高速公路舊水泥混凝土路面共振碎石化技術(shù)的應(yīng)用分析

鄒劍

摘要 文章以共振碎石化技術(shù)應(yīng)用作為研究重點(diǎn)，結(jié)合案例高速公路舊水泥混凝土路面改造工程，提出了共振碎石化技術(shù)的應(yīng)用方法。研究表明，當(dāng)前傳統(tǒng)的水泥混凝土路面改造技術(shù)已經(jīng)難以滿足實(shí)際的工程改造要求，應(yīng)用共振碎石化技術(shù)能夠有效解決道路改造時(shí)諸多問題，為公路事業(yè)長期穩(wěn)健發(fā)展具有促進(jìn)作用。

關(guān)鍵詞 高速公路;水泥混凝土;路面施工;共振碎石化

中圖分類號 U416.216 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）07-0166-03

0 前言

共振破碎石化技技術(shù)原理是將板塊破碎，作為基層改建，通過降低加鋪路面的承載結(jié)構(gòu)水平，以及碎塊與碎塊之間的嵌鎖力學(xué)特征，可有效規(guī)避反射裂縫的變形影響，使得改建后的基層趨于柔性狀態(tài)，相比于普通品質(zhì)合格密集配碎石，前者將抗變形的性能水平提升至原先的1.5～3倍，在眾多的公路改建工程中被大力推廣。

1 共振碎石化技術(shù)的基本原理

共振碎石化技術(shù)強(qiáng)調(diào)振動擊打的頻率，所借助的振動錘頭與水泥混凝土撞擊之后，除了需要掌握舊路面板的固有頻率，還需要妥善應(yīng)用好錘頭的振動頻率，要求在實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)，要充分了解共振碎石化技術(shù)的基本原理。

1.1 相關(guān)機(jī)械的性能參數(shù)

共振碎石化所使用的機(jī)械設(shè)備，在性能參數(shù)方面是否合格關(guān)系到碎石化是否能夠達(dá)到預(yù)期的效果。性能的優(yōu)越性與共振碎石機(jī)的基本構(gòu)造息息相關(guān)。下面案例工程所使用的共振碎石機(jī)為GZL型，該型號的共振碎石機(jī)主要包括駕駛系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、車輛系統(tǒng)、配重系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、振動系統(tǒng)和散熱系統(tǒng)等，主要應(yīng)用工程為公路水泥混凝土路面改造工程和機(jī)場道面水泥混凝土路面改造工程，主要的性能參數(shù)如表1所示：

1.2 基本原理

水泥混凝土路面板所受到的持續(xù)機(jī)械能，是共振破碎機(jī)通過振動錘頭的不斷沖擊，從撞擊的局部區(qū)域往周圍傳遞，除了極少的部分應(yīng)力波輸送至路面板內(nèi)部，其余的應(yīng)力波以來回反射的形式，使得能量滯留于路面板內(nèi)部，材料所保持的平衡被打破，當(dāng)路面板內(nèi)部超出極限狀態(tài)的應(yīng)力承受范圍，彈性系統(tǒng)就會逐漸趨于崩潰邊緣，最終產(chǎn)生縱橫交錯的裂縫，形成大小不一的碎塊，如圖1。

在應(yīng)用共振碎石化技術(shù)時(shí)，對于直接作用于地面的振動錘頭，在規(guī)定的撞擊時(shí)間內(nèi)，要把握好振動的頻率，在產(chǎn)生表面裂紋之后，才能夠?qū)⒛芰坑行鬏斨撩姘逯畠?nèi)，并通過裂紋往材料邊界擴(kuò)展，同時(shí)確保不會損壞基層結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定[1]。根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，共振的碎石裂紋，與路面呈35～40°角，如圖1所示，這種裂紋既能夠保證碎塊之間互相嵌鎖，還可以有效避免沖擊基層。由此可見，對高頻低幅的斜向受力控制，是保證共振碎石化承載能力的關(guān)鍵。

2 案例工程的共振碎石化技術(shù)應(yīng)用

根據(jù)以上共振碎石化技術(shù)的基本原理，在案例工程中利用GZL型的共振碎石機(jī)并應(yīng)用共振碎石化技術(shù)如下：

2.1 工程概況

該工程屬于三級高速公路，修建于2001年，設(shè)計(jì)速度為60～80 km/h，路面和路基的寬度分別為10 m、12 m，設(shè)計(jì)了雙向四車道，路面面層為C30水泥混凝土，厚度20 cm，結(jié)構(gòu)層25 cm，其下的水泥穩(wěn)定砂礫厚度30 cm，路面板尺寸為3.5 m×2.5 m，目前已經(jīng)累計(jì)投入使用了21年，待施工路線總長度為6.97 km。

考慮到路面改造工程與施工路段的交通量情況息息相關(guān)，因此在施工之前，對近7年的歷史交通量進(jìn)行調(diào)查統(tǒng)計(jì)，具體如圖2所示。

根據(jù)以上調(diào)查結(jié)果，公路施工區(qū)域范圍內(nèi)，近年來交通量都在逐步增大，尤其是大型車和特大型車，說明當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展正在增長，對高速公路的交通提出了更高的交通要求，亟須將已經(jīng)出現(xiàn)病害的路段進(jìn)行改造。在施工時(shí)，根據(jù)該路段交通量情況，無法將施工路段進(jìn)行全面封閉，只能采取局部封閉和交通引導(dǎo)的方式，為施工提供便利條件。

2.2 共振碎石化施工技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用

2.2.1 確定路面板固有頻率

在施工之前，對施工水泥混凝土路面板的固有頻率的計(jì)算確定，需要依次獲取路面板的厚度、路面板的彈性模量、地基反應(yīng)模量和其他參數(shù)，其中路面板的厚度和彈性模量獲取采用鉆芯取樣和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)的方法，高度測量選取的芯樣。鉆芯取樣的施工標(biāo)準(zhǔn)，主要參照《公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范》，根據(jù)芯樣的彎拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度，計(jì)算出舊水泥混凝土路面的彎拉彈性模量。至于地基反應(yīng)模量，該模量無法直接獲取，需要根據(jù)待施工區(qū)域的路基及路基之間的參數(shù)，換算出地基頂面的當(dāng)量回彈模量[2]。由于施工現(xiàn)場的條件限制，需要將破碎的路面板移除，然后借助貝克曼測量彎沉，或者借助剛性承載板測量得出。最后是其他參數(shù)的確定，在實(shí)測出路面板彈性模量和地基的反應(yīng)模量之后，用鋼尺測量出路面板的長度和寬度，再根據(jù)路面結(jié)構(gòu)的變化，確定相對穩(wěn)定的密度和泊松比，分別為2 400 kg/m3和0.15。

通過測試和測量，選取四個代表性的位置，計(jì)算出舊路面板的固有頻率見表2。

2.2.2 共振碎石化施工

共振碎石化施工之前，做好一系列的準(zhǔn)備工作，除了通過試振和開挖試坑檢驗(yàn)，以此得出以上的相關(guān)參數(shù)，還要布設(shè)好公路周邊的排水系統(tǒng)。排水系統(tǒng)的鋪設(shè)，選擇排水管和集水管，均采用UPVC材質(zhì)，且直徑均為10 cm，其中排水管采用橫向布置模式，集水管采用縱向布置模式，最下層是原礫石砂層，布設(shè)了防滲土工具，其內(nèi)的濾布透水管裹有Φ80鋼圈，再將級配碎石覆蓋其上，屬于原三渣層[3]。主體多孔塑料排水管在碎石化層和原三渣層之間，鋪設(shè)大量碎石作為墊層，再往其上澆筑C15水泥混凝土。

做好一系列的準(zhǔn)備工作后，使用GZL型-600共振碎石機(jī)進(jìn)行共振碎石施工，共振碎石機(jī)使用時(shí)，通過對振動錘頭激勵頻率、前進(jìn)速度和錘擊橫向凈距的控制，根據(jù)上面所采取的施工參數(shù)，組合完成破碎作業(yè)。為保證施工的可操作性，將施工路段按照樁號區(qū)分，布設(shè)好施工參數(shù)，如表3。

該路面改造工程選擇從外側(cè)車道外緣區(qū)域向路中破碎的作業(yè)方式，沿縱縫切割的臨近車道區(qū)域，從中間到邊緣方向進(jìn)行破碎處理。錘破碎的寬度參數(shù)為20 cm，共進(jìn)行兩次破碎工作，同時(shí)對破碎區(qū)域間隔進(jìn)行嚴(yán)格控制，采用隔行破碎方式。橋臺區(qū)域、擋墻區(qū)域以及構(gòu)筑物區(qū)域密切聯(lián)系的碎石化施工路段中，為規(guī)避因共振施工而產(chǎn)生的破壞風(fēng)險(xiǎn)，將產(chǎn)生連接作用的混凝土板塊切割寬度參數(shù)為20 cm的應(yīng)力釋放槽。厚度參數(shù)過高的舊路面破碎區(qū)段，加大振動頻率參數(shù)，展開路面預(yù)裂處理工作。在碎石化路段、橋梁板涵路段以及橋涵搭板路段等的接縫區(qū)域沒有設(shè)置應(yīng)力釋放切割渠，要在接縫處設(shè)置厚度為2 mm、寬度為1 m、抗拉強(qiáng)度參數(shù)不低于600 N/50 mm、延伸率至少30%、黏附性不小于4 N/mm的防裂貼[4]。

2.2.3 碎石化層保護(hù)

在完成舊路面共振碎石化施工后，根據(jù)《公路水泥混凝土路面再生利用技術(shù)細(xì)則》（JTG/T F31—2014）、《舊水泥混凝土路面共振碎石化技術(shù)規(guī)范》（DB51T 2430—2017）中的規(guī)范要求，需要在碎石化完成面上，進(jìn)行乳化瀝青的封層操作，瀝青為乳化狀，使用量控制在2.55～3.5 kg/m2之間，粒徑參數(shù)范圍在4.75～9.5 mm之間，集料含量不低于3%。舊路面共振碎石化處理后，在試振區(qū)檢查坑開挖工作，獲取試樣后展開碎石篩分試驗(yàn)以及路基底層舊水泥混凝土顆粒級配分析試驗(yàn)，其中舊路面表面承載力彎沉檢測滿足設(shè)計(jì)需求，相關(guān)內(nèi)容如表4所示：

按照以上的設(shè)計(jì)要求，做好碎石層的保護(hù)工作，期間在未破碎時(shí)做好水泥混凝土路面面板的強(qiáng)化檢測工作，將共振機(jī)工作參數(shù)控制在合理范圍內(nèi)，在完成破碎處理后，有效進(jìn)行回彈模量參數(shù)與彎沉值參數(shù)的檢測活動。破碎后沒有通過檢測的路段，若路基不具備較強(qiáng)的承載力，在挖出路基后摻加5%的石灰成分，拌和均勻后進(jìn)行回填與壓實(shí)處理;若符合路基承載力標(biāo)準(zhǔn)，在破碎料中摻入含量2%～3%的水泥，并拌和均勻后回填基層與壓實(shí)。

2.3 共振碎石化效果檢驗(yàn)與評價(jià)

共振碎石化效果的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，是施工后路面板的板體結(jié)構(gòu)的完整性，以及整體結(jié)構(gòu)剛度的均勻程度。檢驗(yàn)依據(jù)主要參照破碎粒徑的大小判斷碎石化的程度，如果破碎顆粒太大，說明整體強(qiáng)度不均勻，在加鋪瀝青層后，有導(dǎo)致發(fā)散裂縫出現(xiàn)的可能性;反之則在公路投入使用后，就造成路面板的強(qiáng)度損失，對瀝青層的加鋪要求會有所提高。至于碎石粒徑大小的把控，對于該工程來說，試坑法是比較適用的檢測方式，按照50 cm×50 cm的尺寸標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，控制好開挖的深度，原則上必須大于舊路面板的厚度，每50 cm用直尺檢查一處，其中頂面最大粒徑不小于5 cm，上部最大粒徑不小于10 cm，下部最大粒徑不小于18 cm。按照這種檢測方法，對案例工程施工路段的共振碎石化情況，根據(jù)上文提到的路面板固有頻率，對右幅K3+083、右幅K3+535、左幅K3+563、左幅K3+115檢驗(yàn)記錄，并對合格率進(jìn)行估算，具體見表5：

通過表5，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：舊路面板固有頻率偏高，需要調(diào)節(jié)共振破碎機(jī)的施工參數(shù)，譬如降低機(jī)械的前進(jìn)速度、縮短錘跡的橫向凈距等方法，才能夠達(dá)到較好的施工效果。

3 結(jié)束語

高速公路舊水泥混凝土路面施工中，共振碎石化技術(shù)具有施工周期短、低碳環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，是案例工程舊水泥混凝土路面改造工程的優(yōu)選方案。文章通過研究，基本明確了共振碎石化施工在案例工程中的應(yīng)用方法，可作為相關(guān)工程參考借鑒的依據(jù)，同時(shí)需要在實(shí)際工程中歸納和總結(jié)出更多有用的施工經(jīng)驗(yàn)，作為該文研究的補(bǔ)充和完善。

參考文獻(xiàn)

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