一种用于半刚性基层与沥青路面之间的功能层

专利名称：一种用于半刚性基层与沥青路面之间的功能层

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202211634605.7

专利申请（专利权）人：河南城建学院
权利人地址：河南省平顶山市新城区龙翔大道

专利发明（设计）人：王壹帆,白哲,刘自强,王健,周海涛,岳超,王晓丰,王海有,姚立阳,薛秋香

专利摘要：本发明涉及一种用于半刚性基层与沥青路面之间的功能层，自下而上由防水封层和砂碎石间断层组成，所述防水封层采用乳化沥青稀浆封层，每1000m2所述砂碎石间断层包括以下立方米体积份的组分：粒径4cm～10cm碎石100份、细砂10～30份、乳化沥青2～6份。该功能层，阻断半刚性基层裂缝向上反射，在沥青路面中不产生反射裂缝，排出下渗到路面结构中的水分，同时提高间断层的抗压回弹模量，限制塑性变形，使其与半刚性基层沥青路面连续体系结构层组合相比沥青路面的抗车辙性能相当。

主权利要求：
1.一种用于半刚性基层与沥青路面之间的功能层，其特征在于，该功能层自下而上由防水封层和砂碎石间断层组成；
所述防水封层采用乳化沥青稀浆封层；
所述砂碎石间断层厚度h为10cm；
2
每1000m所述砂碎石间断层包括以下立方米体积份的组分：粒径4cm～10cm碎石100份、细砂10～30份、乳化沥青2～6份，其中：4cm～10cm碎石和细砂的体积为振实体积；
所述4cm～10cm碎石中粒径10cm碎石的含量≥50%；
所述砂碎石间断层上部浇灌乳化沥青，渗透深度3cm～5cm；
所述浇灌用乳化沥青为阳离子快裂快凝型乳化沥青。
2.根据权利要求1所述的用于半刚性基层与沥青路面之间的功能层，其特征在于，所述砂碎石间断层组分配合比的设计方法包括以下步骤：第一步，试铺4cm～10cm碎石，然后振实，使振实厚度为h，计算碎石松铺系数ɑss，碎石松铺系数即松铺厚度除以振实厚度；在底部漏水但不漏砂的长方形容器中摊铺细砂，然后水冲密实，计算细砂松铺系数ɑs，细砂松铺系数即松铺厚度除以密实厚度；
第二步，按照T0309‑2005粗集料堆积密度及空隙率试验的方法确定4cm～10cm碎石振实空隙率VCADRC；
2
第三步，确定每1000m4cm～10cm碎石用量、细砂用量和乳化沥青用量：2
4cm～10cm碎石振实体积用量Vss=h×1000m2
细砂振实体积用量Vs=h×VCADRC×1000m乳化沥青用量Vea要求根据达到的效果：一是乳化沥青渗透深度3cm～5cm，二是砂碎石间断层表层松散材料固结，不扬砂尘，临时通行不被破坏。
3.一种用于权利要求2所述的功能层施工方法，其特征在于，该施工方法包括以下步骤：
1）防水封层即乳化沥青稀浆封层施工方法①按照JTGF40‑2004公路沥青路面施工技术规范的有关规定，拌和/摊铺乳化沥青稀浆混合料；
②真空吸水；
2）砂碎石间断层施工方法方法
第一步，按照ɑss×h松铺厚度摊铺4cm～10cm碎石；
第二步，用≥16t胶轮压路机碾压摊铺的碎石，使之密实；
2
第三步，按照每1000m细砂用量=Vs×ɑs摊铺细砂；
第四步，冲水，使细砂填充碎石空隙并密实，称其为填砂碎石层；
第五步，整修表面，达到平整；
第六步，在填砂碎石层上部浇灌乳化沥青；乳化沥青分多次浇灌，每次浇灌均依乳化沥青渗透深度为3cm～5cm确定用量，相邻两次浇灌至少间隔4h；
第七步，养护，即乳化沥青浇灌到沥青不粘轮的过程；
第八步，用≥16t胶轮压路机碾压2～3遍。 说明书 : 一种用于半刚性基层与沥青路面之间的功能层技术领域[0001] 本发明属于道路工程技术领域，尤其是涉及一种用于半刚性基层与沥青路面之间的功能层。背景技术[0002] 由于无机结合料半刚性基层（简称半刚性基层）沥青路面结构层组合承载力强，造价低，为我国道路工程建设做出了巨大贡献，被长期普遍采用，时至今日，我国绝大部分道路工程建设仍然并将继续采用这种路面结构层组合。[0003] 半刚性基层沥青路面结构层组合中，半刚性基层的承载能力强，是主要承重层，沥青路面的厚度相对较薄，因此称这种路面结构层组合为强基薄面型路面结构层组合。[0004] 半刚性基层沥青路面结构层组合是多层弹性连续体系，因此在半刚性基层上部浇灌透层沥青，以增加半刚性基层与沥青路面面层之间的粘结力；另外，半刚性基层浸水强度会降低，因此之上设置防水封层。[0005] 半刚性基层沥青路面结构层组合存在的问题是：半刚性基层容易产生裂缝（所谓容易产生裂缝：一是产生裂缝时间早，一年左右就会产生裂缝；二是产生裂缝较多），进而诱发沥青路面出现反射裂缝（虽然也有设置沥青碎石应力吸收层的，但作用有限，结果也不是很理想）；另外，沥青路面也会产生低温收缩裂缝。沥青路面反射裂缝和低温收缩裂缝成为通道使水分下渗到路面结构中而难以排出，结果导致道路早期损坏（表现为基层强度和承载力降低、唧泥、块裂、坑槽等），并使结构性破坏加速，一般使用寿命达不到设计使用寿命（10年～15年），这是我国半刚性基层沥青路面结构层组合普遍存在的问题。[0006] 半刚性基层沥青路面结构层组合是多层弹性连续体系，要求各结构层之间结合牢固，否则承载力严重下降；然而半刚性基层容易产生裂缝（是固有属性），并且它将带动沥青路面产生裂缝，导致整个路面出现早期病害。层间结合牢固会产生反射裂缝，层间结合薄弱则承载力严重下降，出现了悖论。[0007] 为了解决上述悖论，出现了倒装式半刚性基层沥青路面结构层组合，它是在半刚性基层和沥青路面之间设置级配碎石层（其最大碎石粒径不超过30mm），由于松散（是指无粘结）颗粒类材料不传递拉应力和拉应变，能够阻断半刚性基层裂缝向沥青路面反射，其中级配碎石层是间断层，这种路面结构层组合是间断体系。但是，由于松散颗粒类级配碎石层的抗压回弹模量低（200MPa～450MPa），塑性变形大，在大交通量、重载和渠化行车的现代交通条件下自身容易产生剪切破坏，塑性变形大，与半刚性基层沥青路面连续体系结构层组合相比沥青路面容易产生车辙。发明内容[0008] 本发明的目的是提供一种用于半刚性基层与沥青路面之间的功能层，阻断半刚性基层裂缝向上反射，在沥青路面中不产生反射裂缝，排出下渗到路面结构中的水分，同时提高间断层的抗压回弹模量，使其与半刚性基层沥青路面连续体系结构层组合相比沥青路面的抗车辙性能相当。[0009] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：[0010] 一种用于半刚性基层与沥青路面之间的功能层，自下而上由防水封层和砂碎石间断层组成。[0011] 进一步，所述防水封层采用乳化沥青稀浆封层，其厚度按照（JTGF40‑2004）《公路沥青路面施工技术规范》的规定选择。[0012] 进一步，所述乳化沥青稀浆封层用乳化沥青为阳离子慢裂快凝型乳化沥青。[0013] 进一步，所述砂碎石间断层厚度h为10cm。[0014] 进一步，每1000m2所述砂碎石间断层包括以下立方米体积份的组分：粒径4cm～10cm碎石100份、细砂10～30份、乳化沥青2～6份，其中：4cm～10cm碎石和细砂的体积为振实体积。[0015] 进一步，所述碎石中粒径10cm碎石的含量≥50%。[0016] 进一步，所述砂碎石间断层上部浇灌乳化沥青，渗透深度3cm～5cm，其作用：一是，固结表层3cm～5cm厚的松散材料，防止扬砂尘，方便临时通行，所谓临时通行是指施工机械、车辆、设备通行；二是，研究表明砂碎石间断层上部浇灌乳化沥青能够提高该层的回弹模量，有利于提高沥青路面的抗车辙性能和抗疲劳性能。[0017] 进一步，所述浇灌用乳化沥青为阳离子快裂快凝型乳化沥青。[0018] 进一步，所述功能层使用材料质量符合（JTGF40‑2004）《公路沥青路面施工技术规范》的有关规定。[0019] 一种用于半刚性基层与沥青路面之间的功能层，混合料配合比设计方法为：[0020] 1、防水封层即乳化沥青稀浆封层混合料配合比设计方法[0021] 按照（JTGF40‑2004）《公路沥青路面施工技术规范》的有关规定执行；[0022] 2、砂碎石间断层混合料配合比设计方法[0023] 第一步，试铺4cm～10cm碎石，然后振实，使振实厚度为h，计算松铺系数ɑss，松铺系数即松铺厚度除以振实厚度；在底部漏水但不漏砂的长方形容器中摊铺细砂，然后水冲密实，计算松铺系数ɑs，松铺系数即松铺厚度除以密实厚度；[0024] 第二步，按照（T0309‑2005）《粗集料堆积密度及空隙率试验》的方法确定4cm～10cm碎石振实空隙率VCADRC；[0025] 第三步，确定每1000m24cm～10cm碎石用量、细砂用量和乳化沥青用量：[0026] 4cm～10cm碎石振实体积用量Vss=h×1000m2[0027] 细砂振实体积用量Vs=h×VCADRC×1000m2[0028] 乳化沥青用量Vea要求根据经验确定，达到的效果：一是乳化沥青渗透深度3cm～5cm，二是砂碎石间断层表层松散材料固结，不扬砂尘，临时通行不被破坏。[0029] 一种用于半刚性基层与沥青路面之间的功能层施工方法为：[0030] 1、防水封层即乳化沥青稀浆封层施工方法[0031] 1）按照（JTGF40‑2004）《公路沥青路面施工技术规范》的有关规定，拌和/摊铺乳化沥青稀浆混合料；[0032] 2）真空吸水；[0033] 2、砂碎石间断层施工方法方法[0034] 第一步，按照ɑss×h松铺厚度摊铺4cm～10cm碎石；[0035] 第二步，用≥16t胶轮压路机碾压摊铺的碎石，使之密实；[0036] 第三步，按照每1000m2细砂用量=Vs×ɑs摊铺细砂；[0037] 第四步，冲水，使细砂填充碎石空隙并密实，称其为填砂碎石层；[0038] 第五步，整修表面，达到平整；[0039] 第六步，在填砂碎石层上部浇灌乳化沥青；乳化沥青分多次浇灌，浇灌次数通过试验确定，每次浇灌均依乳化沥青渗透深度为3cm～5cm确定用量，相邻两次浇灌至少间隔4h；[0040] 第七步，养护，即乳化沥青浇灌到沥青不粘轮的过程；[0041] 第八步，用≥16t胶轮压路机碾压2～3遍。[0042] 与现有技术相比，本发明的有益效果为：[0043] 1、本发明能够阻断半刚性基层裂缝向上反射，提高路面结构的整体性和连续性。虽然半刚性基层的模量高，承载能力强，但容易产生裂缝是它的固有特性，破坏了路面结构的整体性和连续性。本发明的间断体系强基薄面型路面结构层组合中的砂碎石间断层使用大粒径碎石形成骨架，骨架间隙填充细砂，间断层在路面结构中间形成非连续，大粒径碎石置于基层裂缝之上，好像在两块基层上架设了桥板跨越裂缝（即桥联作用），并且在基层产生裂缝的过程中层间允许产生相对运动，砂碎石并不传递拉应力和拉应变，从而阻断半刚性基层裂缝向上反射，并显著提高了基层的纵向整体性和连续性；现有技术的级配碎石使用的最大碎石粒径≤3cm，起不到桥联作用，路面的纵向整体性和连续性较差。[0044] 2、乳化沥青稀浆封层要求在温度较高的晴好天气施工，否则成型时间很长；而本发明的真空吸水技术，延长了施工季节，最大限度地减小了施工对气候因素的依赖，只要不下雨和不上冻即可施工，并且真空吸水后乳化沥青稀浆封层随即成型。[0045] 3、研究表明，传统级配碎石层与本发明中的砂碎石间断层的性能完全不同，表现在以下几个方面：[0046] 1）传统级配碎石层的应力应变关系呈现为显著的非线性关系，抗压回弹模量随着自身的厚度、荷载的大小、所处的层次以及其它层次的厚度和刚度等的不同而不同；砂碎石间断层中最大碎石粒径与厚度相等，其应力应变关系接近线性关系，抗压回弹模量基本不随荷载的大小、所处的层次以及其它层次的厚度和刚度等的变化而变化；[0047] 2）传统级配碎石层的抗压回弹模量为200MPa～450MPa，而砂碎石间断层的抗压回弹模量平均值为1500MPa左右；[0048] 3）根据路面结构层组合的受力特点，各层的抗压回弹模量自下而上应该依次增大，呈倒梯形；传统级配碎石层的设置形成倒装式半刚性基层沥青路面结构层组合，级配碎石层的抗压回弹模量最小，呈哑铃型，在路面结构层组合中是薄弱层，所以要求级配碎石层采用骨架密实型结构，即使如此，抗压回弹模量也只能达到350MPa～450MPa，与半刚性基层和沥青路面的抗压回弹模量相比仍然小得多；本发明的砂碎石间断层的抗压回弹模量平均值达到1500MPa左右，在路面结构层组合中最大，呈橄榄型，克服了传统级配碎石层的缺陷，不但能够满足路面结构层组合受力特点的需要，而且材料成本有所降低；[0049] 4）本发明的砂碎石间断层中，碎石最大粒径等于间断层厚度，在间断层中“顶天立地”，提高该层的抗压回弹模量和抗剪强度，塑性变形大幅度降低，解决了因传统级配碎石倒装结构层抗剪强度不足而导致沥青路面层底拉应力过大和沥青路面顶面弯沉值过大；[0050] 5）传统级配碎石层是各向同性材料；而本发明的复合间断层不是各向同性材料，在路平面周向同性，竖向则与之异性，并且竖向的抗压回弹模量远高于路平面周向；[0051] 由此可见，传统级配碎石层与本发明的砂碎石间断层已经有质的区别，是完全不同的两类结构层。[0052] 总之，本发明的用于半刚性基层与沥青路面之间的功能层，能够阻断半刚性基层产生的裂缝反射到沥青路面，同时提高间断层的抗压回弹模量和抗剪能力，限制了间断层的塑性变形，保证了沥青路面的抗车辙性能不因之而降低。具体实施方式[0053] 下面结合具体的实施例对本发明的技术方案及效果做进一步描述，但本发明的保护范围并不限于此。[0054] 实施例1[0055] 本实施例用于半刚性基层与沥青路面之间的功能层包括下层采用乳化沥青稀浆封层的防水封层和上层砂碎石间断层。[0056] 一、防水封层[0057] 1、混合料配合比设计[0058] 采用ES‑3型乳化沥青稀浆封层作为防水封层，其混合料配合比设计按照（JTGF40‑2004）《公路沥青路面施工技术规范》的有关规定执行；设计结果是：集料:乳化沥青:外加水＝100:13.3:2.7，其中集料的配合比为：4.75mm 9.5mm碎石:2.36mm 4.75mm米石:石~ ~屑:矿粉＝25:25:45:5。[0059] 2、施工[0060] 1）乳化沥青稀浆混合料的拌和/摊铺[0061] 乳化沥青稀浆混合料的拌和/摊铺方法及要求按照（JTGF40‑2004）《公路沥青路面施工技术规范》的有关规定执行；[0062] 2）真空吸水[0063] 真空脱水在乳化沥青稀浆混合料摊铺完成15分钟即稀浆混合料破乳以后开始；[0064] 开动真空泵乳化沥青稀浆混合料中的真空度逐渐增加水分吸出，吸水正常时真空度控制在0.08MPa，当吸不出水时再逐步加大真空度进行吸水，直至真空度加大到0.13MPa，当出现2min吸不出水时结束吸水。[0065] 真空吸水设备有：真空吸水虑布、真空吸水垫、真空吸水管和真空泵。[0066] 真空吸水虑布铺设在已经摊铺的乳化沥青稀浆混合料上，其上铺设真空吸水垫，真空吸水垫通过真空吸水管和真空泵相连，开动真空泵把乳化沥青破乳后所产生的水吸出排掉。真空吸水垫铺设时，四周与路面之间填5mm厚、30mm～50mm宽的乳化沥青水泥浆，并且压紧密封；乳化沥青水泥浆由水泥与乳化沥青拌和而成，其稠度要求为0.5cm～1cm，本例为0.6cm。其中：真空吸水虑布的尺寸为3.1m×20m，真空吸水垫的尺寸为3.2m×20.2m，摊铺箱、真空吸水虑布和真空吸水垫的宽度依次至少宽10cm，真空吸水虑布和真空吸水垫的长度依次至少长20cm，它们的长度可做调整，以施工方便为原则。[0067] 真空吸水完成后，清除乳化沥青水泥浆。[0068] 二、砂碎石间断层[0069] 砂碎石间断层设计方法为：[0070] 第一步，根据经验确定砂碎石间断层的厚度h为10cm。[0071] 第二步，确定碎石松铺系数ɑss和细砂松铺系数ɑs[0072] 4cm～10cm碎石松铺厚度为11cm，然后按照（T0309‑2005）《粗集料堆积密度及空隙率试验》的方法振实，得振实厚度为h=10cm，则碎石松铺系数ɑss=11cm÷10cm=1.1；[0073] 在底部漏水但不漏砂的长方形容器中松铺细砂厚度为12.8cm，然后水冲密实，得密实厚度为10.1cm，则细砂松铺系数ɑs=12.8cm÷10.1cm=1.27；[0074] 第三步，按照（T0309‑2005）《粗集料堆积密度及空隙率试验》的方法确定4cm～10cm碎石振实空隙率VCADRC，实验结果是VCADRC=22%；[0075] 第四步，确定每1000m24cm～10cm碎石用量、细砂用量和乳化沥青用量：[0076] 4cm～10cm碎石振实体积用量Vss=h×1000m2=10cm×1000m2=100m3[0077] 细砂振实体积用量Vs=h×VCADRC×1000m2=10cm×0.22×1000m2=22m3[0078] 根据经验确定乳化沥青用量Vea=3m3，并且能够达到固结砂碎石间断层表层3cm～5cm厚的松散材料，不扬砂尘，临时通行不被破坏。[0079] 砂碎石间断层施工方法为：[0080] 第一步，按照ɑss=1.1的松铺系数，即松铺厚度h×ɑss=10cm×1.1=11cm摊铺4cm～10cm碎石；[0081] 第二步，用≥16t胶轮压路机碾压摊铺的碎石，使之密实；[0082] 第三步，按照每1000m2摊铺细砂用量=Vs×ɑs=22m3×1.27=27.94m3摊铺细砂；[0083] 第四步，冲水，使细砂填充碎石空隙并密实，得填砂碎石层；[0084] 第五步，整修表面，达到平整；[0085] 第六步，在填砂碎石层上部浇灌乳化沥青；[0086] 通过试验，每次浇灌1m3/1000m2乳化沥青，渗透深度为3cm～5cm，所以Vea=3m3乳化沥青分3次浇灌；[0087] 第七步，养护，即乳化沥青浇灌到沥青不粘轮需要3h；[0088] 第八步，养护结束即3h后，用≥16t胶轮压路机碾压2～3遍。[0089] 尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

专利地区：河南

专利申请日期：2022-12-19

专利公开日期：2024-09-13

专利公告号：2024-09-13