超薄罩面技术在水泥路面养护中的应用

冼振光,马乃富,杨德胜,黄 峰

(1.广西新平高速公路有限公司,广西 桂林 541002;2.重庆市智翔铺道技术工程有限公司,重庆 400067)

0 引言

超薄罩面使用改性沥青与集料、矿粉、纤维等拌和,经过压路机碾压在原路面表面摊铺形成沥青混凝土薄层,其厚度通常≤25 mm[1]。超薄罩面摊铺厚度薄,施工速度快,能够节约大量的建筑材料,是一种低成本和高效的路面预防养护技术[2-3]。

我国公路的预防养护大多是针对沥青路面进行,而对于提升水泥路面抗滑性能、平整度等方面,目前还没有较多的研究和工程经验,将沥青路面预防养护技术应用在水泥路面具有一定的可行性[4-6]。《公路水泥混凝土路面养护技术规范》(JTJ073.1-2001)提出,当水泥路面出现较大范围磨损和露骨时,可在水泥路面加铺厚度为1.0～1.5 mm的沥青混凝土磨耗层。然而该规范出版时间较早,提出的沥青混凝土级配较为单一,没有对胶结料做技术要求,无法满足目前高等级水泥路面对路面抗滑、渗水、平整度、耐久性的要求[7]。

随着超薄罩面技术的发展,采用骨架密实型、骨架间隙型和改性沥青形成的超薄罩面技术被不断用于高等级公路的预防养护[8-9]。超薄罩面大多应用在沥青路面上,对路面的抗滑和平整度改善显著,通常能够使路面的构造深度达到0.75 mm以上,同时具有较好的耐久性和抗裂性能[10-11]。与沥青路面相比,水泥路面属于刚性路面结构且面层具有均匀分布的缩缝与胀缝,超薄罩面在层间粘结性能、抗反射开裂性能、施工工艺等方面均有较多的差异,如何防止水泥路面加铺超薄罩面后产生反射裂缝、脱层等病害是保证施工质量的关键。本文基于2020年实施的广西三柳高速公路K56+840～K62+084路段超薄罩面工程,对水泥路面加铺超薄罩面的路面结构、材料、施工工艺和后期服役性能等进行记录和分析,为水泥路面加铺超薄罩面提供技术参考。

1 加铺方案

三柳高速公路位于广西壮族自治区北部,北起三江县南接柳州市,全长168.729 km。本次试验段位于上行K56+840～K62+084段,原路面结构为:30 cm水泥混凝土面板+3 cm橡胶沥青混凝土+透层+20 cm 5%水泥稳定碎石基层+18 cm 4%水泥稳定碎石底基层+20 cm级配碎石垫层,总厚度为91 cm。本研究采用EMC-13、EMC-10、AC-8、AC-8(纤维)、Thus-20共5种级配的沥青混合料进行加铺,层间粘结剂采用溶剂型粘结剂和改性乳化沥青。EMC-10、EMC-13、AC-8、AC-8(纤维)为骨架密实型级配,Thus-20为骨架间隙型,均具有良好的表面抗滑性能,构造深度>0.75 mm。

2 基面处治工艺

2.1 裂缝处治

裂缝是影响超薄罩面使用寿命的主要病害,根据水泥路面裂缝的损坏程度制定如下处治方案:

(1)对于缝宽<1.5 cm的裂缝,先进行清缝,然后用填缝料进行封缝。清缝时,缝壁应垂直,如缝宽<0.5 cm,则扩缝宽度为0.6～1.0 cm,深度为2.5～3.0 cm,如缝宽>0.5 cm,则扩缝宽度为1.0～2.0 cm,深度为3.0～3.5 cm。

(2)当缝宽>1.5 cm时,若裂缝处无破碎,在不影响行车安全及舒适性的前提下可按方案(1)的方法进行处理。若裂缝处棱角掉块严重,板下有脱空现象,影响行车安全和舒适性,则根据板内其他破损情况分别按板角修补、板边修补或换板修补等方案进行修复。

2.2 接缝处治

水泥路面接缝包括缩缝和胀缝,缩缝宽度为5～7 mm,胀缝宽度为20～30 mm。该项目设计了两种接缝处治方案和三种灌缝材料,处治方案如下:

方案一:对路面进行精铣刨后使用切缝机进行清缝,然后填入灌缝材料。

方案二:使用切缝机清除接缝内4 cm深度的旧填缝料,然后灌入早强水泥浆;水泥砂浆养生6～8 h后进行精铣刨,然后对接缝进行切缝并填入灌缝料。

方案一精铣刨后路面接缝边缘存在破损和接缝扩宽的情况,原路面接缝由5～8 mm扩宽至50～60 mm。采用早强水泥浆对接缝进行预灌缝补强后,再进行精铣刨,能够避免接缝损坏。

灌缝材料采用聚氨酯、沥青胶砂、环氧胶砂、聚氨酯胶砂,材料的技术特点如表1所示。

表1 灌缝材料的技术特点和应用效果表

2.3 抗裂措施

沥青路面使用的层间抗裂材料包括土工格栅、土工布、抗裂贴等,由于基面为水泥混凝土,常规的土工格栅和土工布无法与基面固定,因此,该项目采用抗裂贴。沥青路面的抗裂贴厚度一般为2～3 mm,过大的厚度不利于超薄罩面加铺后的平整度;同时由于超薄罩面厚度较薄,在摊铺沥青混合料时摊铺机对抗裂贴推挤作用较强,因此抗裂贴厚度过大容易出现推移的现象。为解决上述问题,采用定制的聚酯玻纤加强格栅抗裂贴,技术指标如表2所示。

表2 抗裂贴技术指标表

3 层间粘结方案

层间粘结剂使用溶剂型粘结剂和改性乳化沥青,溶剂型粘结剂由树脂、沥青、溶剂等混合而成,具有二阶反应特征。溶剂型粘结剂撒布固化后在路面形成一层质地较硬的薄层,具有不粘轮的特点,经过加铺混合料的高温使其融化达到层间粘结的效果,适用于EMC-10、EMC-13、AC-8、AC-8(纤维)等异步施工的超薄罩面。溶剂型粘结剂撒布量为0.3～0.5 kg/m2,采用自主设计的车载式撒布车,施工效率为11 000 m2/h。改性乳化沥青用于同步施工的Thus-20罩面的粘结层,撒布量为0.7～0.9 kg/m2。溶剂型粘结剂的技术指标如表3所示。

表3 溶剂型粘结剂技术指标表

4 超薄罩面技术

4.1 配合比设计

EMC-13、EMC-10、AC-8、AC-8(纤维)使用高弹改性沥青为胶结料,Thus-20使用Thus Binder改性沥青,技术指标如表4所示。超薄罩面的级配范围如表5所示。

表4 超薄罩面沥青技术指标表

表5 超薄罩面级配范围表

经过马歇尔试验确定最佳油石比,EMC-10为5.5%,EMC-13为4.8%,AC-8为5.8%,AC-8(纤维)为6.2%,Thus-20为5.2%,对混合料马歇尔指标、高温性能、低温性能、水稳定性、孔隙率等指标进行测试,结果如表6所示。

表6 超薄罩面路用性能测试结果表

4.2 超薄罩面施工

4.2.1 混合料生产

超薄罩面沥青混合料的生产工艺与普通热拌改性沥青混合料的生产一致,由于超薄罩面摊铺厚度较薄,混合料级配的波动对超薄罩面路用性能影响十分显著,这是目前大部分密实型超薄罩面渗水无法满足要求的原因之一。因此,在生产混合料前必须对拌和站计量系统进行标定,严格控制每一盘料的生产。混合料的干拌时间为8～10 s,湿拌时间为40～45 s,集料加热温度为185±5 ℃,沥青加热温度为145±5 ℃,混合料拌和温度为155±5 ℃。对AC-8(纤维)沥青混合料,将纤维制成固定质量的包装,然后在生产时人工投入拌和锅与骨料进行干拌,然后加入沥青拌和均匀。对Thus-20沥青混合料,集料加热温度为195±5 ℃,沥青加热温度为160±5 ℃,混合料拌和温度为175±5 ℃,同时应延长混合料湿拌时间8～10 s,以提高改性剂与沥青的融合度。

4.2.2 混合料的摊铺、碾压

EMC-13、EC-10、AC-8和AC-8(纤维)均采用异步式摊铺工艺,采用双机联铺,前后摊铺机纵向间距为10～15 m,横向热接缝搭接宽度为3～5 cm,摊铺速度为5～8 m/min,Thus-20采用同步摊铺。摊铺时的连续性对超薄罩面的平整度影响极大,因此在施工时需待料车多于4辆后方可开始摊铺,施工时应连续摊铺。

受到加铺层厚度和水泥基面刚度的影响,超薄罩面压实较为困难,对压实后的罩面性能进行检测,结果如表7所示。从表7可以看出,EMC-13渗水系数为314.9 mL/min,IRI为1.29 mm,导致EMC-13渗水系数过大和平整度较差的原因主要是混合料粒径较大,而罩面摊铺厚度较薄,混合料中的粗颗粒在轮碾作用下的偏转和位移较小,混合料难以达到较高的压实度,对EMC-10使用了“钢-胶-钢”和“胶-钢”两种压实工艺,“钢-胶-钢”初压和终压为钢轮,复压为胶轮,“胶-钢”为初压和复压均采用胶轮压路机,重压采用钢轮压路机收轮迹。对比不同压实工艺的EMC-10超薄罩面可知,使用“胶-钢”的碾压工艺能够减小超薄罩面的渗水系数,对路面的抗滑性能和平整度有不利影响。AC-8采用常规的“钢-胶-钢”碾压工艺,除渗水系数较大之外,其他指标均较优。AC-8(纤维)相比AC-8的渗水系数更小,主要原因是初压和复压采用钢轮压路机振动压实提高了压实功,此外还有混合料油石比和纤维的填隙作用。通过Thus-20的压实效果可以看出,Thus-20渗水系数和构造深度均较大,这是由于其级配为大孔隙的开级,混合料设计孔隙率为12.6%。此外,Thus-20平整度较差,其原因主要是Thus-20采用同步摊铺工艺施工,摊铺机的乳化沥青罐容量约为2～3 t,在施工时摊铺宽度为4.5 m,每摊铺700 m即需减速或停机加注乳化沥青,对超薄罩面的平整度影响极大。

表7 超薄罩面压实工艺及路用性能检测结果表

综上所述,对于骨架密实型级配超薄罩面,采用钢轮进行初压,胶轮压路机进行复压和钢轮压路机收轮迹能够获得较好的平整度和构造深度。同步摊铺工艺能够解决乳化沥青粘轮的问题,但是由于乳化沥青破乳时间短导致层间残留较多的水分在通车后缓慢蒸发,主要适用于大孔隙的沥青混合料。现有的同步摊铺机在对单车道封闭施工时施工机械需呈纵向队列加注乳化沥青,加注过程需减速或停机,影响混合料摊铺的连续性,导致超薄罩面平整度不足。

5 应用效果评估

于通车后6个月对路面的RQI、SRI、RDI和渗水系数进行检测,如下页表8所示。从表8可以看出,经过6个月的通车运行,超薄罩面的RQI、SRI、RDI均保持在较优水平,除AC-8渗水系数较大之外,其他超薄罩面渗水系数均满足设计要求。

表8 通车6个月后路用性能检测结果表

6 结语

针对水泥路面提升表面平整度和抗滑性能等功能的需要,提出采用超薄罩面对水泥路面进行加铺,结合基面处治工艺,快速、高效地完成了水泥路面养护工程。通过对病害处治、接缝灌缝、抗裂处治等进行方案设计,有效提高了超薄罩面的抗裂性能。针对不同级配的沥青混合料进行配合比设计、混合料生产、混合料摊铺碾压,总结了超薄罩面的施工工艺。通过对路面性能进行观测,验证了5种级配的超薄罩面在水泥路面上的长期使用效果。超薄罩面具有良好的平整度、抗滑性能,在通车6个月后路面各项性能指标均保持在较优水平,铺装层整体质量良好。超薄罩面在三柳高速公路水泥路面上的成功应用为我国水泥路面预防养护提供了一定的借鉴作用。