城市道路改建中舊水泥路面碎石化技術的研究

寧俊明 周 瑜

自20世紀70年代始,大多城市道路都建成了造價相對便宜的水泥混凝土路面。而且由于成本的問題,絕大多數為非鋼筋混凝土結構,加之路基等級低或設計為有先天技術適應性缺陷的高等級半剛性基層。隨著社會經濟大發展帶來的重交通負荷增加,水泥混凝土路面都出現了斷板、錯板、裂縫、剝落、坑洞等損害。因此,舊水泥混凝土路面的養護、維修、改建工作就顯得尤其重要。

通常對城市道路改建的方式是將舊水泥混凝土路面破碎后作為基層,再鋪加瀝青混凝土或水泥混凝土。破碎舊混凝土路面可以采用沖擊式壓實、打裂壓穩、碎石化三種方法。國內外研究表明:沖擊壓實、打裂壓穩都只能延緩反射裂縫的出現,而不能徹底消除其發生,碎石化被認為是一種有效消除反射裂縫的方法。

1 防止反射裂縫措施與碎石化改造技術

1.1 傳統的防止反射裂縫措施

為防止反射裂縫,在加鋪工藝上也采取了幾種方法:

1)在兩層之間設置夾層,即以土工格柵、土工織物、橡膠瀝青等特殊材料設置于新舊層之間,吸收部分應力,延緩裂縫反射,增強新加鋪層的抗拉抗剪強度,使新舊層結合為一體;2)加鋪較厚的新層,以提高新層的整體強度和抗反射裂縫的能力,但成本明顯增大,效果并不理想;3)在新加鋪層上設置脹縮縫,以釋放下層反射應力集中產生裂縫。但是上述幾種方法難以從根本上解決問題。如何才能使翻修改造后的路面使用壽命達到和新路一樣,而又能利用舊面板材料節約大量資源,我們寄希望于利用一種新的破碎、碾壓、加鋪工藝達到此目的。

1.2 碎石化改造技術

為徹底消除舊面板對新加鋪層的反射裂縫影響,只有將原有的舊面板徹底打碎,以完全消除原有路面存在的病害及隱患,并將打碎的混凝土碾壓后直接作為基層或底基層,再加鋪新的面層(水泥或瀝青混凝土),才能達到我們希望的目的。這樣的工藝技術才是水泥混凝土路面翻修改造的最佳方法。它不但徹底消除了病害隱患,而且既解決原路面棄方的問題又節約了大量路基材料,大幅降低了工程造價,同時也有利于環保。

碎石化技術是將水泥混凝土(俗稱白色路面)破碎一般小于30 cm的混凝土顆粒,產生一個新鋪的均勻基層,從而防止瀝青面層出現反射裂縫。碎石化技術通過專用的機械設備對水泥混凝土板塊進行擊碎處理,并通過碾壓等工序使水泥混凝土板塊成為新的水泥混凝土顆粒,組成相對松散、強度相對均勻的結構層。利用其作為基層,消除了在不破碎的舊水泥混凝土路面上加鋪瀝青面層可能出現的反射裂縫,提高了加鋪后新路面結構的可靠性和耐久性。

1.3 碎石尺寸、反射裂縫和強度的關系

破碎后的碎塊尺寸越大越不均勻,對新加鋪層的影響就越大,更易引起反射裂縫:破碎后的碎塊尺寸越小,雖然引起反射裂縫的幾率就越小,但對路面的支撐強度也會減小,使作為基層使用的破碎壓實層的結構失效概率增大。經研究,碎塊尺寸與反射裂縫和結構強度之間的關系如圖1所示。根據國外工程經驗,舊路面破碎后的碎塊尺寸在3英寸～8英寸(8 cm～20 cm)之間時,才可取得較為理想的效果。

2 水泥混凝土碎石化機械設備與應用

2.1 沖擊壓實機

斷裂穩固是一種在修筑加鋪層前處理原水泥路面的方法,在國外尤其在美國是一種成熟的技術、有完善的工藝。目前我國使用的多為3邊輪和5邊輪。沖擊壓實機的壓實能來自兩個方面:一是沖擊輪的自重;二是沖擊輪滾動時所產生的沖擊功能。同時由于多邊碾壓輪的蓄能快速釋放,也加大了對水泥板塊的沖擊。其巨大的沖擊能以1.5次/s～2.2次/s的低頻率沖擊水泥板塊,所產生的強烈沖擊波可向水泥板塊下面的底基層和土基層傳播,從而使擊碎板塊得到壓實穩固。沖擊壓實機實際施工效果顯示:隨著沖壓遍數增加,縱向裂縫增大增多,橫向裂縫也開始出現;沖壓5遍后水泥板塊已破碎,裂縫呈網狀并分布于整幅板塊,部分板塊完全破碎,其尺寸為30 cm～40 cm;沖壓15遍～20遍后水泥板塊尺寸變為20 era～30 era,且碎塊極佳的嵌鎖穩固狀態,完全符合施工工藝設計的要求。

2.2 液壓多錘頭破碎機

液壓多錘頭破碎機由兩部分組成:前半部分為動力裝置柴油機和液壓系統;后半部分為工作裝置破碎系統——中間設有兩排各3對錘頭,兩側各有一對翼錘。柴油機驅動液壓泵,液壓泵為液壓缸提供壓力油。液壓缸的往復運動帶動各錘頭交替地錘擊水泥板塊并使其破碎。每對錘頭提升高度可獨立調節。液壓多錘頭破碎機的作業寬度可達4 m/次,工作速度可達62.5 m/h。

2.3 共振式破碎機

上述沖擊壓實機和多錘頭破碎機均存在振動噪聲大,工人勞動強度大,碎塊尺寸大且不均勻,需要多次重復作業、效率低等缺點。特別是不均勻的碎塊作為基層使用。難以避免新路面反射裂縫的產生,使其實際使用受到很大限制,甚至有的國家如美國已禁止使用重錘、沖擊式破碎工藝來修復水泥路面。20世紀末,美國RMI公司成功研制了共振式破碎機。

3 共振破碎原理

共振式破碎機利用振動梁帶動工作錘頭振動,錘頭與路面接觸。通過調節錘頭的振動頻率,使其接近水泥面板的固有頻率,激發其共振,將水泥混凝土面板擊碎。工作錘頭上裝有專用傳感器,感應路面的振動反饋,由電腦自動調節振動頻率,搜尋被擊物的自有頻率,并引起水泥面板在錘頭下局部范圍內產生共振,使混凝土內部顆粒間的內摩擦阻力迅速減小而崩潰。

4 共振破碎技術特征

1)破壞路面的完整性。碎石化后,舊水泥混凝土路面的結構完整性必須徹底破壞,以防止以后出現反射裂紋。2)破碎顆粒相互嚙合。破碎的形狀必須呈“鋸齒”狀,碎粒相互嚙合,狀態未打亂,碎粒共同“工作或彎曲”,使負荷分散到更大范圍,對比效果。3)破碎粒徑一致。破碎的碎粒應大小一致,方可使路面共同彎曲,將所承載的負荷均勻分散到路基上。

5 施工優勢

1)碎石化是一種修復形式,可與“新”鋪路面相媲美。當混凝土路面損壞到必須進行某種形式的修補或全面重建時,費用對比十分明顯。美國阿肯色州一個項目的對比分析,全部重修比碎石化大3.4倍。在美國其他州,重建和碎石化的費用比是3.3∶1～4.0∶1,共振碎石化施工更經濟。2)城市的交通主干道或分流繞城高速公路,過往車輛繁多。共振碎石化施工,對其特定的環境可設計在夜間或約定的時間作業,且共振碎石化施工工期只有重建施工的1/5,對交通干擾小。

6 施工要點

1)壓穩:a.共振碎石化施工是使舊水泥混凝土路面被共振破裂,而不是粉碎,因此,將表面壓平和“壓穩”即可,不可能也不必達到一般意義上的壓實;b.使用10 t光輪振動壓路機進行2遍～3遍碾壓足以將表面細小碎粒壓入裂縫,進一步提高破碎混凝土的模量,然后用水灌車在表面灑一遍水,再進行一遍帶“振動”的碾壓。

2)排水:a.通過設置“邊緣排水”系統使支撐破碎的普通水泥混凝土路面的路基變得干燥,保持干燥。邊緣排水最常見的是45 cm～60 cm深、30 cm寬并內襯油氈或濾網的排水溝。溝底鋪設φ 10 cm多孔塑料管或土工織物覆蓋的其他管道。大約每隔100 m～300 m或在較低的地方,布置橫向排水管將水排出公路;b.邊緣排水使路面下的水排出,路基變得更干和結實,即模量更高。路面上行駛車輛的輕微振動加速了以前的積水的運動。重要的是,不能使破碎的混凝土侵入路基。路基被侵入的地方會潛在積水不易排出到邊緣排水系統中。在這些水坑上破碎混凝土的“活動”會對路基和瀝青罩面造成損壞;c.碎石化路面上面5 cm～8 cm是排水層,邊緣排水系統延伸到該層,如果水從表面瀝青的裂紋滲透下來時,可以被排出。碎石化下面15 cm～20 cm是密封的,即上層來的水不會滲入到底基層和路基。

7 結語

1)共振碎石化技術是對舊水泥混凝土路面改造的一種新技術,施工程序簡便,交通干擾小,可明顯縮短施工周期,使現場由于施工造成的交通影響降到最低。2)通過共振碎石化施工,使舊路面板被破碎為最大粒徑小于23 cm的混凝土塊,破碎顆粒相互嚙合或呈“鋸齒”狀,使原路面結構的強度能夠最大程度地保持。3)共振碎石化后的舊水泥混凝土路面可以直接用來作為新路面結構層的基層,由于破碎粒徑小且均勻,其加鋪層不會產生嚴重的反射裂縫。因此,共振碎石化技術在舊水泥混凝土路面改造工程中的運用前景十分廣闊。

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