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碎石化技术在水泥路面改造工程中的应用

摘要:论文简介了水泥路面改造工程通常采用的3种原位利用技术,从减缓或消除反射裂缝的角度出发,碎石化技术效果更优;从使用性能和结构性能两方面对旧水泥路面进行调查与评价,并应分别采取不同的处治措施;从技术条件和经济条件出发分析了碎石化技术的适用性;将碎石化后的路面分为表面松散层、碎石化层上部、碎石化层下部3个层次,并分别分析了不同层次结构的强度形成机理;碎石化技术应用于小浪底专用公路的大修改造工程中,效果良好。

作者:王芳芳 田辉黎 张 青

引言:水泥路面是路面结构的主要形式之一,我国在 20 世纪末大量修建的水泥混凝土路面大多已达到其服役年限或超期服役,迫切需要进行改造。目前,水泥路面的改造往往先对旧路面进行处治,包括原位利用和原位移除两种方法。我国当前正处于倡导环保、资源再利用的大环境下,堆放原位移除的旧水泥混凝土板无疑会占用大量土地、不利环保、浪费石材资源,因此这种处治方式已逐渐被淘汰。原位利用技术主要包括以下 3 种:直接加铺技术、破碎稳固技术、碎石化技术。

直接加铺即在经过病害处理的旧水泥路面上直接加铺结构层,能够提高路面的承载能力,并使路面的服务水平大幅提高,行车更加舒适;破碎稳固技术利用机械的冲击能量使旧水泥板产生大量贯通裂缝,破碎成约 30~100cm的碎块,路面其失去了板体性,整体刚度降低[1];碎石化技术是采用机械多个锤头的冲击作用将旧水泥路面板破碎成许多混凝土小块,破碎后块体粒径相对较小,力学模式类似于级配碎石[2];

考虑到行车噪音及舒适性的要求,处治后的旧水泥路面上通常加铺沥青层。两种结构间较大的刚度差使反射裂缝的问题更加突显。以上所述的四种水泥路面改造技术中,直接加铺与破碎稳固技术处理过的水泥板,原有缺陷依然存在,只能推迟而不能彻底消除反射裂缝。碎石化技术处理过的旧水泥路面,能够彻底地消除加铺层的反射裂缝,能够显著降低改建路面后期的养护费用,因此,碎石化技术在旧水泥路面的改造工程中被逐步的推广使用。

1 旧路的调查与评价

为了对旧水泥路面的技术状况进行科学的评价和判断,以确定是否适用碎石化技术,需要对其实际状况进行实地调查分析。水泥路面的调查主要包括使用性能调查和结构性能调查[3]。使用性能从道路使用者或形式车辆的角度出发,要求表面平整,行车舒适,评价指标一般采用路面的服务能力。使用性能不满足要求,一般进行表面修复或加铺表面功能层;结构性能的调查则注重路面结构的承载能力及其受力情况,通常采用结构受力分析进行评价,主要从路面结构刚度、接缝的传荷能力、路面板下地基脱空情况三方面进行评定。旧水泥路面结构性能不满足要求,根据路面的损害状况不同,进行大修改造或挖除重建。

2 碎石化技术的适用性

碎石化技术是水泥路面处治的最终手段,如果对水泥路面采用了碎石化技术将无法采取其他处治技术,因此,要慎重选用碎石化技术。在旧水泥路面改造工程中的适用性主要从技术条件和经济条件两方面来考虑。2.1 技术条件碎石化技术适用的首要因素主要有 3 方面:较强的土基的承载能力、基层相对稳定、路面呈板体不出现表面松散,其中,土基的承载能力用 CBR 值来表征,一般需满足 CBR>5。根据前文所述对旧路进行调查与评价,若旧水泥路面技术上满足以上 3 个条件,即可采用碎石化技术。另外,碎石化的施工采用的多锤头破碎机(MHB,Multi-HeadBreaker),利用 MHB 多个锤头下落的冲击作用破碎水泥板,势必会产生较大的振动和噪音,因此,周围有不能经受较大振动的敏感设备和建筑物的路段不适合采用碎石化技术[4]。2.1 经济条件碎石化技术与原水泥路面修补之间存在一个经济平衡点,一般用修补比率来反映[2]。水泥路面损坏严重,若修补比率大于此经济平衡点,碎石化技术适用合理,否则在水泥路面在可以采取其他处治措施继续利用的情况下,过早采取不可逆的方式处治,将会造成路面结构强度的浪费,进一步造成经济上的浪费。

3 碎石化强度形成机理

采用碎石化工艺时,路面板从上至下吸收的锤击能量逐渐减弱,相对应破碎粒径也逐渐变大。根据破碎板物理特性沿深度的变化情况将其简化为 3个层次:表面松散层、碎石化层上部、碎石化层下部[5],各层厚度大约分别为 3cm、10cm、10cm,不同层次强度形成机理各异。表面松散层经过 Z 型压路机压实,加之透层油的的稳定作用,形成具有一定强度和稳定性的嵌挤薄层;随着深度的增加,破碎的混凝土颗粒粒径具有了一定的尺寸,尺寸越大,颗粒间的内摩阻角越大,因此,碎石化层上部强度主要来源于其内摩阻角;由于吸收锤击能量较小,碎石化层下部裂而不碎,相邻碎块之间形状上契合较好,容易形成“联锁咬合块体”结构,一般为静定结构并且其自身通常具有相应的稳定能力,相比于普通嵌锁作用,这种结构拥有更强的咬合嵌挤作用。

4 碎石化的施工工艺

碎石化技术的施工工艺为:清除水泥路面杂物—修复增设排水设施—不稳固特殊路段挖补处治—路线内外及地下的构造物标记处理—施工测量控制点的设置—施工区段交通管制及分流—碎石化工艺施工—处治软弱基层或路基—废弃材料清除—碾压—接缝处治—透层或封层施工—加铺新路面。5 实体工程应用河南省洛阳市小浪底专用公路修建于 1992 年,起点位于洛阳市西工区红山乡(桩号 K0+000)与 G310 丁字交叉口,在孟津县内由南向北延伸,终点位于小浪底镇的官桩村(桩号 K24+020),是小浪底水利枢纽建设期间施工专用路,属于二级公路,设计速度 60km/h,采用水泥混凝土路面结构,如图 1(a)所示。小浪底专用公路超期服役,路肩坍塌损坏严重,水泥路面出现裂缝、断板等病害,沿线工业园的兴起和发展,交通量骤增,专用公路面临着更大的挑战。经过对专用公路的调查与评价,并从技术和经济两方面进行了综合考察,确定了采用碎石化技术并加铺结构层对其进行改造处治,破碎后的旧水泥路面作为新路面结构的底基层小浪底专用公路 2012 年 10 月改造完成,至今使用性能良好,表明碎石化技术是旧水泥路面改造工程中一种行之有效的处治措施。

6 结论

论文介绍了水泥路面改造工程通常采用的 3 种原位利用技术,从减缓或消除反射裂缝的角度出发,碎石化技术效果更优;从使用性能和结构性能两方面对旧水泥路面进行调查与评价,并应分别采取不同的处治措施;从技术条件和经济条件出发分析了碎石化技术的适用性;碎石化后的表面松散层、碎石化层上部、碎石化层下部强度分别来源于压实和透层油的稳定作用、内摩阻角、块体间的咬合嵌挤作用;碎石化技术应用于小浪底专用公路的大修改造工程中,效果良好,可以推广使用。