高速公路路面直接拼接技術(shù)研究

高速公路路面直接拼接技術(shù)研究

中國(guó)早期修建的大多數(shù)高速公路都是雙車道。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,東部發(fā)達(dá)地區(qū)部分高速公路的交通量已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過當(dāng)初4車道高速公路的設(shè)計(jì)通行能力,經(jīng)常出現(xiàn)擁堵現(xiàn)象,已無法滿足高速公路具有安全、高速、順暢的功能,必須進(jìn)行擴(kuò)建。高速公路擴(kuò)建在橫向分布上存在兩種方式:兩側(cè)直接拼接方式和分離擴(kuò)建方式(兩側(cè)分離和單側(cè)分離)。兩側(cè)直接拼接方式是沿舊路兩側(cè)直接拼寬,即拆除舊路路基防護(hù)、路側(cè)護(hù)欄、交通標(biāo)志、隔離柵等,在舊路兩側(cè)拼接出所需的寬度。由于新舊路面攤鋪的時(shí)間有很大的差別,采用該方案時(shí)新老結(jié)構(gòu)物縱向如何拼接是擴(kuò)建工程中的難點(diǎn),也是要解決的關(guān)鍵技術(shù)。因此,必須從結(jié)構(gòu)及材料等方面綜合考慮,使新舊路面形成嵌入式結(jié)構(gòu)并盡量提高接縫處的拼接質(zhì)量。本文以滬寧高速公路擴(kuò)建工程為背景,針對(duì)路面瀝青混凝土面層拼接主要技術(shù)方案及質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行研究,對(duì)高速公路擴(kuò)建路面拼接具有一定的借鑒意義。1路面拼接的穩(wěn)定性為了保證路面結(jié)構(gòu)的整體性能,路面拼接時(shí)一般均對(duì)舊路面進(jìn)行銑刨,使舊路面與新路面拼接處呈臺(tái)階狀。新路面攤鋪完成后,使得新舊路面形成一種嵌入式結(jié)構(gòu)。滬寧高速公路路面拼接橫斷面如圖1所示。在設(shè)計(jì)面層拼接方案時(shí),采取了3種碾壓工藝和5種側(cè)向接縫處理技術(shù),組合設(shè)置了若干試驗(yàn)段。1.1壓延工藝(1)復(fù)壓時(shí)的壓力碾壓程序是先輕后重,由邊向中,初壓至拼接部位時(shí)預(yù)留50cm不碾壓,復(fù)壓時(shí)專門指定一臺(tái)“拼縫碾壓”壓路機(jī),按照10cm左右寬度逐漸向新舊路面拼縫處進(jìn)行振動(dòng)推擠碾壓;最終正常部位碾壓6遍,拼縫部位碾壓7遍后終壓。(2)連接壓這種碾壓方式是在側(cè)向推移擠壓法的基礎(chǔ)上,專門指定一臺(tái)壓路機(jī)跨縫碾壓,來回碾壓6遍。(3)橡膠擠出預(yù)壓膠輪預(yù)壓是在正常碾壓方式前,先用膠輪壓路機(jī)預(yù)壓幾個(gè)來回。實(shí)際施工時(shí),由于膠輪預(yù)壓黏輪現(xiàn)象十分嚴(yán)重,因此主要采用了前兩種方式。1.2施工的處理方式(1)側(cè)面涂刷乳化瀝青,施工時(shí)火拷,拼縫處人工添補(bǔ)細(xì)料(大規(guī)模施工的處理方式,圖2)。(2)側(cè)面涂刷乳化瀝青,拼縫處人工填補(bǔ)細(xì)料。(3)側(cè)面涂刷熱瀝青,施工時(shí)火拷,拼縫處人工填補(bǔ)細(xì)料。(4)側(cè)面涂刷熱瀝青,拼縫處人工填補(bǔ)細(xì)料。(5)拼縫處人工填補(bǔ)細(xì)料。2平行芯樣位置分布每種方案的試驗(yàn)路鋪筑完成后,選擇3個(gè)合適的位置鉆芯取樣,直徑10cm。每組3個(gè)平行芯樣,分別位于新路幅中央、跨縫處和拼縫附近新路側(cè),如圖3所示。對(duì)于跨縫處芯樣(圖4),需確保新舊路面各占約50%,如果拼縫線偏離芯樣中心位置較多,將舍棄芯樣。3樣品現(xiàn)場(chǎng)分析和分析3.1孔隙率和壓實(shí)度面層拼接時(shí),拼縫處瀝青混合料容易產(chǎn)生離析,從而影響到拼接質(zhì)量。為此對(duì)試驗(yàn)路的鉆芯芯樣進(jìn)行芯樣密度及孔隙率檢測(cè)。通過測(cè)量芯樣的干重、水中重和表干重來計(jì)算空隙率和壓實(shí)度(試驗(yàn)路面層芯樣瀝青混合料的理論最大密度為2.544g/cm3),結(jié)果如表1所示?？梢钥闯?拼縫附近新鋪面層空隙率比正常路段大,平均空隙率約比正常路段大30%左右。一般新建瀝青混凝土路面現(xiàn)場(chǎng)施工的空隙率不應(yīng)大于7%,但相切處芯樣的空隙率平均值常超出此范圍,有的高達(dá)10%。比較兩種碾壓方式下芯樣的密度和空隙率,跨縫碾壓時(shí)拼縫處稍密實(shí)。3.2測(cè)定指標(biāo)及重要性指標(biāo)拼縫處瀝青混合料的力學(xué)性能也是反映拼接施工質(zhì)量的重要指標(biāo)。針對(duì)試驗(yàn)路芯樣和室內(nèi)成型的模擬試件,通過劈裂試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)、剪切試驗(yàn)、拉拔試驗(yàn)分別評(píng)價(jià)了拼縫處不同施工工藝和黏結(jié)材料的優(yōu)劣。(1)試驗(yàn)對(duì)比及結(jié)果將試驗(yàn)路鉆取的芯樣編號(hào)整理后,切割成統(tǒng)一的高度6.35cm。對(duì)于部分高度小于6.35cm的芯樣,切平進(jìn)行試驗(yàn)。采用劈裂試驗(yàn)比較不同接縫處理技術(shù)和碾壓方式的拼接效果,跨縫處芯樣劈裂試驗(yàn)時(shí)施加的力的方向平行于拼縫。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出,在同一種碾壓方式中,不管是乳化瀝青還是熱瀝青,火烤工藝對(duì)劈裂強(qiáng)度均有不利影響;材料方面,使用乳化瀝青和熱瀝青處理拼縫,劈裂強(qiáng)度相差不大;而沒有使用黏結(jié)劑,只進(jìn)行人工填補(bǔ)細(xì)料的路段芯樣的強(qiáng)度較低,說明縫側(cè)涂刷黏結(jié)劑是有效提高拼接強(qiáng)度的手段。(2)相切及跨縫各芯體裂強(qiáng)度對(duì)比對(duì)同一斷面對(duì)應(yīng)的路幅中央(正常路段)芯樣、拼縫相切處芯樣和跨縫處芯樣的劈裂強(qiáng)度進(jìn)行比較,如圖5所示?？梢钥闯?相對(duì)于正常路段芯樣,相切處芯樣劈裂強(qiáng)度下降15%,跨縫處芯樣的劈裂強(qiáng)度下降25%。相切處芯樣劈裂強(qiáng)度較低是由于攤鋪時(shí)混合料離析造成的,而跨縫處芯樣強(qiáng)度最低,是由于新舊路面拼縫的存在。3.3芯樣的虛實(shí)度將不同位置所有芯樣的劈裂強(qiáng)度與其密實(shí)度建立對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖6所示,可以看出影響拼接效果的除了各種黏結(jié)方式外,最重要的一個(gè)因素就是拼縫處新路面的壓實(shí)度。從圖6中可以看出,劈裂強(qiáng)度和芯樣的密實(shí)度相關(guān)性較好,隨著芯樣密度的增加,芯樣的劈裂強(qiáng)度也逐漸增大。因此在同樣的拼縫黏結(jié)材料和施工工藝的情況下,可以考慮采用拼縫附近的壓實(shí)度評(píng)價(jià)拼縫拼接施工質(zhì)量。4試驗(yàn)與分析室內(nèi)沖浪板樣4.1將未充放電網(wǎng)或在車輛成型后制作的車轍板由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和施工等因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響較大,如跨縫處芯樣高度太低,且無法確保拼縫線處于芯樣的正中央等,所以在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)成型試件模擬道路拼接進(jìn)一步開展研究。試件采用車轍板成型,車轍板尺寸為30cm×30cm×6cm。將舊的車轍板切成兩半,側(cè)面涂刷不同的黏結(jié)材料,即乳化瀝青、熱瀝青、環(huán)氧瀝青(環(huán)氧瀝青和環(huán)氧樹脂配合比為1∶4.5),并采用火烤和不火烤兩種形式。成型另一半車轍板時(shí),參考現(xiàn)場(chǎng)施工的情況采用火焰噴槍火烤,火烤時(shí)間為15s,并嚴(yán)格控制成型溫度確保壓實(shí)度。成型后在接縫處跨縫鉆芯取樣,并進(jìn)行劈裂試驗(yàn),結(jié)果如表3所示。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出:與試驗(yàn)路試驗(yàn)結(jié)果相同,火烤后劈裂強(qiáng)度有所降低,而使用不同的黏結(jié)劑得到的劈裂強(qiáng)度相差不大。4.2凍融后其裂解強(qiáng)度將同一批試件分為兩組,第一組在25℃恒溫水槽中浸泡2h后測(cè)試劈裂強(qiáng)度;第二組將芯樣在25℃恒溫水槽中浸泡2h,然后在0.09MPa壓力下浸水抽真空15min,再到-18℃冰箱中放置16h,取出試件立即放入60℃的恒溫水槽中保持24h,接著再放入25℃的恒溫水槽中浸泡2h后測(cè)試其劈裂強(qiáng)度。其結(jié)果如表4所示。比較兩組試件的凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果,可以發(fā)現(xiàn):(1)對(duì)于各種黏結(jié)材料,室內(nèi)試驗(yàn)再次證明火烤處理反而使得劈裂強(qiáng)度降低,凍融前和凍融后均是如此;(2)乳化瀝青的凍融劈裂強(qiáng)度比TSR值最小,這可能是由于成型時(shí)乳化瀝青破乳不完全,導(dǎo)致凍融后劈裂強(qiáng)度下降較多所致;(3)可以看到,PG76熱瀝青凍融劈裂強(qiáng)度比最高,即使火烤后仍然能夠保持較高的數(shù)值,這說明使用熱瀝青作為黏結(jié)材料有著較好的抗水損害能力。4.3試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析本試驗(yàn)對(duì)不同黏結(jié)劑的抗剪能力在常溫下進(jìn)行了測(cè)定比較。按照前述方法成型車轍板,按照?qǐng)D7所示方法切割成50mm×50mm×3.2cm×2層的試件,采用空氣浴,試驗(yàn)溫度為25℃±1℃,剪切速率采用10mm/min,試驗(yàn)數(shù)據(jù)半自動(dòng)采集,剪切試驗(yàn)結(jié)果見表5。同時(shí),為了考察季節(jié)循環(huán)凍融對(duì)拼縫水損壞能力的影響,仿效凍融劈裂試驗(yàn),把剪切試件放到-18℃冰箱中冷凍16h,取出試件立刻放入60℃的恒溫水槽中保持24h,接著再放入25℃的恒溫水槽中浸泡2h后測(cè)試其剪切強(qiáng)度,試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表5。從表5中數(shù)據(jù)可以看出:與劈裂試驗(yàn)相比,火烤工藝對(duì)常溫剪切數(shù)據(jù)影響不大,這可能與剪切試驗(yàn)為一定正壓力下的斜剪模式有關(guān);凍融處理后,接縫處的剪切強(qiáng)度有一定程度的降低,尤其是火烤工藝對(duì)凍融后的剪切數(shù)據(jù)影響很大,剪切強(qiáng)度下降較快。因此,在路面拼接施工時(shí)應(yīng)慎用火烤工藝。5fwd傳感器跨縫壓實(shí)效果由于拼縫的存在,新舊路面搭接處荷載傳遞和整體性的新建路面有所不同。在此,通過測(cè)試新建路面和拼接路面的FWD彎沉,并定義一個(gè)荷載傳遞系數(shù)LTE(LoadTransferEfficiency)來表征拼縫的傳荷能力,如式(1)所示:LΤE=D′90/D′0D90/D0×100%(1)式中:LTE為荷載傳遞系數(shù);D′90為跨縫檢測(cè)距落錘點(diǎn)90cm處傳感器得到的彎沉;D′0為跨縫檢測(cè)落錘點(diǎn)的彎沉;D90為無跨縫新路檢測(cè)距落錘點(diǎn)90cm處傳感器得到的彎沉;D0為無跨縫新路檢測(cè)得到的落錘點(diǎn)彎沉。一個(gè)高強(qiáng)度的拼縫LTE可以接近100%,表明荷載可以全部由拼縫一側(cè)傳遞到另一側(cè)。而兩個(gè)完全分離的路面間的LTE為0,表明兩者之間沒有剪應(yīng)力的傳遞。為了獲得LTE,FWD傳感器橫跨拼縫布置,落錘點(diǎn)位于拼縫附近新路側(cè),距離拼縫75cm。測(cè)量拼縫兩側(cè)所有傳感器的位移,如圖8所示,計(jì)算結(jié)果見表6。從表6中計(jì)算結(jié)果看來,面層拼接跨縫碾壓效果較好。這和前面的結(jié)論是一致的。6主要檢測(cè)方法前述通過拼縫附近的壓實(shí)度、劈裂試驗(yàn)結(jié)果、剪切試驗(yàn)結(jié)果以及荷載傳遞系數(shù)LTE等多種方法來評(píng)價(jià)面層拼接質(zhì)量的優(yōu)劣,綜合分析這些方法,可以得出以下結(jié)論。(1)斜剪試驗(yàn)不能真實(shí)反映路面拼縫處的受力特性,因此室內(nèi)試驗(yàn)的結(jié)果也不能完全反映各種材料的拼接效果,因此不推薦斜剪試驗(yàn)作為評(píng)價(jià)方法。(2)劈裂試驗(yàn)?zāi)茌^好地反映出不同的黏結(jié)材料、拼接工藝和碾壓方式的影響,但是以劈裂試驗(yàn)作為評(píng)價(jià)方法要注意,在鉆芯時(shí)應(yīng)跨縫居中取樣。