城市舊水泥路面改造工程共振碎石化工藝分析

孟祥虎(合肥市市政設計研究總院有限公司,安徽 合肥 230041)

0 引 言

路面是道路的重要組成部分,其施工質量直接影響行車舒適度和使用年限,對于在運營過程中出現的路面破碎、裂縫等問題需要及時進行修復。共振碎石化技術近年來在公路養護大修的施工中得到了較為廣泛的應用,與傳統的修復方式相比,它具有施工操作簡便、成本相對較低等優點,對路面的修復效果良好,具體優點如下:

(1) 施工簡便、效率高,交通組織靈活。共振碎石化施工的主要設備有共振破碎機、灑水車、壓路機等,設備使用種類少,通用性高,方便施工機械組織管理,減少機械成本支出。同時,共振碎石化施工由于施工機械少,作業區分段靈活,利于施工現場交通組織,減小施工過往道路通行影響。

共振碎石化技術施工效率高,速度快,而且經破碎后的碎石層,無須養護期,可直接進入透層、封層、面層等加鋪層施工,施工工序可以無縫銜接,提高了路面維修效率,符合快速施工、快速開放交通的公路運維理念,適用于在交通流量大、開放交通要求高的路段應用。

(2) 碎石層剩余強度高,抗反射能力強。經共振碎石化技術處理后的水泥路面碎石層,粒徑主要在3～15 cm,上層粒徑較小,一般在5 cm以下,相對松散,類似于級配碎石,起到應力釋放作用,下層粒徑集中在5～15 cm,塊狀,且處于斜向咬合狀態,破裂角度在30°～45°,相互嵌鎖,裂而不散,有較高的剩余強度。

作為基層使用時,既有柔性基層抗干縮、抗溫縮、抗反射裂縫、抗疲勞等優點,又有半剛性基層承載能力大、剛度大、彎沉小、模量高等特點,能有效解決水泥路面“白改黑”工程中經常出現的反射裂縫現象,是一種極佳的瀝青路面基層材料。

(3) 施工環保、經濟,對周圍環境影響小。共振碎石化技術將舊水泥路面破碎并重新利用作為基層使用,充分挖掘舊水泥板塊的剩余價值,既提高了公路維修的經濟性,又減少了水泥板塊廢棄物的排放,符合當今綠色、環保、節能的公路建設理念。

共振碎石化技術采用高頻率、低振幅的振動,相對于多錘頭等其他傳統破碎方式,共振碎石化技術破碎沖擊力小,可大幅減少了對周邊建筑物、構筑物及各地下管線的影響;而且,共振碎石化工藝施工噪聲小,更適合在穿城、穿鎮等噪聲敏感路段施工。

城市道路“白改黑”后道路功能將得到整體提升,同時結合道路改造,對現狀雨污合流、地下管線設施同步進行升級改造,可以完善道路配套設施。

本文以蚌埠市湯河路“白改黑”改造項目為范例,淺析共振碎石化工藝在城市舊混凝土路面改造中的應用。

1 工程概況

湯和路位于蚌埠市城區東部,路線北起孫郢路,南至學瀚路口,全長約8.5 km,是連接經開區及龍子湖區重要的通道,也是完善蚌埠市片區內部路網的重要組成部分,如圖1所示。

圖1 工程位置圖

本次設計湯和路工程范圍位于經開區,起點為勝利路,終點為蚌埠學院(黃山大道北側),全長約4.66 km,道路等級為城市次干路,規劃道路寬度為35 m,由于征地等原因,近期按照20 m實施,機非混行;設計速度為40 km/h。本次設計道路為老路改造項目,周邊地塊以小區、高校、企業為主。

本項目建設對于改善區域交通環境,滿足居民出行需求,帶動地塊開發,具有重要意義。

2 現狀混凝土板塊調查

2.1 擬建道路現狀混凝土板塊檢測概況

鑒于湯和路改造工程設計的需要,對蚌埠市湯和路既有水泥混凝土路面進行了質量檢測。湯和路(勝利路—蚌埠學院)為雙向四車道,路寬20 m,全長4.66 km。檢測內容主要為既有水泥混凝土路面板塊病害現狀調查、彎沉差及主副點彎沉、傳荷系數檢測、面層厚度、面層水泥混凝土強度檢測和基層厚度。

2.2 路面狀況調查統計結果

根據現場混凝土板塊破損狀況調查得到的病害類型、輕重程度和密度指數,計算出湯和路路段的路面綜合狀況指數PCI=60.981,斷板率為13.428%,平均錯臺量為0.494,路面損壞狀況等級為C級。

3 設計方案

3.1 設計原則

本項目的設計應滿足項目的交通功能及經濟性要求,體現本工程的整體效能,設計應達到“科學合理,基本功能完善,造型新穎,布局緊湊,造價合理”的目的,設計遵循以下原則:

(1) 注重道路交通設計理念的研究與應用,綜合分析區域規劃、道路環境,工程方案應滿足交通發展的近期及遠期要求,并做到功能上適用并適度超前、技術上可行,以取得最佳的投資效益,且確保設計方案的基本功能完善。

(2) 堅持科學態度,積極采用新成果、新技術、新工藝、新材料。既要經濟合理、安全可靠,又要適合本工程的建設特點。建設規模及標準與道路性質、功能定位相契合。合理確定建設標準,就地取材,選用成熟的施工材料和工藝,節約工程投資,使適用性和經濟性實現最佳結合,以達到控制造價的目的,確保工程造價合理。

(3) 節約資源、避免浪費、環境保護,體現城市發展的可持續。總體設計應充分利用現有地形及道路現狀進行豎向設計,以最大限度地減少因考慮不周帶來的重復建設和巨大浪費,節約寶貴的資源,實現城市可持續發展的戰略要求。水泥混凝土板共振碎石化后加鋪瀝青層可很好地消除反射裂縫,因此路面狀況較好時可以采用該技術,但需要考慮經濟成本等。路面質量較差時會影響共振破碎效果,因此需經技術論證以及病害處理后采用該技術。共振碎石化作業面距離道路兩側構筑物或建筑物水平安全距離應滿足表1要求。

表1 共振碎石化作業面距離道路兩側構筑物或建筑物水平安全距離

共振碎石化施工作業路段內構筑物和管線的安全距離應滿足表2要求。無法避免時,應采取隔離措施。

表2 共振碎石化施工作業路段內構筑物和管線的安全距離

表3 共振碎石化施工質量檢驗標準

3.2 現狀混凝土路面處理方案

根據現場調查本次設計湯和路,勝利路至望湖路段(樁號0+00—7+89.012)、向湖路至東海大道段(樁號12+72.714—東海大道)、學苑路至設計終點段三段道路兩側構筑物或建筑物距離車道邊均大于10 m;車行道范圍內地下管線埋深均大于1 m,且管道運營狀況良好,可就地利用;道路范圍內無涵洞、橋梁、擋土墻等地下構筑物;同時根據檢測報告,路面破損狀況調查評定等級為C級;本次設計對以上三段采用共振碎石化技術,首先對現狀水泥混凝土路面進行處理,然后利用專業共振碎石化設備將現狀混凝土路面碎石化,經檢測合格并達到設計及規范要求后,再采用碎石層找平,最后加鋪瀝青面層。現狀水泥混凝土路面具體處理方案,應結合彎沉檢測結果,根據以往施工經驗及實驗路段反饋數據:

(1) 對于彎沉值L<40(0.01 mm)并且板底無嚴重脫空的板塊,設計時不做特殊處理后;

(2) 對于破碎板及彎沉值L≥40(0.01 mm)的板塊占既有道路總板塊數比例不高時,對該部分板塊采取翻挖換板處理,面板開挖后對既有基層進行檢測,滿足要求時,可直接澆筑面板,對于不滿足要求的基層也應挖除,并采用40 cm厚C20素混凝土澆筑至基層頂面后,重新澆筑24 cm厚C30混凝土面板;

(3) 對于破碎板及彎沉值L≥40(0.01 mm)的板塊占既有道路總板塊數比例較高時,則對該道路采取全段挖除面板及基層后,對開挖面進行檢測,滿足新建道路的底基層要求后,鋪筑水穩碎石基層和瀝青面層。

3.3 路面結構設計方案

根據《城鎮道路路面設計規范》(CJJ 169—2012),本項目路面設計采用雙輪組單軸載100 kN為標準軸載。

(1) 設計年限:瀝青混凝土路面15年;

(2) 標準軸載:雙輪組單軸載100 kN;

(3) 設計交通等級:中等交通。

路面設計采用多層彈性連續體系理論,根據計算,車行道(碎石化后加鋪段)結構做法(加鋪總厚度約20 cm)如下:

4 cm AC-13C細粒式SBS改性瀝青混凝土;

改性乳化瀝青粘層;

8 cm AC-25C粗粒式SBS改性瀝青混凝土(抗車轍劑添加量0.4%);

AC-25C粗粒式瀝青混凝土調平層;

乳化瀝青封層(2.0～3.5 kg/m2,松散層粉末較多時取上限);

碎石補強及調平層(粒徑為4.75～9.5 mm,含泥量小于3%);

原路面水泥混凝土面板共振碎石化(原混凝土面板處理后再進行共振碎石)。

4 施工方案

4.1 原水泥混凝土路面共振碎石化

共振碎裂技術產生的高頻低幅振動能量,通過破碎錘頭傳遞到水泥板塊里,使舊水泥混凝土板塊表面4～6 cm深度范圍碎裂成5 cm以下粒徑的碎石層(頂面最大粒徑不大于5 cm,合格率應不小于75%)。由于共振破碎機動量高,和板塊接觸時間短,將水泥板塊表面的“裂紋”瞬間均勻地“擴展”到板塊底部,作用于水泥板塊內部的高頻振動力使得整體破裂均勻,碎塊大小和方向極其規律,水泥板塊產生斜向裂紋,與路面夾角呈30°～40°。

碎石化施工前,施工單位應制定切實可行的施工組織設計,符合要求方可施工。碎石化不得在雨(雪)天氣下施工,施工中如遇雨(雪)時,應立即停工,并采取措施,確保排水通暢。

碎石化施工現場應嚴格按《公路養護安全作業規程》(JTG H30—2015)進行,未加鋪路面結構前的碎石化層嚴禁通行車輛。

4.2 施工準備

(1) 對路基地下水位偏高,潮濕,排水不暢路段或施工季節降雨較多,應修復或設置排水系統。

(2) 特殊路段的處理:①軟弱路段,常年唧漿、基層或路基含水量過大的不良路段,碎石化后松軟,應將碎石化層挖除后用級配碎石換填。②過量碎石化路段,局部路段面板強度過低等情況使碎石化層過于松散,也應對碎石化層挖除換填。③局部下陷路段,如果下陷5 cm可不予處理;否則應判斷下陷的原因,并對碎石層挖除換填。

(3) 構造物標識,應在現場對沿線結構物進行明確標識,以確保不會因為碎石化施工而造成損壞。

(4) 交通管制,碎石化前應制定詳細的交通組織方案,滿足通車及施工安全。

4.3 施工程序

舊水泥混凝土路面共振碎石化技術施工程序為:

路況調查—灑水濕潤—試振—檢測驗證—共振碎石化—清除表面粗粒料—壓實—技術指標檢測—鋪筑水泥穩定碎石基層。

4.4 試振

舊水泥混凝土路面共振破碎質量(破碎程度、粒徑大小排列和形成的破裂面方向)主要受到破碎機施工速度、振幅、破碎順序、破碎施工方向、不同基層強度(剛度)以及對破碎機調整要求等因素影響。為了確保共振破碎質量,實施共振破碎必須進行破碎試振。試振后,通過開挖坑穴,檢驗破碎粒徑分布情況,以及均勻程度,確定破碎機施工參數及施工組織措施等。

4.5 破碎施工順序

破碎前,應對破碎車道水泥混凝土路表面灑水濕潤,以防止破碎時揚塵,污染環境。破碎順序一般由水泥路面外側車道開始,從邊緣向中間破碎,破碎時應有重復破碎搭接面,搭接寬度不應小于5 cm。施工中應及時清除瀝青加鋪或修補材料、填縫料,接縫傳力鋼筋或其他雜物。施工過程中如臨時發現軟弱路基,應及時處置。破碎應全面徹底,不遺留未破碎區域。

4.6 壓實

壓實前,應清除舊水泥混凝土路面接縫內大于5 cm的碎石塊,并對凹陷的路段采用級配碎石粒料回填。然后采用光輪壓路機碾壓密實。

碎石化后應及時壓實,受碎石化原理控制,共振碎石化后松散層顆粒粒徑較小,適當灑水,宜采用鋼輪壓路機(通常四遍)和輪胎壓路機(通常兩遍)組合碾壓。壓實遍數以壓實完成后表面均勻密度為準。

碾壓結束后,為使表面較松散的粒料具有一定的黏結力,宜噴灑乳化瀝青透層油,用量在2.0～3.5 kg/m2,鋪裝瀝青面層前,不得通行車輛。

碎石化技術控制要點可歸納為“治”“透”“實”“穩”“檢”“蓋”六字要訣。

(1) 治——病害處治,即對軟弱老路基或基層進行病害治理。

(2) 透——必須將原水泥混凝土面板破透,讓其能量充分釋放,這是防止新加鋪路面結構是否出現反射裂縫的關鍵。充分了解和掌握原路面狀況和沿線結構物分布,通過探坑確定共振破碎機的頻率、振幅等參數。

(3) 實——碾壓密實,用鋼輪和膠輪組合碾壓。

(4) 穩——混凝土路面破碎后應形成穩定的路面結構層。

(5) 檢——質量檢測,檢測的內容包括彎沉值、破碎寬度、漏破情況、軟弱路基處治情況等。

(6) 蓋——壓穩后及時施工瀝青面層,目的是防止雨水等水分對路基的侵蝕,保護破碎層。

4.7 技術指標檢測

舊水泥混凝土路面實施共振碎石化后,采取外觀鑒別和實地檢測相結合的方法,選取具有代表性的路段挖坑穴抽樣檢驗、檢測,深度至路面基層頂面,分析共振破碎效果。鑒別板塊內是否產生斜向受力和嵌緊結構,判斷、分析、評價共振碎裂技術作用力擴展到板塊的何位置完成了能量的傳遞,以及對板塊周圍的結構物和基層是否會造成損壞。同時,定點檢測沉降量,回彈彎沉值測定、破碎狀況檢測、縱橫坡度檢測等。

對破碎碾壓后的舊水泥混凝土路面進行彎沉檢測,滿足設計要求。

4.8 質量檢查驗收

4.8.1 碎石化層施工質量檢查驗收

碎石化層施工質量檢查驗收指標見表4。

表4 碎石化層施工質量檢查驗收指標

4.8.2 瀝青加鋪層質量檢查驗收

加鋪層質量檢查驗收按照《公路工程質量檢驗評定標準》(土建工程)(JTG F80/1—2004)、《公路瀝青路面施工技術規范》(JTG F40—2004)、《城鎮道路工程施工與質量驗收規范》(CJJ 1—2008)。

5 結束語

目前該項目已建成通車3年,路面使用狀況良好,未見明顯質量缺陷,可滿足日常使用要求。

綜上,對城市舊混凝土路面采用共振碎石化工藝,可減少路面的反射裂縫,同時避免傳統維修對原混凝土破除后帶來的廢棄,并可降低施工工期,有效降低工程造價,節約資源。