（机械设计及理论专业论文）道路灌缝机关键技术研究.pdf

摘要 近几年，我国的公路养护事业呈蓬勃发展的势头，尤其是高速公路早期病害的防治 与处理。对高速公路早期病害进行有效地预防和处理可延长高速公路的使用寿命并节约 巨大经济成本，受到了人们的普遍重视。本文基于和美的集团的合作项目一w t g f j 一5 0 0 型道路灌缝机的研发，对道路灌缝机几个关键技术进行了研究。 裂缝是高速公路早期病害的主要形式之一，其中以横向裂缝、纵向裂缝等线状裂缝 最为常见。灌缝技术即为针对这些病害的处理技术，涵盖了灌缝材料、灌缝设备、施工 的经济性、灌缝工艺等方面的内容。在施工工艺上，文章详细分析介绍了灌缝工艺的作 业流程以及对灌缝质量的影响因素，尤其是填封型式的不同以及施工温度的不同对作业 质量的影响。 在灌缝机的研制方面，文章从搅拌和加热两个关键技术点着手，进行了详细地研究 和分析。搅拌系统设计是影响灌缝机整机性能的关键部分，文章分析了密封胶( 粘稠液 体) 的搅拌特性，并根据搅拌特性设计出了适合的搅拌叶片。在对搅拌系统的受力情况 进行了详细分析的基础上，针对受力复杂的情况，文章采用了f m p 方法进行了强度校 核，进而通过粘稠液体的搅拌特性和搅拌功率的计算特点，对系统的搅拌功率进行了计 算。为了进一步分析了解搅拌特性，通过数值模拟的方法对搅拌片开口和不开口的情况 进行了搅拌速度和搅拌功率等方面的分析对比，印证了设计的可行性和正确性。 在加热系统方面，文章研究了传热机理与传热方式，通过传热机理和方式找出影响 加热效果的因素，进而对加热系统设计提供了理论指导，测试结果显示加热系统设计合 理、有较高的加热效率和经济性。 关键词：灌缝机、裂缝、密封胶、搅拌、热平衡 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，h i g h w a ym a i n t a i n e di n d u s t r yd e v e l o p sq u i c k l y , e s p e c i a l l y , p r e v e n t i o na n d c u r ea b o u th i g h w a ye a r l yd i s e a s e i tc a np r o l o n gh i g h w a yn a t u r a ll i f ea n ds a v ep l e n t yo f f o r t u n e ，a n db ep a i db r o a da t t e n t i o n o nt h eb a s eo fd e v e l o p i n gi t e m - - w t g f j 一5 0 0r o a d c r a c k s e a lm a c h i n ew i t hm i d e ag r o u p ，t h ea u t h o rs t u d ys e v e r a lk e yt e c h n i q u e s c r a c ki so n eo fh i g h w a ye a r l yd i s e a s e s i nt h e m ，t r a n s v e r s ec r a c k ，l e n g t h w a y sc r a c ka n d o t h e rl i n e a rc r a c ka r eh a c k n e y e d c r a c k s e a lt e c h n i q u e sa r ej u s tt od e a lw i t ht h e s ed i s e a s e s i t i n c l u d e sc r a c k - s e am a t e r i a l ，c r a c k s e ae q u i p m e n t ，e c o n o m yc h a r a c t e r , c r a c k s e a lm e t h o d ，a n d s oo n i nt h ea s p e c to fc r a c k s e a lm e t h o d ，t h ea u t h o ra n a l y z e sa n di n t r o d u c e st h ew o r kf l o wo f c r a c k s e a lm e t h o da n dt h ef a c t o r se f f e c t i n gc r a c ks e a lq u a l i t yi nd e t a i l ，i ns p e c i a l ，w o r k i n g t e m p e r a t u r ea n dg r o o v es h a p e e f f e c to nw o r k i n gq u a l i t y i nt h ea s p e c to fs t u d y i n go nc r a c k - s e a lm a c h i n e ，t h ea u t h o rs t u d ya n da n a l y z e st w o k e y s _ m i xs y s t e ma n dh e a ts y s t e mi nd e t a i l m i xs y s t e md e s i g ni sak e yp a r tw h i c he f f e c t s w h o l ee q u i p m e n tc a p a b i l i t y a u t h o ra n a l y z e ss e a l a n t m i xc h a r a c t e r i s t i c ( o rv i s c i dl i q u i d ) a n d b a s i so ni t ，d e s i g nt h em i xv a n e o nt h eb a s eo fd e t a i la n a l y s e sa b o u ts y s t e mm e c h a n i c s ，d u e t oi t sc o m p l e x i t y , a u t h o ru s ef m pt op r o o f r e a ds y s t e m si n t e n s i t y a n dt h e n ，c a l c u l a t e s s y s t e m sp o w e rb ym i xc h a r a c t e ro fv i s c i dl i q u i da n dc a l c u l a t ec h a r a c t e ro fm i xp o w e r f o r a n a l y z i n gm i xc h a r a c t e rm o r ed e t a i l e d ，a u t h o rc o n t r a s ta n da n a l y z et w oi n s t a n c e s - u n a b r i d g e d v a n e sa n da b r i d g e dv a n e s ，i nm i xv e l o c i t ya n dm i xp o w e rb yn u m e r i c a lv a l u es i m u l a t i o n a n d v a l i d a t ed e s i g nf e a s i b l ea n da s c e n d a n t i nt h ea s p e c to fh e a t i n gs y s t e m ，a u t h o rs t u d i e sc o n d u c th e a t i n gm e c h a n i s ma n dh e a t i n g f a s h i o n s a n df i n dt h ee f f e c t i n gf a c t o r sf r o mm e c h a n i s ma n df a s h i o n s a n dg i v ea d v i c eo n h e a t i n gs y s t e md e s i g no nt h e o r i e sf u r t h e r t e s t i n gr e s u l ts h o wt h a th e a t i n gs y s t e md e s i g ni s r e a s o n a b l ea n dh e a t i n ge f f i c i e n c ya n de c o n o m yc h a r a c t e ra r en o t a b l e k e y w o r d s ：c r a c k s e a lm a c h i n e ；c r a c k ；s e a l a n t ；m i x ；e n e r g yb a l a n c e i l 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 1 1 黟移 枷7 年舌具晷e l 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名： - 1 物晒 私人p - 。 侧年窍霉e l 岬年厂月彦日 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 沥青路面裂缝的产生机理及危害 随着我国的高速公路的迅速发展以及高速公路网的逐渐形成，我国的公路发展逐步 开始从重视建设向注重养护的方向上转化。目前我国高速公路通车里程已经突破3 万公里，居世界第2 位，我国的高速公路及其他高等级公路的养护事业任重而道远。美 国联邦公路局于2 0 世纪8 0 年代末开始了美国战略研究计划，称为s h r p 计划。他们通 过调查发现一条质量合格的公路，在使用寿命7 5 的时间内，性能将会下降4 0 ，如不 能及时养护，在随后的1 2 的使用寿命时间内，性能会再次下降4 0 ，从而造成养护成 本3 1 0 倍增加，如图1 1 所示【啦】。 道 最好 路 墓 较好 构 “” 搭 一般 况 一般 j z 巴 恨差 损切：时问 图1 1 道路结构状况和时间曲线图 在这段时间内之所以会产生如此大幅度的性能下降，主要是因为此时路面产生了比 较明显的裂缝，如不能及时处理，沿裂缝将渗入雨水，对公路造成严重的破坏。进水后 公路病害的发展一般可分三个阶段，第一阶段表现为裂缝部位的膨胀，沿裂缝逐渐形成 微量冻融松散灰土粉化，材料密实度降低，将面层材料拱起；第二阶段，沿裂缝继续灌 入雨水，存在于水泥碎石与路面结合层之间，由于行车碾压推挤摩擦作用，将水泥和微 粒材料同雨水在行车压力作用下唧出，经行车压力的反复作用，将路面基层与面层材料 磨成浆状物唧出，使面层材料密实度降低；第三阶段，由于唧浆病害的延续，路面出现 坑槽或搓板，进而导致路面龟裂和开裂性坑槽。严重影响高速公路的使用使命【2 3 】。 * 一# 绪* 111 沥青混凝土路面裂缝的产生原因 裂缝是沥青路皿常见病害之一。道路早期裂缝多以横向裂缝、纵向裂缝和滑移裂缝 为主。 第一种情况是横向裂缝。此类裂缝为与路面行车方向垂直分布的单根裂缝。由于地 基或填上路堤纵向不均匀沉降，或由于沥青混合料摊铺时横向接缝处理不当，会产生横 向裂缝，并伴有错台现象出现。在温度变化大的地区，夏季完好的路面到了冬季会由于 路面温度过低或温度变化过大，产生纵向近似等间距的横向裂缝，通常将这类裂缝办称 为温度裂缝。沥青路面岍观的绝大部分横向裂缝是温度裂缝，该类裂缝一般从沥青面层 表血开裂，逐渐向底血层和基层延伸、扩展，从而形成上宽下窄的裂缝。有时横向温度 裂缝会贯通路面的一部分，而大部分横向温度裂缝则是贯通整个路面宽度。一条沥青路 面会有多根横向温度裂缝其纵向问距约为5 l o m 不等。 于- 一 图1 2 横向裂缝 第二种情况是纵向裂缝。纵向裂缝一般都发生在高填方的路基上，主要原因是填方 材料和填方的不均匀性，以及填打密实度达不到设计要求。经过一段时问的自然沉降， 特别是经过雨水浸泡后，路基强度有所下降，沿边坡部分路基承载力也下降，就会出现 纵向裂缝。这种裂缝往往比较长、比较宽、比较深。除了沥青路面层有裂缝外，沥青底 基层也有同样韵裂缝出现。纵向裂缝必须及时处理否则造成的沥青路面损害就会更大， 特别是沥青路面施工虽已结束，但是还没有验收，就出现的纵向裂纹和裂缝。 长安大学碰i 学位论女 图1 3纵向裂缝 第三种情况足反射裂缝。这类裂缝是由于f 铺层的裂缝，向上传递而导致沥青面层 产生与下铺层相似的裂缝，一般多发生在加铺层上。由于旧有的水泥路面的接缝和裂缝 或旧有沥青路面的纵向裂缝、横向裂缝和块裂 等在加铺时未加以适当的处理而导致加铺层 产生与下铺层裂缝相似形状的反射裂缝。另 外，在新建的半刚性沥青路面上，半刚性基层 受天长日久的温度变化引起的温缩裂缝或受 外界环境湿度变化产生的干缩裂缝也会向路 表面扩展形成反射裂缝。由于底层或基层不连 续处( 接缝或裂缝) 的水平运动或垂直运动，会 使沥青路面的底面层产生较大的拉应力或剪 应力，并晟先开裂，然后裂缝逐渐向上延伸、 扩展，并穿透整个面层，形成下宽上窄的裂缝 m 。 l 12 裂缝对沥青路面的危害 裰一一配- 图1 4 反射裂缝 沥青路面裂缝得不到及时修补时，将对路面的使用寿命和行车舒适性带来重大影 响，它士要表现在以下几个方血： ( 1 ) 缩短路面的使用寿命。裂缝的初期( 1 2 年内) 对路面的使用性能无明显影i 啊， 但随着裂缝增大，雨水或雪水的逐渐侵入，导致裂缝两侧的路面结构或土基含水量增加， 甚至达到饱和状态，使承载力明显下降，在大量行车荷载作用下，产生冲刷和唧浆现象， 第一章绪论 加重路面的破坏。 ( 2 ) 纵向裂缝容易形成沿行车方向呈台阶状，横向裂缝的唧浆导致裂缝两侧凹陷， 均对行车的舒适性带来影响。 ( 3 ) 桥头跳车处的路面横向裂缝，在路面积水的作用下加速了跳车发展的速度， 同时对路基造成冲刷。 ( 4 ) 块状的路面中裂缝如不能及时修补，将很快发展成网裂、松散或坑槽。导致 路面病害的发生，严重影响沥青路面的综合服务水平【6 】。 1 1 3 灌缝修补的作用 在路面使用性能下降4 0 时，即使用寿命的7 5 时，通过修补处理，路面的性能将 得到恢复，阻止其迅速的下降，从而延长使用寿命。灌缝技术在发达国家已经比较成熟， 即在出现有较为明显的裂缝时进行灌缝处理，提高路面性能，延长使用寿命。灌缝失效 后，路面再次产生裂缝时，此时路面的裂缝将是普遍的、大小交错，同时夹杂其他的道 路损害。这时再经过微表处理，继续延长路面的使用寿命。这种路面养护方式可以大大 延长路面的使用寿命，节约巨大的经济开支【。 从以上的分析可以看出，对于沥青路面产生早期病害尤其是早期线状裂缝的情况， 通过裂缝修补的方法能有效地延长路面的使用寿命。近十年来，灌缝技术、灌缝设备以 及灌缝材料逐步引进到国内，对国内的高等级公路的养护产生了积极的因素。然而对于 国内的经济条件和庞大的养护市场，靠进口设备进行养护受到了一定的制约。对于各养 护单位而言，也面临着进口设备材料价格昂贵、产品的售后服务跟不上、技术服务脱节 等一系列的问题。生产高性能的灌缝设备和灌缝材料，积极探索符合我国国情的施工工 艺在国内有着急切的需要。 1 2 灌缝机发展现状 灌缝技术在国外是一种比较成熟的技术，灌缝机的研制发展也比较成熟，比较有影 响的灌缝机生产厂家主要有美国c r a f c o 公司、加拿大的s u s t e g 公司、德国g r u i n 公司、 加拿大s y s t e g 公司、美国c i m l i n e 公司、德国b r e i n i n g 公司、美国s e a l m a s t e r 公司以及 韩国路保等。其中最有影响的当数美国c r a f c o 公司，它是目前世界上唯一一家具有影响 力的既生产公路养护设备又生产各种公路养护材料的公司，其产品在中国也有使用。除 c r a f c o 公司以外，在中国公路和机场跑道广泛使用的灌缝机还有加拿大的s u s t e g 公司的 4 龊安大学砸l 学位论文 产品，德国g r u i n 公司的产品等。这些公司的产品基本上都已经实现了系列化，各公司 的产品驱动、加热、流量控制等各不相同【_ i 。 随着中国公路尤其是高等级公路的迅猛发展，对养护技术和养护设备的要求也越来 越高，除养护部门从国外引进部分公路裂缝处理机械和材料外，国内一些企业也开始 自己的产品研制工作。 辽宁鞍山森远集团公司在参考美国c r a f c o 公司样机基础上，丌发了l f i 型路面丌 槽机和l g j 一5 0 0 型公路灌缝机；河南省百台经济发展有限公司参考国外样机开发了“路 斗士”牌灌缝机，虽然价格较进口产品便宜，但品种和，蛆号单一，作业质量和进几产品 仍有不小的差距。 目前国内养护部门关于公路裂缝处理作业，大部分处于千工和半机械化作业，这些 设备的引进和自主，f 发，无疑是对我国公路养护体制的改革和实现公路养护机械化是一 个有力的促进。 13 项目的产生与定位 2 0 0 5 年6 月美的r 用家电集团和和长安大学签订了合作协议，并共建公路养护技 术联合实验室，聘请了杨人风等三位教授为特聘专家，同时也丌展了一系列的项目合作， 合作项目包括产品规划、新产品开发等多个方而，开发该项目就是新产品开发类的主要 项目之一。双方对该项目都十分的重视，投入了大量的人力和物力，使得项目能顺利的 进行。 图1 6 长安大学- 美的集团建立联合实验室的揭牌仪式 第一章绪论 本项目的研发既应用了国际先进技术，进口了关键元器件，如液压件、燃烧器等， 配置较高；同时又认真研究了中国的国情，使其符合中国的道路养护工艺，操作方便、 灵活，便于使用。该产品的作业性能属于同类产品中的高端产品，可与进口同类产品相 媲美；在价格定位上属于中档产品，与国内同类机型接近。该产品，f 发成功后既可代替 进口产品，又可弥补国内产品在使用性能上的差异，在较长一段时6 j 内具有很强的竞争 力。 图1 7 科来福s s l 2 5 d 型灌缝机图1 8 辛美来m a g m a l l 0 鞋缝机 剖19 路宝r s d 1 2 5 掣灌缝机 嘲1 1 0 森远l g j s 0 0 犁灌缝机 k 生 学硕十学位论文 罔11 1 威特w t g f j - 5 0 0 型灌缝机 车项目所开发的设备的性能参数与其他几家主要产品的对比 表1 1 几家灌缝机厂家产品的主要参数对照 父 科来福辛美来鞍山森远韩国( 路宝)威特 s s l 2 5 d 整机重量 1 8 2 5 k g 1 4 7 4 k g 1 8 1 6k g 2 2 0 0 k g 2 2 0 0 k g 外型尺寸 4 x l _ 7 x 1836 x 2 x 18 行走方式拖挂式拖挂式拖挂式拖挂式拖挂式 承载轴单轴两轮单轴两轮般轴四轮般轴四轮双轴四轮 拖动速度 8 0 k m h 8 0 k m h 发动机： 柴油 柴油柴油柴油柴油 制动方式电刹车电刹车碰撞刹车碰撞式幛 额定功率1 84 k w1 86 k wl o k w1 7 2k w 燃烧器立式柴油卧式柴油立式柴油卧式柴油立式柴油 容积 4 7 3 l2 4 54 7 0 加料高度 1 6 m l5 m 第一章绪论 表1 1 几家灌缝机厂家产品的主要参数对照( 续) 弋 科来福辛美来鞍山森远韩国( 路宝)威特 s s l 2 5 dm a m i a1 1 0l g j 5 0 0r s d 1 2 5w t g 5 0 0 指标 加热时间3 0 - 4 5 分钟3 0 - 4 5 分钟3 0 - 4 0 分钟 工作半径4 9 m5 m 胶管保温 7 5 、c a c1 l o v a c2 2 0 v a c1 1 0 、，a c 输料泵双向变量泵双向变量泵 泵送方式喷枪控制喷枪控制 适用材料自制密封胶各类密封胶 空压机 无 无 有有 无 1 4 本文主要研究的内容 本文主要研究内容有如下几个方面： ( 1 ) 灌缝技术研究。文章对裂缝产生的机理进行了分析，阐明了裂缝对路面的危 害以及灌缝修补的作用，在此基础上从设备、材料、工艺、效果、经济性五个方面详细 介绍了灌缝技术。在设备与材料方面，对国内外使用的灌缝设备和灌缝材料以及发展情 况作了调查研究。在经济性方面，从与传统的修补方法在经济与效果两个方面进行对比， 显现灌缝修补的优越性。在工艺和效果方面，首先对裂缝处理的几种常见的修补工艺进 行了对比，阐明了灌缝技术的使用范围以及修补效果，其次对灌缝工艺进行了详细介绍。 在各个程序中，不同的施工因素对灌缝质量的影响做了定量的或定性的分析，尤其是开 槽类型和施工温度对填封质量的影响。 ( 2 ) 搅拌系统研究。通过对粘稠液体的搅拌特性分析，研究了影响系统搅拌功率 的因素，在此基础上提出了搅拌片的设计要求和解决方案，并给出了搅拌片的具体设计 方案。由于搅拌系统受力的复杂性，文章采用f m p 方法对搅拌轴进行了强度校核计算。 为了计算搅拌系统的功率，分析了搅拌功率的计算方法及适用范围和适用条件，利用适 用于本系统的计算方法对搅拌功率进行了计算。为了进一步揭示搅拌过程和搅拌特性， 文章通过对粘稠液体的搅拌机理分析，建立合理的数学模型。通过对数学模型进行数值 模拟，对搅拌片开孔和不开孔两种搅拌情况进行模拟对比，分析了搅拌片在开口和不开 长安人学硕士学位论文 口的情况下对搅拌系统的搅拌速度、功率、搅拌的波动性、密封胶搅拌的均匀性、加热 的均匀性的影响。进而通过提高搅拌能力使搅拌片在不开口的情况下达到设定值，定量 地分析开口的搅拌片的性能。并对搅拌特性和驱动的联系做了分析。 ( 3 ) 加热系统研究。加热系统是保证灌缝机作业质量的另一重要系统。通过对传 热形式及特点的分析，结合加热釜的设计，理清系统的传热特点。针对系统的传热特点 以及影响传热效果的因素，对加热系统进行了改进。通过计算和测试结果证实设计的正 确性。 ( 4 ) 最后针对目前所研究的内容和结论进行了总结，并对以后所需要做的工作进 行了分析，提出了自己的建议。 9 长安人学硕上学位论文 2 1 灌缝设备 第二章灌缝技术 路面裂缝处理的设备主要分为：开槽机、清理机和灌缝机三类机型，灌缝机是灌缝 技术的核心设备，不同的灌缝机所设计的功能不尽相同。有些灌缝机是将灌缝机和开槽 机设计成一体的，这样可以加大工作效率，缩短作业时间，多见于机场道路灌缝机。一 部分是将灌缝机和清理机设计成一体。清理机包括普通空气喷枪，高压空气喷枪和热空 气喷枪，用于裂缝的清理( 预热) 工作。 目前在中国公路和机场跑道所使用的国外设备主要来自美国c r a f c o 公司，加拿大的 s u s t e g 公司，德国g r u i n 公司等。美国科福来( c r a f c o ) 公司，是目前世界唯一一家有 影响力既生产公路养护设备，又生产各种公路养护材料的公司。所生产的公路养护设备 已有七大系列，2 1 个机型。关于裂缝处理的设备有3 个系列1 3 个机型，包括有开槽机 和多种型号的灌缝机及裂缝清理设备热空气枪。 继科氏公司之后，加拿大s y s t e g 公司和美国c i m l i n e 公司也相继推出路面铣缝机和 路面裂缝开槽机，德国g r u i n 公司推出了路面切缝机，德国b r e i n i n g 公司推出了扩缝机， 其总体设计与c r a f c o 公司的路面开槽机基本相同或相似，但在局部结构，刀盘形式上作 了一些变化，各自都具有一定的特点。 加拿大s y s t e g 公司，美国c i m l i n e 公司，美国s e a l m a s t e r 公司和德国g r u i n 公司， b r e i n i n g 公司也都开发了灌缝机。但是科氏公司的两项专利技术软管加热系统和即 时泵送系统，在这些机型中都不具备，他们仍然依靠手动控制阀来调节填缝及灌料的流 量，喷头部分的填缝及灌缝材料很难保持恒温状态【l 】。 国内的公路养护企业在开发灌缝机的同时也都配套开发了开槽机，而清理机更多被 看作是一种配套设备进行外购，而没有专门开发。 2 2 灌缝材料 目前普遍采用的裂缝填封材料可分成三种类型。第一类是热灌式橡胶沥青，因其价 格最为低廉，对施工人员的要求不苛刻而受到广泛采用；第二类是有机硅树脂，由于其 粘度太大，不易充分渗入裂缝，且对施工条件要求高，既费时又昂贵，故大多用于密封 新建混凝土路面的接缝：第三类是冷灌式填缝料，是以乳化沥青为基本物质的填缝料， 第二章灌缝技术 其受限制条件较少，不需加热使用，可用在潮湿的路面、有灰尘的壁面，灰尘和潮气对 修补性能影响较小。近几年，随着沥青改性技术的发展，不断研制出以改性沥青为基本 物质的新型填缝料。如1 9 9 5 年美国公路部门研究出一种c r f p m 聚合物改性乳液，具 有很好的弹性、流动性和粘结力，不受季节和气候的影响，填缝后能牢牢地粘附在槽缝 壁上，和路面连成一体。施工时只要将c r f p m 聚合物改性乳液放到一个专用壶中，由 人工浇入裂缝中，再铺砂子，即可开放交通。美国c r a f c o 公司也研制了适用于不同 场合的改性沥青密封胶，有加热施工的，也有只需冷施工的，有适合寒、温、热三种不 同气候带使用的。 美国科氏工业集团科氏材料公司在提出“科氏路面解决方案 中，采用了两种治理 公路裂缝的新技术和新材料，即用于水泥混凝土路面伸缩缝的改性热沥青灌缝料，以用 于沥青混凝土路面的改性乳化沥青冷灌缝料。 科氏改性热沥青灌缝料采用特殊改性沥青，粘附力，抗老化能力强，可明显延长路 面使用寿命。科氏改性冷沥青灌缝料是一种聚合物改性水质填缝料，具有低温柔韧，高 温坚硬的特点，该材料用水作载体，施工方便，不需加热设备。 中国引进新加坡生产的一种新型灌缝材料高弹性密封膏，为半流体材料，可用 一般的灌注压力设备施工，不需动力，在中国部分高速公路裂缝处理中使用，效果良好， 粘附性和抗老化能力强。 近年来，很多公路研究所和企业联手开发了一些公路裂缝修补材料，但大部分是用 改性沥青或乳化沥青作基础材料，抗老化，粘附性及强度、韧性比用传统的沥青或聚氨 酯有所改进，但综合性能和寿命仍有待改进和提剐7 , 8 1 。 2 3 常见的裂缝修补工艺 ( 1 ) 乳化沥青稀浆封层 把沥青、水和化学物质的混合物，在强力机械的作用下，形成悬浮液，即用胶体磨 使其变成黑色流体，形成乳化沥青。其中沥青含量为5 0 - 7 0 ，用5 0 的石屑、3 0 的粗砂、2 0 的细砂混合成符合级配要求的骨料，按油石比8 - - 1 2 j h 入乳化沥青，2 普通水泥做填料，形成稀浆，由专用的封层机铺在旧油路上，厚度为0 5 - - 0 6 c m 。在铺 筑过程中乳化沥青将渗入裂缝中，待其破乳水分蒸发后，达到修补裂缝的目的，还可使 路面平整。使用沥青混合料进行封层时，一般厚度在1 5 c m 以内，可采用层铺法或者拌 和法施工。适用于路面裂缝破坏严重，已形成网裂等严重裂缝的情况。 1 2 长安大学硕+ 学位论文 ( 2 ) 沥青混合料罩面法 这是一种根据路面裂缝严重情况，在交通量较大时选用的一种方法。常用标准的中 粒式、细粒式沥青混合料做罩面材料，一般厚度在1 5 一- 4 o c m ，施铺前原路喷洒粘层沥 青。目前已开始应用土工布、土工格栅和喷洒橡胶沥青作应力吸收层，以提高防裂效果。 用于表面处治层的沥青砼，还有一种冷拌掺纤维的断级配沥青混合料，由法国j l 公司提供，称为g r i d f i b e r 。添加纤维的比例可以降至0 1 - 0 2 ，骨料由断级配的细 料或砂砾组成，这种混合料具有良好的流动性和均匀性，施工费用少，因掺入了纤维， 防裂效果明显。 该方法适用于路面结构已遭到轻度破坏或旧路改造的情况。 ( 3 ) 裂缝贴补法 封缝材料是一种呈黑色的带状沥青混合物，采用封缝材料直接对裂缝进行贴补，是 一种较新的裂缝修补方式，修补后裂缝寿命较短。 ( 4 ) 灌缝技术 灌缝技术主要是针对纵向裂缝、横向裂缝、块状裂缝以及反射裂缝等较规则的线 状裂缝，而对于局部网裂、龟裂和滑移裂缝则可以采取其他修补的工艺方法来施工， 如坑槽修补等【8 9 】。 高速公路早期的病害以单条的裂缝为主，包括横向裂缝、纵向裂缝以及反射裂缝 等。通过上述介绍可知，路面早期的裂缝病害采用灌缝填封的方法是比较理想的。 2 4 裂缝填封的目的和效果 沥青路面出现裂缝破损，不仅影响路面的使用性能和表面功能，而且还会引发其他 类型的路面破损。对沥青路面裂缝进行填封修补，其最终目的和效果可归纳为以下四个 方面【1 0 1 。 ( 1 ) 恢复沥青路面行车的平顺性和舒适性： 由于沥青路面出现纵向、横向、斜向以及网状的等各种形状的裂缝，将严重影响车 辆行驶的平稳性。特别是，当裂缝较大且裂缝两侧出现错台时，会引起车辆的剧烈颠簸， 加剧车辆的破坏，同时也增加了车辆对路面的冲击荷载作用。对沥青路面裂缝进行即使 填封修补，以恢复其应有的表面功能，即行车的平顺性和舒适性。 ( 2 ) 恢复沥青路面局部强度和承载能力： 当沥青路面产生裂缝破损时，裂缝两侧的路面材料将丧失传递水平力和竖向力的作 1 3 第二章灌缝技术 用，这将造成路面局部强度和承载能力下降。故而，对裂缝进行填封修补，来加强裂缝 两侧路面材料的粘结强度，恢复裂缝处路面材料间传递力的功能，恢复路面局部强度和 承载能力。 ( 3 ) 弥补裂缝处原有沥青路面的强度不足： 沥青路面产生开裂破损，常常是出现在其局部较薄弱( 如压实不足、空隙率较大、 油石比偏小等) 或交通量较大的地方。通过对裂缝处松散、破损材料清除后进行填封修 补，来弥补原有沥青路面材料和强度不足。特别是，考虑到延长沥青路面的使用寿命以 及日益增长的交通流量和交通载荷要求时，裂缝填缝修补不仅仅是为了恢复原有路面强 度，而更应具有一定的补强作用，以确保裂缝填封处不易再次开裂。 ( 4 ) 避免由裂缝扩展引发沥青路面进一步的破坏： 沥青路面出现裂缝，会使路表水容易渗入路面结构层中，造成路面面层材料出现松 散、剥落，路面基层材料出现软化、承载力下降等现象，最终可能会导致沥青路面产生 裂缝扩张、局部沉陷或坑槽破损。沥青路面有裂缝产生时，许多不可压缩材料会进入裂 缝缝隙中。在温暖季节或环境温度较高时，裂缝具有弥合的趋势，但由于不可压缩材料 的侵入阻止了裂缝的弥合，裂缝只可能呈不断扩张的趋势，并受到额外应力的作用，造 成裂缝破损加剧。所以，通过裂缝填封修补，来防止水渗入路面结构层中、防止不可压 缩材料侵入裂缝缝隙，避免沥青路面引发进一步的破坏。 2 5 灌缝作业经济性分析6 】 2 5 1 传统修补法成本分析 根据采用传统修补法的施工统计，平均工程造价在2 5 - 4 元m 左右，工程造价主 要受灌缝材料价格变动的影响，1 年内失效率在8 6 以上，因此工程总造价达到1 0 2 5 2 0 元m ，平均工程总造价在1 5 元m 左右。 2 5 2 开槽修补法成本分析 选用c r a f c o 设备，s s l 2 5 d c 灌缝机和m o d e l 2 0 0 开槽机。材料选用c r a f c o 宝利福2 型，常温下该材料密度为1 2k g l ；以开槽后平均宽度为2 c m 、深度为2 5 c m 的中小裂缝为例。 ( 1 ) 每延米密封胶消耗费用。 填槽用量：2 c m x 2 5 c m x1 0 0 c m = 0 5 l ，o 5 l 1 2 k g l - - 0 6k g 。密封胶l k g 价格： 1 4 长安大学硕士学位论文 l t 报价1 3 0 0 0 元人民币，则1k g 即为1 3 元人民币。每延米价格：0 6 k g 1 3 元k g = 7 8 元。 ( 2 ) 设备折旧费用。 该设备折旧费通常以1 0 年为使用期限，每年折旧购价的1 0 ，s s l 2 5 d c 灌缝机和 开槽机总价5 5 0 0 0 0 元人民币，则设备每年折旧费为5 5 0 0 0 0 1 0 = 5 5 0 0 0 元。每年工 作日以2 6 4 天计算，每天折旧费为5 5 0 0 0 + 2 6 4 = 2 0 8 元。每天正常工作6 小时可灌缝 6 0 0 m ，则每延米折旧1 8 3 + 6 0 0 = 0 3 4 7 元。 ( 3 ) 燃料费用。( 自动拖挂车，燃油费用暂不定) 每天正常工作需消耗柴油4 5l ，汽油1 8l ，以每升3 2 元计，则每延米费用：( 4 5 + 1 8 ) 3 2 + 6 0 0 = 0 3 3 6 元。 ( 4 ) 正常耗损件费用。 开槽机刀片每套报价6 0 0 0 元人民币，可开槽6 0 0 0 2 8 0 0 0 m 左右，以1 5 0 0 0 m 计算， 每延米刀具损耗费为6 0 0 0 + 1 5 0 0 0 = 0 4 元，包括其他维修、配件损耗，费用以0 6 元计。 ( 5 ) 卡车费用。 每台班3 0 0 元，则每延米费用为3 0 0 + 6 0 0 = 0 5 元。 ( 6 ) 人工费用。 正常施工需6 人，平均每人每天5 0 元，则人工费6 5 0 + 6 0 0 = 0 5 元。 以上6 项费用累计得每延米造价为1 0 0 8 3 元，包括5 年内失效返工费用后每延米工 程总造价为1 1 元左右。 综合以上分析，对于传统修补法，虽然施工设备费用投入几乎没有，初期施工造价 较低，但其使用寿命最多不超过1 年，裂缝密封的效果不好，1 年失效率为8 6 以上， 5 年内每延米工程总造价为1 5 元左右。对于开槽式修补法，虽然初期施工设备费用投入 较高、初期施工造价较高，但其使用寿命大为延长，裂缝密封的效果好，又效率大为提 高，使用5 年后，开槽式修补处理裂缝的有效率为8 7 6 ，5 年内每延米工程总造价为 1 1 元左右。传统修补法适合处理微裂缝和对中小裂缝进行临时应急处理。开槽式修补对 中小裂缝进行一次修补可以保持5 年以上，一次修补多年受益。高速公路大量横向、纵 向裂缝出现高峰集中在开通后2 3 年，以后随着路龄的增加开始出现大量分支裂缝， 对路面的危害性相当大。因此，裂缝修补作为一项主要的日常养护工作，应引起公路养 护工作人员的足够重视。目前，开槽修补法的设备、工艺和材料大多采用国外产品，国 内有关部门应重视设备和材料的研发，主要开发方向应以灌缝机设备和灌缝材料为主， 1 5 第二章灌缝技术 以降低工程造价。北美地区调查结果显示，每投入灌缝成本1 元，可节约道路维护成本 4 元。 2 6 灌缝工艺 沥青路面裂缝填封的施工工艺主要针对纵向裂缝、横向裂缝、块状裂缝以及反射裂 缝等较规则的线状裂缝，而对于局部网裂、龟裂和滑移裂缝必须采取坑槽修补的工艺方 法来施工。将裂缝填封的主要施工工艺过程归纳为以下四大步：( 1 ) 裂缝的开槽；( 2 ) 裂缝的清理和干燥；( 3 ) 填封材料的准备和填封；( 4 ) 封边修整工作。工作流程如图2 1 所示【l l 】。 施 裂 裂裂 灌 封 工 缝 1r - 缝缝 1r l 缝 边 刖的 的 的作 修 准开清干 业整 备槽 理 燥 图2 1 灌缝作业流程图 2 6 1 裂缝的开槽 沿着裂缝开一条凹槽，主要是为正在开裂或即将合拢的裂缝提供一个充足的空间， 使填入裂缝中的填封材料免于受到过分的拉、压应力及交通载荷对其的破坏。特别是， 对于那些预计由于气温变化而产生较大水平位移的裂缝( 主要是针对横向裂缝) 必须进 行开槽填封修补，以适应水平位移而使填封料受到的应力。 对于那些无或者少水平位移裂缝的填封修补，若还想节约成本或省去开槽的时间， 可以考虑不开槽。针对这类裂缝不开槽填封修补，虽不如开槽填封修补，但其效果也较 好。因为这样可以增加填缝材料与裂缝壁面间的接触面积，提高其粘结性能，使填缝材 料不易脱出，延长填缝裂缝的寿命。 对裂缝进行开槽处理，可以将不坚固的、松散的壁面材料移走，同时还可以将裂缝 中的松散碎屑、旧料、杂物切削出去，露出一个坚实的、整齐的裂缝壁面，这非常有利 1 6 长安人学硕士学位论文 于填缝材料的应用，有利于提高填缝材料与裂缝壁面材料见的粘附性。通常可采用专用 的开槽机，来形成所需要的裂缝凹槽。开槽是为了建立一个一致的、垂直的凹槽，裂缝 的走向一般不太规则，开槽时应该尽可能开在裂缝中央，不能走偏，同时应该尽可能减 少对周围路面材料的破坏。而丌槽尺寸应以裂缝宽度和严重程度为依据，开槽宽度至少 应达到将裂缝破损的松散壁面材料切割掉，直至露出坚实的部分为止，然后再确定一个 适当的开槽宽深比( 槽宽槽深) 。一般槽的宽深比太一些较好，最常见的值有1 ：i 和 4 ：1 ，一般最小不要小于1 ：2 。 蕊离阁 a 、简单无槽帖封式b 、简单无槽冒封c 、方槽无帖封 黼 d 、方槽凹封e 、方槽帖封 浅槽无帖封 图2 2沥青路面裂缝填封结构型式 图2 , 2 为几种常见的裂缝填封结构型式。其中图a 、b 为小开槽进行填封的结构型式， a 种型式为填封料紧贴在裂缝的上方且用专用的橡皮辊摊成约3 m m 厚的带形，称为无槽 帖封式；而b 种型式为填封材料填缝后溢满出一些留在裂缝上，自然形成一个冒形，称 为无槽冒封式。其余四种结构型式皆为开槽修补，其中c 、d 、e 为开方槽( 宽深比为1 ：1 ) ， 而图f 为丌浅槽( 宽深比为4 ：1 ) 。c 、f 两种型式为填封材料皆注满所开槽，分别称为 方槽无贴封式和浅槽无贴封式：d 种型式填封材料稍低十路表面凹f 去，称为方槽凹封 式，e 种型式填封材料除注满凹槽外，还有部分紧贴在裂缝上方，成为方槽帖封式。 第= 章灌缱技术 囝2 - 3不同裂缝填封结构型式冬春两季的失效率对比 图2 3 为填封结构在冬春两季的失效率对比，从图中可以看出： ( 1 ) c 、e 、f 三种开槽结构型式的填封失效率都比较低，说明这三种开槽结构型式 都不错，这主要是由于裂缝开槽工艺除去了老化的缝口材料，从而保证了填封材料与裂 缝壁面材料的粘接效果；同时，开槽后槽中可容纳更多地填封材料，对裂缝起到更好保 护作用。 ( 2 ) 在冬季，浅槽无帖封式为最好。因为在冬季填封材料受到的温度应力最大， 而裂缝开槽越宽，填入的填封料也越宽，则其消解应力的能力也越强，故浅槽无帖封式 在冬季的失效率最低。 ( 3 ) 在春季，很显然，方槽帖封式的效果晟佳。除了槽内填封材料对裂缝的保护， 紧贴在裂缝上方的填封材料也起着封闭裂缝的作用，并持续有效的防止路表水渗透到基 层中，从而延长了填封裂缝的使用寿命。 ( 4 ) a 种无槽帖封式的填封裂缝在冬季失效率最高；而在春季( 即裂缝水平位移量 较小时) ，其填封效果却是相当好。 ( 5 ) d 种方槽填封在冬春两季失效率都很高，故不建议采用此种填封结构型式。 图2 4 不同裂缝填封结构型式连续三年的失效率对比 长安大学硕上学位论文 图2 4 为不同裂缝填封结构型式连续三年的失效对比。从图中可以看出：e 种方槽 帖封式的填封裂缝寿命最长，失效率最低，其次为f 种浅槽无帖封式而其他几种结构 型式，在三年后填封裂缝的使效率都超过了百分之二十，其中无槽帖封式的填式效率最 高。 总体来说，开槽填封修补比不开槽更能提高填封材料的性能，其填封裂缝的寿命更 长；裂缝上方有帖封结构型式对延长填封裂缝的寿命有一定的好处；而对于有显著水平 位移裂缝的填封，采取槽的宽深比较大的结构型式会更好一些【1 0 】。 2 6 2 裂缝的清理和干燥 裂缝不论开过槽还是未开过槽，裂缝中或多或少都有一些水分、灰尘、碎屑和杂物， 只不过开过槽的裂缝内( 特别是裂缝壁面上) 水分、碎屑、杂物少了许多。所以，开槽 裂缝的清理和干燥相对较容易。为了保证填封材料与裂缝( 或凹槽) 壁面具有良好的粘 附性，裂缝( 或凹槽) 壁面必须摆脱潮湿、灰尘、松散颗粒和其他残余物，其壁面应彻 底清洁并完全干燥。未清洁和干燥的裂缝壁面会导致其与填封材料的粘附性能下降，易 造成填封材料脱落而使填封裂缝失效。所以，为保证填封裂缝的有效性和耐久性，提供 一个彻底清洁、完全干燥的裂缝( 凹槽) 是关键。 清缝的方法一般有用压缩空气吹扫、喷砂处理、钢丝刷扫、用高压水喷等。而其中 较为有效、简单的方法有高压空气吹扫和热空气吹扫，他们比较适宜开槽后裂缝壁面的 清洁和干燥。 表2 1 为美国s h r p 计划中，对裂缝处于潮湿或干燥状态下，不同填封材料和填封 温度下修补裂缝的性能对比。 表2 1 在潮湿和干燥状态下裂缝填封修补的性能对比 填封裂缝的平均寿命( 年) 施工气温 4 0 f 裂缝状况潮湿 干燥 潮湿干燥 热沥青0 9 32 6 60 7 84 0 8 乳化沥青 1 0 73 1 51 3 04 2 8 橡胶沥青1 5 53 8 01 4 35 0 2 从表中的对比数据可以看出：在裂缝处于干燥状态下进行填封修补，其寿命为潮湿 状态下填封修补的3 4 倍；而在施工气温较高时，填封裂缝获得的寿命通常比施工气温 1 9 第= 章灌缝技术 较低时更长一些【”i 。 圈2 5 用高压热空气喷枪烘烤清理桥缝 所以可以说，裂缝的清理和干燥这一步工艺在整个工艺过程中显得最为重要。通过 这一步工艺，可为下一步填封材料的应用提供一个彻底的清洁、完全干燥及具有适当壁 面施工温度的裂缝，以此来大幅提高填封裂缝的使用寿命。 2 63 填封材料的准备和填封 在对裂缝进行填封修补前，必须事先将所选用的填封材料，根据其使用方法和填装 的要求准备好，每一种填封材料都需要某种特定的备料方式。 通常填封材料都是先装在储料罐中。对于乳化沥青，有时需要加热使用，有时不必 再加热使用，而有时为了防止在存放期间