基于南京市路面情况的冷补沥青混合料研究

基于南京市路面情况的冷补沥青混合料研究摘要：沥青路面在长期使用的过程中容易产生松散、坑洞、剥落等病害，为防止更大范围更深层次的破坏，必须对路面进行修补。传统热补方式能耗大、污染重、受工程特点和施工环境限制大，无法完成及时有效的修补施工。冷补沥青混合料不需要加热，不受天气和施工环境限制，可实现全天候随用随补的路面修补，大大提高了路面的养护效率和行车安全性。本文通过对南京气候及路面裂缝的调查，分析了产生裂缝的原因，并通过实验对冷补沥青混合料的性能进行了研究。关键词：气候、路面裂缝、冷补沥青混合料、马歇尔实验Abstract：Intheprocessoflong-termuse,asphaltpavementpronetocauseloose,pallingandotherdiseases.Inordertopreventmoreextensiveanddeeperleveldamage,thepavementmustbepatchedtimely.Thetraditionalhotrepairmethodconsumemuchenergy,causesgrosspollution,restrictedbythecharacteristicsoftheprojectandtheconstructionenvironmental,cannotaccomplishtimelyandeffectiverepairconstruction.Coldpatchasphaltmixturedonotneedheating,inspiteoftheweatherandconstructionconstraints,canbeusetorealizeall-weatheruse,greatlyenhancedtheroadmaintainingefficiencyandtrafficsafely.ThisarticleshowsoursurveyofNanjingclimateandpavementcracks,analyzesthecausesofcracks,andresearchesoncoldpatchasphaltmixturepropertiesthroughexperiments.Keywords:Climate、PavementCracks、Coldpatchasphalt、Marshalltest一、南京气候情况综述南京位于中纬度偏低地区，属亚热带季风湿润气候，季风显著，雨量集中,南京有着特殊的地理位置，天气系统复杂，各种自然灾害发生频繁，其天气气候特点在华东地区具有一定的代表性。年平均气温大约在15.4℃，年平均降雨量约为1106mm。南京春秋季短、冬夏长，冬夏温差显著。在夏初，有梅雨季，气温偏低；在冬季，湿度偏大，气温略低。根据1988～1997年的地面观测资料统计可知，南京地区这10年中日最高气温的最大值为38.7℃（1992年），日最低气温的最小值为-13℃（1991年）。由于南京独特的气候条件，我们在进行道路裂缝的修补时应该选择适合的冷补沥青。二、道路裂缝类型及成因路面裂缝的成因复杂而繁多，甚至多种因素相互影响，但每一条裂缝均有其产生的一种或几种主要原因。通过查阅资料，就其产生的原因，路面裂缝大致可划分如下几种：(一)混凝土收缩引起的裂缝在工程中，混凝土因收缩所引起的裂缝是最常见的。混凝土收缩引起的裂缝有塑性收缩和缩水收缩(干缩)，另外还有自生收缩和炭化收缩。为减小混凝土塑性收缩，施工时应控制水灰比，避免过长时间的搅拌，下料不宜太快，振捣要密实，竖向变截面处宜分层浇筑。因混凝土表层水分损失快，内部损失慢，因此产生表面收缩大、内部收缩小的不均匀收缩，表面收缩变形受到内部混凝土的约束，致使表面混凝土承受拉力，当表面混凝土承受拉力超过其抗拉强度时，便产生收缩裂缝。混凝土硬化后收缩主要就是缩水收缩。如配筋率较大的构件(超过3％)，钢筋对混凝土收缩的约束比较明显，混凝土表面容易出现龟裂裂纹。(二)地基础变形引起的裂缝由于基础竖向不均匀沉降或水平方向位移，使结构中产生附加应力，超出混凝土结构的抗拉能力，导致结构开裂。为防止基础不均匀沉降造成开裂，就需要进行细致的地质勘察充分掌握地质情况。尽量采用同一基础类型，并且同一个桥涵不要分期建造，基础埋置深度在冻涨线以下，避免将基础置于滑坡体、溶洞或活动断层等不良地质地段等。(三)温度变化引起的裂缝混凝土具有热胀冷缩性质，当外部环境或结构内部温度发生变化，混凝土将发生变形，若变形遭到约束，则在结构内将产生应力，当应力超过混凝土抗拉强度时即产生温度裂缝。温度裂缝区别其它裂缝最主要特征是将随温度变化而扩张或合拢。(四)钢筋锈蚀引起的裂缝由于混凝土质量较差或保护层厚度不足，混凝土保护层受到侵蚀炭化至钢筋表面，使钢筋周围混凝土中的氧气和水分发生锈蚀反应，其锈蚀物对周围混凝土产生膨胀应力，导致保护层混凝土开裂、剥离，沿钢筋纵向产生裂缝，_并有锈迹渗到混凝土表面。由于锈蚀，使得钢筋有效断面面积减小，钢筋与混凝土握裹力削弱，结构承载力下降，并将诱发其它形式的裂缝，加剧钢筋锈蚀，导致结构破坏。要防止钢筋锈蚀，设计时应根据规范要求采用足够的保护层厚度；施工时应控制混凝土的水灰比，加强振捣，保证混凝土的密实性，防止氧气侵入，同时严格控制外加剂用量。(五)混凝土材料质量引起的裂缝混凝土主要由水泥、砂、骨科、拌和水及外加剂组成。配置混凝土所采用材料质量不合格，可能导致结构出现裂缝。(1)水泥安定性不合格，水泥中游离的氧化钙含量超标。水泥出厂时强度不足，水泥受潮或过期，可能使混凝土强度不足，从而导致混凝土开裂。(2)砂石粒径太小、级配不良、空隙率大，将导致水泥和拌和水用量加大，影响混凝土的强度，使混凝土收缩加大，如果使用超出规定的特细砂，后果更严重。砂石中云母的含量较高，将削弱水泥与骨料的粘结力，降低混凝土强度。(3)拌和水或外加剂中氯化物等杂质含量较高时对钢筋锈蚀有较大影响。采用海水或含碱泉水拌制混凝土，或采用含碱的外加剂，可能对碱骨料反应有影响。(六)冻胀引起的裂缝当气温低于零度时，吸水饱和的混凝土出现冰冻，游离的水转变成冰，体积膨胀，因而混凝土产生膨胀应力，混凝土强度降低，并导致裂缝出现。尤其是混凝土初凝时受冻最严重，冬季施工时对预应力孔道灌浆后若不采取保温措施也可能发生沿管道方向的冻胀裂缝。温度低于零度和混凝土吸水饱和是发生冻胀破坏的必要条件。当混凝土中骨料空隙多、吸水性强；骨料中含泥土等杂质过多；混凝土水灰比偏大、振捣不密实；养护不力使混凝土早期受冻等，均可能导致混凝土冻胀裂缝。(七)施工工艺质量引起的裂缝在混凝土结构浇筑、构件制作、起模、运输、堆放、拼装及吊装过程中，若施工工艺不合理、施工质量低劣，容易产生纵向的、横向的、斜向的、竖向的、水平的、表面的、深进的和贯穿的各种裂缝，特别是细长薄壁结构更容易出现。三、南京路面裂缝情况简介以下是我们在南京部分地区拍摄到的路面裂缝①路面裂缝主要表现为横向裂缝，少数路段出现纵向裂缝。横向裂缝全路段普遍存在。且贯穿整个横断面。裂缝较宽（个别裂缝伴有网裂），裂缝间距较有规律。②部分路段存在沉陷。沉陷横向贯通整个单幅路面，沉降量在3至7厘米。主要是由路基局部沉陷引起。但沥青路面未发现有裂缝。③部分路面出现明显的车辙。由于大型拖车及施工车辆严重超载。尤其在红绿灯附近路段存在严重车辙破坏。路面基层良好，车辙主要是由于沥青压缩形成。结果分析:横向裂缝通常不是由于荷载作用引起的，低温收缩或者半刚性基层收缩裂缝是产生横向裂缝的主要原因。裂缝初期大多出现于路面两侧，逐渐发展而贯穿全路幅，贯通裂缝沿路大致呈均匀分布。此外，旧水泥混凝土路面接缝的反射作用，会使沥青路面出现横向反射缝。沉陷是由于路基沉降所引起，主要原因是路基填土压实度不够所造成的。通常有三种情况：①均匀沉陷：是由于路基、路面在自然因素和行车作用下，达到进一步密实和稳定，引起的沉落，一般不会引起路面破坏。②不均匀沉陷：由于路基、路面不密实，碾压不均匀，在水的浸蚀下，经行车作用引起的变形。③局部沉陷：由于路基局部填筑不密实或路基有墓穴、枯井、树坑、沟槽等，当受到水的浸蚀而沉陷。车辙裂缝是在行车荷载重复作用下，路面产生永久性变形积累形成的带状凹槽。车辙降低了路面平整度，当车辙达到一定深度时，由于辙槽内积水，极易发生汽车飘滑而导致交通事故。产生车辙的原因主要有以下两点：①由于基层强度高，变形能力差，板体性强，因而该部分沥青混凝土在所承受的基层反作用力下，其内部原有结构层被破坏(即原有的配合比被破坏)，失去应有的强度和变形能力，形成车辙。②超载载运输车辆对路面的损坏是几何级数倍增的关系，当车重增大至路面设计承重的两倍时，其对路面的损坏将增大到原来的20倍左右，可在极短的时间内形成较深的车辙。对于路面出现的各种裂缝，我们应当对受损的路面进行修复。而冷补料是近年来新兴的一种材料，其特性使得其非常满足路面修补的条件。与普通热拌料相比，冷补料是一种高科技道路修补材料，生产所需的关键原料为原装进口产品，优良的粘结性能和松散施工性能是其不同于普通修补材料的显著特点之一，可以全天候使用，适用于在任何天气和环境下修补各种不同类型的道路面层，如沥青混凝土道路、水泥混凝土道路、停车场、机场跑道、桥梁伸缩缝等。实践证明，冷补材料不仅适用于各种道路坑穴的修补，而且对道路的中修、小修同样具有良好的修补效果，其成本、质量和使用都优于一般冷补材料或传统的热拌沥青、乳化沥青混合料，并以其操作简便、存放长久、修补质量好、用途广泛、利于环保等特点，已经在国内各大中城市的市政道路、高速公路上得到推广应用。为更好地发挥冷补材料的综合性能，达到最佳的使用效果，生产时可根据季节和气温具体情况配制相应配方的冷补沥青。四、冷补沥青混合料冷补料具有如下特点:（一）全季节性全天候养护及低温养护：冷补料适应温度范围广，即使在高寒地区也可进行正常修补，突破了常规沥青材料在低温下无法进行修补的局限性。（二）预防性养护：由于冷补料特别适合于微小坑槽等小面积病害的日常修补，不受坑槽大小及数量限制，即烂即补，使油路病害在初期就被扼制，避免了病害进一步扩大。也是热拌沥青混和料在冬季长时间无法使用的最好替代品，其效果明显优于热拌沥青混合料。由于冷补料在公路养护修补方式上的优越性，可促进公路养护方式从被动的矫正性养护转为主动的预防性养护。（三）修补工序简单、操作方便：冷补料养护操作工序简便易行，基层养护职工一看就懂、一看就会用。在修补时无需加热或搅拌，可根据实际需要量随取随用，剩余材料下次修补时继续使用，不会造成材料浪费，真正节省修补材料。修补过的地方，可立即开放交通，大大缓解因道路修补施工而造成的交通压力。（四）显著降低养护工人劳动强度，明显改善劳动条件：养护工人可自主调节作业时间，免受烈日曝晒，不再像热油洒布那样，需要架锅熬油和进行集体作业，免受烟熏火燎和有毒气体侵害；也不再象乳化沥青修补和热拌热补那样，需要复杂的辅助工序和机械设备，免去了衣物和身体的污染。（五）采用小型机具，施工方式简单：养护工人可根据施工条件，就地储存，随用随取。所需碾压设备要求不高，易操作，施工工艺简单易学。（六）质量稳定：经过使用证明冷补料具有较强的粘结性能，与基层和原路面结合良好，补后不会产生松散、脱落、龟裂等病害。养护质量和修补效果均能达到养护标准要求。（七）保护环境：冷补料生产和使用时无黑烟、粉尘和噪音，添加剂不含有毒物质，材料不溶于水，不会污染空气、环境和地下水，有利于环境保护。五、实验及数据分析为了测试冷补沥青混合料性能，我们通过马歇尔实验进行了相关数据的测定。首先进行准备工作，将需要进行测定的混合料取出，均匀称取一个试件所需的用量，每份称取1200克。在试件制作过程中，为了防止混合料的温度下降，应连盘放入烘箱中保温。从烘箱中取出加热过的试模和套筒，将试模装在底座上，垫一张吸油性小的圆形纸片，按四分法将混合料从四个方向将混合料掺入试模中，用插刀或大螺丝刀沿周边插捣15次，中间10次。插捣后将沥青混合