碎石化舊水泥混凝土路面加鋪瀝青層技術(shù)研究

劉亞琳　陳健康

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司　貴陽　550081)

碎石化舊水泥混凝土路面加鋪瀝青層技術(shù)研究

劉亞琳陳健康

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司貴陽550081)

摘要以長張高速公路益常段舊水泥混凝土路面改造工程為依托，簡述舊水泥混凝土路面碎石化技術(shù)；通過建立計(jì)算模型，比較共振碎石化、多錘頭碎石化及沖擊破裂穩(wěn)固3種破碎(破裂)情況下加鋪瀝青層結(jié)構(gòu)的加鋪層層底拉應(yīng)力及相對彎沉比情況，表明共振破碎后原路基整體強(qiáng)度優(yōu)于多錘頭碎石化技術(shù)。

關(guān)鍵詞舊水泥混凝土路面碎石化應(yīng)力狀況

隨著公路使用年限的增長，水泥混凝土路面的使用性能逐漸下降，出現(xiàn)不同程度的損毀。如何快速、有效地養(yǎng)護(hù)、修復(fù)及處治舊混凝土路面是一個(gè)熱點(diǎn)問題。碎石化法是舊混凝土路面改造方法中的一種重要手段。通過對比分析共振碎石化、多錘頭碎石化及沖擊破裂穩(wěn)固3種情況下瀝青加鋪層層底受力情況，比較不同破碎技術(shù)的優(yōu)劣，為益陽至常德高速公路大修工程提供設(shè)計(jì)方案參考。

1水泥混凝土路面碎石化技術(shù)概述

舊水泥混凝土板破碎技術(shù)主要有由楞式?jīng)_擊壓路機(jī)實(shí)施的沖擊壓實(shí)技術(shù)、由門板式破碎機(jī)實(shí)施的打裂壓穩(wěn)技術(shù)、由多錘頭破碎機(jī)實(shí)施的碎石化技術(shù)和共振破碎機(jī)實(shí)施的共振碎石化技術(shù)幾種。實(shí)施碎石化技術(shù)的主要設(shè)備為共振式破碎機(jī)以及MHB多錘頭破碎機(jī)。

1.1共振碎石法

共振碎石化技術(shù)用于板塊結(jié)構(gòu)完整性較差的水泥混凝土路面，它通過使共振設(shè)備產(chǎn)生的振動頻率與舊水泥混凝土板自身的固有頻率相同而產(chǎn)生共振，從而將混凝土板破碎成高強(qiáng)粒料層，是一種能有效地解決反射裂縫問題的破碎技術(shù)。

共振碎石化技術(shù)的原理是通過錘頭高頻率、低振幅地撞擊路面，產(chǎn)生的撞擊頻率與舊水泥板固有頻率相同，使舊水泥板產(chǎn)生共振來實(shí)現(xiàn)快速破碎水泥混凝土面板。原有水泥板經(jīng)過共振破碎后，破碎可貫穿舊水泥混凝土面層，且面層上部為碎石層，顆粒細(xì)小而均勻，大部分碎塊尺寸都在4cm以內(nèi)；面層下部的板體性仍比較好，有不少斜向約45°的裂縫和其他向振裂縫。這一夾角可使碎石塊之間互相嵌擠，經(jīng)過壓實(shí)后互相咬合，從而使碎石層起到更好的礫石穩(wěn)定層的作用。

1.2多錘頭碎石化法

多錘頭碎石化法是利用多錘頭破碎設(shè)備所帶多個(gè)重錘的重力下落對水泥混凝土路面板進(jìn)行錘擊破碎，并配有“Z”字花紋碾壓輪的振動壓實(shí)機(jī)對破碎后路面振動壓實(shí)。多錘頭破碎后原水泥混凝土路面面層狀況趨向于級配碎石，因此防止發(fā)射裂縫的效果比較明顯，但由于其在施工過程中易對下承路面結(jié)構(gòu)及道路周邊結(jié)構(gòu)物造成影響，且因需要設(shè)置水泥穩(wěn)定碎石層作為補(bǔ)強(qiáng)層，因此該技術(shù)適用于路況差、路側(cè)房屋少、凈空富余多的路段。

2不同破碎方式下瀝青加鋪層受力對比分析

益常高速現(xiàn)有路面結(jié)構(gòu)為25cm水泥混凝土面層+18cm半剛性基層+15cm半剛性底基層。通過BISAR3.0軟件計(jì)算分析3種工藝處理后瀝青加鋪層底拉應(yīng)力及彎沉情況，3種破碎方式的計(jì)算方法均采用雙圓垂直均布荷載作用下的多層彈性體系理論，將各層均設(shè)為均勻、各向同性、連續(xù)線彈性體，取荷載BZZ-100，輪胎接地壓強(qiáng)0.7MPa，接觸面當(dāng)量圓直徑0.213m。計(jì)算時(shí)，以瀝青混凝土層底拉應(yīng)力及路表彎沉值的變化為目標(biāo)參數(shù)。

2.1共振碎石化加鋪層的受力分析

根據(jù)實(shí)地檢測資料，于益常路段選擇的試振路段共取6個(gè)點(diǎn)進(jìn)行承載板試驗(yàn)，試驗(yàn)測得共振破碎處理后的碎石化路面頂面當(dāng)量回彈模量結(jié)果平均值為534MPa，根據(jù)規(guī)范[1]，考慮保證率折減系數(shù)0.66，因此碎石化頂面回彈模量代表值為352MPa。共振破碎后的加鋪方案為10cmATB-25+6cmSBS改性瀝青AC-20C+4cmSBS改性瀝青SMA-13，加鋪層總厚度為20cm。

參考國內(nèi)相關(guān)文獻(xiàn)[2]，確定相關(guān)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)得出的碎石化層與原基層模量取值范圍。軟件計(jì)算相比實(shí)際測量，其彎沉值需進(jìn)行修正。水泥混凝土路面通常是通過擴(kuò)大土基模量值修正，一般為2～4倍。按碎石化后原路面作一層彈性半空間體和原路面具體結(jié)構(gòu)分層的彈性體系2種情況建模，利用輪隙中心彎沉值相同進(jìn)行碎石化后加鋪路面各結(jié)構(gòu)層模量反算，取計(jì)算模型的各層參數(shù)結(jié)果見表1。

表1　共振碎石化計(jì)算模型與參數(shù)

2.2多錘頭碎石化加鋪層的受力分析

根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)資料[3]，多錘頭碎石化后碎石化層頂面回彈模量代表值為179.2MPa，將碎石化分層，取碎石化上層模量為207MPa，碎石化下層模量為3 450MPa。相比共振碎石化技術(shù)，多錘頭碎石化技術(shù)處理后路面原有基層底基層的承載能力有一定程度的下降，因此原路面結(jié)構(gòu)層模量取值有一定的削減。多錘頭碎石化的加鋪方案為32cm水泥穩(wěn)定碎石基層+6cmSBS改性瀝青AC-20C+4cmSBS改性瀝青SMA-13，加鋪總厚度為42cm。模型相關(guān)參數(shù)選取與共振碎石化模型參數(shù)選定方法相同。通過對原基層及以下各層模量進(jìn)行一定程度的削弱，來進(jìn)行加鋪層的受力計(jì)算與分析。計(jì)算模型的各層參數(shù)見表2。

表2　多錘頭碎石化計(jì)算模型與參數(shù)

2.3沖擊破裂穩(wěn)固加鋪層的受力分析

根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)資料[4-5]，沖擊壓實(shí)破碎后舊路面層頂面實(shí)測回彈模量可參照取值為800MPa，考慮保證率折減系數(shù)0.66，因此破裂穩(wěn)固后板頂面回彈模量代表值為528MPa。相比共振碎石化技術(shù)，沖擊破裂穩(wěn)固的反復(fù)沖碾對原基層造成一定的影響，使得路面原有基層底基層的承載能力有一定程度的下降。沖擊破裂穩(wěn)固的加鋪方案為10cmAM-25+6cmSBS改性瀝青AC-20C+4cmSBS改性瀝青SMA-13，加鋪總厚度為20cm。模型相關(guān)參數(shù)選取過程跟前面模型參數(shù)選取方法相同。通過對原基層及以下各層模量進(jìn)行一定程度的削弱，來進(jìn)行加鋪層受力計(jì)算與分析。計(jì)算模型的各層參數(shù)見表3。

表3　沖擊破裂穩(wěn)固計(jì)算模型與參數(shù)

2.43種破碎方式的加鋪層受力對比分析

因3種破碎破裂方式不同，導(dǎo)致設(shè)計(jì)彎沉值的差異，在對3種處治方式的彎沉對比過程中，通過路表彎沉值占相應(yīng)設(shè)計(jì)彎沉值百分比大小進(jìn)行3種破碎破裂方式下彎沉情況比較，可見3種施工工藝下加鋪層底容許應(yīng)力值差別很小，應(yīng)力差異可忽略不計(jì)。圖1和圖2分別為共振碎石化、多錘頭碎石化及沖擊破裂穩(wěn)固3種情況下加鋪層層底拉應(yīng)力及彎沉百分比的變化規(guī)律。

圖1　加鋪層層底拉應(yīng)力隨水平距離分布情況

圖2　路表彎沉比隨水平距離分布情況

比較3種破碎破裂技術(shù)下加鋪瀝青混凝土面層的相應(yīng)加鋪層應(yīng)力及彎沉結(jié)果，分析可得：

(1) 共振碎石化瀝青加鋪層層底拉應(yīng)力峰值相比多錘頭碎石化加鋪層層底拉應(yīng)力峰值低了近18%的水平。在整體上，共振碎石化情況下加鋪層層底拉應(yīng)力比多錘頭碎石化情況下相應(yīng)位置的拉應(yīng)力低了20%的水平。

(2) 3種處理方式中，共振碎石化的彎沉比最低。多錘頭碎石化彎沉比相比共振碎石化彎沉比整體上高了近26%的水平。沖擊破裂穩(wěn)固的彎沉比介于2種方式之中。

(3) 分析其主要原因，共振碎石化技術(shù)處理后的舊水泥混凝土面層下部板塊裂縫為整齊斜向上，形成“裂而不碎”的形式，在承受豎向荷載時(shí)，相比多錘頭碎石化形成的不規(guī)律垂直裂縫，其表現(xiàn)出更高的強(qiáng)度。因此在考慮路面結(jié)構(gòu)極限承受能力及路面結(jié)構(gòu)總體剛度時(shí)，共振碎石化技術(shù)優(yōu)于多錘頭碎石化技術(shù)及沖擊破裂穩(wěn)固技術(shù)。

(4) 相比其余2種破碎方式，沖擊破裂穩(wěn)固的瀝青加鋪層層底拉應(yīng)力值在輪隙中心位置為負(fù)。因沖擊壓實(shí)破碎較好的保留了原水泥混凝土面板的整體性，粒徑尺寸相對較大，使得水泥混凝土面層模量仍維持在較高的水平，與瀝青加鋪層下層抗壓模量相差較大，導(dǎo)致加鋪層下面層層底處于受壓狀態(tài)。

3結(jié)語

通過計(jì)算結(jié)果分析，舊水泥混凝土路面共振碎石化后加鋪瀝青面層相比多錘頭碎石化的情況，其加鋪層底拉應(yīng)力及彎沉比均小。相比多錘頭碎石化后舊混凝土面層裂縫垂直分布，共振碎石化后的原混凝土面層下部特征類似于塊料路面，破碎塊間裂縫呈斜向整齊分布，導(dǎo)致其整體強(qiáng)度高于經(jīng)多錘頭破碎處理的情況，在保持原基層剩余強(qiáng)度方面具有一定的優(yōu)勢。

通過對益陽至常德高速公路大修工程不同破碎(破裂)方案的對比分析，論證了大修方案中應(yīng)用共振碎石化技術(shù)的可行性，建議加鋪層設(shè)計(jì)方案為加鋪層總厚度20cm，由4cmSMA-13，6cmAC-20C和10cmATB-25 3層組成。

參考文獻(xiàn)

[1]JTGD50-2006公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 北京:人民交通出版社,2006.

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[3]張玉宏.水泥混凝土路面碎石化綜合技術(shù)研究[D].南京:東南大學(xué),2006.

[4]李廷剛,劉甲榮.沖壓破裂穩(wěn)固技術(shù)在水泥路面白改工程中的應(yīng)用研究[J].公路交通科技,2010,27(7):38-40.

[5]呂蔣聰,任岐崗.沖擊壓實(shí)破裂穩(wěn)固后對瀝青混凝土加鋪層結(jié)構(gòu)影響的數(shù)值分析[J].公路工程,2012(2):55-57.

收稿日期：2014-10-05

ResearchonTechniquesofAsphaltOverlayonRubblizedPCCPavement

Liu Yalin, Chen Jiankang

(GuizhouTransportationPlanningSurvey&DesignAcademeCompanyLimited,Guiyang550081,China)

Abstract：Based on Yiyang-Changde freeway pavement reconstruction project, the comparison of the surface deflections and the tensile stresses for different asphalt overlay structures on the rubblized Portland Concrete Cement (PCC) pavement by means of Multi-Head Breaker(MHB),Resonant Pavement Breaker(RPB) and broken-seated techniques shows that the RPB is better than the MHB.

Key words:old PCC pavement; rubblization; stress conditions

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.01.048