙病害,降低路面的抗滑性能,且存在整层脱皮和噪音大等问题,因此开普封层一般用于普通公路路面预防性养护。
1.新型开普封层的结构形式
开普封层首先在南非的开普敦(CapeTown)使用,因此称为开普封层(Capeseal)。原始的方案是上下双层设计,下层为碎石封层或稀浆封层,上层为微表处。总厚度为2cm左右。该项研究是根据上海的气候特点、地貌特征和交通荷载需求,考虑到农村公路标高和开放交通的时限,对开普封层进行了改良处理。采用橡胶沥青纤维碎石封层和低噪音微表处的组合(结构厚度1.5～2.0cm),这种组合可以充分发挥两种结构的优势。该结构下层采用碎石封层结构(厚度0.6～1.0cm),起防水粘接作用;中层采用微表处(厚度0.4～0.6cm),作为衔接,渗入至碎石封层的孔隙中,起到承上启下和找平的作用,渗入之后厚度降至0.5cm左右;上层的微表处即与交通荷载直接接触的一层(厚度约为0.5～0.8cm),既具有良好的抗滑性能又有良好的平整度。总体结构图如图1所示。与常规开普封层呈现出明显的结构性质上的不同,且在行驶噪声上有较大的改善,因此称为新型开普封层。
图1新型开普封层结构图
1.项目概况
G345线南召前庄至白水林段为山岭重丘区二级沥青混凝土公路，路基宽85米、路面宽7米，全长37197公里。该路段最近一次改建时间为2011年，目前路面出现纵、横向裂缝、轻度车辙、轻度坑槽和沉陷等初期病害，经评定项目路段路面损坏状况指数PCI=888，路面行驶质量指数PQI=935，路面使用性能指数为RQI=907，路面结构强度指数PSSI=8931。为避免道路病害进一步发展，延长路面使用寿命，降低道路全寿命周期成本，因此。对该路段进行开普封层预防性养护，该项目的建设不仅是河南省干线公路网结构改善和提高道路服务水平的必要举措，也是区域经济发展的迫切需要。
2.病害原因分析与养护方案
目前G345线南召前庄至白水林段沥青路面的病害之一为龟裂,主要出现在行车道轮迹带处。路面出现龟裂病害后,雨水沿裂缝进入路面内部,在动水压力作用下,集料剥落,逐渐发展形成坑槽病害。
2.1病害原因分析
通过查阅原设计资料、交通量资料及实地勘察,分析导致龟裂病害产生的主要原因有两点。
1)沥青路面已达到设计使用寿命
为查看病害的发生层位,分析龟裂病害的发展情况,在龟裂病害处进行取芯，见图2。从芯样可以看出,龟裂严重部位,裂缝贯穿上面层,中面层基本无裂纹。可以判断裂缝是从上往下发展的,并主要发生在上面层。这是比较典型的剪切疲劳裂缝,意味着沥青混凝土在长达7年的疲劳荷载作用下,基本达到材料疲劳寿命极限。
图2龟裂病害取芯照片
2)交通量大、超重载车辆多
G345线南召前庄至白水林段是南阳市境内重要的南北向干线公路，也是河南省干线公路网的重要组成部分，交通异常繁忙，图3所示为近几年交通量变化趋势,2017年年交通量达19317万辆/年,日交通量达53万辆/日,货车日交通量9473辆/日,货车交通量中10t以上重型车型的比例保持在70%左右,超载车辆25%左右。由于交通量大、超重载车辆多,导致路面更容易产生疲劳破坏,出现龟裂病害。
图3交通量调查结果
2.2养护方案
根据病害原因分析,采用如下方案对G345线南召前庄至白水林段公路龟裂病害进行处治:
1)对于裂缝宽度较大、出现明显凹陷变形的严重龟裂病害,采取铣刨沥青面层然后重铺的方案进行处治。
2)对于裂缝宽度较小、无明显凹陷变形的轻微龟裂病害,采用开普封层预防性养护进行处治。
3.开普封层典型技术设计
为解决传统开普封层在重载渠化交通下易出现泛油、车辙、脱皮、噪音大等问题,从增加层间粘结、优化微表处矿料级配、提高微表处用乳化沥青软化点和碎石封层采用橡胶沥青等方面着手,提升开普封层整体性能,经过研究实践,形成开普封层典型技术设计。
开普封层典型设计分三层:乳化沥青底涂层、橡胶沥青碎石下层和低噪音微表处上层。底涂层的主要作用是增加热橡胶沥青碎石层与原路面的粘结性。下层采用热橡胶沥青碎石封层,热橡胶沥青可以渗入裂缝内部,对裂缝起一定的弥合作用,同时橡胶沥青碎石封层具有应力吸收层的作用,延缓裂缝向上反射。上层采用低噪音微表处,具有抗滑、封水、稳定下层碎石封层集料等作用。
1)乳化沥青底涂层
底涂层采用PCR改性乳化沥青,用量为03kg/m2。
2)橡胶沥青碎石下层
碎石采用玄武岩、辉绿岩等火成岩石料,粒径为475-95mm或95-132mm,石料加热温度为150℃,洒布面积率70%-80%;橡胶沥青具体指标如表1所示,用量10-15kg/m2,具体用量根据原路面状况及碎石粒径进行调整;橡胶沥青碎石下层采用同步碎石封层车进行施工,施工完后用胶轮压路机紧跟碾压,碾压完成后采用余料回收设备将多余集料回收,避免形成夹层。
表1橡胶沥青技术指标
3)低噪音微表处上层
低噪音微表处用集料采用玄武岩、辉绿岩等火成岩石料,沥青采用BCR改性乳化沥青,具体指标如表2所示,低噪音微表处混合料级配如表3所示。
表2BCR改性乳化沥青技术要求
表3低噪音微表处级配范围要求
4.施工效果观测
4.1路面性能检测
依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)和施工技术规范,对该路段的施工前后的同一个点位的构造深度、渗水系数和平整度进行了检测,一共选取了5个检测点，检测结果如表4所列。
表4 施工前后路况检测结果一览
从检测结果可以看到,由于路面老化破损,且为混凝土路面,施工前的5个检测点的三项指标均不能满足规范要求,经过新型开普封层施工后的路面服务性能得到很大程度的恢复,均远超过规范要求。
4.2效果追踪观测
G345线南召前庄至白水林段公路开普封层试验段于2017年8月施工完毕,用于处治轻微龟裂病害。施工完后路面抗滑、封水性能优异,外观质量良好。2018年和2019年南召县夏季遭遇连续高温天气(最高超过40℃),期间多次对开普封层试验段进行跟踪观测,发现整体状况较好,未出现泛油和明显车辙(现场测量最大车辙深度4-5mm)。
5.结论
G345线南召前庄至白水林段公路龟裂病害主要是由于重载渠化交通和路面达到设计使用寿命等原因造成的。将开普封层预防性养护技术用于处治G345线南召前庄至白水林段公路路面轻微龟裂病害,开创了开普封层应用于高速公路养护工程的先例,为该技术在重载渠化交通道路的推广应用积累了实践经验。通过增加层间粘结、优化微表处矿料级配、提高微表处用乳化沥青软化点和碎石封层采用橡胶沥青等技术措施,解决了开普封层在重载渠化交通下易出现泛油、车辙、脱皮、噪音大等问题。
参考文献
[1]宋挺等.开普封层技术在武黄高速公路养护工程中的应用研究[J].建材世界.2018.12.15
[2] 严林妹. 新型开普封层在农村公路路面养护中的应用研究[J].城市道桥与防洪.2019.01.15
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