（交通运输工程专业论文）高等级公路半刚性基层沥青路面的层间功能层研究.pdf

摘要 半刚性基层沥青路面因其强度高、抗永久变形能力强、能适应重交通等优点，已成 为我国目前高等级公路路面结构的主要形式。但其亦有不尽人意之处。重视和研究基面 层表面处治工艺，减少水损害、防止反射裂缝产生，对路面的服务质量和寿命至关重要。 本文从当前我国道路建设的实际出发，在充分吸收国内外研究成果的基础上，通过 理论分析、室内试验和大量的工程实践，对高速公路沥青路面层间功能层：粘结层、透 层、下封层的形成机理、作用、材料选择、用量及施工工艺进行了系统研究。透层的关 键是透，封层的关键是粘结。文中通过室内试验，认为改性乳化沥青更适宜用做粘层油： 研究了乳化沥青和煤油稀释沥青作为半刚性基层透层材料的渗透效果，以及基层不同养 生龄期对其的影响，提出了水泥稳定碎石和二灰稳定碎石基层上最佳的透层材料及其最 佳洒布量：研究和分析了下封层不同透封层材料的组合、不同结合料、不同基底材料对 封层材料用量以及基面层间抗剪强度的影响，同时对不同类型的下封层的粘结效果进行 研究。本文的研究旨主要是稳定基层、基层表面封水防水、解决高等级公路沥青面层与 面层、面层与基层的粘结等问题，对今后层间功能层的应用施工提供参考。 关键词：半刚性基层沥青路面层问功能层粘结层透层封层 a b s t r a c t s e m i r i g i da s p h a l tp a v e m e n tb e c a u s eo ft h e i rh i g h s t r e n g t h ，a n t i - p e r m a n e n td e f o r m a t i o n a b i l i t yt oa d a p tt ot h eh e a v yt r a f f i c ，e t c a tp r e s e n t ，c h i n ah a sb e c o m et h eh i g h w a yr o a d s u r f a c ei nt h ef o r mo ft h em a i ns t r u c t u r e b u ta l s ol e s st h a ns a t i s f a c t o r y a t t e n t i o na n d r e s e a r c h b a s e ds u r f a c et r e a t m e n tp r o c e s so nt h es u r f a c e ，r e d u c i n gw a t e rd a m a g ea n dt o p r e v e n tr e f l e c t i o n c r a c k so nt h es u r f a c eq u a l i t yo fs e r v i c ea n de s s e n t i a lt ol i f e t h i sa r t i c l ef r o mt h ec u r r e n tr e a l i t yo fc h i n a sr o a dc o n s t r u c t i o n ，f u l l ya b s o r b e di n d o m e s t i ca n df o r e i g nr e s e a r c hr e s u l t so nt h eb a s i so ft h e o r e t i c a la n a l y s i s ，l a b o r a t o r yt e s ta n da l a r g en u m b e ro fe n g i n e e r i n gp r a c t i c e ，o nt h eh i g h w a y b e t w e e nl a y e r so fa s p h a l tp a v e m e n t l a y e rf u n c t i o n s ：b o n d i n gl a y e r , l a y e rt h r o u g h ，u n d e rt h ef o r m a t i o nm e c h a n i s ml a y e r c l o s u r e ， t h er o l eo ft h ec h o i c eo fm a t e r i a l s ，c o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g ya n dt h ea m o u n to fas y s t e m a t i c s t u d y t h ek e yi st oc o a tt h o r o u g h l y , s e a li st h ek e yt ob o n d i n g i nt h i sp a p e r ，t h r o u g h l a b o r a t o r yt e s tt h a ti sm o r es u i t a b l ef o rm o d i f i e da s p h a l te m u l s i o nu s e d a sas t i c k yl a y e ro fo i l ； s t u d i e de m u l s i f i e da s p h a l ta n dk e r o s e n ea sad i l u t i o no fa s p h a l tt h r o u g hs e m i - r i g i dm a t e r i a lt o i n f i l t r a t et h ee f f e c to fd i f f e r e n tg r a s s r o o t sh e a l t h ，a sw e l la st h e i ra g e ，m a d es e c o n d ，t h e s t a b i l i t yo f r o c ka n dc e m e n ts t a b i l i t yi nt h eg r a yr u b b l eo ft h eb e s tg r a s s - r o o t sl e v e lt h r o u g h t h em a t e r i a la n dt h eb e s ta m o u n to fs p r i n k l i n gc l o t h ；r e s e a r c ha n da n a l y s i so ft h ed i f f e r e n t l a y e r su n d e rs e a lc l o s u r et i e rt h r o u g hac o m b i n a t i o no fm a t e r i a l s ，c o m b i n e dw i t hd i f f e r e n t m a t e r i a l s ，d i f f e r e n ts u b s t r a t em a t e r i a l sf o rs e a lt h ea m o u n to fm a t e r i a l ，a sw e l la ss u r f a c e l a y e r s h e a rs t r e n g t h ，a tt h es a m et i m eo nd i f f e r e n tt y p e so fc l o s u r eu n d e rt h ef l o o ro f t h eb o n d i n g e f f e c to fr e s e a r c h t h i sa r t i c l ea i m st os t u d yt h es t a b i l i t yo ft h em a i n l yg r a s s r o o t s ，g r a s s r o o t s w a t e rs u r f a c ew a t e rt oa d d r e s st h eh i 【g h g r a d ea s p h a l tr o a ds u r f a c ea n ds u r f a c e ，g r a s s 。r o o t s l e v e lw i t ht h es u r f a c eo ft h eb o n di s s u e s ，t h ef u t u r el e v e lo ff u n c t i o nb e t w e e nt h ea p p l i c a t i o n l a y e rt op r o v i d er e f e r e n c ew o r k s k e yw o r d s ：s e m i r i g i d ；a s p h a l tp a v e m e n t ；i n t e r - l a y e rf u n c t i o n ；b o n d e df l o o r ；c o a t ； s e a 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。 论文作者虢砖- 叫簪 7 年 月，日 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：雾唧1 1 菇 铷一彬 。气年6 具3 b 。了年占月f 日 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 本文研究的目的及意义 高等级公路是国家的基础设施，是经济发展到一定阶段的必然产物，也是一个国家 现代化水平的重要标志之一。 高速公路是高等级公路的重要组成部分，我国高速公路从2 0 世纪7 0 年代末开始研究 规划，1 9 8 8 年9 月我国第一条高速公路一沪嘉高速公路正式建成通车。经过十几年的发 展，我国的公路建设事业得到了迅速发展，以太介高速公路通车为标志，我国的高速公 路已突破2 万公里，跃居世界第二位。2 0 0 0 年全国高速公路通车里程达到l 万公里，到 2 0 0 7 年，全国公路通车里程3 5 7 3 万公里，其中高速公路5 3 6 万公里，其建设速度之快在 世界公路建设史上也属罕见。我国的高等级道路多数采用半刚性基层沥青路面。半刚性 基层沥青路面因其整体强度、抗永久变形能力均较强，能适应重交通，已成为我国目前 高等级公路路面结构的主要形式。然而，半刚性材料对温度和湿度变化比较敏感，在其 强度形成过程中以及运营期间会产生干缩裂缝和温度收缩裂缝。在路面交通荷载重复作 用下，半刚性基层的这种干缩裂缝和温缩裂缝会扩展到沥青路面面层形成反射裂缝。随 着半刚性基层沥青路面的大量使用，裂缝问题日益突出，并成为该结构主要缺陷。路面 裂缝不仅影响美观，降低平整度，而且会削弱路面的整体平整度。特别是雨水等从裂缝 浸入路面结构而得不到及时排出，就会进一步降低已开裂基层的强度。同时，在车辆荷 载的反复作用下，基层中的细料和结合料容易被冲刷，从而致使基层料脱落松散，进一 步导致整个路面结构的破坏。 近些年来，为了谋求更高的质量标准，在路基、路面材料及其结构组成方面进行了 许多优化和改进，并且为了使高速公路路面多层组合体系具有良好的结构承载力和耐久 性，提高抗水害侵袭能力，以改性沥青、新型混合料为代表的新材料和新工艺得到了广 泛的应用，对于面层表面以及基层与面层之间的层间处理技术也越来越重视。实践证明， 表面处治工艺以及层间处治工艺的正确与否与质量高低，对路面的服务质量和寿命影响 至关重要。施工单位会同公路业主单位和科研部门在研究改进路面沥青混合料施工工 艺的同时，也逐渐开始重视路面结构中基面层表面以及层间材料的应用，如透层、下封 层的工艺以及材料。 这些层间功能层在路面计算中不计算其厚度，但这些层在路面结构中起特定的功能 长安大学硕士学位论文 作用，要求具有高温、低温稳定性、耐久性及抗剪切的能力等，如透层可以控制基层的 水分蒸发及从有机结合料向无机结合料的过渡以及下封层可以起封闭基层的表面空隙、 防止水分侵入、应力吸收及承担临时交通的作用拍1 。 经验证明，这一薄薄的封层对整个路基路面的使用寿命和服务质量起着非常重要的 作用。然而，由于表面处治和下封层在路面结构中并不是一个承重层，因而往往被设计 和施工人员所忽视。尽管设计规范中要求设置这一层，但对其材料性能要求及施工工艺 的研究十分欠缺，更无明确而实用的技术规范和操作指南，由此带来了材料用量与施工 上的混乱和随意。在实际工程中，很多施工单位及建设单位对封层的认识差别很大，造 成做法不一。许多人依然只注重于沥青混凝土面层和半刚性基层材料自身的功能设计， 甚至把本应该设置的表面处治功能层忽略掉。有的单位片面追求路面平整度，使原本存 在材料离析的路面透水率更大，却也不采取表面防水措施，造成水损害的可能性极大。 有的随便在半刚性基层上洒上一些沥青材料做粘结料，反而在高温条件下容易形成富油 层，致使基面层间产生滑动。而我国路面设计采用的弹性层状体系理论中层间接触的情 况假设是完全连续的，就是应力和位移完全连续，层间不允许滑动。这些问题的存在要 求我们要正确地理解和正确地使用层间功能层。因此，对于层间功能层进行材料与施工 工艺的研究，无论对于规范修订还是生产实践都具有现实意义。 本文对层间功能层进行些许研究，研究的目的主要是稳定基层、基层表面封水防水、 解决沥青面层与面层、面层与基层的粘结等问题。 1 2 国内外研究现状 近年来在公路建设中，层间处理越来越受到重视，但以往将层间功能层作为一个专 题进行深入研究的较少。国外发达国家沥青路面施工规范或行业建议中，针对层间处理 的方法，各国的描述亦有一定的差异。 1 2 1 透层 国外在规范中一般明确规定了透层的工艺所要应用的基层种类是非稳定粒料基层， 即使是对于煤油、汽油等稀释沥青这类渗透性较好的材料。由于考虑施工的实际效果， 欧美国家规范中施工工艺的规定较为细致。对于乳化沥青透层，通常根据基层种类的不 同有不同破乳速度、不同沥青含量、不同粘度的乳化沥青可供选择。阳离子乳化沥青透 层油通常被大量应用于级配碎石类的柔性基层。在水泥、二灰等半刚性基层上，由于材 料具有强碱性，则主要采用阴离子或非离子乳化沥青。对于含细料较多、压实后表面密 长安大学硕士学位论文 实的基层，如二灰稳定类基层，应采取基层表面重新翻松后洒布乳化沥青，翻拌后重新 压实的工艺保证乳化沥青在基层表面材料中的良好分布。 我国公路沥青路面施工技术规范( j t jf 4 0 - - 2 0 0 4 ) 中透层的定义啪1 ：为使沥青 面层与非沥青材料基层结合良好，在基层上喷洒液体石油沥青、乳化沥青、煤沥青而形 成的透入基层表面一定深度的薄层。同时规定：沥青路面各类基层都必须喷洒透层油。 基层上设置下封层时，透层油不宜省略。国内规范明确指出透层应用的范围是各类基层。 经过“六五”以来多年的研究与推广，乳化沥青用于筑路得到了广泛的普及应用， 同时也被大量用作透层油。然而，由于煤沥青含有强致癌物质，如今世界各国已很少使 用。在透层材料中，使用最普遍而效果又最理想的应属由掺配稀释得到的液体石油沥青。 这种液体石油沥青是由汽油、煤油、柴油等稀释剂回配到石油沥青中得到的，故又称回 配沥青或稀释沥青。根据稀释剂挥发速度的快慢，分为快凝、中凝、慢凝3 种。采用稀 释沥青作透层油在国内曾经大量使用过。然而近年来，随着汽油、煤油、柴油等稀释剂 的价格大幅度上升等种种原因，稀释沥青及其掺配技术和工艺逐渐被淡漠和忽视。 近年来，在中美洲国家和泰国等东南亚国家，当地公路界发展一种能在含细料较多， 压实后表面密实的基层上，不通过翻拌直接渗透的乳化沥青，用来替代稀释沥青，这种 乳化沥青目前在某些乳化沥青厂商的推动下，应用研究的进展顺利嗨1 。国内目前也有几 家公司在做此项研究，并已取得了初步成果。如河南高远公司、广东茂名地区一沥青厂， 其做法是将沥青中掺入一定比例的渗透型溶剂，再按一定的油水比对加渗透剂的沥青乳 化，开发出高渗透力乳化沥青。然而由于施工方便，成本相对低廉，近年来，高等级公 路施工中仍经常采用普通慢裂和中裂乳化沥青作为透层油。由于缺少相应的检验标准， 且对常用的中、慢裂乳化沥青的渗透性能及其粘结质量不够重视，导致在表面致密的半 刚性基层上洒布时，无论阳离子乳化沥青和阴离子乳化沥青，其渗透性都不尽人意，无 法满足渗透基层一定深度的技术要求。即使是渗透性很好的材料，其渗透能力也是有限 的喳1 。为了解决透层的渗透性问题，工程上采用高稀释配比的透层材料、减少透层油洒 布量等各种措施之后发现，也仅能在提高透层油与基层的粘结上有一定效果，并未从根 本上解决透层油不能透入的问题。因此，目前正确的途径是从透层材料的选择上，加强 渗透性，从根本上解决透入基层，解决基层表面的固结与稳定问题。 1 2 2 封层 在西方国家的路面结构中，半刚性基层使用有限，与国内半刚性基层类似的工艺是 在路面基层或底基层材料中使用贫水泥混凝土、水泥稳定粒料或水泥稳定土，英国有类 长安大学硕士学位论文 似的应用。这些材料在临时交通放行前，国外规范一般规定应使用乳化沥青表处进行封 闭养生。 我国公路沥青路面施工技术规范( j t gf 4 0 - - 2 0 0 4 ) 中封层的定义啪1 ：为封闭 表面空隙、防止水分侵入而在沥青面层或基层上铺筑的有一定厚度的沥青混合料薄层。 铺筑在沥青面层表面的称为上封层，铺筑在沥青面层下面、基层表面的称为下封层。 我国的沥青路面施工规范对下封层施工工艺规定的比较简单。按工艺分类，下封层 主要分为层铺法下封层( 表处工艺) 和稀浆封层下封层两类。层铺法下封层按材料分为： 乳化沥青( 普通或改性) 冷喷或温喷；重交沥青热喷；聚合物改性沥青热喷，由于 造价原因，这种方法还未在高速公路建设中大面积使用，但有些桥梁的桥面防水采用此 工艺；由于掺有橡胶改性剂，在层间能承受很大的应变而不破坏。 然而在高等级公路建设的实际施工中，对于下封层采用何种沥青材料、如何使用这 一问题上，各个施工单位面临的情况各不相同。同时，由于基层表面因级配或结合料的 差异而不同，天气恶劣的程度不同，所承载的临时交通量不同，致使所用的沥青种类和 用量以及石料的粒径和用量有较大的差异。由于我国规范中未能针对以上情况进行明确 的指导建议，在实际施工过程中，很多工程只能简单地套用规范，同时为了降低成本， 往往使用规范中的材料用量低限。因此，完善和规范下封层的施工工艺，对改善沥青面 层与基层之间的粘结以及提高路面的服务质量等有重要意义。 1 3 本文主要研究内容 本文从当前我国道路建设的实际出发，在充分吸收国内外研究成果的基础上，理论 结合工程实践，对高速公路沥青路面层间功能层各项性能进行了研究。本文将对粘层、 透层和下封层进行研究，主要研究内容如下： 1 3 1 粘结层材料及施工技术研究 粘结层也称粘层油，粘层是为了加强路面结构中各沥青层之间、沥青层与水泥混凝 土层之间的粘结而洒布的薄层沥青材料，以形成各层之间的良好结合，用来提高高速公 路路面多层体系的结构连续性，粘层一般不透入下层，虽然用量较少，但在防止层间推 移与滑动方面的作用不容忽视。本文结合工程实际情况，主要对粘结层进行以下两方面 研究： ( 1 ) 粘结层原材料选择研究 ( 2 ) 粘结层施工技术研究 4 长安大学硕士学位论文 1 3 2 透层材料及施工技术研究 透层是为了使沥青路面与非沥青材料类基层( 如半刚性基层) 良好结合，在基层上 浇洒的液态沥青材料，该材料应渗入半刚性基层中一定深度，在两层之间形成一层有良 好粘结界面的偶合过渡层，很好地发挥从有机结合料到无机结合料结构层之间良好固结 与过渡。本文从透层的机理、材料选择及施工技术等方面进行了分析研究，具体研究内 容如下： ( 1 ) 透层机理及其作用研究：结合理论，对透层的形成机理和对路面结构层产生的 作用进行分析研究； ( 2 ) 透层的材料选择研究：结合室内试验、工程实际情况以及施工经验，分别对不 同的透层材料进行分析，对比研究； ( 3 ) 透层的施工技术研究：根据工程实际情况和施工经验，对透层油的洒布量、洒 布时间，以及施工进行分析总结。 1 3 3 下封层材料及施工技术研究 封层通常是一沥青混合料薄层，其主要作用是封闭下卧层表面空隙，防止水分侵入 面层或基层，铺筑在路面表面的称为上封层，铺筑在面层下面的称为下封层，下封层除 了封闭空隙与防水外还兼有提高层间结合，抗推移、抗滑动、消解应力集中现象、防止 反射裂缝向上发展与延伸的功能，因为沥青与撒布集料同上、下面层相互渗嵌，结成整 体，可提高路面层间抗剪强度。在半刚性基层沥青路面中很有必要设置下封层，下封层 对保证路面的质量有着极其重要的作用。本文主要对下封层进行如下研究： ( 1 ) 下封层机理及其作用研究：结合理论，对透层的形成机理和对路面结构层产生 的作用进行分析研究； ( 2 ) 下封层的材料选择研究：通过室内试验，结合工程实际情况以及施工经验，对 下封层使用材料进行分析研究，总结出材料的主要性能指标； ( 3 ) 下封层的施工技术研究：根据工程实际情况和施工经验，对层铺法下封层进行 分析研究，通过室内试验，对层铺法沥青洒布量、层铺法的室内研究、施工工艺等进行 研究。 5 长安大学硕士学位论文 第二章沥青路面层间功能层研究 2 1 路面层间功能层的概述 所谓沥青路面层间功能层不是作为路面力学计算模型中的持力层，在路面计算中不 计其厚度，仅起到特定功能层的作用，例如：防水、吸附应力、抑制反射裂缝、改善层 间结合等功能。 功能层根据铺筑的位置不同分为层间功能层和表面功能层。 层间功能层除要求具有高温、低温稳定性、耐久性及抗剪切的能力外，主要在路面 结构中起某种特定的功能作用。如透层可以封闭基层的表面空隙、控制基层的水分蒸发 及从有机结合料向无机结合料的过渡：下封层可以起防水、承担临时交通；桥面防水层 可以起到防水、改善桥面摩擦系数等作用：应力吸收层则是吸收基层应力、阻止裂缝反 射到面层；这些层不同于路面的结构层，因此把它们归为功能层啼1 。 2 2 路面层问功能层的主要作用与要求 为了更好的阐明功能层的作用以及其在增强道路使用功能、延长道路寿命方面的重 要性我们从以下几个主要方面来分析设置层间功能层的主要作用及其要求。 2 2 1 增强层间粘结的作用 为了体现路面强度同荷载应力随深度变化的规律相适应，以及经济造价和工艺的要 求，一般我们需要把高速公路路面按照不同的混合料组成设计分为几个层面来完成。如 图2 1 ： ! 瞄盟缫碰醴z 距墨迓越 鬣删勰匿 1 ：f l l i 屡 m 毽 f 麻毽 东滗憨逛碎石 图2 1 路面结构示意图 我国沥青路面设计是采用连续弹性层状体系理论的设计方法，层与层之间为理想状 6 * $ 学顿十学位论女 态，但实际施工中，沥青面层均为分层铺筑，形成了基层与面层、面层与面层之间的界 面a 、b 、c ( 如图21 ) 。通过对沥青路面层间受力分析我们知道，压实成型的沥青混合 料是由石质骨料、澌青胶结料和姨余空隙所组成的一种空扫j 网络结构的多项分散体。其 材料属性山掺有一定量结合料的颓粒性材料。它的强度构成来源于i l 】j 青材利( 结合料) 的粘结力( c ) 和惜科的l 勺阻力( m ) ，同时材料本身的均质| ! _ _ 和连续件也是强度构成 的根本条什”1 。但是，实际卜在完成自f 而上每一个结构层的铺装叫，包括水i | l 三稳定碎 石笨j 矗都需要进行足够的振实碟压。凼而返些结构层的表面都达到了一个桐对密实平 整状态所以在如i 刳2 】中a 、b 、c i 个结合面上的摩阻力( 中) 就会根人程度的低于混 合料木身，其强度构成转为对粘结力( c ) 的依赖。如粜投有更加优质的材料米进行粘 结处理，建立一个等于或大于混合料强度的条件，层间结台面就会成为一个薄弱j ；| = 节， 小能够承受水、f 方向强大剪切力的破坏。就会使面层在结合而上发生位移，严重时形成 静| 】乜、j 裂和午辙等早期病害，如图22 所示。因此，不管是何种类型的层间功能层，层 间结合是其基本的功能与要求，必须予以保证。 a 层目 j # t 足2 推移 b 月# m w 女 图2 2山层问粘结小足引起的病害 2 2 2 提高层问抗推移、抗滑动功能 层问结合是否良好，可以从路面实际使用状况来加以判断，当层间结合不良时，层 间会发生推移、滑动等现象，继而路面由于推移而撕裂，发生路面不甲整，路面进水， 产生坑槽，甚至造成路面结构整体性破坏。层间发生推移、滑动的原因是多方面的，但 就层问功能层而言，主要是采用的结合料的优劣，如果结合料的粘结力与粘度不能满足 要求，在车辆荷载水平力的作用下层问发生推移、滑动等现象在所难免。另外施工工艺 是否合适，如施工温度、气候的把握、材料用量的控制、功能层厚度的控制等。材料选 长安大学硕士学位论文 用合理、厚度适当、施工工艺正确，在上述条件下修建的功能层能在长期行车下保持路 面的完整性，提高层间抗推移和抗滑动功能。 2 2 3 消解应力集中现象，防止反射裂缝向上发展与延伸的功能 我国绝大多数公路的沥青路面，特别是高等级公路的沥青路面都属于半刚性沥青路 面。由于半刚性基层的材料自身固有的特性，在长期的温度、湿度的交替变化中，会在 基层中产生大量的温缩与干缩变形，并产生收缩应力，当收缩应力超过半刚性基层的强 度时，在基层中就会形成有规律性的横向裂缝，一般的裂缝间隔常在6 2 0 米之间。基 层顶面裂缝与沥青路面底面接触处会产生应力集中现象，该处的应力远大于平均应力， 当该集中应力大于沥青路面的抗拉应力时，沥青路面底部会首先开裂并逐步向上延伸贯 穿整个路面，这种裂缝是从基层反射上来的，所以称为反射裂缝。为了阻断裂缝的反射， 可以在半刚性基层和沥青路面之间设置一个应力吸收层，该层具有较大的柔韧性与变形 能力，利用应力松弛原理，使半刚性基层裂缝处的集中应力得到及时的消解，从而消除 应力集中现象，抑止与消除反射裂缝的发生。 2 2 4 封闭表面联通空隙提高路面的防水性 与透层、粘结层相比，防水层( 或下封层) 更具水密性，主要作用是封阻地表水渗 入和地下水上升，尤其对于空隙率较大或低气温施工路面其防水作用史加不容忽视。它 往往是避免灾害性破坏的有力防线。因为大量的降水，无阻隔的直接灌入路基必然造成 路面承载力的大幅度下降，继而造成路面板体的严重破坏( 如图2 3 所示) 。因此无论足 在南方和北方的高速公路建设中，设立良好的防水层问处理都是很有意义的。 尤其在桥面上要设置专门的防水层，因为防水层的优劣将会极大的影响桥梁的使用 功能、结构安全和使用寿命。防水层一旦破坏与失效，水会渗入桥面梁板的微细裂缝与 孔隙中，使粱板中的钢筋( 或钢桥面) 发生锈蚀，减小钢筋的有效受力面积，特别在预 应力梁板中，这种预应力的损失往往是致命，随着时间的推移，钢筋( 或钢桥面) 锈蚀 越来越严重，最终会造成梁板结构的严重破坏，甚至造成桥梁结构的垮坍。因此，桥梁 结构必须根据桥梁设计与施工规范要求设置性能、结构与桥梁结构类型相适应的桥面防 水层，以确得桥梁的使用功能、安全与寿命。 长安大学硕士学位论文 淄 am 港 十基e 筑路基承薮力t 畔 bm 皿n “墟罐 基层导镕唧浆 图2 3 由胁水措施不当引起的病害 2 3 路面层问功能层材料的选择原则 沥青路面层问材料选择时，粘结层和下封肪水层的共同点在于提高路面层间结合 力，这个结合力的标准一定要满足温度以及应力应变等不利条件下的需要，包括它的防 水性也要满足这种需要。这就给我们所选用的材料提出了更高的要求。在已经过去的 年代不管是下封层还是粘结层，习惯上我们都使用普通沥青材料，认为已经起到了粘结 层的作用，其实这些未经改良的沥青材料在温度稳定性和粘结力方面部是不能满足使用 要求的，尤其在当今高速公路大交通量、重轴载条件下是不能满足要求的。 日本学者通过对沥青路面温度的调查得出以下结论“1 ： ( 1 ) 沥青路面的表面温度( t s ) 与气温( t a ) 之问的曲线关系为： t s = 11 0 0 t a + 15 0 0 + 17 0 0 e 01 2 6 t a ( 2 ) 沥青路面面层内最高温度( t m a x ) 与其表面温度之间，不管层厚大小皆为 直线关系。但层厚越大则其比率也越大，其关系表达式为：t m a x - 一m t s + b 式中：m 、b 为系数，随路面层厚不同而有如表21 的变化。 表2 1n l 、b 函数表 面层厚 c _ ， 根据上面的结论可以推出，如果道路表面的温度达到6 0 0 时，处于沥青路面下5 e m 、 0 c m 、1 5 c m 处的温度分别是5 96 c 、5 54 c 、5 19 c 。这些温度条件就会使层问结合面 蒺 长安大学硕士学位论文 上依靠一般沥青材料建立的粘结力遭到破坏。另外在低温条件下一般沥青材料很容易脆 裂，在路面应变量超过其允许范围，特别是用于应变量较大的桥面防水等，都可能使功 能层受到破坏。所以，用作高速公路沥青路面层间处理的材料不仅要有良好的粘结力， 而且一定要具有良好的温度稳定性。 1 0 长安大学硕士学位论文 第三章沥青路面粘结层的形成机理及施工技术 3 1 概述 3 1 1 沥青路面粘结层的定义 粘层是为加强路面结构中沥青层与沥青层之间、沥青层与水泥混凝土路面之间的粘 结而洒布的沥青材料薄层畸1 。粘层的作用在于使各层面之间、面层与构造物之间粘结成 一个整体。粘层主要起胶结作用，对材料的要求也主要在粘结强度和抗剪强度方面。粘 层材料通常采用乳化沥青或改性乳化沥青，改性乳化沥青较之乳化沥青在强度方面有较 大改善，慢裂乳化沥青洒布后流淌严重，一般采用快裂型的改性乳化沥青较为适宜。 3 1 2 沥青路面粘结层的适用范围 我国现行规范规定，符合下列情况之一时，必须喷洒粘层油： ( 1 ) 双层式或三层式热拌热铺沥青混合料路面的沥青层之间。 ( 2 ) 水泥混凝土路面、沥青稳定碎石基层或旧沥青路面层上加铺沥青层。 ( 3 ) 路缘石、雨水口、检查井等构造物与新铺沥青混合料接触的侧面。 3 2 原材料选择 粘结层即粘层油，主要用来提高高速公路路面多层体系的结构性，虽然用量较少， 但其作用不容忽视。 粘层油宣采用快裂或中裂乳化沥青、改性乳化沥青，也可采用快、中凝液体石油沥 青，其规格和质量应符合规范的要求，所使用的基层沥青标号宜与主层沥青混合料相同 晦1 。使用这些材料时，规范中有比较详细的规定，不再赘述。 在许多高速公路沥青路面粘层处理，甚至在水泥混凝土桥面的超薄柔性层处治中， 我们大量使用了s b r 复合粘结剂乳液。该材料是以大剂量s b r 复合高分子聚合物为主 料，配以优质乳化沥青乳液，经过精细制作而成的一种新型复合粘结材料，具有高分子 材料优异的弹塑性、耐热性和粘结性，能够充分渗入桥面水泥混凝土表面毛细孔中，起 到定的防水作用，可通过专业洒布设备( 如全自动沥青洒布车) 进行粘结层的施工。 一般用量为每平方米0 5 k g ，浓度5 5 。某高速公路一期工程( k 1 6 + 1 5 0 - - k 5 6 + 4 5 0 ) 的 3 0 0 个芯样的劈裂试验结果为：中面层与上面层结合处均为不规则状，说明结合面强度 大于或等于混合料本身：而中面层和下面层的结合面多数在钻芯过程中已经开裂。因为 长安大学硕士学位论文 在表面层施工之前使用了s b r 复合粘结剂乳液，而在中面层施工前未做任何处理。 s b r 复合粘结剂与其它材料相比具有以下几个特点： ( 1 ) s b r 复合粘结剂对沥青混凝土和水泥混凝土材料都有良好的粘结力，并且具有 良好的温度稳定性。 ( 2 ) 由于s b r 复合粘结剂中的改性成份相互交联成网状，大大限制了沥青成份中 胶束的自由度，当这种复合材料在道路表面成形后，不易与行驶中的工程车轮胎发生粘 连，也不会引起摊铺机胶轮式履带打滑的麻烦。为交叉施工、加快工程进度以及保证施 工最终质量创造了条件。 ( 3 ) 施工方便、污染小、无危险。 3 3 沥青路面粘结层的施工技术 3 3 1 施工前的准备工作 ( 1 ) 施工路段清理 下承层表面要求平整、干燥、干净，无任何松散石料、灰尘与杂质。 ( 2 ) 材料进场 粘层油进场前应进行取样检测，根据技术指标要求合格后方可进场。 ( 3 ) 确定洒布宽度和距离 一次洒布过宽会造成开始和结束喷洒时中间和两侧喷洒不匀，过窄则增加重叠次 数，降低工作效率。一般每次洒布宽度为2 5 6 米，在喷洒途中应避免调头停车，一次 喷洒距离尽量长一些为好，同时洒布应均匀顺直。 ( 4 ) 构造物保护 为避免乳化沥青污染基层两侧的构造物( 路缘石、泄水槽、绿化植物等) ，在喷洒乳 化沥青时应对构造物作适当的覆盖或遮挡。 ( 5 ) 施工设备要求 粘层油施工设备主要是沥青洒布车，目前市场上该类设备种类较多，性能差异较 大。为了保证粘层油的施工质量，建议使用全自动电脑控制的沥青洒布车。在施工前， 应检修好机械设备，保证其在施工过程中正常运转，达到不漏水、不漏油( 尤其注意柴 油) ：对操作手做好技术交底，使其明白工序操作步骤、规程。还应该进行洒布前的试 洒，以保证喷油嘴的畅通不影响施工。 1 2 长安大学硬学位论空 ! 藿嘞拇= “ 蓬辩 图3 1 全自动电脑控制沥青洒布车 ( 6 ) 封闭交通 在施工准备工作己做好的路段，两头应设交通导向和禁行标志牌必要时设专人看 守，严禁车辆通行，避免路面再次污染，尤其要避免洒油时由于车辆或行人影响造成停 顿。 3 3 2 粘层旌工 ( 1 ) 粘层油用量控制 依据粘层油设计确定洒布量，但在具体施工中，薄弱路段适当增加用量。正式施工 前应选取2 0 0 m 左右的段落进行试验来确定最佳洒布量，根据试验结果适当增减达到最 佳效果。粘层油用量以不漏洒、不漫流为宜。 ( 2 ) 沥青加热 在沥青喷洒前，注意将沥青加热到适宜沥青喷洒的温度。一般情况下，s b r 复合粘 结层材料、普通乳化沥青材料喷洒温度以4 0 0 为直。 ( 3 ) 粘层油喷洒 洒布时，洒布车司机应与洒油工密切配合。若形成局部喷洒过多时应立即人工清除 或用扫帚扫开。喷洒时可采取全幅和半幅喷洒两种方法，计算好折返次数保证最后一 次喷洒时的宽度，两次喷洒要注意衔接。 ( 4 ) 手工作业 喷洒车不能达到的区域，应使用手工喷洒工具补摊。以保证粘层完整一致。对手工 作业最终效果的要求与对喷洒车喷洒作业的要求相同。 ( 5 ) 洒布砂 长安大学硕士学位论文 3 3 3 养护 粘层油的洒布后的养生时间随粘层油的品种和气候条件由试验确定，确保液体石油 沥青中的稀释剂全部挥发，乳化沥青渗透且水分蒸发，然后尽早铺筑沥青面层。并且禁 止非生产车辆通行，必须通过的车辆应限速行驶( 4 0 k m h 以内) ，同时严禁行驶中急刹车， 以免损坏粘层。施工后应经常巡视，对遭到破坏的地方及时修补，以免基层损坏。 3 3 4 粘结层施工中应注意的问题 ( 1 ) 粘层乳化沥青应均匀洒布，不要过量。粘层油的洒布量至关重要，通常由试 验确定。粘层油的洒布强调“薄”和“遍”。洒布前，对下承层要做一次彻底的清扫，将 上面的杂物、浮尘清除干净，如有泥土时，采用水车冲洗。对于桥涵、通道面上的浮浆、 灰浆要用钢丝刷刷净，并用大功率吹风机将浮尘吹出桥面。洒布作业采用智能洒布车作 业，车中的微电脑能够准确地控制粘层油洒布量。洒布粘层油时，要保持匀速行驶，在 沥青洒布车喷洒不到的地方采用手工喷洒。喷洒的粘层油必须成均匀雾状，在路面全宽 度内均匀分布成一薄层，不得出现洒花漏空或成条状，喷洒不足的要补洒，喷洒过量的 要刮除。洒布作业时要根据路面的污染情况确定洒布量，绝不能出现淌油和花白现象。 按规定的洒布量掌握在低限，宁少勿多。 ( 2 ) 路面有脏物、尘土时应清除干净，当有沾粘的土块时，要用水刷干净，待表 面干燥后再浇洒粘层乳化沥青。 ( 3 ) 当气温低于1 0 或正在下雨时，不得浇洒粘层乳化沥青。 ( 4 ) 浇洒粘层乳化沥青后，严禁除沥青混合料运输车外的其他车辆、行人通过。 ( 5 ) 粘层乳化沥青洒布后，应待乳液破乳，水分蒸发完后铺筑上层沥青层。 ( 6 ) 相比传统的粘层沥青材料，改性乳化沥青具有良好的粘结力和高温稳定性， 更适宜于粘层。 1 4 长安大学硕士学位论文 第四章沥青路面透层的形成机理及施工技术 4 1 概述 4 1 1 沥青路面透层的定义 公路沥青路面施工技术规范( j t jf 4 0 2 0 0 4 ) ：为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、煤沥青或液体沥青而形成的透入基层表面( 一定深度) 的薄层。同时规定：沥青路面各类基层都必须喷洒透层油。基层上设置下封层时，透层 油不宜省略。说明透层油虽为薄薄一层，但它在路面结构中其的作用确实不容忽略的。 4 1 2 沥青路面透层的机理及作用 4 1 2 1 透层的机理 透层油在施工之后，会在半刚性基层上有一定深度的渗透并可以降低基层材料的模 量，很好地发挥从有机结合料到无机结合料结构层之间良好的过渡耦合作用啼1 。在渗透 深度内，有机物质填充了半刚性基层的表面空隙，形成了特殊的结构层，我们称之为耦 合层。耦合层由于有机物质的介入，使之与柔性路面的粘结效果很好，而耦合层本身也 是半刚性基层的一部分，因此彻底解决了柔性路面与半刚性路面基层的粘结问题。 4 1 2 2 透层的作用 ( 1 ) 提高结构体系的连续性 为满足承受荷载的要求，路面应在级配、结构上成为连续的整体。由于施工工艺的 限制，路面结构不得不设计为多层组合体系。因此，不可避免地会出现层与层之间的结 合面，由沥青路面的受力分析可以看出，这种结合面的结合质量对路面的影响很大。 在平衡荷载作用下，荷载作用力在结构层内产生的应力基本上成扇形分布，在 受力范围内的每一点的应力都可以理解为两个力：垂直方向和水平方向的力。在基面层 结合处，如果没有很好的连续，在水平力的作用下，将造成层间滑动，从而产生病害。 当车轮起步或刹车时，结构层中将产生水平剪力，尤其在基面层结合处由于没 有很好的连续，剪应力在结合面处被吸收，使上、下面层受力出现差异，产生水平向的 相对移动，从而出现层间剥落、拥包等病害。采取透层处理后，基面层间连续性得到改 善，从而达到了较理想的粘结效果。 ( 2 ) 提高路面结构的抗变形能力 在荷载作用下的路面面层起到传递垂直荷载和抵抗水平剪力的作用，而路面基层和 1 5 长安大学硕士学位论文 路基是主要来承受垂直荷载。因此，路面在连续性很好的情况下，厚度越大，抗变形效 果越好。透层是在半刚性基层材料中加入了柔性材料，具有一定抗变形能力，相当于增 加了柔性材料结构层的厚度，对提高路面抗变形能力起到了一定作用。 ( 3 ) 提高了路面的防水能力 透层材料渗入基层后，对基层表面起到填充作用，封闭基层材料的开口空隙，从而 形成一个防水层，阻止路表水渗入路基，提高了基层抵御水破坏的能力，特别是结合下 封层油膜的封闭作用，既可解决下封层的粘结，又为基层防水起到了良好的作用。 ( 4 ) 在新铺筑的基层表面及时喷洒透层油，可以避免基层内部水分蒸发，从而达 到基层养生的目的。另外，省去了洒水养生，节省了养护费用。 4 2 沥青路面透层的材料选择 4 2 1 透层油的选择 公路沥青路面施工技术规范( j t jf 4 0 2 0 0 4 ) ：根据基层类型选择渗透性好的液 体沥青、乳化沥青、煤沥青作透层油。喷洒后通过钻孔或挖掘确认透层油渗入基层的深 度，并能与基层连接成为一体。 通过多年的透层施工经验和大量的室内试验研究认为作为高等级沥青路面基层透 层的沥青材料应具备以下几项性能6 1 ： 首先是要具备良好的渗透能力( 3 1 0 m m ) ： 无机结合料稳定集料基层：不小于3 m m 无结合料基层：5 1 0 m m 能很快挥发干燥并且保证足够数量的沥青透入基层； 残留沥青要有一定的抗老化能力和良好的温度稳定性和耐久性； 不能使用易燃或有毒害性的沥青材料防止造成火灾和对人体及环境的危害。 4 2 2 目前国内常用的几种透层油材料 4 2 2 1 乳化沥青 我国经过六五以来多年的研究与推广，乳化沥青大面积应用于我国公路建设、养护 施工中。作为高等级沥青路面透层材料使用也非常广泛。通过作者长期的探索总结，在 我国对普通乳化沥青作为透层施工材料，得出以下几点认识： ( 1 ) 对乳化沥青的种类与基层类型的匹配性欠缺考虑和控制； 1 6 长安大学硕士学位论文 在国外，作为洒布在基层上的透层油，根据基层种类的不同有不同的乳化沥青。虽 然我国规范也已经说明“对碱性石料或与水泥、石灰、粉煤灰共同使用时，宜采用阴离 子乳化沥青”但实际施工中却没有很好的按照规范去做。 ( 2 ) 阳离子乳化沥青作为半刚性基层透层油的效果并不理想； 由于半刚性基层太致密，并且通常具有强碱性，阳离子乳化沥青破乳速度过快，致 使阳离子乳化沥青很难透入，所以也就不能起到透层的作用。 ( 3 ) 只有提高乳化沥青材料系统的均匀性和分散性才能提高乳化沥青的渗透能力， 不能通过无限制增加乳化沥青系统的含水量来追求更好的渗透能力。 均匀的乳化沥青材料，在微观下是由大量漂浮于水中的沥青微粒所组成，在渗透过 程中由于水与沥青微粒的颗粒大小、粘度等都有明显的不同，两者的渗透速度自然有较 大差别，水的渗透速度明显快于沥青微粒，若乳化沥青系统自身的均匀性不能达到透层 施工的技术要求，那么将会导致乳化沥青系统中的水分迅速渗入基层而沥青微粒则聚集 在基层表面形成油膜，不但不能起到透层作用，相反还会对层间结合产生副作用。 我国道路用乳化石油沥青技术要求中用于透层油的种类为p c 1 、2 、3 ，p a 一1 、2 、 3 和p n 2 ，表4 1 为我国用于透层乳化沥青技术指标与日本( p k p ) 技术指标的比较。 ( 此技