共振碎石化在旧水泥混凝土路面改造中的应用技术探讨

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  一、引言
  随着我国公路通车里程的逐年增长,旧水泥混凝土路面也越来越多。台州市104国道K1744+675—
  K1747+000及K1747+607-K1742+583段由于交通量增长快,水泥混凝土路面在交通荷载和各种自然因素长时间综合作用下,出现了各种结构性损坏,道路服务水平下降,依靠日常修补已不能解决问题,急需对该路段进行大中修。根据公路工程建设需要及黄岩区公路管理段要求,将上述两路段的水泥路面采用共振碎石化处理技术,对旧水泥路面进行破碎,将该破碎层直接作为基层,在其上加铺沥青混凝土面层。共振碎石化处理技术采用的共振设备是利用振动梁带动工作锤头振动,调整振动频率使其接近水泥面板的固有频率,激发其共振,然后将水泥面板击碎,共振破碎力发生在整个水泥板块厚度范围内,能使板块均匀破碎,并且使上部的破碎粒较小,下部的破碎粒较大,这样给结构带来了更大的好处,具有较好的透水能力,更好地消除反射裂缝,提高路基的承载力。另外该技术施工周期短、对交通影响小,可减少旧水泥路面块的清除、堆置等费用及建筑垃圾问题,节约投资,加快进度,有利环保。该“白改黑”项目经共振碎石化技术处理及加铺沥青混凝土路面建成后,大大改善了路况,确保行车的舒适和安全,社会反响较好。经过工程实际应用,我们总结了一些旧水泥混凝土路面共振碎石化的技术措施、施工工艺和质量控制方法,可为今后类似项目的公路拓宽改建工程提供参考和指导。
  二、共振碎石化设备
  1、设备概况
  共振碎石化主要采用的设备为RB500(主要技术参数见下表),主要用于公路、机场等水泥路面的改造工程,目前,是美国水泥路面改造工程的主力机型和碎石化技术的最成功示范机型。RB500系列共振式碎石机可轻而易举地一次性破碎厚度达660mm的水泥板块,破碎厚度随水泥板块厚度而调节,破碎粒径主要分布在8-20cm左右,并满足上小下大、碎块相互嵌锁、纹理倾斜等工程要求,施工振动冲击小,效率高,是水泥路面碎石化改造工程中最理想的施工机械。
  RB500系列共振式碎石机的主要技术参数
  
  
  2、工作原理及特点
  工作原理:RB500型共振式破碎机利用振动梁把发动机的强大功率转换为工作锤头的振动,锤头与路面接触。通过调节锤头的振动频率,使其接近水泥面板的固有频率,激发水泥面板在锤头下局部范围内产生共振,使混凝土内部颗粒间的内摩擦阻力迅速减小而崩溃,共振效果如右图所示。
  特点:
  (1)破碎后的碎石尺寸理想、均匀
  工程经验表明,碎石尺寸与反射裂缝和结构强度之间存在右图所示的关系。由图可见,碎石尺寸在3-8英寸(8-20厘米)之间时,可取得较为理想的效果。碎石尺寸过大,容易造成应力集中,引起反射裂缝的概率急剧增大;碎石尺寸过小,则会使路面的承载力过渡减小。
  (2)破碎后的粒度上部较小,下部较大
  小粒度可更好地消除反射裂缝,同时下部的较大粒度提高了路基的承载能力。另外上小下大的粒度结构也有利于路面渗水的横向排除和阻止下渗。
  
  
  (3)破碎后的碎石纹路规则排列,并与路面成35-40º夹角
  有夹角的纹理结构可使碎石块之间相互嵌合,经压实后相互啮合的更紧,从而使碎石层起到更好的砾石稳定层的作用。如上图所示。
  
  
  (4)破碎深度可控制,不冲击路基,保证路基下的管线设施完好无损
  
  
  (5)可使钢筋混凝土中的钢筋完全与混凝土剥离
  钢筋串起大大小小的混凝土块,必然会造成局部应力集中,引起反射裂缝。
  (6)振动影响小,施工适应范围大,破碎深度大
  RB500型的破碎深度可达660毫米。完全满足一般机场跑道、停机坪和一些港口码头水泥面板的破碎改造任务。
  (7)施工效率高
  共振破碎机的生产率可达每天8360平方米。由于其工作点很窄,在公路上施工时,可单车道施工,不用封闭全部交通,每天可完成2公里左右的碎石化工作。
  
  三、共振碎石化技术适用条件及适用范围
  1、旧路路况评定等级
  旧路需达到一定的损坏状况(如下表),采用碎石化技术才有必要且经济效益明显。
   (1)损害等级被评定为次或差;
   (2)接缝传荷能力被评定为次或差。
  路面损坏状况与接缝传荷能力分级标准
  
  
  另有两个标准可作为参考:>20%的接缝损坏需要修复;>20%的混凝土板需要进行更换或补块。
  2、旧路土基及埋设的交通附属设施的要求:
  碎石化技术不适应于承载能力差的路段,如湿软路基;若埋设有重要管线或管道,可能会对管线造成危害,破碎前应仔细评估。
  3、对周围环境的适应情况:
  碎石化所产生的应力波能量较大且波及范围广,因此,可能对沿线的建筑造成损害;在城市水泥道路扩建中,其产生的噪音、振动、扬尘现象,也应考虑。
  4、旧路出现以下损害时,特别适合于共振碎石化法:
  有裂缝、碱集料反应、冻融破坏,出现这些损害,其他恢复、修补方法已经不大适应,因为这些病害会持续发生、发展,只有将水泥板碎石化处理,才可能根除这些病害。
  裂缝,是因为粗集料的冻融膨胀应力而引起,一般在三年后出现。路面基层和底基层的水逐渐累积,集料含水量会趋于饱和,湿度很大的寒冷天气,混凝土板接缝处的粗集料会发生冻胀现象,之后冻融循环,接缝处慢慢产生剥落和碎裂等病害,逐渐在接缝處及附近形成裂缝。
  碱集料反应,是一种因水泥混凝土中的某些集料所含的细小成分活性物质,与混凝土中的碱氢氧化物发生化学反应而产生的一种工程病害,通常发生两种化学反应:碱-硅反应ASR(Alkali-Silica Reaction)和碱-碳酸反应ACR(Alkali-Carbonate Reaction)。发生碱集料反应,水泥板通常会产生网裂,并且在接缝处伴随剥落现象,粗集料发生结构破坏,与周围的水泥之间也出现裂纹、破碎,这样,路面板整体结构性破坏,承载能力下降。
  5、碎石化技术适用于所有水泥混凝土面层类型的破碎,包括公路和机场水泥道面。
  6、碎石化道路不适用于:
  ①桥涵路段;
  ②地基软弱地段;
  ③碎石化施工可能危害埋设的地下管线路段;
  ④对噪音分贝控制要求高的路段,如政府机关、学校、医院、军事重地等路段。
  四、碎石化施工中的注意事项
  1.若外侧车道边缘有路缘石或其他设施、内侧车道靠中央分隔带边缘阻碍共振机械的施工,即沿着车道纵向破碎时,内外侧车道边缘会有50~80cm的路面破碎不到(锤头不能作水平移动),此时,可使用单头破碎机进行破碎。
  2.破碎施工顺序一般是由外侧车道开始,如果中间车道作了纵向切割,也可由中向边的顺序破碎,破碎施工速度控制在1.6~2.7km•车道/天,每一道破碎宽度约0.2m,一条车道(约3.5~3.75m)破碎完需要18~20道(一个来回定义为2遍)。破碎一道,会对相邻约5cm区域造成一定的碎裂,因此,为了提高破碎效率以节省时间,为了防止过度破碎连续破碎两遍的区域,可以在破碎一道后,紧接着破碎第二道时,第二道破碎区域可间隔开第一道破碎区域2~4cm。
  3.破碎一个车道的过程中,实际破碎宽度应超出一个车道,与相邻车道搭接部分,宽度至少15cm。
  4.施工中,驾驶操作员应随时注意观察机械工作情况、锤头破碎效果,应根据实际情况调整破碎参数,以尽可能达到较好的破碎效果。因此,对操作人员的要求很高,必须是经验丰富的驾驶员,据本试验路段的现场施工破碎状况,驾驶员往往根据破碎时的声音来判断锤头工作效果,从而做出可能的调整。
  5.对于旧路是连续配筋混凝土路面或局部地段是钢筋混凝土路面,首先考虑对道路进行纵向切割,其次要考虑调整碎石化机械的参数,如增加振动能等。要求破碎后钢筋和混凝土基本分离开。
  6.因为碎石化施工不可避免的会产生一定的噪音,因此,要注意破碎时间的选择,8.要在道路沿线居民休息时间内施工,尽量安排在节假日或周六周日内进行。
  7、破碎路面遇到井盖时,大约距离井盖外侧边缘30—60厘米提升破碎头,然后越过井盖,大约距离井盖外侧边缘30—60厘米的位置落下破碎头再进行破碎,以保证不影响井盖的质量。
  8.对于碎石化施工场地周围的构造物及建筑物,在碎石化施工期间应派人进行实时观察,发现开裂现象应立即停止施工,并向监理单位、业主报告,调查分析其原因后采取措施保护构造物或建筑物。
  破碎基本参数:激振力8.89KN左右,破碎应力52MPa左右,振幅1~2mm,振动频率42~46HZ,破碎速度适宜1.6km•车道/天,不要超过2.7km•车道/天。
  特殊路段的处理:
  (1)碎石化水平安全距离
  不同类型的构造物,碎石化水平安全距离见表
  碎石化破碎水平安全距离
  
  
  对于不符合上述安全距离但又必须施工的路段,可采取:开挖宽0.5m深1.5m左右的隔振沟进行隔振;降低碎石化机械的行驶速度,减小振冲力;或采用常规处治方法,如灌浆加固处治后加铺沥青面层。
  (2)不良地段
  对于软土、含水量过大等不良路段,应减小振冲力,降低行驶速度,或采用浮力轮胎,或采取其他常规处治措施;
  对于碎石化过量路段,地基土可能出现“弹簧土”现象,应将相关“弹簧土”挖出,并换填碎石、砂砾或水泥混凝土等,并用传统压路机压实至路面高度后再用碎石化机械破碎。
  对于存在脱空的路段(包括水泥板底基层脱空和基层底土基脱空),若脱空区域较小,则碎石化机械应放慢行进速度,降低振动能量(激振力)再进行破碎;若脱空区域过大,则应先进行灌浆处理(灌浆一般采用水泥基材),然后再一并与其他路段进行碎石化处理。如果碎石化后,原脱空出对应路段存在明显的局部凹陷部位,则应先进行水泥稳定碎石补强后再度碎石化,直至满足要求。
  五、旧水泥混凝土路面碎石化后的整备工艺
  1.路面破碎完,清除旧水泥混凝土接缝时间的松散填料以及较大粒径的碎石块,采用密级配碎石粒料回填;对于破碎后有大约5cm的凹地,同样应采用级配碎石粒料回填。
  2.对破碎层的保护
  ①交通的控制
  对破碎层,控制其上的交通,尽量不通行车辆,更不让车辆随意在破碎层上刹车与启动,对施工车辆在其上的通行,也要进行必要的监管。
  ②雨水的防治
  因雨水会严重影响破碎层及其下基层的承载能力,加铺好沥青面层后,滞留的雨水会加速路基路面的损坏,因此,对破碎层,应充分做好防止雨水的工作。如果破碎后不能马上进行碾压摊铺,遇上雨水天气,要注意破碎层的遮盖。
  3.对钢筋的处理
  如果破碎板层发现有钢筋外露,外露部分需剪除至与碎石化层顶面齐平,碎石化层中的钢筋可以保留在原处。
  4.碾压
  采用不小于9吨的双钢轮振动碾压机压实2~5遍,碾压速度不得大于1.83m/s,可先洒水然后压实,以增强压实效果。碾压可足以将表面细碎粒压入表面裂缝,进一步提高破碎混凝土的模量,使破碎混凝土嵌入路基中可能存在的空隙中,并压出一致平滑的表面用于摊铺沥青。压实后,任何有垂直移动超过2cm的局部地方,都要考虑开挖移除,并用级配碎石粒料回填。另外,也要注意,不要過量压实,以防“粉碎效应”。
  六、施工质量控制及验收标准
  采用旧水泥混凝土碎石化加铺技术的质量目标是:消除旧水泥路面及路基结构性病害,破碎并稳固水泥混凝土板,使破碎层粒径较小且级配良好,形成高强度的嵌锁结构,为沥青加铺层提供稳固的施工平台,有效减少或消除反射裂缝,同时不至于产生过量车辙,提高改建路面的使用寿命。
  碎石化层破碎质量验收标准
  1.粒径。碎石化层破碎粒径大部分在15.2cm以内,破碎粒径大于20.3cm的含量不超过2%,粒径集中在1.5~7.6cm;破碎层粉尘含量(小于0.075mm)不大于7%。
  2.级配。碎石化层0~10cm以内,级配控制在级配碎(砾)范围以内;0~18cm以内,级配接近级配碎(砾)石。
  3.回弹模量。碎石化层模量(静态)应大于500MPa,但宜小于1500MPa。模量的检测,可以采用承载板法,通过在破碎前对旧路基层顶面第一次测试,然后在破碎后相邻位置(同一测点周围1m2的范围)做第二次测试,两次测算结果计算出碎石化层模量值(静态),为了减小因旧水泥混凝土板厚度所带来的计算误差,可同时进行钻芯取样做厚度检测;碎石板层模量,还可以通过FWD测试,反算出动态模量,再根据比例关系计算静态模量。
  4.碾压遍数。碎石化层碾压不宜超过5遍,宜根据破碎程度控制在2~4遍内。
  5.碎石化层碾压后,不允许有钢筋外露,不允许有沥青接缝料、补块等存在;摊铺前不允许碎石化表面出现凹陷深度超过2cm。
  碎石化对周围环境造成的影响控制
  1.碎石化施工的时间应与周围居民的睡眠时间错开。
  2.碎石化施工过程中,若扬尘现场明显,应洒水控制。
  3.碎石化以后,不得对埋设管线造成碎裂,不得引起周围建筑的开裂。
  7、结束语
  旧水泥混凝土路面修复、加铺主要有两种方式:一种是在原来水泥混凝土路面之上加铺水泥混凝土(“白加白”):另外一种是在原来水泥混凝土路面之上直接加铺沥青混凝土,或把原路面经过处理后作下卧层再铺筑沥青混凝土(“白加黑”、“白改黑”)。“白加黑”、“白改黑”路面工程的最大问题是反射裂缝。为更好的解决反射裂缝问题,提出对旧水混凝土板进行破碎然后再加加铺沥青混凝土的技术。旧水泥混凝土板共振碎石化(Rubblization by Resonant Breaker)技术在国外已有20多年的研究和应用历史,并在许多工程中得到了有效应用。但是,在我们国内共振碎石化技术尚属起步阶段,其施工技术并不详尽、不系统。我们通过在104国道黄岩段K1744+675—K1747+000、K1741+607—K1742+583的实际应用,总结了共振碎石化的施工特点、施工方案、施工工艺和质量控制方法,在旧水泥混凝土路面维修改造时提供一些参考意见,有利于积极推广应用共振碎裂技术这一项新的课题。
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