水电站重载交通公路沥青路面结构组合设计探讨

2011-04-14黄俊华聂大丰

水电站设计 2011年1期

关键词：刚性面层沥青路面

黄俊华,聂大丰,张丹

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院,四川成都 610072)

1 前言

水电作为清洁可再生能源,无污染、运行费用低,有利于提高资源利用率和经济社会的综合效益。在地球传统能源日益紧张的情况下,世界各国普遍优先开发利用水能资源。

随着国民经济的持续、快速、健康发展和人民生活水平的不断提高,国家对能源的需求迅速增长,从而使我国加快了水电开发利用步伐。

水电站建设施工运输要求的车辆多为重型车辆,其总质量、轴载质量较大,水电站建设施工运输车辆一般为汽车 -40级、汽车 -60级、汽车 -80级等,单轴重可达到 200～300kN,双轴重可达到 300～550kN,从而使水电站专用公路与普通公路在功能上存在较大差异,主要表现为专用公路运行主要车载总质量和轴载质量大,且只在电站建设施工期持续。本文就水电站交通工程重载下的沥青路面结构设计作初步探讨。

2 路面结构组合设计

提高重载交通环境下沥青路面的性能关键还在于路面各个结构层的材料设计和组合设计。如何提高沥青路面结构的强度是重载沥青路面结构设计的核心,通常从改善沥青混合料质量、合理选择沥青层厚度、提高基层强度水平、加强结构层之间的粘结、提高基层的抗水损害和面层结构的抗滑能力等途径综合考虑。

2.1 改善沥青混合料的质量

沥青混合料是一种复合材料,由沥青、粗集料、细集料、矿粉及外加剂所组成。这些组成材料在混合料中,由于组成材料质量的差异和数量的多寡,可形成不同的组成结构,并表现为不同的力学性能。

沥青混合料应具备有一定的力学强度;除了受重载的作用外,还受到各种自然因素的影响,因此还必须具备抵抗自然因素作用的高温稳定性、低温抗裂性以及耐久性;为了便利施工还应具备施工和易性。

改善沥青混合料质量可以从合理选择原材料、调整混合料的级配及组成比等方面着手。

2.1.1 合理选择原材料

拌制沥青混合料所用的沥青材料的技术性质,随气候条件、交通性质、沥青混合料的类型和施工条件等因素而异。对于水电站重载交通公路,宜采用较稠的沥青,当沥青标号不符合使用要求时,可采用不同标号的沥青掺配,但掺配后的技术指标应符合要求。

沥青混合料所用粗集料,可以采用碎石、破碎砾石和矿渣等。对于水电站重载交通公路,宜选用纹理粗糙、棱角多的石料,提高内摩擦角。

细集料应洁净、干燥、无风化、不含杂质,并有适当的级配范围。对于水电站重载交通公路,宜采用优质、硬度较大的碱性石料和经反复破碎后得到的机制砂。

2.1.2 采用合适的矿料级配

通常沥青混合料按其组成结构可分为 3类:悬浮 -密实结构、骨架 -空隙结构和密实 -骨架结构。沥青混合料的三轴试验结果表明,密实 -骨架结构不仅具有较高的粘聚力 c,而且也具有较高的内摩阻角 φ。对于水电站重载交通公路,宜选用该类型的级配,混合料中细料的压实体积应“临界”于粗集料形成的空隙体积,粗集料在压实混合料中有一定“骨架作用”。

2.2 合理选择沥青面层厚度

沥青面层主要起功能作用,而非承重层。就功能性作用而言,各层的作用是互不相同的,各有其主要作用。目前我国沥青路面的主要损坏形式为水损害、抗滑性能不足、车辙类高温剪切破坏、低温收缩开裂等,实质上是路面使用功能的破坏。

在沥青路面设计中,合理选择沥青面层的厚度是一个重要课题。沥青面层过厚,对于提高沥青路面的整体承载力有一定的贡献,但是同时也带来了一系列的问题,在重载下主要表现为车辙、推移等;沥青面层过薄,在重载下层底拉应力过大,容易开裂。因此,在重载条件下应根据公路的特点和交通量进行计算,选择合理的面层厚度范围。沥青面层厚度的选择应考虑两方面因素:一是理论上的计算厚度;二是考虑实际施工水平的采用厚度。一般来说,采用厚度应略大于计算厚度。

2.3 提高基层强度水平

基层是主要承重层,应具有稳定、耐久、较高的承载能力。对于运输强度大、设计荷载大的大型水电站特重交通沥青路面宜采用刚性基层结构,其余重载交通可采用半刚性基层。

2.3.1 刚性基层

刚性基层是采用贫混凝土、混凝土、连续配筋混凝土等材料铺筑的路面基层。

和其他类型的基层相比,刚性基层有强度和刚度高、较好的整体性和稳定性、抗冲刷能力强等特点。

以贫混凝土为例,按照结构组成特征可分为密实贫混凝土和多孔贫混凝土。这类基层具有良好的强度和刚度。贫混凝土基层的基准水泥含量为 6%～12%,水泥稳定粒料基层中的水泥含量一般不超过 6%,二者水泥含量相差约为 40～50kg/m3,而贫混凝土的抗压强度和抗弯拉强度分别为水泥稳定粒料的 1.6～3倍以上,抗压弹性模量为水泥稳定粒料的 3倍以上,故刚性基层的强度和刚度比半刚性基层有较大提高,这主要依赖于粗集料的相对含量较高形成的骨架结构和水泥含量的增加。

刚性基层胶结料含量少,空隙率一般较大,有利于界面水的排放,故有较好的整体性和稳定性。

刚性基层的抗冲刷性和水泥的粘结作用强弱与材料中的细料含量有关。水泥含量越高混合料的结合效果越好,其抗冲刷性能就越好。法国道路当局利用旋转和振动台做了大量的冲刷试验,结果表明,刚性基层如贫混凝土的抗冲刷性能总体好于其它基层类型,在第 16届世界道路会议的混凝土道路技术委员会报告中,将其列为低冲刷材料。

2.3.2 半刚性基层

半刚性基层广泛地应用于我国各级公路路面结构中。

半刚性基层造价低,这对于仍处于发展中的我国而言,是其他基层材料所无法比拟的。不仅如此,半刚性基层材料还有以下特性:半刚性基层材料的强度随被稳定材料的级配组成和结合料的不同可以在很宽的值域内变化;半刚性基层的收缩开裂是可以减小的,及时地保湿养生可以避免干燥收缩裂缝;合适的材料组成可以显著地提高抗冲刷性能;将半刚性基层放在路面中的合适层位,使其不承受过大的荷载,则可以具有更长的疲劳寿命。

综上所述,材料强度的获得不仅要靠一定剂量的结合料,更要靠良好级配的集料。基层强度不单由水泥剂量决定,也与基层组成材料的级配有关。为了适应重载交通的需要,为了追求更高的基层强度而一味地加大水泥剂量,不单不经济,也容易形成收缩裂缝。因此,应该在材料级配和水泥用量中找到一个适合的比例,采用骨架密实型级配,尽量减少细集料的含量。采用合适的水泥剂量,既可达到设计规定的强度,也能减少基层的收缩开裂,使基层强度达到其功能要求,并经济合理。

2.4 减小反射裂缝的措施

2.4.1 应力吸收层

重载交通下,刚性基层沥青路面面层与基层之间宜设置沥青应力吸收层来抵抗反射裂缝。

应力吸收层不同于应力吸收膜,它是具有空隙率较小、弹性恢复能力很强、密实不透水、厚度为 20～25mm的细粒式改性沥青混凝土薄层结构。混合料的黏结料的技术指标宜符合美国 SHRP的 PG70-28或 PG76-22等级要求,沥青用量一般为 8%～10%。该混合料具有较好的抗变形能力、抗疲劳性能和防止反射裂缝的效果。

刚性基层沥青路面的反射裂缝由温度和荷载的共同作用而产生,是在温度变化下拉应力产生的拉伸变形和荷载作用下产生的竖向剪切应力造成的竖向变形,在刚性基层断裂裂缝处产生应力集中向面层传递,使面层断裂。反射裂缝是刚性基层沥青路面损坏的关键问题,研究表明,反射裂缝的扩展速度一般为 2.5cm/年。从结构方面来讲,反射裂缝对道路的破坏不是简单的裂缝问题,更严重的是反射裂缝产生后水对道路的进一步破坏:路表水以反射裂缝为通道向下渗透直至路基,导致基层和路基损坏。

路面结构中铺了应力吸收层以后,不仅能够良好地消散刚性基层板块接缝处的应力集中,而且还能有效地防止刚性基层因温度应力而引起的沥青面层反射裂缝,其良好的弹性和抗疲劳性能使水平位移在较宽的范围内分散,降低了加铺层内部尖端的应力强度因子的幅值,使裂缝不会很快失稳扩展,从而延缓了裂缝反射至面层的速度。

2.4.2 应力吸收膜

反射裂缝是我国半刚性基层沥青路面的典型病害。对于半刚性基层,采取应力吸收膜是减少反射裂缝的重要措施。

国外采用较多的橡胶沥青应力吸收层(因厚度很薄,我国称为应力吸收膜),一般称为 SAMI(Stress Absorbing Membrane Interlayer),本质上是通过隔离作用,将基层裂缝处位移产生的应力消散(吸收)在应力吸收层内部,从而起到保护面层的作用。

橡胶沥青应力吸收膜夹层实质上是一种碎石封层,吸收层材料模量较低,柔韧性和弹性较好,能够弯曲和蠕变,从而释放应力,修复已经发生的裂缝,阻止裂缝的进一步扩展,延缓和减少罩面反射裂缝的发生。另外,封层碎石在碾压时能够嵌入罩面,防止沿着较厚的橡胶沥青膜形成滑动面。

2.5 加强沥青面层层间与基层的粘结

压实成型的沥青混合料的强度构成来源于沥青材料的粘结力和骨料的摩阻力,同时材料本身的均质性和连续性也是强度构成的根本条件。沥青路面结构设计中基层和沥青面层及面层之间是按连续状态计算的,实际工程中,在完成自下而上每一个结构层的铺装时,都需要进行足够的振实碾压。因而这些结构层的表面都达到了相对密实平整状态,在层与层结合面上摩阻力就会大大低于混合料本身,其强度构成转为对粘结力的依赖。所以,为了保证路面结构的整体性和结构层间应力传递的连续性,沥青面层层间及面层与基层之间的粘结也相当重要。如果没有更加优质的材料进行粘结处理,创造一个等于或大于混合料强度的层间体,层间结合面就会成为一个薄弱环节,难以承受水平方向过大剪切力的破坏。

为加强路面结构层间的粘结并提高防水及封水效果,对于水电站重载交通公路,各面层及面层与基层之间可以设置 SBR改性乳化沥青粘层油。

SBR是一种高分子聚合物,与特殊复合材料在沥青之中相互交连形成网状,大大限制了沥青胶束的自由度,喷洒于道路表面成型后不会与车轮粘连,也不会因施工车辆通行而影响粘层效果,所以是一种很好的层间粘结材料。它的优越性,通过许多工程实例都得到了证实。