CN112501977B - 一种路用复合式仿生抗裂层及其施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种路用复合式仿生抗裂层,包括从下到上依次设置的高延性水泥基复合材料层和复合土工布层，所述高延性水泥基复合材料层内预埋有双向土工格栅，所述土工格栅的网格节点处上下均设置有垂直于土工格栅的插接杆，所述复合土工布层由多层土工布复合而成，且从上至下各层土工布内对应线在水平面内按同一方向偏移一定角度。本发明通过这些结构的相互协同配合，最终形成了类似螳螂虾附足结构的路面用抗裂层，该抗裂层具有良好的应力吸收和应力扩散能力，抗冲击性能优异，抗裂性优异，能够有效抑制反射裂缝的发生。
Description
技术领域
本发明涉及沥青路面领域，具体涉及一种路用复合式仿生抗裂层及其施工方法。
背景技术
沥青路面具有强度高、稳定性好、行车舒适等优势，是我国高等级路面的主要结构形式。沥青路面的特点为基层强度、刚度大，但抗变形能力不足。在温、湿度变化作用下，极易出现基层开裂的现象。因面层、基层紧密连接，基层开裂程度较大时，在基层裂缝与面层对应部位，将出现底部开裂现象，此时经行车荷载不断碾压，裂缝将持续向上发展，并形成反射裂缝。此类裂缝的产生，极易损坏路面结构。已有的缓解反射裂缝方法，例如增加面层厚度、设置裂缝缓解层、半刚性基层预锯缝等，存在着高造价、施工难度高、国产材料技术标准及质量不达标，抗反射裂缝效果不明显以及过早失效等一些问题。
在生物科学领域中，发现螳螂虾的附足结构具有很高的抗冲击性能，螳螂虾攻击的速度可达14-23m/s，角速度可达670-990rad/s，加速度可达65-104km/s2，相当于0.22英寸(合5.588毫米)口径的手枪子弹，由于附足的快速冲击作用与水发生的摩擦，引起十分巨大的冲击作用。后续研究发现，螳螂虾的附足结构之所以具有如此高的抗冲击性能，是由于螳螂虾附足外部是非常坚硬的高度矿化结构，而附足内部是多层螺旋状排列的几丁质纤维束，能够将冲击能量扩散到各个区域，减少冲击带来的破坏影响。
因此，基于螳螂虾附足所具有的坚硬外壳加多层纤维的独特结构，本发明研发了一种适合沥青路面使用的路用复合式仿生抗裂层，该抗裂层具有良好的应力吸收和应力扩散能力，抗冲击性能优异，抗开裂性优异，是一种能够高效抑制路面反射裂缝的抗裂路面结构，能够和其他结构层协同，更好地延长路面使用寿命。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种具有良好的应力吸收和应力扩散能力，抗冲击性能优异，抗开裂性优异的路用复合式仿生抗裂层，同时提供了该抗裂层的施工方法。
本发明提供的路用复合式仿生抗裂层,包括从下到上依次设置的高延性水泥基复合材料层和复合土工布层，所述高延性水泥基复合材料层内预埋有双向土工格栅，所述土工格栅的网格节点处上下均设置有垂直于土工格栅的插接杆，所述复合土工布层由多层土工布复合而成，且从上至下各层土工布内对应线在水平面内按同一方向偏移一定角度。
所述双向土工格栅由横向格栅条和纵向格栅条纵横交错形成，具有若干单元网格，网格节点指横向格栅条与纵向格栅条相交的位置；所述插接杆的截面呈矩形、三角形、T形或其它异形结构，可以考虑在插接杆的外侧设置多组用于加强连接的倒刺结构，可通过焊接的方式将插接杆连接到土工格栅的网格节点上下侧，使插接杆与土工格栅形成一体结构，也可以采用一体成型的方式制备带插接杆的土工格栅，提高连接强度。在水平面内按同一方向偏移的“同一方向”指同一顺时针方向或同一逆时针方向；以四层土工布复合制备复合土工布层为例，以第一层土工布经线为准线，铺设时，第二层土工布经线顺时针旋转30°，第三层土工布经线顺时针旋转60°，第四层土工布经线顺时针旋转90°，与第一层土工布纬线方向重合，通过这种方式铺设形成的复合土工布层形成多层螺旋状结构。
本发明通过采用具有优良的抗压、抗拉及多微裂缝性能的高延性水泥基材料，形成了类似螳螂虾附足的坚硬外壳，能够有效提高抗裂层对应力传递的抵抗作用，而高延性水泥基材料层中预埋的特制土工格栅，通过在网格节点处设置插接杆，形成了类似螳螂虾附足中的微观结构，增加了抗裂层结构的韧性以及抗冲击性能，复合土工布层通过采用特定的铺设方式形成了多层螺旋状结构，形成了类似螳螂虾附足具有高抗冲击性能的几丁质纤维多层螺旋结构，通过这些结构的相互协同配合，最终形成了类似螳螂虾附足结构的路面用抗裂层，该抗裂层具有良好的应力吸收和应力扩散能力，抗冲击性能优异，抗开裂性优异，能够更加有效地抑制反射裂缝的发生，在提高路面结构的安全性、耐久性和行车稳定性以及延长路面结构的使用寿命方面有着极为重要的意义。
进一步，从上至下，相邻两层土工布内对应线在水平面内形成的夹角相等。确保能够将冲击能量均匀扩散到各个区域。
进一步，所述夹角为20°～60°。
进一步，所述高延性水泥基复合材料层的厚度为2～4cm。
进一步，所述插接杆为实心杆或空心杆；所述复合土工布层由至少4层土工布复合而成，各层土工布之间采用粘接或缝合的方式制成复合土工布层。各层土工布之间可刷胶后再压合粘接；也可用针刺编织缝合在一起，用50-60针/cm2，针深为7-9mm。
本发明中，在高延性水泥基复合材料层上铺设施工复合土工布层时，各复合土工布在水平面内进行拼接时，用人工滚铺，布面要平整，并适当留有变形余量，拼接通常用搭接、缝合和焊接几种方法。缝合和焊接的宽度一般为0.1m以上，搭接宽度一般为0.2m以上。可能长期外露的土工布，则应焊接或缝合，所有的缝合必须要连续进行(例如，点缝是不允许的)。在重叠之前，土工布必须重叠最少150mm。最小缝针距离织边(材料暴露的边缘)至少是25mm。
本发明采用的土工布为机织长丝土工布，采用的土工布的厚度为1.0～2.0mm。单层土工布指标要求如下；
进一步，所述土工格栅的材质为高密度聚乙烯塑料，土工格栅指标要求如下：
(抗拉强度径向与纬向相同，网格形状均为正方形)
进一步，所述高延性水泥基复合材料层和复合土工布层之间采用沥青粘层油粘接。
进一步，所述高延性水泥基复合材料的原料包括：
水泥380-410kg/m3、石英砂440-460kg/m3、粉煤灰850-870kg/m3、高效减水剂6-10kg/m3、PVA纤维24-28kg/m3、水300-320kg/m3。
进一步，所述水泥为P.Ⅱ.42.5R硅酸盐水泥；所述粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰；所述高效减水剂选用聚羧酸减水剂；
所述PVA纤维的直径为30～45μm，长度为8～15mm，PVA纤维的弹性模量不低于40GPa，延伸率为7％～10％。
按重量百分比，所述石英砂中，0.15mm＜粒径≤0.3mm的石英砂颗粒为10％～15％，0.3mm＜粒径≤0.6mm的石英砂颗粒为30％～35％，0.6mm＜粒径≤1.18mm的石英砂颗粒为50％～60％。
本发明还提供了一种路用复合式仿生抗裂层的施工方法，包括如下步骤：
(1)在水泥基层表面涂刷一层水灰比为0.4～0.5的水泥净浆，然后将双向土工格栅放置于基层上方，利用模具与夹具确保使双向土工格栅以及双向土工格栅上设置的插接杆不与基层接触，再将高延性水泥基复合材料摊铺到水泥基层上方，使双向土工格栅预埋到高延性水泥基复合材料中，形成高延性水泥基复合材料层，摊铺后水泥基复合材料自密实，无需进行振捣；
(2)在高延性水泥基复合材料层上表面喷洒沥青粘层油，用量为0.6～0.8kg/m2，然后铺设复合土工布层，之后再向复合土工布层上表面喷洒沥青粘层油，用量为0.4～0.6kg/m2，即可在基层上形成复合式仿生抗裂层。
本发明的有益效果：
本发明通过采用具有优良的抗压、抗拉及多微裂缝性能的高延性水泥基材料，形成了类似螳螂虾附足的坚硬外壳，能够有效提高抗裂层对应力传递的抵抗作用，而高延性水泥基材料层中预埋的特制土工格栅，通过在网格节点处设置插接杆，形成了类似螳螂虾附足中的微观结构，增加了抗裂层结构的韧性以及抗冲击性能，复合土工布层通过采用特定的铺设方式形成了多层螺旋状结构，形成了类似螳螂虾附足具有高抗冲击性能的几丁质纤维多层螺旋结构，通过这些结构的相互协同配合，最终形成了类似螳螂虾附足结构的路面用抗裂层，该抗裂层具有良好的应力吸收和应力扩散能力，抗冲击性能优异，抗开裂性优异，能够更加有效地抑制反射裂缝的发生，在提高路面结构的安全性、耐久性和行车稳定性以及延长路面结构的使用寿命方面有着极为重要的意义。
本发明提供的一种路用复合式仿生抗裂层是一种适用于传统沥青路面领域的路面结构。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：
图1为实施例一的路用复合式仿生抗裂层的结构示意图；
图2为实施例一中以4层土工布复合制成的复合土工布层中各层的结构示意图；
图3为实施例一的土工格栅的局部平面示意图；
图4是多种土工格栅的局部结构示意图，(a)为实施例一采用的土工格栅结构，(b)、(c)、(d)为其它可替换的土工格栅结构；
图中：
1、复合土工布层，2、高延性水泥基复合材料层，3、土工格栅，4、插接杆。
具体实施方式
实施例一
本实施例提供一种路用复合式仿生抗裂层,包括从下到上依次设置的高延性水泥基复合材料层和复合土工布层，所述高延性水泥基复合材料层和复合土工布层之间采用沥青粘层油粘接，所述高延性水泥基复合材料层内预埋有双向土工格栅，所述土工格栅的网格节点处上下均设置有垂直于土工格栅的插接杆；所述插接杆为中空细长杆，所述插接杆的截面呈矩形，所述复合土工布层由4层土工布复合而成，且从上至下各层土工布内对应线在水平面内按同一方向偏移一定角度，从上至下，相邻两层土工布内对应线在水平面内形成的夹角为30°。
本实施例中，所述高延性水泥基复合材料层的厚度为2cm，所述复合土工布层由4层土工布通过粘接连接而成，采用的土工布为机织长丝土工布，采用的土工布的厚度为1.0～2.0mm。以第一层土工布经线为准线，铺设时，第二层土工布经线顺时针旋转30°，第三层土工布经线顺时针旋转60°，第四层土工布经线顺时针旋转90°，与第一层土工布纬线方向重合。
本实施例中，所述土工格栅的材质为高密度聚乙烯塑料，土工格栅指标要求为：网格尺寸25mm×25mm，抗拉强度为80kN/m，断裂伸长率为7％，拉伸弹性模量为65GPa。
本实施例中，所述高延性水泥基复合材料的原料包括：水泥380-410kg/m3、石英砂440-460kg/m3、粉煤灰850-870kg/m3、高效减水剂6-10kg/m3、PVA纤维24-28kg/m3、水300-320kg/m3；其中，所述水泥为P.Ⅱ.42.5R硅酸盐水泥；所述粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰，45μm筛余量不大于12％，需水量比不大于95％；所述高效减水剂选用聚羧酸减水剂，保持ECC浆体具有良好的工作性，同时也是使得纤维均匀分散在浆体中的需要；所述PVA纤维的直径为39μm，长度为12mm，PVA纤维的弹性模量42.8GPa，延伸率为7％；按重量百分比，所述石英砂中，0.15mm＜粒径≤0.3mm的石英砂颗粒为10.8％，0.3mm＜粒径≤0.6mm的石英砂颗粒为33.8％，0.6mm＜粒径≤1.18mm的石英砂颗粒为55.4％。
本实施例中，在室内制作了由ECC材料层、复合土工布和橡胶沥青加铺层组成的车辙板试件，再切割形成300mm×100mm×100mm的条形试件进行弯拉型(中荷载)和剪切型(弯拉型)疲劳性能试验，对不同复合试件施加中荷载，观测沥青加铺层初裂、1cm和2cm疲劳试验次数，通过对比和观察裂缝扩展情况，评价层间抗裂层的疲劳性能。实验结果如下表：
传统橡胶沥青层试件实验结果如下：
由复合试件的中荷载和偏荷载疲劳试验可知，本发明中层间抗裂层的复合试件抗开裂性能明显优于传统橡胶沥青层试件，本发明层间抗裂层可有效吸收来自交通荷载和温度变化引起的弯拉应力和剪切应力，可有效减缓反射裂缝的产生和扩展，具有优良的抗开裂性能。
本实施提供的路用复合式仿生抗裂层的施工方法，包括如下步骤：
(1)在水泥基层表面涂刷一层水灰比为0.4～0.5的水泥净浆，然后将双向土工格栅放置于基层上方，利用模具与夹具确保使双向土工格栅以及双向土工格栅上设置的插接杆不与基层接触，再采用滑模式水泥混凝土摊铺机将高延性水泥基复合材料摊铺到水泥基层上方，使双向土工格栅预埋到高延性水泥基复合材料中，形成高延性水泥基复合材料层，摊铺后水泥基复合材料自密实，无需进行振捣；
(2)在高延性水泥基复合材料层上表面喷洒沥青粘层油，用量为0.6～0.8kg/m2，然后铺设复合土工布层，之后再向复合土工布层上表面喷洒沥青粘层油，用量为0.4～0.6kg/m2，喷洒沥青粘层油的横向范围要比土工布宽5～10cm，复合土工布层铺筑时，应先将一端用固定器固定，然后用机械功人力拉紧，张拉伸长率宜为1.0％～1.5％，并用固定器固定另一端，复合土工布层铺设要求平整无折皱。固定器包括固定钉和固定铁皮，固定钉可用水泥钉、射钉或膨胀螺钉，钉长8～10cm，膨胀螺钉直径宜为6mm，固定铁皮可用厚1mm、宽3cm的铁皮条；复合土工布层横向应搭接4～5cm，并根据摊铺方向，将后一端压在前一端部之下；纵向应搭接4～5cm；横向搭接处应采用固定器固定，纵向可直接用粘层油粘结；即可在基层上形成复合式仿生抗裂层。在抗裂层上方可以直接摊铺沥青混凝土面层，也可以先摊铺1cm的橡胶沥青应力吸收层，再摊铺沥青混凝土面层，还可以先摊铺封层，再摊铺沥青混凝土面层。
橡胶沥青应力吸收层的施工方法，包括如下步骤：
a.纤维同步碎石封层车同时撒布纤维、橡胶沥青和碎石，车辆行进过程中保持匀速，速度控制在3～4.5km/h，保证材料撒布均匀；
b.撒布后采用10t胶轮压路机跟进碾压2～3遍，碾压速度与纤维同步碎石封层车行驶速度相协调。
封层摊铺时从路中央往边缘依次进行，根据摊铺机摊铺宽度用石灰画出摊铺机行走控制路线；摊铺机启动前，摊铺箱中必须有一定量的混合料，而且稠度适当，分布均匀，摊铺机才能匀速前进，速度2～4m/min。在摊铺箱不能到达的地方必须采取人工施工，通过人工处理达到均匀和平整。摊铺时两幅铺面的搭接宽度不应超过75mm，横向接缝和纵向接缝处不得出现余料堆积或缺料的现象，用3m直尺测量时，接缝处的平整度不应大于6mm。摊铺后采用6-10t轮胎压路机对已破乳并初步成的稀将混合料进碾压，使混合料具有更好的封水效果。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (3)
1.一种路用复合式仿生抗裂层,其特征在于：包括从下到上依次设置的高延性水泥基复合材料层和复合土工布层，所述高延性水泥基复合材料层内预埋有双向土工格栅，所述土工格栅的网格节点处上下均设置有垂直于土工格栅的插接杆，所述高延性水泥基复合材料的原料包括：水泥380-410kg/m3、石英砂440-460kg/m3、粉煤灰850-870kg/m3、高效减水剂6-10kg/m3、PVA纤维24-28kg/m3、水300-320kg/m3；所述插接杆为实心杆或空心杆；所述复合土工布层由4层土工布复合而成且从上至下各层土工布内对应线在水平面内按同一方向偏移一定角度，从上至下相邻两层土工布内对应线在水平面内形成的夹角为30°；各层土工布之间采用粘接或缝合的方式制成复合土工布层；所述水泥为P.Ⅱ.42.5R硅酸盐水泥；所述粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰；所述高效减水剂选用聚羧酸减水剂；
所述PVA纤维的直径为30～45μm，长度为8～15mm，PVA纤维的弹性模量不低于40GPa，延伸率为7%～10% ；
按重量百分比，所述石英砂中，0.15mm＜粒径≤0.3mm的石英砂颗粒为 10%～15%，0.3mm＜粒径≤0.6mm的石英砂颗粒为30%～35%，0.6mm＜粒径≤1.18mm的石英砂颗粒为50%～60%；
所述路用复合式仿生抗裂层通过下述步骤施工制得：（1）在水泥基层表面涂刷一层水灰比为0.4～0.5的水泥净浆，然后将双向土工格栅放置于基层上方，利用模具与夹具确保使双向土工格栅以及双向土工格栅上设置的插接杆不与基层接触，再将高延性水泥基复合材料摊铺到水泥基层上方，使双向土工格栅预埋到高延性水泥基复合材料中，形成高延性水泥基复合材料层，摊铺后水泥基复合材料自密实，无需进行振捣；
（2）在高延性水泥基复合材料层上表面喷洒沥青粘层油，用量为0.6～0.8kg/m2，然后铺设复合土工布层，之后再向复合土工布层上表面喷洒沥青粘层油，用量为0.4～0.6kg/m2，即可在基层上形成复合式仿生抗裂层。
2.根据权利要求1所述的路用复合式仿生抗裂层,其特征在于：所述高延性水泥基复合材料层的厚度为2～4cm。
3.根据权利要求1所述的路用复合式仿生抗裂层的施工方法，其特征在于：包括如下步骤：
（1）在水泥基层表面涂刷一层水灰比为0.4～0.5的水泥净浆，然后将双向土工格栅放置于基层上方，利用模具与夹具确保使双向土工格栅以及双向土工格栅上设置的插接杆不与基层接触，再将高延性水泥基复合材料摊铺到水泥基层上方，使双向土工格栅预埋到高延性水泥基复合材料中，形成高延性水泥基复合材料层，摊铺后水泥基复合材料自密实，无需进行振捣；
（2）在高延性水泥基复合材料层上表面喷洒沥青粘层油，用量为0.6～0.8kg/m2，然后铺设复合土工布层，之后再向复合土工布层上表面喷洒沥青粘层油，用量为0.4～0.6kg/m2，即可在基层上形成复合式仿生抗裂层。
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