破碎压实技术在旧水泥混凝土路面改建中的应用

摘要:旧水泥混凝土路面加铺改造沥青混凝土路面是旧水泥路修复改造的一种重要方法,但沥青加铺层反射裂缝问题一直没有解决,严重影响了沥青加铺层的使用寿命;水泥混凝土路面破碎压实技术是修复严重损坏水泥路面的一项新技术,具有工程造价较低,施工方便,对交通影响小的优点,同时能有效地防止反射裂缝的发生,为新建路面提供良好的行车性能。

关键词:反射裂缝;弯沉;破碎压实

中图分类号: U418. 6 文献标识码:A

引言

我国水泥混凝土路面的修筑已经有半个多世纪的历史,在20世纪70 年代中后期,开始较多地修建水泥混凝土路面, 80 年代初期,水泥路面得到了较快的发展。水泥路面在长期的使用过程中不可避免地出现结构和功能性破坏,如断板、错台、唧泥、脱空等病害,尤其在最近几年随着交通量及重载车辆的增加,大量早期修建的水泥混凝土路面面临着维修任务。

与沥青路面相比,水泥混凝土路面维修相对困难,破损水泥混凝土路面维修处理方法主要有: ( 1)先修复旧水泥混凝土板块,然后在其上加铺沥青混凝土面层。该方法适用于路面破损不严重,断板率较低,且没有脱空、错台等路基缺陷的情况。但它并不能完全消除水泥混凝土板块间的差异性沉降,这种不均匀沉降容易导致沥青面层的早期破坏,主要表现为反射裂缝。(2)将旧水泥混凝土板全部移除,然后加铺新路面。该方法针对旧水泥混凝土路面损坏非常严重的路段,但旧水泥混凝土板块的回收利用率较低,造成极大的浪费。(3)先破碎旧水泥混凝土板块,然后在其上加铺沥青混凝土面层。该方法适用于路面破损比较严重的路段。该法将旧水泥混凝土板块破碎后作为新建沥青混凝土路面的基层或底基层,有效地将旧水泥混凝土板块利用起来,不仅节省投资有利于解决路面反射裂缝的问题,提高路面性能,而且解决了废料的处置问题。

通过多年的工程实际及研究可以证明,破碎稳固技术通过对旧水泥混凝土路面的打裂、破碎从而减小板的有效面积,充分释放内应力,其板块打碎后经过压实形成的嵌挤结构有效地消除应力集中,减少反射裂缝的发生。无论从环保还是性能以及造价上,该处置方案都有其独特的优势。

1　破碎压实技术

根据不同需要,可将破碎压实技术分为以下三种:

(1)打裂压稳。打裂压稳通常用于消除沥青面层的反射裂缝。理想状况下,处理后的板块长度应在30—100mm,打裂后,通过压实有效地消除板下脱空,恢复基层对水泥混凝土板块的支撑作用。打裂压稳技术成功地用于改造结构完好、仅存在功能性破坏的普通水泥混凝土路面。使用打裂压稳时必须考虑到板块整体性的损失。蓝派冲击压实设备对水泥混凝土路面的破碎就属于典型的打裂压稳。

(2)破碎压稳。破碎压稳技术主要用于钢筋混凝土路面。该技术要求破坏混凝土和钢筋之间的联结,从而减小工作缝和裂缝之间的差异性位移到最低限度。其破碎功较打裂压稳要求更高。

(3)碎石化。碎石化技术是在冲击压实技术上发展起来的一种更为彻底的水泥混凝土面板破碎技术,其目的是将水泥混凝土面板较为均匀地破碎成为10—20cm的颗粒,该技术将水泥混凝土板块破碎成“高强粒料基层”,可以从根本上解决沥青混凝土加铺层反射裂缝的问题。美国MHB 型路面破碎设备对水泥混凝土路面的破碎属于典型的碎石化。

2　破碎压实技术在实际工程中的应用

2. 1　多锤头碎石化后路面结构方案

320国道K418 + 000～K427 + 750段旧水泥混凝土路面破碎采用碎石化技术,对原有板块进行破碎,主要是基于此路段破损板块较均匀,全线破损板块基本没有下沉等病害,从现场检测情况看,原有路面基层基本完好。

破碎设备采用MHB 多锤头破碎机与Z型压路机。破碎后采用Z型格栅压路机对破碎路面进行压实稳固。压实过程中,对路表水泥颗粒进一步破碎,表面水泥颗粒小到5—10cm。压实后路面平整,形成类似级配碎石结构的柔性基层,其后对碎石化路面进行清扫,按3. 0—3. 5kg/m2 的洒布量撒布乳化沥青,以起到稳定、防渗水的作用。洒布乳化沥青后,撒5—15mm碎石嵌缝,再用光轮压路机碾压1—2遍。这样表层破碎的颗粒形成整体结构,同时具有一定的密水性,形成了一稳定的结构层,在其上再加铺沥青混凝土面层。加铺层采用两层式,即7cmAC - 25 + 5cmAC- 16,沥青层厚度为12cm。

2. 2　检测结果

该路段维修结束开放交通近两年后,调查显示,在这个区间内沥青路面状况良好,没有发现明显的坑洞、车辙,而且没有出现明显的反射裂缝,在这个区间仅发现一条0. 5m 左右长度、2—5mm 左右的横向裂缝。对加铺的沥青混凝土路面进行回弹弯沉测试,测试频率为20m一次,弯沉结果见表1。

测试结果表明,新建沥青路面回弹弯沉平均值17. 5 (0. 01mm)以下,标准差5. 5 ( 0. 01mm)以下,代表弯沉值23 (0. 01mm)以下。弯沉测试结果表明弯沉较小,结构强度较高,按照测试的弯沉结果推算,新建沥青路面可以承受2400 ×104 次标准轴载的交通量作用。与旧水泥路面弯沉测试结果相比较,新建沥青路面弯沉趋于稳定,各测试点的数值变异不大,弯沉标准差较小,这表明水泥板经冲击破碎压实后形成的基层具有一定的稳定性、均匀性和连续性,为路面提供了较高的承载能力,对抑止反射裂缝发生的起到一定的作用。

3　分析

水泥混凝土路面具有板体结构,其水泥混凝土板块的模量高达30000MPa。水泥破碎后,其整体板块结构被破坏。破碎后的水泥碎块经过压实后可将其看作为一种高性能的碎石材料,但其回弹模量也不过300—500MPa,仅为水泥混凝土板的百分之一。据此分析,在水泥板上直接加铺和经过破碎稳固后加铺相同厚度的沥青混凝土,前者的路面的结构应具有很高的结构强度,即其路面弯沉值应小于后者。但是从工程检测结果分析,其结论恰好相反。

当沥青加铺层厚度为10cm 时,在水泥路面上直接加铺沥青层后路面的最大弯沉值为1.688mm,而破碎稳固后加铺沥青层后路面的最大弯沉值为0.616cm,不足原来的一半。其主要原因是旧水泥板块接缝处通常存在脱空,脱空区域作为薄弱环节,在荷载作用下将产生很大变形,因此造成路面弯沉值增加。根据路面最大弯沉指标分析,破碎稳固后加铺沥青混凝土面层其道路整体结构强度没有下降,对于破碎严重的水泥路面(如板块脱空病害较多) ,破碎稳固加铺沥青混凝土面层技术有利于结构强度的提高。

破碎稳固后加铺沥青混凝土路面的路表最大弯沉值要小于直接加铺沥青混凝土路面,这表明破碎稳固后路面结构强度并没有降低。

水泥混凝土与沥青混凝土温度收缩系数不同,温度变化时将导致沥青混凝土层受到拉、压应力的作用。温度反复作用下,沥青层将产生反射裂缝。有力学计算表明,沥青加铺层温度应力、层底拉应力及界面层之间剪应力随水泥板尺寸减小而降低,例如当加铺厚度为10cm时,直接加铺沥青混凝土面层层底最大拉应力为0. 376MPa,破碎稳固后沥青加铺层层底拉应力为0. 318MPa;加铺厚度为15cm时,直接加铺沥青混凝土面层层底最大拉应力为0. 365MPa,破碎稳固后沥青加铺层层底拉应力为0. 257MPa,最大拉应力减少了29. 5%。

破碎压实将水泥板块充分破碎,使原来4 ×5m的水泥板块破碎成为30—100cm的碎块,然后用重型压路机碾压,使水泥碎块压实稳固。水泥板块尺寸的减少大大降低了温度变化时收缩位移,从而降低了沥青层底拉应力,防止或抑制温度型反射裂缝的产生;而经过重型压路机碾压后,水泥板块与基层紧密接触,避免了脱空出现,故最大限度地消除了板块间弯沉差。特别是经过碎石化处理后的水泥板块,其力学行为类似于级配碎石。破碎后的水泥板经过压实稳定后,具有很高的抗剪切强度和抗车辙能力,其荷载传递性能是一般级配碎石的1. 5—3. 0倍。因此在其上直接加铺沥青混凝土面层,类似于经常采用的柔性基层沥青路面,有利于防止或抑制反射裂缝的产生。

4　结论

(1)应用破碎机械将混凝土板块破碎,并经充分压实,消除了原有板块的脱空、路基压实的不足,提高了路面结构的整体性,从而提高了路面结构的承载能力,还可以有效地消除反射裂缝的产生。实际工程应用也表明,破碎稳固技术可以有效防止沥青路面反射裂缝的发生。(2)旧水泥混凝土路面采用碎石化技术破碎后可以直接加铺沥青混凝土,但在摊铺沥青混凝土之前需要洒布乳化沥青。

参考文献:

[ 1 ] 　熊帆,黄晓明,贾栋,赵涛. 碎石化技术在水泥混凝土老路改建中的应用[ J ]. 交通科技, 2004 (6) : 52 - 54.

[ 2 ] 　闫宝杰,陈荣生. 城市水泥混凝土路面改造工程中破裂稳固技术的应用[ J ]. 公路交通科技, 2005 (12) : 20 - 22.

[ 3 ] 　祝建华. 破碎压实技术在旧水泥混凝土路面沥青加铺中的应用研究[D ]. 长沙理工大学工程硕士学位论文, 2006.