CN108360327A - 一种耐久型新型复合材料路基路面结构及施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种耐久型新型复合材料路基路面结构及其施工方法。实现了建立一种有别于当前高等级道路普遍采用的半刚性基层沥青路面结构。采用一种具有纯天然特性的弹性模量高、强度高、韧性好、抗疲劳、耐腐蚀的新型复合材料,玄武岩纤维沥青混凝土为面层。基层采用具有柔性特点的级配稳定碎石,能够抑制反射裂缝、改善上下层材料温湿状态,提高了基层材料的抗裂性能,抑制了工后路面反射裂缝的出现,有效地解决了后期路面开裂和耐久性问题,显著降低反射裂缝的扩展和路面沉降变形,有良好的经济效益和社会效益。
Description
技术领域:
本发明涉及发明一种耐久性新型复合材料全新结构的路基路面结构及其施工方法。采用玄武岩纤维沥青混凝土这种高弹性、高模量、强度高、韧性好、抗疲劳、耐腐蚀的新型复合材料作为路面层,基层采用水泥稳定砂砾,通过在设计年限内,满足各级公路相应的承载能力、耐久性、舒适性、安全性的要求。
背景技术:
我国目前在建或已经完成的高速公路和一级公路(合称为高等级公路)大多采用半刚性基层沥青路面结构。高等级公路设计使用年限15年,二级公路为12年,三级公路为10年,四级公路为8年。高等级公路所采用半刚性基层沥青路面结构的基本结构如表1所示。
表1半刚性路基路面结构参数
实践表明这种沥青路面早期破坏现象的普遍存在,半刚性基层而引发的道路病害包括:①路面出现各种反射裂缝。②密实的半刚性基层使水滞留于基层顶面,在车辆交通荷载作用下形成动水挤压力,造成基层的水损、唧浆。③半刚性基层在重载交通作用下很容易出现早期疲劳破坏。由此暴露出这种做法在路面材料设计和路面结构组合设计上的问题。具体表现在:众多的半刚性沥青路面结构的耐久性不过关,在使用过程路面结构与中基层的强度和模量会不断衰减,而且会受干湿循环和冻融循环的影响而降低,试验测试表明经过10次的冻融循环,强度只剩10~20%,达到设计寿命就意味着基层就必须重新修建,甚至很多高等级公路在重载交通下根本达不到设计使用年限就已经无法正常使用了。另外,当路面承受重载交通荷载的反复作用,路基下部结构的疲劳寿命会比上基层的短,从而导致路面的疲劳破坏首先从底基层开始。这种疲劳破坏更加严重,一旦破坏整个路面结构就得重新铺筑。这已经引起了很强烈的社会负面影响,从建设资金投入、道路使用、可持续发展和环境保护等方面也是不允许的。由此要求要确保路基路面的使用寿命达到设计要求,而且要尽量延长路面的使用寿命。
美国和西欧一些发达国家在总结早期高等级道路建设的实践经验的基础上,改变了原有半刚性基层沥青路面结构。目前国内已经开始着手进行沥青碎石基层的应用研究,开展长寿命沥青路面的科研课题的研究。
根据试验结果可知高模量路基结构可以明显增加道路基层的疲劳寿命,按照当前提出的“强基薄面”的设计理念,可以应用冲击压实技术实现高模量路基,增强路基半刚性基层的刚度与强度的同时,适当地减薄基层的厚度乃至面层厚度,通过改善路面结构提高路面的路用性能。从疲劳寿命方面来讲,纤维复合材料的韧性和抗疲劳性能要明显优于常用于路面结构的普通改性沥青混凝土,高性能新材料的使用能够有效阻止路面疲劳开裂。因此设计和使用高弹模量和韧性好的复合材料构成的路基路面结构将延长道路的使用寿命。
发明内容:
发明目的:为了解决上述存在的技术问题,提供一种耐久性很强的新型复合材料全新结构的路基路面结构及其施工方法。
技术方案:
一种耐久型新型复合材料路基路面结构,其特征在于:
该路基路面结构自顶层向下分别为:
细粒式BFAC表面层,沥青粘接层,粗粒式BFAC底面层,透层沥青粘接层,水泥稳定碎石层,级配碎石,夯实路基;
其中,所述BFAC为玄武岩纤维沥青混凝土;
所述BFAC中的纤维为短切玄武岩纤维,直径为20±1μm,长度为30~50mm;
所述细粒式BFAC最大集料粒径为9mm~13mm;所述粗粒式BFAC最大集料粒径为25mm~35mm。
所述的耐久型新型复合材料路基路面结构,优选地:所述细粒式BFAC表面层厚度为5-10cm。
所述的耐久型新型复合材料路基路面结构,优选地:所述沥青粘接层为雾化喷涂,用量为0.5-0.6L/m2。
所述的耐久型新型复合材料路基路面结构,优选地:所述粗粒式BFAC底面层厚度8-12cm。
所述的耐久型新型复合材料路基路面结构,优选地:所述透层沥青粘接层为橡胶沥青雾化喷涂,用量0.9-1.0L/m2。
所述的耐久型新型复合材料路基路面结构,优选地:所述水泥稳定碎石层,以级配碎石作骨料,缝隙中填充胶凝材料和灰浆,厚度为15-20cm;所述级配碎石厚度20-25cm;,夯实路基厚度大于等于80cm。
一种如上述的路基路面结构的施工方法,优选地:依次铺设夯实路基、级配碎石、水泥稳定碎石层、喷涂透层沥青粘接层、摊铺粗粒式BFAC底面层、喷涂沥青粘接层和摊铺细粒式BFAC表面层;
其中:
细粒式BFAC表面层和粗粒式BFAC底面层摊铺时加热温度为150~160℃,施工时环境温度在10℃以上,摊铺后分初压、复压和终压三段压实;
所述沥青粘接层和透层沥青粘接层均为将沥青或橡胶沥青连续均匀地雾化喷涂;
所述水泥稳定碎石层压实度98%;
所述级配碎石在最佳含水量时分层碾压,压实度≥96%;
所述夯实路基压实度≥96%。
所述的路基路面结构的施工方法,优选地:施工中沥青加热温度为160-170℃;初压开始温度不低于150℃;复压最底温度不低于140℃;碾压终了温度不低于90℃。
优点及效果:
本发明为耐久性玄武岩纤维沥青混凝土路基路面结构克服了半刚性原有弊病,解决了基层层间结合不好、存在反射裂缝等诸多问题,具有良好的效果和优点,具体如下:
1)以新型复合建筑材料为面层的耐久型路基路面结构,由于其面层新材料的高弹性模量、韧性好、抗疲劳、耐腐蚀的特点,可大幅延长道路的使用寿命。
2)该路基路面结构较原来典型半刚性结构的高温稳定性和低温抗裂性能大幅提高,显著地降低了高纬度寒冷地区每年经过严冬和酷暑的冻融和高温交替环境作用对道路使用性能的影响,这对延长高等级公路使用寿命的提高至关重要。
3)其作为基层的级配碎石属于柔性材料,具有分散面层传递的车载作用产生的拉应力、剪应力,由此可以抑制路面的反射裂缝。
4)达到设计使用年限以后,在翻修过程中级配碎石可以就地取材,也可重复使用,造价低廉,降低了对环境影响,大大缩短了工期,经济和社会效益非常显著。
附图说明:
图1为路基路面结构剖面示意图;
图2为本发明实施例八车道道路构造;
图3为本发明实施例六车道道路构造;
图4为本发明实施例道路构造;
图中标注:1、细粒式BFAC表面层 2、沥青粘接层 3、粗粒式BFAC底面层 4、透层沥青粘接层 5、水泥稳定碎石层 6、级配碎石 7、夯实路基。
具体实施方式:
本发明为一种耐久性很强的新型复合材料全新结构的路基路面结构及其施工方法,有别于当前高等级道路普遍采用的半刚性基层沥青路面结构。采用玄武岩纤维沥青混凝土这种高弹性、高模量、强度高、韧性好、抗疲劳、耐腐蚀的新型复合材料作为路面层,基层采用级配稳定碎石。玄武岩纤维是一种以天然形成的玄武岩岩石为基本原料生产出来的高性能无机纤维,具有天然与沥青混凝土的亲和力,能够更有效地参与矿料和沥青混合料之间的结合。在沥青混合料中掺入玄武岩纤维可以提高沥青混凝土的路用性能,特别是能大幅提高其高温稳定性和低温抗裂性能。这对高纬度寒冷地区高等级公路每年要经过一次严冬和酷暑的冻融和高温交替环境影响的使用寿命提高至关重要。级配碎石是粗、细碎石集料和石屑各占一定比例的混合料,当其颗粒组成符合密实级配要求时,称为级配碎石。级配碎石作为柔性基层级配碎石属于柔性材料,其作为基层具有抑制反射裂缝、改善上下层材料温湿状态、易维修、造价低廉等优点。
该路基路面结构具有非常好的塑性,在一定温度和外力作用下变形而不开裂的能力;具有足够的温度稳定性,对温度敏感度低,夏天不软,冬天不脆裂;具有非常好的化学稳定性,抗热、抗光老化能力较强;具有很好的抗水损害能力。
这种路基路面能够很好地吸收和消减基层的应力,减少和延缓反射裂缝的发生。并起到路面排水基层的作用,对进一步改善高速公路路面使用品质,延长使用寿命极为重要。级配碎石施工工艺简单,易获得较高的密实度,充分扩散上部面层结构应力,减轻结构层承受车辆荷载应力,能够提高基层的抗疲劳能力,延缓疲劳裂缝的产生。级配碎石作为柔性基层,还可缓解因路面不均匀沉降导致的路面各种破坏。
该耐久型新型复合路基路面结构具体的结构层分布如图1所示:各层厚度及基本的施工方法见表2。
表2耐久性新型复合材料路基路面结构施工要求
这种路基路面结构可以广泛用于各种等级和宽度的公路。其8车道和6车道高等级公路的横断面基本构造如图2、3所示。
该耐久型新型复合路基路面结构从上到下依次是细粒式BFAC表面层、沥青粘接层、粗粒式BFAC底面层、透层沥青粘接层、水泥稳定碎石层、级配碎石、夯实路基。柔性面层采用耐久性极好的玄武岩纤维沥青混凝土。基层采用柔性的级配碎石,中间由水泥稳定碎石层形成良性过度,面层和基层之间采用沥青粘接层,很好地克服半刚性基层的层间结合不好,存在反射裂缝等诸多缺点。所设计和施工的新型路面结构可以达到强度、稳定性、平整度、粗糙度的要求。强度:即路面结构层对于行车和自然因素等作用的抵抗能力即承载能力。路面结构不产生过大的变形和发生过渡的磨损、压碎及疲劳等破坏;稳定性:即路面结构在任何气候和水文条件下都必须保持稳定的强度;平整度:车辆行驶时的振动、冲击越小,行车的滚动阻力也越小,使车辆的损坏减少,燃油和轮胎磨耗降低,行车更舒适;4)粗糙度:路面粗糙度满足一定的抗滑要求,关系到行车安全。基层采用柔性的级配碎石,中间由水泥稳定碎石层形成良性过度,收缩裂缝显著减少,抗变形性能、抗裂性能、韧性、抗冲刷性能、耐久性等大幅提高,其它各方面物理力学性能均显着改善,有利于减少路面病害,提高道路的路用性能,并大幅延长道路的使用寿命。
案例1:
某城市正在修建城市内一环快速路工程,考虑到该道路建成后市内交通量大,车载频繁,一旦维修严重影响市内交通正常运行,造成严重的拥堵,不良社会反响极大。由此采用本发明耐久型新型复合路基路面结构,设计年限为25年,路面宽度设计40米,为双向8车道,人非混行两侧道宽度各5米,道路横截面设计如图4所示。机动车道路基路面结构的具体参数见表3:
表3选择的路基路面结构参数
为了验证该新型路基路面结构的效果,现场进行一套完整路用性能和疲劳试验,包括高温抗车辙能力、低温抗裂能力、抗水损害能力、抗弯拉强度试验和疲劳试验等环节,试验结果显示,该路段路用功能能够达到了理想的设计各项要求。
BFAC混合料中纤维采用短切玄武岩纤维(CBF),各项性能指标见表4:
表4 CBF性能指标参数
粗粒式BFAC混合料最大集料粒径为25mm~35mm(圆孔筛30~40mm),细粒式BFAC混合料最大集料粒径为9mm~13mm(圆孔筛10mm~15mm),参数见表5:
表5 BFAC混合料参数表
BFAC混合料的施工温度控制范围见表6:
表6 BFAC施工温度控制表
BFAC混合料的路用性能指标见表7:
表7路用性能指标
喷涂透层沥青粘接层使沥青面层与非沥青材料基层结合良好,在基层上浇洒乳化沥青而形成的透入基层表面的薄层。沥青粘接层主要起到粘结作用、所用粘层沥青的粘结强度:
式中:T—试件破坏时最大拉力;S—试件的横截面积
采用慢裂的洒布型乳化沥青,透层沥青的稠度宜通过试洒确定,级配碎石基层采用较稠的透层沥青。具有较高的软化点即很好的高温稳定性,喷洒粘层油后不同温度下的车辙试验数据亦有很好的相关性。
Claims (8)
1.一种耐久型新型复合材料路基路面结构,其特征在于:
该路基路面结构自顶层向下分别为:
细粒式BFAC表面层(1),沥青粘接层(2),粗粒式BFAC底面层(3),透层沥青粘接层(4),水泥稳定碎石层(5),级配碎石(6),夯实路基(7);
其中,所述BFAC为玄武岩纤维沥青混凝土;
所述BFAC中的纤维为短切玄武岩纤维,直径为20±1μm,长度为30~50mm;
所述细粒式BFAC最大集料粒径为9mm~13mm;所述粗粒式BFAC最大集料粒径为25mm~35mm。
2.根据权利要求1所述的耐久型新型复合材料路基路面结构,其特征在于:所述细粒式BFAC表面层(1)厚度为5-10cm。
3.根据权利要求1所述的耐久型新型复合材料路基路面结构,其特征在于:所述沥青粘接层(2)为雾化喷涂,用量为0.5-0.6L/m2。
4.根据权利要求1所述的耐久型新型复合材料路基路面结构,其特征在于:所述粗粒式BFAC底面层(3)厚度8-12cm。
5.根据权利要求1所述的耐久型新型复合材料路基路面结构,其特征在于:所述透层沥青粘接层(4)为橡胶沥青雾化喷涂,用量0.9-1.0L/m2。
6.根据权利要求1所述的耐久型新型复合材料路基路面结构,其特征在于:所述水泥稳定碎石层(5),以级配碎石作骨料,缝隙中填充胶凝材料和灰浆,厚度为15-20cm;所述级配碎石(6)厚度20-25cm;,夯实路基(7)厚度大于等于80cm。
7.一种如权利要求1所述的路基路面结构的施工方法,其特征在于:依次铺设夯实路基(7)、级配碎石(6)、水泥稳定碎石层(5)、喷涂透层沥青粘接层(4)、摊铺粗粒式BFAC底面层(3)、喷涂沥青粘接层(2)和摊铺细粒式BFAC表面层(1);
其中:
细粒式BFAC表面层(1)和粗粒式BFAC底面层(3)摊铺时加热温度为150~160℃,施工时环境温度在10℃以上,摊铺后分初压、复压和终压三段压实;
所述沥青粘接层(2)和透层沥青粘接层(4)均为将沥青或橡胶沥青连续均匀地雾化喷涂;
所述水泥稳定碎石层(5)压实度98%;
所述级配碎石(6)在最佳含水量时分层碾压,压实度≥ 96%;
所述夯实路基(7)压实度≥96%。
8.根据权利要求7所述的路基路面结构的施工方法,其特征在于:施工中沥青加热温度为160-170℃;初压开始温度不低于150℃;复压最底温度不低于140℃;碾压终了温度不低于90℃。
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