水泥混凝土路面碎石化改造技术及施工方案

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一. 碎石化改造技术的起源

       碎石化起初是为了方便清除水泥混凝土路面和分离路面中的钢筋而进行的。第一个热拌沥青(hma)罩面的水泥混凝土路面破碎项目是1986年在美国纽约完成的,截至2001年,美国有35个州使用了此技术,项目数量300多个,使用里程达900多公里,1280万平方米,而且美国沥青协会及部分州将该技术列入规范。碎石化是指针对旧水泥混凝土路面大面积破坏已丧失了整体承载能力,并且通过局部的挖除、压浆等处治方式已不能恢复其使用功能,或已不能达到结构强度要求的情况下,为了解决通常情况下的加铺方式存在反射裂缝等问题,而对旧水泥混凝土板块采用的一种最终处理方法。该法一般是利用特殊的施工机械(如多锤头水泥路面破碎机),在对局部破坏严重的基层进行处治后,将旧水泥混凝土板块破碎成较小的粒径(底部不超过37.5cm,中间不超过22.5cm,表面不超过7.5cm),碾压后作为新路面结构,基层或底基层,然后再加铺新的路面结构。山东省公路局研究员王松根副局长在《山东公路养护技术应用与研究》一书中详细阐述了碎石化技术的特点和应用。下面简略总结一下碎石化改造施工方案。

二. 碎石化改造技术的概念


       所谓碎石化技术,就是将水泥混凝土路面破碎成一般小于40厘米混凝土块,用以限制新铺的热拌沥青(hma)罩面上出现反射裂缝,并产生一个用与hma罩面的均匀基层。


碎石化的定义

         水泥混凝土路面碎石化是一种旧水泥混凝土路面破碎处治技术,是对旧水泥混凝土路面大修或改造的重要手段。该技术是将旧水泥混凝土路面的面板,通过专用设备一次性破碎为咬合嵌挤碎块柔性结构,可充分利用旧路残余强度,且保护环境,节约资源。这种结构不仅具有一定的承载力,而且具有有防止或限制反射裂缝发生、发展的作用,破碎后的粒径范围为2~40cm,力学模式趋向于级配碎石。

  

碎石化技术的主要特点

         通过破碎将旧水泥混凝土路面结构强度降低到一定程度,防止反射裂缝的发生,同时能实现结构强度与反射裂缝两者较好的平衡。旧水泥混凝土路面进行碎石化后具有以下特点:碎石化能使原水泥混凝土板块在平面上强度分布均匀;碎石化能保留原水泥混凝土路面的一定强度;碎石化能可以消除原水泥混凝土路面病害;碎石化后的粒径合理,不会产生应力集中现象。

   

碎石化技术的主要优势

         旧水泥混凝土路面碎石化后,可以直接作为新路面结构的基层或底基层,如果旧水泥混凝土路面碎石化后具有较高的强度,能够满足道路承载要求,可作为路面基层直接加铺路面面层,新加铺面层可以是沥青混凝土路面,也可以是水泥混凝土路面。

 三. 碎石化改造技术的几大特点;

                 (1)碎石化技术是目前解决反射裂缝问题的最有效办法

                 (2)破碎并压实的混凝土路面是由破碎混凝土块组成的紧密结合,内部嵌挤.高密度的材料层为沥青罩面提供更高的结构强度。

                 (3)施工简便,改造周期短,综合造价底。

                 (4)就地再生,环保无污染,可将破碎后的路面可直接作基层或底基层,在加铺新的面层,是旧水泥路面翻新改造的理想办法。

                 (5)将打碎的混凝土面板直接作为基层或底基层,再加铺新的面层,是旧水泥路面翻修改造的理想方法。此种碎石化技术最大的优点是不必把破损的水泥面板打碎搬走,节约了路基材料及运输成本,提高了工程进度,大大降低了工程的总费用。同时也解决了丢弃水泥碎块垃圾的环保问题。

                 (6)对交通通行影响较小,在施工期间不需全部封闭交通。

 四、 施工方案编制依据及范围

                 1.编制依据

                 (1)所需改造路段水泥混凝土路面破坏现状

                 (2)美国有关水泥混凝土路面碎石化的技术资料

                 (3)交通部现行的规范及标准

                 (4)国内水泥混凝土路面碎石化项目的实施经验总结

五、碎石化技术的强度形成机理

  1 水泥混凝土路面碎石化后分为表面细粒散层、碎石化层上部和碎石化层下部三个层次。

        (1)碎石化后表层约2~5cm,在压实过程中,颗粒被压密,形成嵌挤薄层,通过洒布透层油,具有较高的黏结力,并具有一定的强度和稳定性;

        (2)碎石化层上部厚度约10cm,强度主要有:一是来源于内摩阻角,粒径越大则内摩阻角越大;二是来源于预应力,水泥混凝土面板在破碎时,混凝土产生侧向体积膨胀,混凝土颗粒的粒径越小,膨胀趋势越大,产生的预应力越大;

        (3)碎石化层下部厚度约10cm,是“裂而不碎、契合良好、联锁咬合”的块体结构,该结构静定且自稳,具体表现形式为各种形式的咬合梁、拱结构,在外力作用下产生咬合嵌挤作用,比普通嵌锁作用更大,提供的强度更高,具有更好的结构稳定特性。

 2、碎石化施工质量标准

   2.1路面碎石化后的粒径范围要求

        水泥混凝土板块一般在20~26cm之间,破碎后顶面粒径较小,下部粒径较大。路面碎石化后的粒径是控制基层强度及新加铺路面不出现早期反射裂缝的关键参数,作为控制碎石化工艺的关键指标,参照国外资料及国内研究成果,碎石化粒径应满足表要求。

   2.2路面碎石化后顶面的当量回弹模量和回弹弯沉要求

        水泥混凝土路面碎石化后顶面的当量回弹模量是新加铺结构设计的基本参数之一,一般情况下,对于直接加铺沥青混凝土的路面结构,回弹模量平均值宜控制在150~500MPa之间。碎石化后的回弹弯沉与回弹模量之间存在着联系,在将碎石化后的板块及其下结构层视为同种材料                  


构成的情况下,可以参照路面补强公式得到:

         Ez=(1000pD/l0)m1m2

         式中:p-弯沉测定车的轮胎压力;

         D-与弯沉测定车双圆轮迹面积相等的承载直径;

         l0-原路面计算弯沉;

         m1-用标准轴载汽车在原路面上测得的弯沉值与用承载板在相同压强条件下所测得的回弹变形值之比,即轮板比,一般取1.1;

         m2-原路面当量回弹模量扩大系数。

   3 碎石化施工质量标准及检测频率

为满足直接加铺面层的技术要求,保障加铺层施工质量,根据课题研究和实验路的测试,结合路面设计的规范要求,提出碎石化施工质量标准及检测频率。

         碎石化层作为基层直接加铺沥青路面,目前我国技术规范中没有相应规定,本技术指标要求是在参考我国现行技术标准《公路路面基层施工技术规范》(JTJ034-2000)和原技术标准(JTJ034-93)的基础上,结合实验路的实际情况提出的,具体实施中可以灵活掌握。如果碎石化层的表面平整度与上述要求差异较大,在铺筑沥青路面前,必须进行处理。处理措施主要有:

         (1)据平整度情况合理合理选择沥青混合撩的型号;

         (2)填充级配碎石找平、碾压后洒布热沥青或乳化沥青,再进行压实;

         (3)采用其他合适的技术措施进行找平。如果不进行找平,可能会影响沥青路面的平整度,影响路面的使用效果。

   4碎石化后沥青加铺层结构组合

    1  研究表明,工程中可能出现的碎石化后颗粒粒径或回弹模量的不同情况,可采用的结构组合原则有:

         (1)碎石化施工中应尽量参照推荐的颗粒粒径和回弹模量推荐范围进行破碎,在此范围内时,沥青加铺层要求采用密级配沥青混凝土,并可考虑加铺防水封层;

         (2)当碎石化后颗粒粒径稍偏大、回弹模量偏高时,可考虑采用开级配大粒径透水性沥青碎石(简称为LSPM)加防水封层的结构组合方式,其上沥青混凝土仍需采用密级配;

         (3)当碎石化后颗粒粒径稍偏小、回弹模量偏低时,要保证加铺层总厚度,可考虑设置FDAC抗疲劳层,以防止疲劳开裂,其他沥青层仍需采用密级配;

         (4)回弹模量小于120MPa时需要考虑增设补强层,按照新建路面结构设计。

2沥青加铺层四种机构组合方式

        (1)作透层、封层后,直接加铺上、中、下面层的密级配沥青混凝土;

        (2)加铺LSPM,然后采用两层两面的形式;

        (3)加铺抗疲劳层后,再加铺沥青混凝土;

        (4)加铺无机结合料稳定类基层,然后加铺沥青面层。

        根据研究成果,碎石化后的回弹模量大致可分为5个级别,相应的加铺结构组合形式可按表3标准选取。

  碎石化技术适用条件和注意问题

        4.1碎石化技术的使用条件

        4.1.1碎石化的技术条件

        碎石化技术是旧水泥混凝土路面重建技术的主要方案之一,国内外研究和工程实践证明,只要旧水泥混凝土路面满足表4所列条件,就可以应用碎石化的技术进行重建改造。其他因素如板块断裂程度、坑洞、接缝损坏、表面裂缝与层状剥落等不是决定应用碎石化技术的必要条件。

        4.1.2碎石化的经济条件

        碎石化工艺应用与原路面补修存在经济平衡点,这个平衡点可用修补比率来反映,国外算例中修补比率为13%左右,山东的经济平衡点是修补面积为20%~25%时,进行破碎改造更为经济。

        4.2直接加铺面层时的技术要求

        水泥混凝土路面碎石化后直接加铺沥青面层时,应遵循如下原则:

        (1)回弹模量平均值一般在150~500MPa左右,部分原路面水泥混凝土材料较好时,回弹模量会更大,现场测试中出现个别值在600MPa、700MPa的情况,进行上部结构设计时,必须将弯拉指标作为主要设计指标;

        (2)等级较高的公路上,碎石化层上的沥青混凝土结构一般不宜小于12cm;

        (3)实验段应用于80%(整幅路面)断板的水泥混凝土路面,80%以下断板时使用不会有问题;

        (4)上面层必须密级配防水型沥青混合料;

        (5)必须完善排水设施;

        (6)在碎石化程度较高,测试回弹模量数据较小时,应注意下面层的抗疲劳特性。

        4.3碎石化技术应用的注意问题

        在满足技术、经济条件要求的前提下,进行碎石化前还需要综合考虑以下因素:

        (1)水泥混凝土路面基层的破坏程度决定了其碎石化施工的颗粒控制和工艺要求。对于损害严重的水泥混凝土路面,必须判断其基层状态。一般情况下,基层破坏程度越高。破碎后粒径越小。

        (2)水泥混凝土路面基层的破坏程度是判断严重病害路面是否可用碎石化工艺的重要标准;当基层严重破坏时,碎石化后板块容易丧失颗粒间的嵌挤作用,导致模量下降,容易导致沥青路面层出现疲劳破坏。此时应用碎石化,应注意提高上部路面结构设计安全性。

        (3)排水设施是碎石化的必须辅助工程。完善排水设施是防止碎石化后沥青加铺层再次发生水损坏的重要措施。

        这里所有要求,共同构成碎石化技术的应用条件和决策依据,是确定旧水泥混凝土路面能否实施碎石化技术以及能否直接加铺沥青混凝土面层的必要条件。

六. 碎石化技术采用的设备

1、多锤头水泥路面破碎机(Multipe-Hed Breaker)


多锤头水泥路面破碎机(Multipe-Hed Breaker)是山东公路机械厂生产的自行式破碎设备,设备后部平均配备两排成对锤头,这样在设备全宽范围内可以连续破碎,破碎机理是通过重锤的下落对水泥混凝土板块产生瞬时、点状的冲击作用,其具有以下特点:整幅车道宽度单次多点破碎;锤击功可以调节;破碎效率很高;破碎后颗粒组成特性较好;破碎后的表面平整度较高;方便调节,作业灵活。每一个锤头的提升高度在油缸行程范围内可独立调节,该破碎机具备一次破碎4米车道的能力.

2,专用振动压路机

山东公路机械厂生产的yz18a Z形轮振动压路机携带专门加工的钢箍通过螺栓固定在振动钢轮表面。它用于破碎水泥混凝土路面后的表层补充破碎作用是进一步碾压碎石化后的路面,为加铺提供一个平整的表面。

                 


七. 碎石化前的准备工作

1、清除存在的沥青面层

                 在碎石化前,应清除水泥混凝土路面上的沥青修复材料,因为这些材料的存在会影响到破碎的效果。

2、隐藏构造物的调查与标记

                 破碎前,结合设计图纸及业主单位提供的有关隐藏构造物,如:暗涵、底下管线等情况进行调查,以确定破碎是否会对这些构造物造成损坏。通常,构造物埋深在1米以下的不会由于破碎带来的损坏,不满足以上条件的可以降低锤头高度对水泥路面进行破碎,或采用监理工程师认为可行的其它方案。

3、与桥梁连接段的路面

                 与桥梁连接段应标明破碎的位置,根据实际情况,可以破碎到桥头搭板的后端,或根据路面设计线的高程破碎到监理指定位置。未破碎的路面应铣刨到可以摊铺同样厚度沥青罩面的程度。

4、交通管制

                 由于碎石化后的路面在没有滩铺完沥青混凝土面层之前原则上不允许开放交通,所以对交通管制的要求比较严格,建议在条件允许时一次性全封闭施工段落;若条件不允许,应至少实行半封闭施工。

5、其它要求

                 任何与施工期间维持交通无关的路面加宽或路肩修复,应在施工之前修复到混凝土路面的高程。

八破碎试验路段

       在认可水泥路面破碎机破碎程序之前,承包商应完成实验路段并经监理工程师认可。试验路段应为监理工程师在工程项目范围内确定的位置,尺寸为车道全宽,长度为100-200米。承包商应记录不同的破碎情况相对应的水泥路面破碎机设置如锤头高度和地面行使速度等。 为确保路面被破碎成规定的尺寸,根据监理的指令、承包商应开挖试坑。试坑不能选择在有横向接缝或工作缝的位置,路面破碎粒径应在全深度内检测,试坑应用密级配碎料回填并压实至要求。通过实验段破碎,最终,符合要求的破碎设置应记录备查。试验路段确定的破碎机程序将用于本工程。承包商应不断地监控破碎操作并应该在施工过程中不断地进行调整以确保结果满足要求.                    


碎石化施工控制和要求                 

1、路面破碎要求

       碎石化要把75%的混凝土路面破碎成表面最大尺寸不超过7.5cm,中间不超过22.5cm,底部不超过37.5cm的粒径。

2、清除原有填缝料

       在铺筑沥青表面前所有松散的填缝料、涨缝材料或其他类似物应进行清除。

3、凹处回填

       不应修整破碎后混凝土路面或试图平整路面以提高线形,这样将破坏混凝土路面碎石化以后的效果。在压实前发现的5cm的凹地应用密级配碎石料回填并压实到要求。破碎时最好是从混凝土路面的高处向低处破碎,以避免摊铺沥青混凝土后影响排水。

4.与相邻车道的连接

       破碎一个车道的过程中实际破碎宽度应超过一个车道,与相邻车道搭接一部分,宽度至少是15cm。

5.撒布乳化沥青透层油

       为使表面较松散的粒料有一定的结合力和防水性,建议在破碎压实后的表面撒布乳化沥青透层油,按2.5~3.5kg/㎡用量撒布50%慢裂乳化沥青。

6.摊铺前混凝土路面的扰动

       施工车辆的通行次数和载重量应降低到最小程度。如果破碎后的混凝土路面表面已被运料车辆部分或全部破坏,应进行再次压实。

7.面层施工

       碎石化罩面厚度要求原则上不小于12cm。且最好为密级配结构。

九. 施工进度及工期安排

       旧水泥混凝土路面碎石化改造工程,施工的工期主要取决于天气情况及各方的配合,在不受外界条件干扰的情况下.每台设备每天的工作约为3000-3500㎡ 为确保工期,设备的完好率是决定因素,我们置备了足够的配件,专业的维修技术人员,随时对设备进行维修保养,确保按要求完成每日的工作量从而确保总工期。