用土工合成材料解决沥青混凝土路面的焦点问题.pdf

第 3 7卷 第 4期 2 01 0年 4月 建筑技术开发 Bu i l d i n g Te c h ni q ue De v e l o p me nt Vo 1 3 7。 No 4 Apr 2 01 0 用土工合成材料解 决沥青混凝土 路 面 的焦 点 问题 杨 志东 ( 中原 油 田建设 集 团公 司 ， 河 南 濮 阳4 5 7 0 0 1 ) 摘要 沥青混凝土路面普遍存在 耐久性差 、 路面 的早期破坏严重 的问题 。改性沥青 和 S M A路 面两项 新技术用 于公 路工程时仍存在缺 陷。如果在 面层下部 或底 面合 理采用适合的土工合成材料 ， 既可提 高面层 的抗 裂 、 防渗性 能 ， 还 可以对基 层或路基承载能力的提高发挥作用 ， 不 仅能够相 对节省 造价 和不增加 施工难 度 ， 而且维 修周 期将有效延长 ， 破损程度也将减轻 。对此予 以介绍 。 关键词 沥青混凝土 ； 土工合成材料 ； 抗裂 ； 防渗 中国分类号 U 4 1 6 2 1 7 文献标 志码 A 【 文章编号 1 0 0 1 5 2 7 X( 2 0 1 0 ) 0 4 - 0 0 2 5 -03 1 目前沥青混凝土路面存在的突 出问题 据有关 资料统计 ， 沥青混凝土路面造价 占公路总造 价的 1 41 3 ， 并且维修经费 又绝 大部分 用于 路面 ， 沥青 混凝 土 路 面普遍存在 的技术 和质量难题 主要有 两点。 一 是耐久性差 。 目前 国内沥青 混凝 土路 面较长 的使用 寿命 为 81 2年 ， 普遍短 于设计使用 寿命 ( 1 5 2 0年 ) ， 而且 因 自然环境和运行状况 不 良， 有 的路 面甚 至 35年 即需要 整体 翻修改造 。 二是路 面的早期破坏严 重 。有 的新路 开通 后 2 3年 ， 长 的 68年 就 出现 坑 槽 、 开 裂 、 车 辙 、 抗 滑 性 能 不 足 等 病 害 而需要维修 。 自 2 0世纪 8 0年代 以来 ， 我国虽然在公路设 计 、 施 工 、 原 材料等方面水平上有 了很大的提高 ， 但 公路 路面仍然经常发 生不少早期破坏现象。除设计和施工方面的原 因以外 ， 主要 外 因是交通量增长过快 ， 重载 、 超载严重 ， 使 道路 长期 处于超 负荷运转状态 ； 主要 内因是材 料 ( 沥 青、 骨料 等 ) 性能 差 ， 导 致路面抵抗拉应 力 ( 如冷 热 、 干湿 的胀 缩应 力 、 荷 载弯拉 与 疲 劳应力 、 反射 裂缝 的扩 张应力 等 ) 剪 应力 、 渗 水 和粘结 老 化等能力相 对不 足。 由于上述原 因产生 的不 良后果是令人震惊 的 ， 即使采 用 重交通道路沥青和规范规定 的混合 骨料及级 配下 ， 路 面也 难 以承受 目前道路运输 的现状 。 2改 性 沥 青 和 S MA 技 术 的 不 足 我 国公路部门为 了解决这些严重又紧迫 的问题 。 在学 习 国外先进经验的基础上采取了一些措施和办法 ， 摸索 出一些 成功 的经验 ， 其 中使 用最 多的改 性沥 青与 S MA路面 两项新 技术。例如北京市 公路局 将其 用在 “ 国门第一 路 ” ( 首 都机 收 稿 日期 ： 2 0 1 0一 叭 一1 5 作者简介 ： 杨志东 ( 1 9 6 9 一 ) ， 男 ， 陕西汉中人 ， 毕业 于扬州工学 院， 大专 学历 ， 中原油 田建设集团公司路桥专业工程师 。 场路 ) 、 “ 国航第一道”( 首都 机场 跑道 ) 、 “ 中华 第一 街”( 长 安街 ) 的建设 和改 造 中， 取 得 了 良好 使 用效 果和 经济 效益 ， 两 项 技 术 同 时 采 用 则 效 果 更 好 。 但改性沥青和 S M A路面两项新技术用 于公 路工程时仍 存 在 缺 陷 ： 1 ) 它需要 的专用设备和材料 ( 优质骨 科 、 改性 剂 、 填料 ) 一 般地 区难 以具备 ， 而且一次性 投资 较大 ， 其要 求的施 工技 术 也比 目前常规做法增加 了不小 的难度 。 2 ) 随着近期 国内外 石油 价格 的上 涨 ， 两项 新技 术原 已 较 高的成本 又将 增加 。按 1 9 9 8年物 价计算 ， S M A路 面每公 里成本 需增加 9 7万元 ， 若与改性沥青 同时应用则 每公里约 增加 3 8 8万元 ， 费用增加多少与是否采用 国外 原料 、 加工设 备 和不 同改性 剂有关 。长期以来 ， 进 口道路 沥青 以高于 国际 市场近 2倍价格输入我 国而牟取 了暴利 。例 如在 美 国、 新加 坡等 国家 的沥青价格 约 9 O美元 吨 ， 而在我 国的销售 价格为 1 3 5美元 t 。我 国近年来 道路沥 青年 产量 在 2 2 0万 吨 以上 ， 在数量和质量上与实 际需求都有很 大差 距 ， 导致进 口沥青 仍 然有增无减 。因此这两项新技术在我 国也 只是在 高速公路 、 高等级公路重要路段 、 交 叉 口、 停车场 、 立交桥 、 机场 等使用 ， 还不能像发达国家那样普遍使用 。 3) 从 增 加路 面抗裂 、 防渗 、 隔离 、 扩 散 的机 理来 说 ， 过 分 依赖 于增 加 沥 青 结合 料 的弹 性 和 粘 结 力 ， 以 及 增 大 骨 科 强度 与减 少 混合 料孔 隙率 的 办法 并 不是 最 优 的 。因 为 沥青结 合料 的 改性 能使其 抗 拉 、 抗 剪 的力 学 性 能增 加 。 但 幅度终 究不 会太 高 ； 高 强 骨料 也不 是各 地 区均有 ； 混 合料 孑 L 隙率 的降 低 已 近极 限 ， 而 且 在 骨 科 和 结 合料 之 间 的 界 面 总会 因材 料 的物理 和力 学性 质 的 差异 而 不 可避 免地 出 现 渗水 通道 。另 外 其 对 路 基 承 载 能 力 的 改 善 也 无 能 为 力 ， 反 而要 求更 高 。 4 ) 沥青材料 本身 的 日晒老化 、 高温 软化 、 低温 脆化 、 冲 击疲劳等 问题还有待解决 。 第 4期 杨志 东： 用土工合成材料 解决沥青混凝土路 面的焦点问题 第 3 7卷 3将土工合成材料引入沥青混凝土路面 在一般 车辆荷 载作用下 ， 公路三层结 构的动稳定度 基本 取决 于表层 ， 而与 中、 下 层关 系不大。在 目前广泛 使用 重交 通道路沥青和规范规定 的混合料骨料级配条件下 ， 如果 在面 层下部或底面合理采用适合 的土工合成材料 ， 既可提高 面层 的抗裂 、 防渗性能 ， 还可 以对基层 或路基 承载能力 的提 高发 挥作用 ， 不仅能够相对节省 造价和不增 加施 工难度 ， 而且 维 修周期将有效延长 ， 破 损程 度也将减轻 。 比如纯水泥混凝土承担更高荷载作用时 ， 如果 只考 虑水 泥的力学性能或 骨料 的配合 比而不加 入适 当的 钢筋 ( 高分 子聚合物等非金属 ) 来 承担它工 作 中过 大的拉 、 压 、 剪应力 ， 那么它至今也不会获得如此广泛的应用。公路 、 市政等部 门 何不也将 注意力更多转 向加筋 沥青混凝 土的试验 研究 和设 计应用 呢?据 国外统计数据 ， 公路工程 中应用 的土工合成材 料 已占其全部用量 的 1 3以上。 交通部在 1 9 9 3年就 曾将 土工格 栅在道 路工程 中 的应 用研究 列为“ 八五” 联合攻关课题 ， 其 中采用 土工格栅 防止 寒冷地 区沥青路面开裂 的研究 由黑龙 江省交通厅 承担 。河 南 、 湖南 、 湖北 、 陕西 、 黑龙江 、 北京等地公路部 门利用土工格 栅修筑 了一些试验路 。2 0 0 0年 4月 2 6在江苏省连云港 市召 开 了“ 全国公 路土工 合成 材料应用 技术 交流 会” ， 并 出版 了 会议论文集 ， 交通 部公路 司副 司长李彦武作 了题为 “ 应重视 土工合成材料在公路工程 中的应用 ” 的报告 ， 报告 中介绍 了 3项措施 ： 制订规范 、 建立重点土工合成 材料企业 、 修筑示 范 工 程 。 2 0世纪 8 0年代 以来 ， 各 地也 曾陆 续开展 了这 方面 的现 场试验研究 。如 1 9 8 6年陕西公路局在西包线 上开展 的沥青 路面开裂 的试验研 究 ； 1 9 8 5年 同济 大学在 福厦 线上 路面裂 缝 的治理研究 ； 河北工学院对上海机场水 泥混凝土跑道病 害 的治理研究 ； 湖北 省宜昌市公路局对 土工 网在沥青路面 中的 应用研究 ； 大连港 湾工 程总公 司在 出港公路上 的面层补强应 用研究 ； 大连黄海大道采用 多功能 土工格栅 治理纵缝 研究 ； 佳木斯市公路局用土工织物治理道路翻浆的研究 ； 以及最 近 辽宁省高速公路局 在沈 阳一铁岭 高速公路 路面采 用玻纤 网 的试 验等等。另外还可 看到不 少公开发 表的有关 探讨公 路 面层 或基层加 筋效果数值计算 的文章 。 对上述这些宝 贵的实践有 以下几点体会 ： 公路病 害治理 要 长 、 短期结合 ， 标 本兼 治 ， 路 面 和基层 ( 包 括路 基 ) 处理 时 要统一考虑 ， 技术和经 济要结合起 来 ， 采 用新材料 要有 新技 术配合。 迄今试验 所 采 用 的土 工 合成 材 料 主要 是 无 纺土 工 布 ( 非织造针刺土工织物) 、 编织 土工布 ( 织造土工织 物) 、 土工 网 、 土工格栅 、 土工 膜 、 排水 带等 ， 近期 还有 玻璃 纤维 网 ( 玻 纤格栅 ) 、 多功能土工格栅等 。 根据 以往 实践经 验 和国家 标准 土 工合成 材料 应用 技 术规范( G B 5 0 2 9 0 -1 9 9 8 ) 第 7 6节及 交通部标 准 公 路土 工合成材 料应用 技术规 范( J T J T 0 1 9 - 1 9 9 8 ) 第七 章规定 ， 为了减少 或延缓新 建道路 基层 ( 因干缩作 用 ) 或 旧路 面 ( 各 种 拉应 力作用 ) 已有裂缝 向上新铺 面层反 射 ， 可 以选 用非织 造针刺土工 织物 ， 其单位 面积质量 ( g m ) 不 大于 2 0 0 ， 极 限 抗 拉强度不小 于 8 k N m， 耐温性宜在 1 7 O 以上。也可选用 玻纤 网 ， 其孔眼尺寸宜为沥青混凝 土面层 的混合骨科最大粒 径 的 O 51 0倍 ， 极 限抗拉强度应 大于 5 0 k N m， 最 大负荷 延 伸率 不大于 3 。不 过二者 在面层 下 面实际 所起 的作用 机理 和效果是多 方面 的 ( 不 仅 限于防治 反射 裂缝 ) ， 既有相 同但又有 区别 。 1 ) 薄层非织造针刺土工织 物( 无纺 土工布 ) 的抗 拉强度 和模量均低 ， 并具有微小 三维孔 隙结构 。在浸粘层油后原有 渗透系数要降低约两个数量级 ， 所形成 的沥青布要比沥青混 凝土具有更好的抗渗漏性和传 热性 ， 当它与沥青混凝 土面层 底部粘结时 ， 会使面层的拉伸强 度和模量 有所提 高 ， 裂 缝大 为减少 。旧路面或路基如 已有了裂缝 ， 在 向上新铺面层反射 时 ， 会由于它的韧性及 一定 的蠕 变性而被 其吸 收及 松驰 ， 从 而发挥它的应力阻隔作用。 2 ) 近来 出现 的玻纤 网具 有高抗 拉强 度和模 量 ， 无 长期 蠕变且热稳定性好 ， 表面经处置 后与沥青 的相容性 、 材 质的 化学稳定性和 网格嵌锁 骨料 的作用 均较好 。因此 当它铺 在 沥青混凝土面层下部或底 面时 ， 能使面层抗 变形 能力增强 。 同时由于它摊铺 的面积一 般较大 ， 有 时是 在整路 段全铺 ， 面 层上轮轴荷载带来的压力 、 次生 弯拉应力 、 剪力 以及温度 拉 应力就会在界面变形相容条件 下转 由它承担 ， 并 通过 它在其 覆盖范 围内得到扩散 ， 从而使面 层抗疲 劳强度 获得提高 、 抗 车辙及鼓包能力增强 ， 同时还 可减少弯沉值 。 可见上述两类土工合成材 料对提高 面层 的耐久性 、 防止 早期破坏都有不可替代 的作用 ， 不能仅将 其看成一 种短期 、 临 时 、 紧 急 抢 救 的被 动工 程 措 施 。 注 ： 1 ) 如果路 基 和基层 和实 际承 载能力 也不满 足轮 轴 荷载和交通量的要求而需要补强时应另行考虑 ， 也可采用相 适合 的土工合成材料统一 解决 ， 采用高强 轻质真性 塑料单 、 双 向土工格栅可作首选考 虑。2 ) 如果路基 和基层 同时存在 有渗水 、 翻浆、 沉陷等病害 ， 则需另行考虑排水 、 防渗等措施 ， 也可采用相应的土工合成材料解决 ， 例如采用加筋复合土工 膜 达到 防渗 、 排水 、 加筋 、 隔离等要求 。 4经 济 效 益 分 析 应用土工合成材料 的经济效益 一直是影 响其推 广的关 键 问题 。国内外 的很多应用实例进行过经济效益分析 ， 均认 为具有 明显 的优越性 ， 但 目前推广起来仍有不小 的阻力 。我 们认 为可以采用如下办法进行经济效益分析。 按 目 前 通 常 的 做 法 ， 新 建 公 路 ( 高 速 、一 级 )需 1 5 0 2 0 0 m 元 ， 其 中面层需 5 O一 7 0元 m ， 而路 面维修约需 5 O元 m 。正常设计使 用寿命为 1 5年 、 小修 5年 、 大修约 8 年 。现分别按新建 、 维修 和二者统一考虑 3种情况分析其经 济效益 。从对 比中确定最好的解决办法。 1 ) 新建情况 将新建经费按不 同使用寿命来分解 ， 那么 ： 当寿命 为 1 5年 ( 设 计 ) ， 则 每 年 每 平 方 米 平 均 数 为 第 3 7卷 杨志东 ： 用土工舍成材料解决 沥青混凝 土路 面的焦点问题 第 4期 1 0 01 3 3 元 ； 当寿命 为 1 2 51 6 7 元 ； 当寿命 为 1 5 02 0 0 元 ； 1 2年 ( 4 5 ) ， 则 每 年 每 平 方 米 平 均 数 为 l O年 ( 2 3 ) ， 则 每 年 每 平 方 米 平 均 数 为 当寿命 为 7 5年 ( 1 2 ) ， 则 每 年 每 平 方 米 平 均 数 为 2 0 O2 6 6 元 。 如果为 了能达 到设计 寿命 1 5年 而增 加经 费 7 5元 m ( 总计达 到 2 2 5 2 7 5元 m ) ， 在这种情 况下 尽管平 均 每年 每平方米增为 1 5 01 8 3元 ， 但 也 比 目前 寿命 为 1 0年时 的每年每平米 平均 费用 1 5 02 O 0元 还 省 0 01 7元 。 从 目前市场情况来看 ， 每平 米造价增 加 7 5元对 选用长丝 非 织造 土工织物 或覆 有 长 丝非 织 造 土工 织物 的格 网都 绰 绰 有 余 。 2 ) 维修情况 按 现有 有关 工程实例提供的经验 ， 当在 面层 下铺 设合适 的土工 合成 材料 ( 相应 施工 技术要 跟上 ) 后 ， 一般 可推迟 维 修期 1 倍 以上。如此 在设计 寿命 ( 1 5年 ) 内大约 只需维修 3 次 ， 大约可节省维修费用为每平米 35 0元 =1 5 0元 。 3 ) 如果 在整个使 用寿命 中将 新建与维 修在经费 上统一 考 虑 ， 工 程质量责 任 由一家 承包 ， 那么 即使 在将预计新 建公 路 经费不增 加的条件 下 ， 如 能将采 用 土工 合成 材料 节省 的 维修 费用会 1 5 0元 m 中取 一半 即 7 5元 m ， 提前 投入 到 新 建时 采用 土工 合 成 材 料 摊 铺 在 新路 面之 下 ， 那 么不 仅 有 可能 使公 路 实 际使 用 寿 命 达 到 设 计要 求 ， 而且 还 可 以 同时达 到延 长维 修 期 的双 重 目的 ， 这在 经济 效 果 上 将 更 现 优越 。 ( 上 接 第 7页 ) 2 3 破 坏形态分析 对 于经碳 纤 维 加 固 的钢 筋 混 凝 土 柱 ， 其 破 坏 形 式 也 与矩 形截 面 的素混凝 土 柱 的 破 坏形 式 相类 似 。所 不 同的 是 ， 其 破坏 前碳 纤维剥 离 的 响声 维 持 的时 间 稍 长 ， 碳 纤 维 被拉 断 时也没 有 素 混 凝 土 柱 那 么 剧 烈 ， 表 现 出 延 性 的 明 显 提高 。 从 加 固柱 的破 坏 形式及 破 坏 过程来 看 ， 碳 纤 维 加 固混 凝土柱提高 了柱的承载力 ， 同时也增加 了柱破 坏时 的脆性 ， 使破坏更具 突然性 ， 这 对某 些具 有 延性 要求 的 构件 和结 构 是不利 的。在 实际工 程加 固中 ， 应综 合 考虑 这 两个 方 面的 因 素 。 3结 论 及 建 议 1 ) 单层碳纤维加 固后的素混凝土方柱 ， 其承载力可 提高 1 025 。 2 ) 无论是素混凝土柱 ， 还 是钢筋 混凝 土柱 ， 承 载力计 算 时使用棱柱体强度与横 截 面面积之 积作 为混凝 土轴 向抗压 贡献的计算 比较符合试验结果。 3 ) C F R P加固钢筋 混凝 土 柱也 能提 高 其轴 向抗 压 承载 力 ， 但提高幅度远不如对素混凝土柱的提高幅度 。 4 ) 对于矩形截面柱 的加 固 ， 采用全 包裹 的加 固方式 ， 虽 然碳纤维用量要 多于分条加 固方 式 ， 但其加 固效果却 没有显 著提高 ， 有时还低 于分 条加 固的效果 。这说 明 ： 对 于矩 形截 面柱 ， 分条加固的方式可能更有利于碳纤维 充分发挥 其强度 效能。 5 ) 对于碳纤维加 固混 凝土 柱 ， 有 利 于提高 柱的承 载力 ， 同时也增加 了柱破坏时的脆性和破坏 的突然性 ， 这对某些 具 有延性要求的构件和结构是不利 的。在 实际工程加 固中 ， 应 综合考虑上述两个因素。 6 ) 碳纤维加 固矩形混凝 土柱 时 ， 柱角存在较 大的应力集 中 ， 碳纤维较 容易破坏 。因此 ， 在加 固视施工 条件 ， 尽 量对柱 角进 行磨 圆处理 ， 防止 C F R P冲剪断裂 。 7 ) 碳纤维 约束 混凝 土受压的应力- 应 变曲线 在上升段 与 普通 混凝 土的应 力应变曲线相似 ， 其 峰值应力 以及峰值应 变 均有 较大 增长 ； 当碳 纤维 的拉应 变增 大到 3 5 0 0 5 0 0 0 8 时， 碳纤维丝开始断裂 ； 碳纤 维约束混凝土 破坏时 ， 碳 纤维 的 应变并没有达 到其 极限应变 ， 一般 只有 5 0 0 0 6 0 0 0 8 ， 离 碳纤维 的极 限应变相差甚远 ， 说明碳纤 维的效能没有 得到充 分发挥 。 8 ) 对于处于浪溅 区和潮差 区的码 头桩 柱加 固时 ， 建议采 用全包 的方式 ， 这样 承载力 提 高幅度 比较大 ， 而且 可 以充分 利用 C F R P防止氯离子的侵蚀 。 参考文献 1 潘德强 ， 洪定海 ， 郑恩惠 ， 等 华南海港钢 筋混凝 土码 头锈蚀破 坏 调查报告 交通部 四航 所 ， 南京 水利科 学研 究所 ， 交通 部四航 局 三 处 。 1 9 81 2 上海交通大学 ， 交通部三航务 局科研所 华 东海港高 桩码头钢 筋 腐蚀损坏情 况调查 与结构 耐久性分析 1 9 8 8 3 卫淑珊 ， 任天玉 ， 熊 道秀等 湛江港 一 区老码头锈 蚀破 坏调查 报 告 四航局科研所 ， 1 9 8 8 4 交通部第 四工程局科研所 湛江海军 4号码头锈蚀情况 调查及修 复方案 1 9 9 0 5 王胜 年 ， 黄君哲 ， 黄源江 ， 等 赤湾港码头调查报告 1 9 9 8 6 王胜年 ， 张举连 ， 曾志文 ， 等 湛江港一 区南一期 工程高桩码 头 防 腐蚀工程可行性研究报告 四航局科研所 ， 1 9 9 8 7 广州 四航工程技术研究院 惠州港 3万 吨级油码头裂缝调查论证 报告 2 0 0 0 8 中华人 民共 和 国 国家标准 ， 混凝 士结 构设 计规 范 ( G B 5 O O l O 一 2 0 0 2 ) 北京 ： 中国建筑工业出版社 ， 2 0 0 2 9 过镇海 钢筋混凝 士原理 M 北京 清华大学出版社 ， 1 9 9 9 2 7