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基于連續施工技術的基面層間粘結性能試驗研究
2019年04月04日    閱讀量:5745    新聞來源:瀝青網 sinoasphalt.com  |  投稿

在中國半剛性基層瀝青路面設計中,路面結構被假定為彈性層狀連續體系。然而,由于路面結構各層材料屬性的差異和施工順序的先后,各結構層間很難達到完全連續的狀態,特別是在基層和面層之間,材料性質相差很大,層間更容易出現剪切滑移破壞。雖然可以采用在基層表面施作透層和封層的手段在基面層上下接觸面間提供粘結,但大量的工程實例證明:由于基層頂面在養護過程中容易造成污染,且透層、封層施工工藝及質量良莠不齊,造成基面層層間粘結隱患,透層和封層的作用極為有限,水泥穩定碎石基層與瀝青混凝土面層的層間界面粘結薄弱中國瀝青網sinoasphalt.com。半剛性基層與瀝青混凝土面層的層間粘結狀態,直接影響路面結構層應力的分布和應力位置的變化,以及路面結構的抗裂及抗疲勞性能,是半剛性瀝青路面易發生早期結構病害及水損壞的關鍵問題。


半剛性基層瀝青路面連續施工方法,在基層混合料中摻加具有緩凝微膨脹效果的抗裂縫劑,延遲基層初凝時間,在基層鋪筑碾壓后,直接進行面層瀝青混合料的鋪筑,實現基、面層施工連續流水作業。相對于傳統施工工藝,連續施工改變了半剛性基層和瀝青混合料面層間的連接方法和狀態,在基層鋪筑碾壓完成,混合料尚未完全初凝前鋪筑瀝青混合料。此時,基層強度較小,處于塑性狀態,隨著壓路機的振動碾壓,面層底面的骨料可嵌入到基層表面一定深度,使基、面層間相互嵌鎖,接觸表面交錯,瀝青膠漿和水泥膠砂在膠凝材料水化開始時即相互滲入,一直延續至硬化板結,從而形成真正意義上的基面層連續體系,實現最佳的基面層層間粘結性能。該文通過基面層層間剪切、拉拔試驗,對比分析傳統施工方法與連續施工方法,以及連續施工不同延遲時間、壓實控制條件下,半剛性基層與瀝青路面的基面層層間粘結性能,為瀝青路面基面層施工技術的選擇及連續施工工藝的實施提供技術參考。


原材料性能及試驗方法


原材料


試驗所用水泥為湖北華新PO42.5級普通硅酸鹽水泥。抗裂縫劑為以原狀磷石膏為原材料自行開發的具有微膨脹及緩凝效果的道路抗裂縫劑,摻量為水泥質量的5%,采用外摻法添加。瀝青混合料油石比為4%,瀝青為70#道路石油瀝青,檢測結果均符合規范要求。


試驗方案


不同的層間處治措施,將會產生不同的層間接觸狀況,從基層表面處治技術、層間封層技術及基面層施工工藝3個方面,對比不同層間處治組合下,瀝青路面在連續施工與常規施工條件下的層間粘結效果。常規施工基層表面分別采用未處治、拉毛和刻槽3種處治方式,層間封層采用瀝青碎石同步封層,連續施工基層表面不做處治。按照不同層間處治方式,采用輪碾法制備基面層雙層試件,基、面層的厚度均取5cm,然后將車轍試件鉆芯后分別進行基面層間的剪切及拉拔試驗。


基面層間粘結強度試驗結果分析


基層表面摩擦系數對比分析


對于傳統工法成型的水泥穩定碎石基層板,在基層表面撒布透層之前,使用摩擦系數儀,測試經不同處治方式的水泥穩定碎石基層板的表面摩擦系數用以對比;對于連續工法成型的水泥穩定碎石基層表面,使用試件拉拔試驗破壞后的基層試件表面用于測定其摩擦系數。


可以看出:常規工法成型的水泥穩定碎石板,基層表面經處治后表面摩擦系數均增大,基層表面采用刻槽處治對摩擦系數的增強效果最為明顯,與未經處治的摩擦系數相比,平均提高了20%,采用表面拉毛的處治方式,對基層表面摩擦系數提高了約13.7%。連續工法成型的水泥穩定碎石層表面摩擦系數大大高于常規工法經刻槽處治后的基層表面,基層表面摩擦系數提高了約23.9%。基層表面摩擦系數的提高對于提高基面層層間抗剪強度十分有利。


層間抗剪強度對比分析


可知:對于常規方法成型的基面層試件,基層表面采用拉毛處治的基面層間抗剪強度比未做處治的層間抗剪強度提高了約14%,而基層表面采用刻槽處治的基面層間抗剪強度最高,較基層表面未做處治的抗剪強度提高了約24%。對于連續施工方法成型的基面層連續試件,基層表面噴灑透層油比基層表面未噴灑透層油的基面層間剪切強度稍有提高但并不十分明顯,說明透層油對于增強基面層間的粘結強度作用較小。采用連續施工方法成型的試件基面層間抗剪強度普遍比常規方法成型的試件高,較常規施工基層表面未處治的抗剪強度提高了約43%,較常規施工基層表面刻槽處治提高了約15%,連續施工對于提高基面層間抗剪強度作用明顯。


層間拉拔強度對比


采用不同基層表面處治方式的基面層間拉拔強度與層間剪切強度的變化趨勢相似,采用拉毛處治和采用刻槽處治均能夠提高基面層間的抗拉拔強度,其拉拔強度分別提高了15%20%。采用連續方法成型的基面層試件層間拉拔強度比采用常規方法成型的基層表面未處治試件抗拉拔強度提高了約36.8%,較基層表面刻槽處治提高了約15%,透層油的噴灑一定程度上有利于連續施工基面層間的粘結,噴灑透層油的基面層間連續試件層間拉拔強度較未噴灑透層油的試件稍有提高,但是作用并不特別明顯。因此,在實際連續施工實施中,考慮到透層油噴灑后還需要預留一定的時間待其破乳才能實施面層,為了節約工序,減少施工組織的復雜性,可以省去透層油的噴灑。


傳統施工中,水泥穩定碎石基層和瀝青混合料面層間的粘結強度主要依靠瀝青的粘聚力和基層表面與同步碎石間的摩擦嵌擠力,雖然可以通過對基層表面進行拉毛和刻槽處治來提高基層表面的摩擦系數,從而提高基層表面與同步碎石封層間的摩擦嵌擠力,以達到提高層間粘結性能的目的,但施工工序較多且施工工藝較難控制。而采用連續施工方法,則既可以精簡施工工序,省去透層和封層,又能夠達到有效提高基面層間粘結性能的目的。


連續施工基面層粘結強度影響因素分析


對于連續施工的基面層粘結界面,由于基面層混合料在施工成型碾壓時相互嵌擠,在抵抗剪切拉拔作用時,其界面處的強度由兩部分構成:一部分是集料顆粒之間的內摩擦力和嵌擠力;另一部分是瀝青結合料與集料之間的粘結力和內聚力。瀝青結合料與集料間的粘結力主要受瀝青材料和集料顆粒自身性質的影響,而集料顆粒之間的內摩擦力和嵌擠力則不僅與材料性質有關,還要受到施工壓實度控制、基面層連續施工攤鋪施工間隔等施工因素影響。連續施工的實施,旨在盡可能簡化傳統施工工藝流程,節約施工周期,因此,原則上連續施工對瀝青材料和集料的選擇無特殊要求,以下主要針對基層初始壓實度和面層延遲成型時間這兩個主要施工影響因素進一步展開試驗研究。


基層壓實度對連續施工層間粘結強度的影響


連續施工中,基層材料充分利用了面層的壓實功,基層初始壓實度的不同,將會直接影響基層自身強度的形成、基面層間的粘結狀況以及基層對面層壓實功的利用。通過控制基層水泥穩定碎石板成型時的材料用量,來控制不同的基層初始壓實度。分別采用90%94%96%98%4個壓實度計算基層混合料用量,成型不同壓實度的基層水泥穩定碎石板,用連續工法制作基面層連續試件,且基層表面不噴灑透層油以排除透層油的干擾因素。為保證試驗數據的可比性,在基層上面成型瀝青混合料面層板時,控制面層壓實遍數相同。成型脫模后,養護至試驗齡期鉆芯,進行層間剪切及拉拔試驗。


可以看出:對于采用連續工法成型的基面層試件,隨著基層初始壓實度的提高,層間粘結性能先提高,后下降,存在一個最適宜初始壓實度使得基面層間的粘結強度達到最大。當初始壓實度低于96%時,由于基層壓實度較低導致基層本身強度過低,因而對層間粘結性能產生不利影響。當基層初始壓實度為96%~98%時,基面層間粘結強度較高,且基層壓實度為96%時較壓實度為98%時稍有提高,這是因為經過適當壓實的基層混合料,在連續施工面層攤鋪碾壓時,壓路機的壓實功通過面層傳遞給基層,基層混合料受到二次碾壓,基面層間嵌擠效果達到最佳且基層壓實度進一步提高。而當基層初始壓實度過高時,經過碾壓后的基層表面過于密實,導致面層混合料在壓路機的碾壓下無法有效嵌入基層混合料中,因而層間粘結強度較低。基層初始壓實度為100%時,其層間粘結強度較壓實度為98%時沒有提高,反而降低了,且在面層壓路機的二次碾壓作用下容易造成基層壓實度超百的問題。


《公路工程質量檢驗評定標準》對于水泥穩定粒料基層的壓實度要求為:高速公路、一級公路98%,其他公路97%。而通過以上分析可知:基面層層間的最佳粘結強度所需的壓實度與該標準基本吻合。因此,在實際公路工程基面層施工中采用連續工法時,可以通過鋪筑試驗路來控制施工基面層的壓實遍數和壓實度,使其達到正常標準即可。


延遲成型時間對連續施工層間粘結強度的影響


抗裂縫劑的加入,能夠將基層水泥穩定碎石材料的初凝時間控制在8~10h之間。在基層混合料鋪筑碾壓成型后,即進行面層混合料的攤鋪及碾壓,取消基層7d養生期,縮短施工工期。連續施工中,為了防止由于壓路機的二次碾壓對基層材料的結構破壞,則必須在基層凝結硬化強度形成前,完成面層的鋪筑和碾壓。通過采用模擬施工間歇條件的延遲成型方法,先將基層水泥穩定碎石板按照預定的壓實度壓實后,分別放置36912h后再攤鋪面層瀝青混合料碾壓,成型后脫模鉆芯進行試驗,測定不同的基面層施工時間間隔對層間粘結強度的影響。


可以看出:面層延遲成型時間為36912h時,其所對應的層間剪切強度損失率分別為7.6%12.3%16.424.9%。在延遲成型時間為9h以內時,延遲成型的強度損失率較小,可以滿足連續施工中基面層連續施工的要求。延遲成型時間為12h時,超過了基層水泥穩定碎石混合料的初凝時間,基層初步開始發生凝結硬化,且由于試驗中為了貼合實際施工條件,并未對其表面做防水覆蓋和保濕措施,基層混凝土板放置時間過久,使基層板表面裸露失水,導致基層表面細碎顆粒的失水松散,不利于層間粘結。


半穩定狀態下連續施工基面層間嵌入深度研究


連續施工工藝通過“柔對柔”的攤鋪,使面層混合料與基層混合料的粒料之間能夠相互嵌入,面層瀝青結合料能夠融入基層,從而有效提高不同材料層之間的結合,這是連續施工區別于常規施工的技術優勢和重要特點。連續施工成型的路面結構,其基面層間的粘結強度不僅僅依靠于瀝青材料的粘附性,而是在基面層層間形成不規則的齒狀嵌鎖結構。基面層間的嵌鎖咬合使得連續施工基面層間接觸更為連續、緊密,從而提高了路面層間荷載傳遞水平和使用壽命。


為了研究不同狀態下連續施工基面層層間的嵌入深度,將上述室內采用連續工法成型的試件其層間嵌入深度進行量測。


可知:基層壓實度越高,基面層間嵌擠深度越淺,當連續施工基層壓實度在96%~98%之間時,可使道路基面層間嵌擠深度達到8~10mm,基面層間能夠較好地相互嵌鎖咬合。基面層間施工延時成型時間對基面層間嵌擠深度的影響并不明顯,只有當延遲成型時間超過基層初凝時間時,基面層間嵌擠深度稍有減小。


結論


(1)通過對基層表面進行拉毛和刻槽處治能夠提高基層表面的摩擦系數、剪切強度和拉拔強度,表面刻槽對于改善層間粘結性能較表面拉毛效果更好。連續施工方法成型試件的層間粘結強度均高于常規施工方法成型的試件,對于提高層間粘結性能十分有利。透層油的噴灑對于連續施工試件的層間粘結強度稍有提高,但并不明顯。


(2)連續施工中,隨著基層壓實度的提高,層間粘結性能先提高后降低,存在一個最適宜壓實度使得基面層間的粘結強度達到最大。連續施工中采用基層初始壓實度為96%~98%可使基面層間獲得較高的粘結性能。


(3)在抗裂縫劑所能使基層水泥穩定碎石達到的延遲凝結硬化時間內,連續施工延遲成型的強度損失較小;超過該時間,則會對層間強度造成一定的損失。因此,連續施工中應該嚴格控制施工工序,使面層混合料在基層初凝前8~10h完成鋪筑。


(4)基層壓實度越高,基面層間嵌擠深度越淺,當連續施工基層壓實度在96%~98%之間時,可使道路基面層間嵌擠深度達到8~10mm,基面層間能夠較好地相互嵌鎖咬合。基面層間施工延遲成型時間對基面層間嵌擠深度的影響并不明顯,只有當延遲成型時間超過基層初凝時間時,基面層間嵌擠深度稍有減小。


對于連續施工的基面層粘結界面,由于基面層混合料在施工成型碾壓時相互嵌擠,在抵抗剪切拉拔作用時,其界面處的強度由兩部分構成:一部分是集料顆粒之間的內摩擦力和嵌擠力;另一部分是瀝青結合料與集料之間的粘結力和內聚力,相對于常規施工路面結構,連續施工層間具有更大的粘結強度和抗拉剪強度。



標簽:技術中心瀝青混凝土
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