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浙江湖州土工格栅在公路路面改建中的应用研究是国际领先和国内首创的应用技术,这种新材料、新工艺的研究成果,主要解决了沥青混凝土路面在改建过程中不设底基层的工程难题,有效地提高了路面的整体强度和刚度,延缓路面反射裂缝的出现,增加路面疲劳寿命,从而大大降低工程投资。目前,这项在国际、国内领先的技术将进一步得到发展和更广泛的应用,尤其在重载交通具有单向性的改建道路中的应用。到目前为止统计到的应用此项技术的工程如下(含已通车和正在施工的):1)河南省S238常付线(洛界公路)襄城茨沟至舞阳界段改善工程,15.33公里二级公路。2)河南省国道106至国道107沿黄连接线工程,33.56公里二级公路。3)广东省珠海市三灶镇城市道路工程,6公里次干道。4)陕西省周至~马召省道工程,25.4公里二级公路。本项目研究成果的应用,不仅可以提高公路的承载能力、保证或者提高公路的使用寿命、提高公路的通行能力,有力地促进交通运输业的发展,并为宏观经济的稳定、、持续的发展提供保障。而且可以节约大量的水泥、石料等原材料,降低工程投资,减少养护维修工作及其费用支出,因而本项目的研究具有良好的社会经济及环境效益。许昌市公路管理局将会同省公路管理局和省交通厅,在总结项目研究成果的基础上,根据鉴定专家组的意见,组织推广应用项目研究成果,在工程实践中进一步验证和完善,使科技成果转化为生产力,以适应重载交通运输发展的需要。
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浙江湖州金利复合材料有限公司,主要生产:浙江湖州玻纤土工格栅、浙江湖州钢塑土工格栅、双向塑料土工格栅、涤纶土工格栅、单向塑料土工格栅、透水土工布、短纤土工布、复合土工膜、防渗土工布、两布一膜、防裂贴、抗裂贴、三维植被网、软式透水管、塑料盲沟、硬式透水管、塑料植草格、塑料排水板、蓄排水板、螺旋裹丝管等土工材料产品,产品远销整个中国市场,应用于公路、铁路、水利、水电、园林绿化、垃圾填埋场、河道治理等等项目。产品具有高强度的拉力,能够是道路增强抗拉防止道路裂缝作用。
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随着浙江湖州公路的大规模修建,常遇到软土、膨胀土等特殊土施工难、质量控制不宜把握等问题,而土工合成材料的应用,在一定程度上解决了土木工程建设问题。所谓土工合成材料,是各种合成纤维织物的统称,包括土工格栅、土工网、土工薄膜及土工席垫等。其中,浙江湖州土工格栅具有抗拉强度高,变形模量大,耐腐蚀、抗老化,与土颗粒之间的摩擦系数大、连锁作用强、加筋效果好等特点,将土工格栅埋至土体内,作为地基的加固补强材料,可增强地基的承载力。同时,通过约束土体的侧向剪胀变形,可改善土体的整体受力条件,提高土体的整体强度和土工构筑物的整体稳定性,因此,玻纤土工格栅在公路建设中有着独特的应用前景。
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玻纤土工格栅是选用优质增强型无碱玻纤纱,利用国外先进经编机织成基材,采用经编定向结构,充分利用织物中纱线强力,改善其力学性能,使其具有良好的抗拉强度,抗撕裂强度和耐蠕变性能,并经过优质改性沥青涂覆处理而成的平面网络状材料。其因循相似相容原理,突出其与沥青混合料的复合性能,并充分保护玻纤基材,极大提高了基材的耐磨性及抗剪切能力,从而得以用于路面增强,抵抗裂缝车辙等公路病害产生,结束了沥青路面难以增强的问题。
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玻纤土工格栅的特性
玻纤土工格栅是以无碱玻璃纤维网布为基材,经表面涂覆处理而成的半刚性制品。玻纤土工格栅的优异性能特点如下:
1.高抗拉强度、低延伸率:玻纤土工格栅是以玻璃纤维为原料。超越了其它纤维和金属。同时它模量很高,而玻璃纤维的强度较高。具有很高的抗变形能力,断裂延伸率小于3%。
2.无长期蠕变:玻纤土工格栅作为增强材料。这保证产品能够临时坚持性能。 具备在临时荷载的情况下抵抗变形的能力即抗蠕变性是极为重要的玻璃纤维不会发生蠕变。确保了玻纤土工格栅能够长期保持性能。
3.热稳定性:玻璃纤维的熔化温度在1000℃以上,而在28℃下不会发生任何改变,保证了玻纤土工格栅在摊铺作业中承受过量热的稳定性。
4.与沥青混合的相容性:玻纤土工格栅在后处理工艺中涂覆的资料是针对沥青混合料设计的每根纤维都被充分涂覆。从而确保了玻纤格栅在沥青层中不会与沥青混合料产生隔离,与沥青具有很高的相容性。而是牢固的结合在一起。
5.物理化学稳定性:经过特殊后处理剂进行涂覆处理。保证其性能不受影响。 玻纤土工格栅能够抵抗各类物理磨损、化学侵蚀、生物侵蚀和气候变化。
6.集料嵌锁和:由于玻纤土工格栅是网状结构。这样就形成了机械嵌锁。这种阻碍了集料的运动,沥青混凝土中的集料可以贯穿其中。使沥青混合料在受荷载的情况下能够达到更好的压实状态,更高的承重能力,更好的荷载传送性能及较小的变形。
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玻纤土工格栅在公路工程中的应用
(1)玻纤土工格栅在路基加固及软基处理中应用
城市道路的新建及大修,主要考虑路基的稳定和沉降两大问题。一般无加筋路堤,在较厚的软土层上为圆弧滑动或冲切式沉降导致破坏;在薄层软土层上,则为侧向挤出破坏。道路通过软土地基时,一般简单的处理方法是换土或在软土地基上铺一层砾石或碎石后压实。换土法费工费料,不经济。铺碎砾石在压实后,有限的粒料被挤入软基土中,土料相混,降低了材料强度,路面在行车作用下仍易出现沉陷。随着土工合成材料研究的不断深入,大家发现采用玻纤土工格栅不仅能够解决软土地基稳定性的问题,还可以有效的减少路基填土后引起的不均匀沉降。把玻纤土工格栅直接铺设在软基上,再铺以粒料基层,这样不但能保证粒料与地基土不相混和而且格栅与粒料间的咬合作用得到了进一步加强,基层具有抗拉强度,从而提高了软土地基的承载能力。
使用玻纤土工格栅的经济效益在于:降低了对填筑材料的要求,当符合设计要求的填筑材料较远,则就近的砂性填筑材料加铺土工格栅后就能满足设计要求;减少填筑工程量;降低土方填筑碾压成本。
(2)玻纤土工格栅在防止反射裂缝方面的应用
在旧的水泥混凝土路面和旧的沥青混凝土路面上加铺沥青面层,是一种常用的路面修复技术。它具有工期短、造价低、对交通影响小、修复路面服务性能好等优点。但其主要问题是在沥青加铺层中容易出现反射裂缝,即沥青面层在使用中由于温度收缩、行车荷载及路基局部沉降形成的横向裂缝和纵向裂缝,且裂缝宽度随时间增长会逐渐增大,影响路面使用效果。按常规的处理方法,需切割面层,基层,再重新摊铺面层,施工工序复杂,经济效益较差。设置玻纤土工格栅是延缓反射裂缝的主要措施之一,在沥青面层中加铺玻纤土工格栅防裂层后,能有效降低沥青面层内裂缝的应力强度因子幅值,改变沥青层表面的应力分布,提高抗疲劳性,进而是裂缝不会很快扩展。有关试验表明铺设玻纤土工格栅防裂层后,面层抗疲劳荷载的能力比未铺设玻纤土工格栅防裂层的抗疲劳荷载能力提高10倍以上。
同时铺设玻纤土工格栅防裂层能减少路基的温度收缩和水分收缩,延缓反射裂缝扩展时间。采用玻纤土工格栅处理,不需要破坏路面结构,施工迅速,使用效果和经济效益明显。
玻纤土工格栅作用机理
玻纤土工格栅应用于道路结构层中,主要有抗疲劳开裂、路基加固和防止反射裂缝等方面的作用,其作用机理如下所述:
(1)抗疲劳开裂的作用机理
沥青路面必须具有一定的承载能力,在规定时间内不能发生疲劳破坏。沥青路面在直接与车轮接触的下面层受到压力,在轮载边缘以外区域,受到拉力作用,由于两处受力区域所受力性质不同,而又彼此靠近,因此在两块受力区域的交界处发生破坏,在长期荷载的做用下,发生疲劳开裂。
玻纤土工格栅在沥青面层中,能够将上述的压应力与拉应力分散,在两块受力区域之间形成缓冲带,减少了应力突变对沥青面层的破坏。同时玻纤土工格栅的低延伸率减少了路面的弯沉量,保证了路面不会过度变形。
(2)路基加固和防止反射裂缝作用机理
玻纤土工格栅通过两个重要机理作用于路基加固和防止反射裂缝:直接抗拉应力及固限土的侧向位移。对于加入玻纤土工格栅的沥青混凝土,玻纤土工格栅的网孔结构使玻纤土工格栅对网孔内的沥青混合料起了一个筋篐作用。因此,当沥青混凝土结构层底部的基础在荷载的作用下,出现裂缝并延伸到玻纤土工土工格栅处时,土工格栅的存在改变了裂缝的受力情况,使裂缝处的张开变形受到,从而起到加固路基抑制裂缝向上发展的作用。
玻纤土工格栅网孔结构的稳定性由于与沥青混合料相互填充而得到加强,玻纤土工格栅本身较高的抗拉强度则是抑制张开变形的主要因素。加入玻纤土工格栅的沥青混凝土可以有效的改善路面结构的应力分布,抵抗和延缓由于路基裂缝所造成的路面病害的发生,使沥青混凝土结构层在较长时期不发生因张力变形引起的受荷破坏,与未加玻纤土工格栅的沥青混凝土机构层相比,使用玻纤土工格栅可以大大提高路面的使用寿命。
在城市道路中使用玻纤土工格栅,综合造价低、养护维修费用低,社会效益明显,施工工艺容易掌握,具有广泛的应用价值。如果我们能够在新建和养护工程中大面积使用,就可以大大节省资金,提高公路施工质量,做到基础建设的资金合理利用,发挥其效益。
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玻纤格栅针对反射裂缝是沥青路面普遍存在的一种病害现象。根据国内外道路工程的实践,在沥青面层和中集沥青混合料层或粗集沥青混合料层之间铺设一层土工织物,可用以或减缓面层反射裂缝的产生,从而延长道路的使用寿命,降低维修成本。但是,由于沥青路面浇注时的温度高达160℃-180℃,致使土工织物褶皱、变形、软化,使其性能大大降低,不但难以或减缓面层反射裂缝的产生,而且使得沥青路面更加凹凸不平,而玻纤土工格栅所特有的性能,完全满足沥青路面的要求,目前许多工程已使用玻纤土工格栅。
玻纤应用于沥青道路时,可在以下几方面发挥作用。
(1)抗疲劳开裂
沥青路面必须具有一定的承载能力,在规定的时间内不能发生疲劳破坏。沥青路面在直接与车轮接触的下面层受到压力,在轮载边缘以外的区域,面层受到拉力作用,由于两处受力区域所受力性质不同,而又彼此紧靠,因此在两块受力区域的交界处即力的突变处发生破坏,在长期荷载的作用下,发生疲劳开裂。
玻纤土工格栅在沥青面层中,能够将上述的压应力与拉应力分散,在两块受力区域之间形成缓冲带,减少了应力突变对沥青面层的破坏。同时玻璃纤维土工格栅的低延伸率减少了路面的弯沉量,保证了路面不会发生过度变形。
(2) 耐高温车辙
沥青混凝土在高温时具有流变性,在车辆荷载作用下,受力区域产生凹陷,车辆荷载撤除后,沥青面层无法完全恢复原状态,即产生了塑性变形,在车辆反复碾压的作用下,塑性变形不断积累,形成车辙。通过沥青面层结构分析可知,高温下的沥青混凝土在受到荷载的碾压作用,形成了微量的波形流变,面层中没有任何可以约束沥青混凝土流变的骨架材料,造成沥青面层流变的累积叠加,这是形成车辙的根本所在。
在沥青面层中使用玻纤土工格栅,其在沥青面层中起到骨架作用,沥青砼中集料贯穿于格栅间,形成复合力学嵌锁体系,集料运动,增加了沥青面层中的横向约束力,沥青面层中各部分彼此牵制,防止了沥青面层的推移,从而起到抵抗车辙的作用。
(3) 抗低温缩裂
严寒时期,沥青混凝土面层的温度近于气温,沥青砼遇冷收缩,产生拉应力,在受到荷载反复作用下,拉应力进一步增加,当拉应力超过沥青砼拉伸强度时,产生裂纹,在裂纹两端处,拉应力更加集中,裂纹逐步形成裂缝,造成病害。
玻纤土工格栅置于沥青中,使得沥青砼的拉伸强度大大提高,足够抵抗住较大的拉应力而不致发生路面破坏,即使因为局部区域产生微小裂纹,裂纹处的应力集中,经玻纤土工格栅的传递而消失,裂纹不会发展成裂缝。
(4) 延缓反射裂缝
裂缝产生的反射有两种,一种是面层产生裂缝后,裂缝向下反射,破坏下层结构,降低路面结构强度,在雨水时节,水进入裂缝中,在交通荷载(轮胎压力)的反复抵压,水在裂缝中产生水压,水不断的冲击沥青混合料,导致裂缝扩大。另一种是旧面层原有裂缝,路基层或下层路基层产生的裂缝向上反射,新罩路面无法承受因底层移动而产生的剪切力和抗伸应力,导致路面面层裂缝。在沥青罩面层中加铺玻纤土工格栅夹层,抑制应力,释放应变,增强沥青混凝土整体强度,达到防止裂缝向上或向下反射的目的。
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浙江湖州玻璃纤维土工格栅是以玻璃纤维为材质,采用一定的编织工艺制成的网状结构材料,为保护玻璃纤维、提高整体使用性能,经过特殊的涂复处理工艺而成的土工复合材料。玻璃纤维的主要成份是:氧化硅、是无机材料,其理化性能极具稳定,并具有强度大、模量高,很高的耐磨性和优异的对寒性,无长期蠕变;热稳定性好;网状结构使集料嵌锁和限制;提高沥青混合料的承重能力。因表面涂有特殊的改性沥青使其具有两重的复合性能,极大地提高了土工格栅的耐磨性及剪切能力。有时配合自粘感压胶和表面沥青浸渍处理,使格栅和沥青路面紧密结合成一体。由于土石料在土工格栅网格内互锁力增高,它们之间的摩擦系数显著增大(可达08~10),土工格栅埋入土中的抗拔力,由于格栅与土体间的摩擦咬合力较强而显著增大,因此它是一种很好的加筋材料。同时土工格栅是一种质量轻,具有一定柔性的塑料平面网材,易于现场裁剪和连接,也可重叠搭接,施工简便,不需要特殊的施工机械和专业技术人员。玻璃纤维土工格栅1)高抗拉强度、低延伸率——玻纤土工格栅是以玻璃纤维为原料,具有很高的抗变形能力,断裂延伸率小于3%。2)无长期蠕变——作为增强材料,具备在长期荷载的情况下抵抗变形的能力即抗蠕变性是极为重要的,玻璃纤维不会发生蠕变,这保证产品能够长期保持性能。 3)热稳定性——玻璃纤维的熔化温度在1000℃以上,这确保了玻纤土工格栅在摊铺作业中承受热的稳定性。4)与沥青混合的相容性——玻纤土工格栅在后处理工艺中涂覆的材料是针对沥青混合料设计的,每根纤维都被充分涂覆,与沥青具有很高的相容性,从而确保了玻纤土工格栅在沥青层中不会与沥青混合料产生隔离,而是牢固的结合在一起。 5)物理化学稳定性——经过特殊后处理剂进行涂覆处理,玻纤土工格栅能够抵抗各类物理磨损和化学侵蚀,还能抵御生物侵蚀和气候变化,保证其性能不受影响。 6)集料嵌锁和限制——由于玻纤土工格栅是网状结构,沥青混凝土中的集料可以贯穿其中,这样就形成了机械嵌锁。这种限制阻碍了集料的运动,使沥青混合料在受荷载的情况下能够达到更好的压实状态,更高的承重能力,更好的荷载传递性能及较小的变形。
为适应城市交通运输的发展需要,在原有道路线型基础上拓宽和在原水泥混凝土路面上加铺沥青混凝土面层,可提高城市道路的交通运输能力和水泥路面的使用功能,改善路面的平整度,减少汽车行驶的噪音。但如何防止原有水泥路面以及拓宽路面与原有路面之间接缝的反射型裂缝的发生,是城市道路改造中遇到的一个新课题。一、方案的提出经过改革开发二十多年的发展,柳州市文惠路、广场路的交通流量猛增,路面变得相对狭窄,成了柳江河南、北半岛的交通瓶颈。为改善柳江南北两岸道路交通不畅的状况,提高道路的通行能力,对80年代末在旧沥青路面上相继修建全长605米主车道宽10m的文惠路水泥混凝土路面,及全长为460m主车道宽18m的广场路进行拓宽改造。文惠路车行道由原来的10m拓宽到15.5m,构成4车道;广场路车行道由原来的18m,拓宽到30m,构成8车道。鉴于这两条道路位置及周边环境的特殊性,道路设计保留原有的水泥混凝土路面作为道路基层,且只考虑单边拓宽。但单边拓宽将出现路拱不对称,影响行车和拓宽部分的路面与旧水泥路面的衔接问题,以及按原水泥路面进行拓宽后,车速提高产生更大噪音对道路两侧居民造成更大的影响。故为了解决上述问题,采用在水泥路面上加铺改性沥青面层,但将面临如何防止沥青混凝土路面产生反射裂缝的问题。为防止半刚性基层与刚性板之间、以及旧水泥板块之间、新旧水泥混凝土板块之间的接缝出现反射裂缝,采用铺设玻璃纤维土工格栅、加铺改性沥青混凝土面层的方案。二、旧路及拓宽范围的基层处理(一)旧路基层状况。经调查,路面损坏评定状况为中等,水泥混凝土板块损坏较少,故采用液压镐破碎、凿除旧混凝土病害板并清理路槽,用C20混凝土补强基层。(二)拓宽部分基层处理。因拓宽部分就是原来的人行道,原人行道下面布置有通信管线、高压电力电缆、给水管道等地下设施,这些管线无法中断,只能采用混凝土就地进行保护,其余拓宽范围能用压路机碾压的采用级配碎石,宽度不够上不了压路机的采用片石混凝土做底基层,基层采用20cm厚C20早强混凝土。(三)接缝处理。混凝土板路面接缝不但是受力薄弱处,也是雨水进入基层的必经之处,因此必须处理好。在实施中由于没有清缝机,故先用混凝土板切割机先对准接缝切割,割松并剔除填缝后再用压缩空气干净缝隙中其它的泥土杂物,然后重新灌注沥青码蹄脂填缝料进行封缝,以防止雨水通过接缝进入基层引起病害。