高速公路路面直接拼接技术研究

高速公路路面直接拼接技术研究

中国早期修建的大多数高速公路都是双车道。随着经济的快速发展,东部发达地区部分高速公路的交通量已经远远超过当初4车道高速公路的设计通行能力,经常出现拥堵现象,已无法满足高速公路具有安全、高速、顺畅的功能,必须进行扩建。高速公路扩建在横向分布上存在两种方式:两侧直接拼接方式和分离扩建方式(两侧分离和单侧分离)。两侧直接拼接方式是沿旧路两侧直接拼宽,即拆除旧路路基防护、路侧护栏、交通标志、隔离栅等,在旧路两侧拼接出所需的宽度。由于新旧路面摊铺的时间有很大的差别,采用该方案时新老结构物纵向如何拼接是扩建工程中的难点,也是要解决的关键技术。因此,必须从结构及材料等方面综合考虑,使新旧路面形成嵌入式结构并尽量提高接缝处的拼接质量。本文以沪宁高速公路扩建工程为背景,针对路面沥青混凝土面层拼接主要技术方案及质量评价指标进行研究,对高速公路扩建路面拼接具有一定的借鉴意义。1路面拼接的稳定性为了保证路面结构的整体性能,路面拼接时一般均对旧路面进行铣刨,使旧路面与新路面拼接处呈台阶状。新路面摊铺完成后,使得新旧路面形成一种嵌入式结构。沪宁高速公路路面拼接横断面如图1所示。在设计面层拼接方案时,采取了3种碾压工艺和5种侧向接缝处理技术,组合设置了若干试验段。1.1压延工艺(1)复压时的压力碾压程序是先轻后重,由边向中,初压至拼接部位时预留50cm不碾压,复压时专门指定一台“拼缝碾压”压路机,按照10cm左右宽度逐渐向新旧路面拼缝处进行振动推挤碾压;最终正常部位碾压6遍,拼缝部位碾压7遍后终压。(2)连接压这种碾压方式是在侧向推移挤压法的基础上,专门指定一台压路机跨缝碾压,来回碾压6遍。(3)橡胶挤出预压胶轮预压是在正常碾压方式前,先用胶轮压路机预压几个来回。实际施工时,由于胶轮预压黏轮现象十分严重,因此主要采用了前两种方式。1.2施工的处理方式(1)侧面涂刷乳化沥青,施工时火拷,拼缝处人工添补细料(大规模施工的处理方式,图2)。(2)侧面涂刷乳化沥青,拼缝处人工填补细料。(3)侧面涂刷热沥青,施工时火拷,拼缝处人工填补细料。(4)侧面涂刷热沥青,拼缝处人工填补细料。(5)拼缝处人工填补细料。2平行芯样位置分布每种方案的试验路铺筑完成后,选择3个合适的位置钻芯取样,直径10cm。每组3个平行芯样,分别位于新路幅中央、跨缝处和拼缝附近新路侧,如图3所示。对于跨缝处芯样(图4),需确保新旧路面各占约50%,如果拼缝线偏离芯样中心位置较多,将舍弃芯样。3样品现场分析和分析3.1孔隙率和压实度面层拼接时,拼缝处沥青混合料容易产生离析,从而影响到拼接质量。为此对试验路的钻芯芯样进行芯样密度及孔隙率检测。通过测量芯样的干重、水中重和表干重来计算空隙率和压实度(试验路面层芯样沥青混合料的理论最大密度为2.544g/cm3),结果如表1所示。可以看出,拼缝附近新铺面层空隙率比正常路段大,平均空隙率约比正常路段大30%左右。一般新建沥青混凝土路面现场施工的空隙率不应大于7%,但相切处芯样的空隙率平均值常超出此范围,有的高达10%。比较两种碾压方式下芯样的密度和空隙率,跨缝碾压时拼缝处稍密实。3.2测定指标及重要性指标拼缝处沥青混合料的力学性能也是反映拼接施工质量的重要指标。针对试验路芯样和室内成型的模拟试件,通过劈裂试验、冻融劈裂试验、剪切试验、拉拔试验分别评价了拼缝处不同施工工艺和黏结材料的优劣。(1)试验对比及结果将试验路钻取的芯样编号整理后,切割成统一的高度6.35cm。对于部分高度小于6.35cm的芯样,切平进行试验。采用劈裂试验比较不同接缝处理技术和碾压方式的拼接效果,跨缝处芯样劈裂试验时施加的力的方向平行于拼缝。试验结果如表2所示。从试验结果可以看出,在同一种碾压方式中,不管是乳化沥青还是热沥青,火烤工艺对劈裂强度均有不利影响;材料方面,使用乳化沥青和热沥青处理拼缝,劈裂强度相差不大;而没有使用黏结剂,只进行人工填补细料的路段芯样的强度较低,说明缝侧涂刷黏结剂是有效提高拼接强度的手段。(2)相切及跨缝各芯体裂强度对比对同一断面对应的路幅中央(正常路段)芯样、拼缝相切处芯样和跨缝处芯样的劈裂强度进行比较,如图5所示。可以看出,相对于正常路段芯样,相切处芯样劈裂强度下降15%,跨缝处芯样的劈裂强度下降25%。相切处芯样劈裂强度较低是由于摊铺时混合料离析造成的,而跨缝处芯样强度最低,是由于新旧路面拼缝的存在。3.3芯样的虚实度将不同位置所有芯样的劈裂强度与其密实度建立对应关系如图6所示,可以看出影响拼接效果的除了各种黏结方式外,最重要的一个因素就是拼缝处新路面的压实度。从图6中可以看出,劈裂强度和芯样的密实度相关性较好,随着芯样密度的增加,芯样的劈裂强度也逐渐增大。因此在同样的拼缝黏结材料和施工工艺的情况下,可以考虑采用拼缝附近的压实度评价拼缝拼接施工质量。4试验与分析室内冲浪板样4.1将未充放电网或在车辆成型后制作的车辙板由于现场环境和施工等因素对试验结果影响较大,如跨缝处芯样高度太低,且无法确保拼缝线处于芯样的正中央等,所以在实验室内成型试件模拟道路拼接进一步开展研究。试件采用车辙板成型,车辙板尺寸为30cm×30cm×6cm。将旧的车辙板切成两半,侧面涂刷不同的黏结材料,即乳化沥青、热沥青、环氧沥青(环氧沥青和环氧树脂配合比为1∶4.5),并采用火烤和不火烤两种形式。成型另一半车辙板时,参考现场施工的情况采用火焰喷枪火烤,火烤时间为15s,并严格控制成型温度确保压实度。成型后在接缝处跨缝钻芯取样,并进行劈裂试验,结果如表3所示。从试验结果可以看出:与试验路试验结果相同,火烤后劈裂强度有所降低,而使用不同的黏结剂得到的劈裂强度相差不大。4.2冻融后其裂解强度将同一批试件分为两组,第一组在25℃恒温水槽中浸泡2h后测试劈裂强度;第二组将芯样在25℃恒温水槽中浸泡2h,然后在0.09MPa压力下浸水抽真空15min,再到-18℃冰箱中放置16h,取出试件立即放入60℃的恒温水槽中保持24h,接着再放入25℃的恒温水槽中浸泡2h后测试其劈裂强度。其结果如表4所示。比较两组试件的冻融劈裂试验结果,可以发现:(1)对于各种黏结材料,室内试验再次证明火烤处理反而使得劈裂强度降低,冻融前和冻融后均是如此;(2)乳化沥青的冻融劈裂强度比TSR值最小,这可能是由于成型时乳化沥青破乳不完全,导致冻融后劈裂强度下降较多所致;(3)可以看到,PG76热沥青冻融劈裂强度比最高,即使火烤后仍然能够保持较高的数值,这说明使用热沥青作为黏结材料有着较好的抗水损害能力。4.3试验数据及分析本试验对不同黏结剂的抗剪能力在常温下进行了测定比较。按照前述方法成型车辙板,按照图7所示方法切割成50mm×50mm×3.2cm×2层的试件,采用空气浴,试验温度为25℃±1℃,剪切速率采用10mm/min,试验数据半自动采集,剪切试验结果见表5。同时,为了考察季节循环冻融对拼缝水损坏能力的影响,仿效冻融劈裂试验,把剪切试件放到-18℃冰箱中冷冻16h,取出试件立刻放入60℃的恒温水槽中保持24h,接着再放入25℃的恒温水槽中浸泡2h后测试其剪切强度,试验数据见表5。从表5中数据可以看出:与劈裂试验相比,火烤工艺对常温剪切数据影响不大,这可能与剪切试验为一定正压力下的斜剪模式有关;冻融处理后,接缝处的剪切强度有一定程度的降低,尤其是火烤工艺对冻融后的剪切数据影响很大,剪切强度下降较快。因此,在路面拼接施工时应慎用火烤工艺。5fwd传感器跨缝压实效果由于拼缝的存在,新旧路面搭接处荷载传递和整体性的新建路面有所不同。在此,通过测试新建路面和拼接路面的FWD弯沉,并定义一个荷载传递系数LTE(LoadTransferEfficiency)来表征拼缝的传荷能力,如式(1)所示:LΤE=D′90/D′0D90/D0×100%(1)式中:LTE为荷载传递系数;D′90为跨缝检测距落锤点90cm处传感器得到的弯沉;D′0为跨缝检测落锤点的弯沉;D90为无跨缝新路检测距落锤点90cm处传感器得到的弯沉;D0为无跨缝新路检测得到的落锤点弯沉。一个高强度的拼缝LTE可以接近100%,表明荷载可以全部由拼缝一侧传递到另一侧。而两个完全分离的路面间的LTE为0,表明两者之间没有剪应力的传递。为了获得LTE,FWD传感器横跨拼缝布置,落锤点位于拼缝附近新路侧,距离拼缝75cm。测量拼缝两侧所有传感器的位移,如图8所示,计算结果见表6。从表6中计算结果看来,面层拼接跨缝碾压效果较好。这和前面的结论是一致的。6主要检测方法前述通过拼缝附近的压实度、劈裂试验结果、剪切试验结果以及荷载传递系数LTE等多种方法来评价面层拼接质量的优劣,综合分析这些方法,可以得出以下结论。(1)斜剪试验不能真实反映路面拼缝处的受力特性,因此室内试验的结果也不能完全反映各种材料的拼接效果,因此不推荐斜剪试验作为评价方法。(2)劈裂试验能较好地反映出不同的黏结材料、拼接工艺和碾压方式的影响,但是以劈裂试验作为评价方法要注意,在钻芯时应跨缝居中取样。