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新一代碎石化技術進行舊水泥路面改造

作者: 浏覽量:25 發布時間:2019-08-10

  由于我國國力等情況,從上世紀70年代開始,許多道路尤其是南方的許多省際幹線公路都建成了造價相對便宜的水泥混凝土路面。在社會經濟大發展帶來的重交通負荷沖擊下,幾乎都出現了斷板、錯板、裂縫、剝落、坑洞等損害,難以承擔路網中的高等級公路之重任,大修改造已在所難免。在目前的舊水泥混凝土路面改造中,加鋪瀝青面層(白加黑)是比較常用的方法。但是,由于原水泥混凝土板接、裂縫處在荷載和溫度、濕度變化下會産生相對位移,總是無法避免出現反射裂縫。而碎石化,是最徹底的解決了反射裂縫問題的方法之一,它是從反射裂縫産生的機理和源頭出發,將水泥混凝土面板破碎後再加鋪面層。

  碎石化技术是一种重要的水泥混凝土路面原位破碎利用技术。它一般适用于水泥混凝土路面出现较大范围破损的情况。现场碎石化处理(Rubblization)是水泥混凝土路面重建的一种方法,是过去10年到15年期间发展起来的一项新技术。美国沥青学会将碎石化定义为:“一种将水泥混凝土路面破碎成为小碎块的加工过程”。这些碎块的粒径范围从沙粒的尺寸到20 cm左右。细颗粒集中在路面上部,粗颗粒集中在路面下部。

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  國內外研究現狀

  碎石化技术最初是为了便于清除水泥混凝土路面和分离路面中的钢筋,第一次真正用于热拌沥青罩面的水泥混凝土路面破碎项目在1986年完成于美国。该技术在美国从开始使用以来,已在35个州进行施工,效果理想,已被列入美国沥青协会的技术规范。该方法最早为美国亚拉巴马州交通局用来处理损害较重的混凝土路面。迄今为止该州已有3000余km混凝土路面经由现场碎石化处理。目前美国有26个州的交通局制订了混凝土路面碎石化的规范。阿肯色州计划在未来5年内用该方法处理大约600km四车道的混凝土路面。加拿大安大略省则从2000年开始逐步采用该项技术处理混凝土路面。当年就在牛津郡做了两条长度分别为26.4 km和14.2 km的路面。美国色丁香之五月婷婷开心迄今为止作了总共大约200个碎石化处理的项目。目前仍在不断研究和总结经验中。例如爱荷华州政府就建立了为期三年的到2004年9月结束的碎石化研究项目。美国也有因为工程前期评估不足,不当的使用了这一技术,或因为加铺层设计不当或施工不当而造成的问题。例如密执安州对所作的碎石化处理项目进行了评估总结:有大约47%~67%的5年新的碎石化处理沥青加铺层路面需要维修,有大约67%~87%的5年新的水泥混凝土加铺层需要维修。伊利诺斯州的国道有12个项目使用了碎石化的办法,其中有8个被密切监测,到目前为止,所有的碎石化工程都或多或少的比控制路段表现要好。

  我国的旧水泥混凝土路面破碎技术起步较晚,1995年首次从南非引入了蓝派冲击压实设备。此后我国路面破碎技术相继出现了打裂压稳和打碎压稳。直到2002年才从美国引入MHB(多錘頭破碎機)型路面破碎设备,该设备对水泥混凝土路面的破碎则属于典型的碎石化工艺。国外的大量研究表明,打裂压稳并不能完全消除反射裂缝,只能延缓其出现的时间。而碎石化则由于其优异的破碎效果,能很好的防止反射裂缝的出现。我国使用多锤头碎石化技术从2002年开始,由山东省公路养护工程有限公司从美国引进Badger州立公路设备公司色丁香之五月婷婷开心的多锤头破碎设备。现在这项碎石化技术已开始逐步应用,诸如合宁高速公路改建工程、泰化路老路改建工程、湖州104国道改建工程埭溪段、浙江35省道改建工程临石线等建设项目都采用过这一技术。

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  舊水泥混凝土路面改造的方法

  舊水泥混凝土路面的改建方法自這種路面出現之後便有。在多年的摸索和發展中,形成了很多種的方式方法。但追根究底,這些方法主要可以分成三大類:

  (1)先修複舊水泥混凝土板塊,然後在其上加鋪瀝青混凝土面層。該方法適用于路面破損不嚴重,斷板率較低,且沒有脫空、錯台等路基缺陷的情況。應該注意的是,修複不是重新修築,它並不能完全消除水泥混凝土板塊間的差異性沈降,這種不均勻沈降容易導致瀝青面層的早期破壞,如反射裂縫。另一方面,修複後的原水泥混凝土板塊中可能存在未修補完全的區域,這些區域使得加鋪的瀝青面層的結構安全有很大隱患。除此之外,對舊水泥混凝土板塊進行修複也要花費大量的人力、物力。

  (2)移除舊水泥混凝土板塊,然後加鋪新面層。該方法適用于路面破壞過于嚴重或高程受限的情況,我國過去由于受施工機械性能的限制,混凝土板塊破碎後得到的顆粒粒徑不適合用作加鋪面層的基層或底基層。3種方法中,該法是最爲徹底的方法,但其初期投入過大,移除的舊水泥混凝土又很難再加以利用,造成很大的浪費,並會造成嚴重的環境汙染,社會影響較爲強烈。

  (3)先破碎舊水泥混凝土板塊,然後在其上加鋪瀝青混凝土面層。該方法適用于路面破損比較嚴重,且有明顯的唧泥、板底脫空、錯台的情況。該法將舊水泥混凝土板塊破碎後作爲新建瀝青混凝土路面的基層或底基層,其初期資金投入較第2種方法要少,且不存在廢棄舊混凝土板塊的處置問題。另一方面,破碎後的舊水泥混凝土板塊類似于級配碎石,又有利于防止反射裂縫的産生。是最有應用前景的一種處置方法。

  破碎工藝按破壞特性的不同分爲3種:破裂壓穩、打裂壓穩和碎石化。三者的目的都是縮小舊水泥板的尺寸,但處理後的板(碎)塊尺寸不同[8]。其中,碎石化將板的長度減小到極小值。根據國外的研究成果,經破裂壓穩和打裂壓穩技術處理後加鋪的瀝青混凝土面層也會産生反射裂縫,不過與不進行破碎的類似結構相比,其反射裂縫出現的時間要比不進行破碎時推遲2~3年,同時反射裂縫的數目相對減少20%左右。與碎石化工藝相比,破裂壓穩和打裂壓穩技術對水泥混凝土路面的結構性破碎得不夠徹底。

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  打裂壓穩

  理想状况下,打裂压稳处理后,板块长度应在30~100 mm,这就可以将板块水平方向上位移的积累减小到沥青面层可以承受的程度,从而消除反射裂缝的产生。打裂可以在板块中形成紧密的裂纹,从而以部分结构性的损失来换取传荷能力的增强;另一方面,压稳则消除板下的脱空,恢复了基层对水泥混凝土板块的支承作用。打裂压稳技术已经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。

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  破碎壓穩

  破碎壓穩技术与打裂压稳类似,不同点在于前者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。由于要破坏混凝土和钢筋之间的联结,破碎压稳要求比打裂压稳有更高的破碎功。同时,在沥青面层设计时也应考虑到这种破坏造成的结构性的损失。如果路面破损情况较严重,路面破碎后不能保持板块的完整性,则应考虑采用碎石化或直接移除板块。

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  碎石化

  碎石化是通过完全破坏已有板块来消除沥青上覆层中的反射裂缝。碎石化后水泥混凝土颗粒的粒径不大于40 cm,且75%以上的颗粒在深度方向的分布满足:表面最大尺寸不超过7.5 cm,中间不超过22.5 cm,底部不超过37.5 cm。碎石化可用于板块完整性和结构性较差的钢筋水泥混凝土路面,它在其他类型的水泥混凝土路面的改建中也得到成功的应用。该技术将水泥混凝土板块破碎成“高强粒料基层”,然后在上面加铺沥青面层补强。


新一代碎石化技術進行舊水泥路面改造


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  碎石化技術的適用範圍

  爲了達到預期的技術和經濟效果,要對任何候選的舊有路面進行工程的前期評估以確定是否適合碎石化處理。水泥混凝土路面的修複有三大方法,即修繕複原,重新鋪面和重建。碎石化處理是重建的一種。舊混凝土路面首先應該考慮前面兩種修複方法。如果混凝土路面具有良好的結構承載力,不應該首先考慮采用碎石化處理,因爲碎石化畢竟是將混凝土路面整個結構毀壞。經過查閱大量資料,本文總結當水泥混凝土路面出現下列情況時可以采用碎石化改造技術:

  (1)出現大量的接縫缺陷,如:錯台、翻漿和角隅破壞等導致超過20%的接縫需要修補;

  (2)超過20%的板出現開裂;

  (3)超過20%的路面已被修補或需要修補;

  (4)當50%以上的建設成本用于混凝土路面修複;

  (5)修複的道路使用壽命在15年以上;

  (6)鋼筋混凝土路面;

  (7)路面失去結構承載力。

  此外,當舊水泥混凝土路面有下面一種或幾種類型的損壞時,也可以考慮采用碎石化改造技術:

  (1)水泥混凝土面板有嚴重的D形裂縫。D形裂縫是水泥混凝土路面的伸縮縫兩側在一定範圍內産生的多道裂縫,呈D字形,且呈不斷擴展趨勢,嚴重時裂縫産生的小塊可能脫落或錯位移動。D型裂縫是典型的耐久性裂縫;

  (2)水泥混凝土路面有嚴重的堿骨料反應的情形。堿骨料反應中有膠體産生,吸收水份造成膨脹(堿脹),進而開裂而降低混凝土的耐久性;

  (3)受嚴重凍融破壞的混凝土路面。凍融破壞一般發生在沒有加氣的混凝土中。如果氣孔體積或者氣孔間距不適當,混凝土在受凍時會膨脹開裂。這一過程可持續幾年會使混凝土路面破壞嚴重。

  但是,並不是所有的路面出現以上損壞時都可以考慮使用碎石化技術。碎石化技術的運用除了有以上路面的充分條件外,還有對其的必要條件。

  美国公路科研部门在研究碎石化工艺时发现,当公路基层与面层之和少于15cm时,不能采用碎石化技术;当路基承载比CBR低于1.5%时,也不能采用碎石化技术;在基层与面层之和为15~33 cm之间,路基承载比CBR为1.5%~7%之间内不太适合碎石化技术。

  另外,在地勢較低、地下水位較高、路基積水或者含有較濕的粘土和混入泥沙的粘土地區以及當路基材料損壞太厲害,不能承受破碎路面負荷的地區均不宜采用碎石化處理。對于碎石化改造技術的適用範圍,一般采用圖1-1所示的判定方法。一般來說,只要原路基CBR值大于7,且水泥混凝土路面基層與面層總厚度超過33cm,便可以采用碎石化技術。
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