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沥青路面预防性养护技术应用研究

发布时间:2017-11-09 来源:湖北省交通厅造价站 阅读次数:

  朱文琪1刘松2熊巍2王崇军2

  (1.湖北汉十高速公路管理处 武汉市430051;

  2-湖北省高速公路实业开发有限公司武汉市430051)

  摘要:选择典型病害路段修建了各种预防性养护技术试验段,通过长期跟踪观测研究了适宜的病害类型、应用效果和经济性,为其推广应用积累了经验,可资类似工程参考借鉴。

  关键词:沥青路面;预防性养护;应用研究

  Abstract:Constructed various preventive maintenance technique experimentation sections in representative damage pavements,the paper studied suitable damage tapes,application effect and economic influence by long-term observation,and concluded experiences for extending application,it can provide conference for similar engineerings。

  Key word:asphalt pavement, preventive maintenance, Application research

  所谓预防性养护就是在适当的时间,采用合适的措施对适宜的路面进行有计划、基于费用---效益的养护策略,采用专门的措施对路面潜在病害提前进行养护。预防性养护是延长路面使用时间,降低养护费用的有效方法,也是化被动养护为主动养护的重要手段,因此受到国内外公路管养单位的高度重视。我国自2000年开始引进和应用部分预防性养护技术,主要有微表处、同步碎石封层、雾封层、超薄磨耗层等,截止目前沥青路面预防性养护技术还处在不断发展和完善阶段。

  尽管预防性养护技术得到了长足发展,然而每一种技术的适用范围、应用效果、经济性等方面还有待深入研究。湖北省高速公路实业开发有限公司于2003年开始成立课题组进行预防性养护技术应用研究,在相关单位的大力支持下修建了试验段,进行了长期跟踪观测,据此进行了技术经济综合分析。

  1微表处技术(Micro-Surfacing)

  1.1技术特点

  微表处源于稀浆封层技术,技术进步和协会发展有力推动了微表处技术的发展和应用,使其成为世界上应用最为广泛的预防性养护技术。从目前国内外工程应用实践来看,微表处技术可用于包括高速公路在内各个等级公路、城市主干线、机场道面的养护,其特点和适应性主要体现在以下几个方面:

  (1)微表处的一次施工厚度可达10~15mm,两层施工厚度可达40mm,具有某些修复性功能,例如用于车辙填补、轻度松散、泛油等病害的校正。

  (2)微表处施工方便,生产效率高,凝固成型快,开放交通早,养护成本低,特别适合大交通流量道路的快速养护。

  (3)微表处结构密实,抗滑性能好,因此可加铺在水泥路面和桥面上作为抗滑磨耗层,以及在水泥混凝土—沥青复合路面上之间的防水粘结层等等。

  (4)微表处抗裂性能不强,表明粗糙,因此作为抗滑表层不能有效抑制反射裂缝的发展,行车噪音较高。

  1.2应用概况

  京港澳高速公路湖北北段于2001年建成通车,2005年部分路段出现中轻度车辙及局部渗水,为此采取微表处进行预防性养护处治。施工采用壳牌沥青有限公司生产的改性乳化沥青、MS-II型辉绿岩级配集料、325号普通硅酸盐水泥,通过级配设计、湿轮磨耗值和砂粘附量试验,确定最佳油石比为7.0%(有效固含量)。

  (1)技术方案

  经过路面检测和调查,主行车道车辙深度为5~25mm,国际平整度指数为1.0~1.8m/km,部分路段渗水系数30~120ml/min,为此采用微表处对主行车道进行预防性养护,根据路面技术状况制定以下养护方案:

  (1)超车道和紧急停车带病害较少,只进行灌缝处理。

  (2)渗水严重但基本未出现严重破损路段,全幅加铺1 cm微表处。

  (3)对出现裂缝路段先灌缝,然后施工1cm厚微表处。

  (4)对出现坑槽、松散、局部沉陷等病害路段,采用新拌沥青混合料修补后加铺1cm微表处。

  (5)对于车辙路段先铣刨路面隆起部分,并清扫干净,再用微表处添补车辙,15mm以内的车辙一次填补,15~25mm车辙分两层填补。

  施工时间为2005年7~10月,施工长度为25km(单幅),施工时要求路面干燥无湿印,养护成型期间不会下雨。

  (2)应用效果

  试验路段施工前后,课题组进行了连续的跟踪观测和检测(见表1)。

  表1原路面与微表处路面路用性能检测结果

  实测项目

  原路面

  施工后

  06年10月

  07年10月

  10年12月

  抗滑系数(BPN)

  63

  66

  60

  58

  57

  车辙深度(mm)

  平均值

  18

  3.2

  5.4

  6.2

  最大值

  28

  8

  12

  14

  平整度(m/km)

  平均值

  1.05

  1.08

  1.12

  1.24

  1.25

  最大值

  1.8

  1.6

  1.8

  1.8

  1.9

  渗水系数(ml/min)

  平均值

  75

  6.5

  5

  4.2

  4.0

  最大值

  120

  25

  22

  24

  21

  检测数据表明,经过微表处养护处理后沥青路面车辙、渗水系数、平整度和抗滑性能等方面都取得了明显的改善,特别是绝大部分渗水系数为0。通车5年中,通过跟踪观测和调查发现试验路存在局部少量掉皮和横向裂缝,但裂缝数量少于超车道。应用效果表明微表处可有效封水,防止坑槽、松散等水损坏病害的发生;降低车辙和裂缝的发展速度,但是不能完全抑制。微表处技术性能已被我省公路管养单位认可,目前在我省京港澳、武黄、黄黄、襄荆等高速公路推广应用,总里程达到180km(单幅)。

  2雾封层技术(Fog Seal)

  2.1技术特点

  雾封层(Fog seal)是将雾状的乳化沥青或专用的再生剂喷洒或涂布在老化的沥青路面上,以封闭旧沥青路面微裂缝或微孔隙,修复旧沥青老化损失,达到封水和延长沥青路面使用寿命的目的。雾封层的特点和适应性主要体现在以下几个方面:

  (1)可以预防沥青路面水损坏,延缓沥青老化速度,从而延长沥青路面使用寿命。

  (2)施工方便,速度快,开放交通早,养护成本低。

  (3)由于雾封层施工后会轻度降低沥青路面抗滑性能,因此不适合路面摩擦系数较低和构造深度较小的沥青路面。该技术成败的关键是雾封材料的喷洒量,过大不仅会提高工程造价,而且会降低抗滑性能;过小则难以达到理想的效果,因此应根据路面实际情况确定材料用量。

  2.2应用概况

  湖北沪渝高速公路武汉东段K25~K26超车道抗滑表层原设计为AK-16A,采用玄武岩碎石,通车后发现部分路段空隙率偏高,路面渗水严重,局部松散,横向裂缝多,为此于2006年8月采用改性乳化沥青雾封层(技术指标见表2)进行预防性养护。施工前后课题组进行现场检测和跟踪观测(见表3)。

  表2雾封层用改性乳化沥青的技术指标

  实测项目

  产品性能指标

  蒸发残留物含量

  51%

  蒸发残留物软化点

  56℃

  蒸发残留物低温延度(5℃)

  60mm

  蒸发残留物粘结强度

  0.5MPa

  标准粘度

  12s

  表3原路面与雾封层路面路用性能对比

  实测项目

  原路面

  施工后

  06年10月

  08年10月

  构造深度(mm)

  0.73

  0.69

  0.68

  0.68

  抗滑系数(BPN)

  平均值

  63

  57

  57

  56

  最大值

  71

  64

  64

  63

  渗水系数(ml/min)

  平均值

  167

  20

  23

  24

  最大值

  112

  22

  28

  28

  从检测结果可见,雾封层施工后路面渗水系数大幅降低(平均降低84.9%),且离散系数较小,说明雾封层有效防止了路面渗水。抗滑系数和构造深度略有较低,由于施工路段原构造深度较大,因此施工后仍然满足规范要求。通车使用5年来,路面色泽均匀,松散和坑槽数量显著降低,说明达到了减少水损坏的预期效果,目前已在我省襄荆高速公路推广应用。

  3同步碎石封层技术(Synchronous Surface Dressing)

  3.1技术特点

  同步碎石封层是在碎石封层技术基础上研发的一种新技术,得益于现代化机械技术的发展,它将粘结剂的喷洒和集料撒布两道工序集中在一台车辆上同步完成。同步碎石封层的技术原理是利用高粘度改性乳化沥青封闭旧路面微裂缝和孔隙,同时将单级配碎石与旧路面粘接在一起,达到封水和抗滑的目的。

  图3同步碎石封层技术原理图4施工后的同步碎石封层路面

  沥青路面经过同步碎石封层处理后具有良好的抗滑性能和防渗水性能,能有效治愈路面松散、轻微网裂、透水、磨光等病害。其特点和适应性主要体现在以下几个方面:

  (1)提高路面防渗水性能和结合强度,延缓了裂缝发生和发展速度,可延长路面使用寿命。

  (2)均匀撒布的单级配碎石可提高原路面摩擦系数,即增加了路面抗滑性能,并使路面平整度得到一定程度的恢复。

  (3)同步碎石封层厚度薄,不能完全抑制反射裂缝的发生,同时沥青结合料用量、流动性和旧路面表面状况是施工控制的关键,必要时要对旧路面进行清洁、拉毛预处理。

  (4)开放交通初期可能会存在少量碎石剥落现象,因此通车24h后应根据实际情况进行清扫,防止行车安全隐患。

  3.2应用概况

  湖北汉宜高速公路宜汉向K102+000~K96+000主要存在磨光和裂缝病害,为提高沥青路面抗滑性能,避免水损坏,于2009年8月对该段采用同步碎石封层进行预防性养护,施工面积约34000平米,主要施工工艺如下:

  (1)对裂缝进行灌缝处治后将路面清扫干净。

  (2)第一次喷洒高粘度改性乳化沥青,洒布量为0.4 Kg/m2。

  (3)同步碎石封层车以适宜的速度匀速行驶,保证石料和粘结料撒布均匀,数量匹配且适宜,粘结料洒布量为1.0 Kg/m2,3~5mm碎石撒布量为5~8 m3/1000m2。

  (4)采用胶轮压路机碾压固定石料,如有必要再喷洒一遍结合料,洒布量为0.2 Kg/m2左右,确保石料稳定,避免脱落。

  (5)养生4h后扫除多余的碎石,然后开放交通。

  表4汉宜高速公路同步碎石封层检测结果

  实测项目

  原路面

  同步碎石封层

  点数

  平均值

  点数

  平均值

  构造深度(mm)

  60

  0.51

  60

  1.12

  摩擦系数(BPN)

  60

  42

  60

  65

  渗水系数(ml/min)

  12

  22.6

  12

  5.2

  施工完成后课题组进行了现场检测,结果表明构造深度和摩擦系数显著提高,说明抗滑性能得到明显改善;路面渗水系数接近0,基本不渗水,达到了预防性养护的目的。从外观来看,碎石封层石料均匀嵌挤,基本无掉粒现象产生,说明施工工艺是合理的。需要特别说明的是,同步碎石封层施工工艺对质量影响显著,特别是结合料的洒布量要根据原路面粗糙度及缺陷情况合理选定,如有必要应先试洒以确定合理的洒布量。本次施工分三次洒布,既保证了原路面缺陷填补,又可使集料牢固粘接,以及表面色泽均匀美观。

  4超薄磨耗层技术(Novachip)

  4.1技术特点

  NovaChip是美国研究开发的薄层罩面技术,其技术原理是在旧路面上洒布适量的Novabond专用改性乳化沥青,紧接着采用Novapaver摊铺机摊铺厚度2.5cm左右的NovaChip热拌沥青混合料,并迅速碾压密实。该技术可有效解决沥青路面磨光、渗水、中轻度车辙及平整度差的问题,近年来在我国应用面积超过2000万m2。

  图6 NOVACHIP施工关键工艺图7 NOVACHIP施工后的路表面

  采用NovaChip罩面具有以下特点:

  (1)Novabond可封闭旧路面微孔隙或微裂缝;NovaChip混合料具有较高的弹性和柔韧性,作为罩面层可达到封水和延缓裂缝发展的目的。

  (2)NovaChip为间断级配混合料,其空隙率高,作为罩面层构造深度大,同时可以减少行车水雾,路面抗滑性能好。

  (3)可处理裂缝、松散、中轻度车辙、磨光、平整度差等病害,适用范围广。

  (4)施工速度快,摊铺速度达到8~20m/min,罩面层温度降低到50℃以下后即可开放交通。

  4.2应用概况

  湖北沪渝高速公路武汉东段K27+800~K30+800,通车6年后路面出现裂缝、局部松散、坑槽、轻度车辙、渗水系数偏高等病害,为延长路面使用寿命,于2007年7月采用25mm厚Novachip进行预防性养护,施工全长3Km,双幅4车道,面积约70000 m2。根据路面技术状况,确定以下施工工艺:

  (1)对路面横向裂缝进行灌缝,并对局部松散、坑槽进行挖补。

  (2)彻底清扫路面杂物,保证路面干净、干燥。

  (3)从超车道开始分幅摊铺Novachip混合料,前后幅之间搭接宽度5~10cm。

  (4)迅速采用双钢轮压路机将混合料碾压密实。

  (5)新路面温度降低到50℃以后开放交通。

  路面施工前后及使用过程中,课题组进行了现场检测和跟踪观测,结果汇总如下表:

  表5路用性能检测结果

  测点项目

  原路面

  Novachip

  通行4个月

  通行18个月

  平整度σ(mm)

  1.588

  1.203

  1.201

  1.221

  摩擦系数(BPN)

  60

  66.5

  62.5

  62.0

  构造深度(mm)

  0.8

  1.3

  1.25

  1.2

  透水系数(mL/min)

  不渗水

  >500

  >500

  >500

  检测结果及使用状况表明,施工Novachip后路面平整度和抗滑性能均由明显提高,自通车以来没有松散、坑槽等病害发生,说明有效遏制了水损坏发生,特别是使用18各月后透水系数仍L>500(mL/min),基本成为透水性路面,有效防止了行车水雾发生和路面积水,提高了行车安全性。实践证明NovaChip技术施工工艺简单、施工速度快,能有效改善原路面的行驶性能,是预防性和恢复路面表面功能的一种十分有效的养护方法。

  5预防性养护技术综合性能分析评估

  预防性养护的重要意义体现在:保持路面良好的使用性能;延长路面的使用寿命;节约养护维修资金;施工时间短,开放交通快,是一种“费用——效益”十分良好的养护措施。不同预防性养护技术适宜不同的病害,性价比也不相同,预防性养护技术的实施既要把握合理的养护时机,更要合理选择费用-效益最优的养护形式,为此对各种预防性养护技术经济和技术性能进行全面分析是必要的。

  5.1经济性分析

  按照各种预防性养护技术施工工艺要求,结合湖北省内的材料、费率、机械设备等综合计算各种养护技术的养护费用,都低于9.62万元/年.KM的矫正性养护平均费用,可见预防性养护具有较好的经济效益。

  表6各种养护方案每年消耗养护费用(万元/年.KM)

  方案

  微表处

  雾封层

  同步封层

  Novachip

  造价

  22.05

  9.8

  26.95

  56.35

  年消耗

  4.4~2.76

  4.9~2.45

  6.74~4.49

  7.04~5.64

  平均

  3.39

  3.27

  5.39

  6.26

  5.2适用范围

  各种预防性养护技术适用于不同的病害,题组结合国内外经验,根据试验段长期跟踪观测结果总结了各种养护方案的适用范围如下:

  表7各种预防性养护技术适用范围

  方案

  微表处

  雾封层

  同步封层

  Novachip

  裂缝

  ▂

  ▅

  ▅

  █

  松散

  ▂

  ▅

  ▅

  ▅

  磨光

  █

  □

  █

  █

  渗水

  █

  █

  █

  █

  车辙

  ▅

  □

  ▅

  ▅

  平整度差

  ▂

  □

  ▂

  █

  疲劳损坏

  ▂

  ▂

  ▂

  ▅

  █表示显著有效,▅表示基本有效,▂表示效果甚微,□表示基本无效。

  5.3综合性能分析

  课题组通过试验段施工和使用效果的长期研究,基本摸清了各种预防性养护技术的特点、使用寿命、适用病害、关键技术问题和经济效益,为后期推广应用积累了宝贵经验。各类预防性养护技术应用的适用性进行综合分析如下。

  表8各类预防性养护技术的在我省的适用性评价

  技术种类

  微表处

  雾封层

  NovaChip

  同步碎石封层

  优点

  施工简单/应用广

  施工简单/单价低

  寿命长/行车安全舒适/适用广

  抗滑性能好

  缺点

  噪音大/寿命较短

  寿命较短/影响抗滑性能

  材料要求高

  工艺要求高

  使用年限

  5~8

  2~4

  8~10

  4~6

  适用路面病害

  磨光、水损害、车辙

  水损害

  磨光、水损害、中轻度车辙

  渗水、磨光

  关键技术问题

  施工配合比控制较难

  洒布量要适宜

  粘结料用量要适宜

  粘结料与碎石用量要匹配

  经济效益比

  好

  好

  一般

  较好

  6结语

  沥青路面预防性养护技术已受到公路管养部门的普遍青睐和高度重视,在我国推广应用方兴未艾,课题组通过大量试验研究得到以下结论:

  (1)各种预防性养护技术具有不同的特点,应根据原路面技术状况、结构形式、病害类型和成因,以及交通量和气候等环境条件合理选择最佳的养护方式,同时要根据病害程度和成因选择最佳养护时机,以达到最佳的使用质量和经济效益。

  (2)预防性养护技术具有明显的经济效益,按照养护费用折算为年消耗费用为3.27~6.26万元/年.km,远低于矫正性养护平均年消耗(9.62万元/年.km)。

  (3)预防性养护具有施工方便,开放交通快,可改善路面使用性能,延长路面使用寿命的优点,经济和社会效益显著,值得大力推广应用。

  参考文献:

  [1]湖北省高速公路实业开发有限公司,《沥青路面智能养护关键技术研究》

  作者:朱文琪,高级工程师,工程硕士,长期从事公路养护技术研究。