城市舊水泥路面改造工程共振碎石化工藝分析

孟祥虎(合肥市市政設(shè)計(jì)研究總院有限公司,安徽 合肥 230041)

0 引 言

路面是道路的重要組成部分,其施工質(zhì)量直接影響行車舒適度和使用年限,對(duì)于在運(yùn)營過程中出現(xiàn)的路面破碎、裂縫等問題需要及時(shí)進(jìn)行修復(fù)。共振碎石化技術(shù)近年來在公路養(yǎng)護(hù)大修的施工中得到了較為廣泛的應(yīng)用,與傳統(tǒng)的修復(fù)方式相比,它具有施工操作簡便、成本相對(duì)較低等優(yōu)點(diǎn),對(duì)路面的修復(fù)效果良好,具體優(yōu)點(diǎn)如下:

(1) 施工簡便、效率高,交通組織靈活。共振碎石化施工的主要設(shè)備有共振破碎機(jī)、灑水車、壓路機(jī)等,設(shè)備使用種類少,通用性高,方便施工機(jī)械組織管理,減少機(jī)械成本支出。同時(shí),共振碎石化施工由于施工機(jī)械少,作業(yè)區(qū)分段靈活,利于施工現(xiàn)場交通組織,減小施工過往道路通行影響。

共振碎石化技術(shù)施工效率高,速度快,而且經(jīng)破碎后的碎石層,無須養(yǎng)護(hù)期,可直接進(jìn)入透層、封層、面層等加鋪層施工,施工工序可以無縫銜接,提高了路面維修效率,符合快速施工、快速開放交通的公路運(yùn)維理念,適用于在交通流量大、開放交通要求高的路段應(yīng)用。

(2) 碎石層剩余強(qiáng)度高,抗反射能力強(qiáng)。經(jīng)共振碎石化技術(shù)處理后的水泥路面碎石層,粒徑主要在3～15 cm,上層粒徑較小,一般在5 cm以下,相對(duì)松散,類似于級(jí)配碎石,起到應(yīng)力釋放作用,下層粒徑集中在5～15 cm,塊狀,且處于斜向咬合狀態(tài),破裂角度在30°～45°,相互嵌鎖,裂而不散,有較高的剩余強(qiáng)度。

作為基層使用時(shí),既有柔性基層抗干縮、抗溫縮、抗反射裂縫、抗疲勞等優(yōu)點(diǎn),又有半剛性基層承載能力大、剛度大、彎沉小、模量高等特點(diǎn),能有效解決水泥路面“白改黑”工程中經(jīng)常出現(xiàn)的反射裂縫現(xiàn)象,是一種極佳的瀝青路面基層材料。

(3) 施工環(huán)保、經(jīng)濟(jì),對(duì)周圍環(huán)境影響小。共振碎石化技術(shù)將舊水泥路面破碎并重新利用作為基層使用,充分挖掘舊水泥板塊的剩余價(jià)值,既提高了公路維修的經(jīng)濟(jì)性,又減少了水泥板塊廢棄物的排放,符合當(dāng)今綠色、環(huán)保、節(jié)能的公路建設(shè)理念。

共振碎石化技術(shù)采用高頻率、低振幅的振動(dòng),相對(duì)于多錘頭等其他傳統(tǒng)破碎方式,共振碎石化技術(shù)破碎沖擊力小,可大幅減少了對(duì)周邊建筑物、構(gòu)筑物及各地下管線的影響;而且,共振碎石化工藝施工噪聲小,更適合在穿城、穿鎮(zhèn)等噪聲敏感路段施工。

城市道路“白改黑”后道路功能將得到整體提升,同時(shí)結(jié)合道路改造,對(duì)現(xiàn)狀雨污合流、地下管線設(shè)施同步進(jìn)行升級(jí)改造,可以完善道路配套設(shè)施。

本文以蚌埠市湯河路“白改黑”改造項(xiàng)目為范例,淺析共振碎石化工藝在城市舊混凝土路面改造中的應(yīng)用。

1 工程概況

湯和路位于蚌埠市城區(qū)東部,路線北起孫郢路,南至學(xué)瀚路口,全長約8.5 km,是連接經(jīng)開區(qū)及龍子湖區(qū)重要的通道,也是完善蚌埠市片區(qū)內(nèi)部路網(wǎng)的重要組成部分,如圖1所示。

圖1 工程位置圖

本次設(shè)計(jì)湯和路工程范圍位于經(jīng)開區(qū),起點(diǎn)為勝利路,終點(diǎn)為蚌埠學(xué)院(黃山大道北側(cè)),全長約4.66 km,道路等級(jí)為城市次干路,規(guī)劃道路寬度為35 m,由于征地等原因,近期按照20 m實(shí)施,機(jī)非混行;設(shè)計(jì)速度為40 km/h。本次設(shè)計(jì)道路為老路改造項(xiàng)目,周邊地塊以小區(qū)、高校、企業(yè)為主。

本項(xiàng)目建設(shè)對(duì)于改善區(qū)域交通環(huán)境,滿足居民出行需求,帶動(dòng)地塊開發(fā),具有重要意義。

2 現(xiàn)狀混凝土板塊調(diào)查

2.1 擬建道路現(xiàn)狀混凝土板塊檢測(cè)概況

鑒于湯和路改造工程設(shè)計(jì)的需要,對(duì)蚌埠市湯和路既有水泥混凝土路面進(jìn)行了質(zhì)量檢測(cè)。湯和路(勝利路—蚌埠學(xué)院)為雙向四車道,路寬20 m,全長4.66 km。檢測(cè)內(nèi)容主要為既有水泥混凝土路面板塊病害現(xiàn)狀調(diào)查、彎沉差及主副點(diǎn)彎沉、傳荷系數(shù)檢測(cè)、面層厚度、面層水泥混凝土強(qiáng)度檢測(cè)和基層厚度。

2.2 路面狀況調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果

根據(jù)現(xiàn)場混凝土板塊破損狀況調(diào)查得到的病害類型、輕重程度和密度指數(shù),計(jì)算出湯和路路段的路面綜合狀況指數(shù)PCI=60.981,斷板率為13.428%,平均錯(cuò)臺(tái)量為0.494,路面損壞狀況等級(jí)為C級(jí)。

3 設(shè)計(jì)方案

3.1 設(shè)計(jì)原則

本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足項(xiàng)目的交通功能及經(jīng)濟(jì)性要求,體現(xiàn)本工程的整體效能,設(shè)計(jì)應(yīng)達(dá)到“科學(xué)合理,基本功能完善,造型新穎,布局緊湊,造價(jià)合理”的目的,設(shè)計(jì)遵循以下原則:

(1) 注重道路交通設(shè)計(jì)理念的研究與應(yīng)用,綜合分析區(qū)域規(guī)劃、道路環(huán)境,工程方案應(yīng)滿足交通發(fā)展的近期及遠(yuǎn)期要求,并做到功能上適用并適度超前、技術(shù)上可行,以取得最佳的投資效益,且確保設(shè)計(jì)方案的基本功能完善。

(2) 堅(jiān)持科學(xué)態(tài)度,積極采用新成果、新技術(shù)、新工藝、新材料。既要經(jīng)濟(jì)合理、安全可靠,又要適合本工程的建設(shè)特點(diǎn)。建設(shè)規(guī)模及標(biāo)準(zhǔn)與道路性質(zhì)、功能定位相契合。合理確定建設(shè)標(biāo)準(zhǔn),就地取材,選用成熟的施工材料和工藝,節(jié)約工程投資,使適用性和經(jīng)濟(jì)性實(shí)現(xiàn)最佳結(jié)合,以達(dá)到控制造價(jià)的目的,確保工程造價(jià)合理。

(3) 節(jié)約資源、避免浪費(fèi)、環(huán)境保護(hù),體現(xiàn)城市發(fā)展的可持續(xù)?？傮w設(shè)計(jì)應(yīng)充分利用現(xiàn)有地形及道路現(xiàn)狀進(jìn)行豎向設(shè)計(jì),以最大限度地減少因考慮不周帶來的重復(fù)建設(shè)和巨大浪費(fèi),節(jié)約寶貴的資源,實(shí)現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略要求。水泥混凝土板共振碎石化后加鋪瀝青層可很好地消除反射裂縫,因此路面狀況較好時(shí)可以采用該技術(shù),但需要考慮經(jīng)濟(jì)成本等。路面質(zhì)量較差時(shí)會(huì)影響共振破碎效果,因此需經(jīng)技術(shù)論證以及病害處理后采用該技術(shù)。共振碎石化作業(yè)面距離道路兩側(cè)構(gòu)筑物或建筑物水平安全距離應(yīng)滿足表1要求。

表1 共振碎石化作業(yè)面距離道路兩側(cè)構(gòu)筑物或建筑物水平安全距離

共振碎石化施工作業(yè)路段內(nèi)構(gòu)筑物和管線的安全距離應(yīng)滿足表2要求。無法避免時(shí),應(yīng)采取隔離措施。

表2 共振碎石化施工作業(yè)路段內(nèi)構(gòu)筑物和管線的安全距離

表3 共振碎石化施工質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

3.2 現(xiàn)狀混凝土路面處理方案

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查本次設(shè)計(jì)湯和路,勝利路至望湖路段(樁號(hào)0+00—7+89.012)、向湖路至東海大道段(樁號(hào)12+72.714—東海大道)、學(xué)苑路至設(shè)計(jì)終點(diǎn)段三段道路兩側(cè)構(gòu)筑物或建筑物距離車道邊均大于10 m;車行道范圍內(nèi)地下管線埋深均大于1 m,且管道運(yùn)營狀況良好,可就地利用;道路范圍內(nèi)無涵洞、橋梁、擋土墻等地下構(gòu)筑物;同時(shí)根據(jù)檢測(cè)報(bào)告,路面破損狀況調(diào)查評(píng)定等級(jí)為C級(jí);本次設(shè)計(jì)對(duì)以上三段采用共振碎石化技術(shù),首先對(duì)現(xiàn)狀水泥混凝土路面進(jìn)行處理,然后利用專業(yè)共振碎石化設(shè)備將現(xiàn)狀混凝土路面碎石化,經(jīng)檢測(cè)合格并達(dá)到設(shè)計(jì)及規(guī)范要求后,再采用碎石層找平,最后加鋪瀝青面層?，F(xiàn)狀水泥混凝土路面具體處理方案,應(yīng)結(jié)合彎沉檢測(cè)結(jié)果,根據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)路段反饋數(shù)據(jù):

(1) 對(duì)于彎沉值L<40(0.01 mm)并且板底無嚴(yán)重脫空的板塊,設(shè)計(jì)時(shí)不做特殊處理后;

(2) 對(duì)于破碎板及彎沉值L≥40(0.01 mm)的板塊占既有道路總板塊數(shù)比例不高時(shí),對(duì)該部分板塊采取翻挖換板處理,面板開挖后對(duì)既有基層進(jìn)行檢測(cè),滿足要求時(shí),可直接澆筑面板,對(duì)于不滿足要求的基層也應(yīng)挖除,并采用40 cm厚C20素混凝土澆筑至基層頂面后,重新澆筑24 cm厚C30混凝土面板;

(3) 對(duì)于破碎板及彎沉值L≥40(0.01 mm)的板塊占既有道路總板塊數(shù)比例較高時(shí),則對(duì)該道路采取全段挖除面板及基層后,對(duì)開挖面進(jìn)行檢測(cè),滿足新建道路的底基層要求后,鋪筑水穩(wěn)碎石基層和瀝青面層。

3.3 路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

根據(jù)《城鎮(zhèn)道路路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(CJJ 169—2012),本項(xiàng)目路面設(shè)計(jì)采用雙輪組單軸載100 kN為標(biāo)準(zhǔn)軸載。

(1) 設(shè)計(jì)年限:瀝青混凝土路面15年;

(2) 標(biāo)準(zhǔn)軸載:雙輪組單軸載100 kN;

(3) 設(shè)計(jì)交通等級(jí):中等交通。

路面設(shè)計(jì)采用多層彈性連續(xù)體系理論,根據(jù)計(jì)算,車行道(碎石化后加鋪段)結(jié)構(gòu)做法(加鋪總厚度約20 cm)如下:

4 cm AC-13C細(xì)粒式SBS改性瀝青混凝土;

改性乳化瀝青粘層;

8 cm AC-25C粗粒式SBS改性瀝青混凝土(抗車轍劑添加量0.4%);

AC-25C粗粒式瀝青混凝土調(diào)平層;

乳化瀝青封層(2.0～3.5 kg/m2,松散層粉末較多時(shí)取上限);

碎石補(bǔ)強(qiáng)及調(diào)平層(粒徑為4.75～9.5 mm,含泥量小于3%);

原路面水泥混凝土面板共振碎石化(原混凝土面板處理后再進(jìn)行共振碎石)。

4 施工方案

4.1 原水泥混凝土路面共振碎石化

共振碎裂技術(shù)產(chǎn)生的高頻低幅振動(dòng)能量,通過破碎錘頭傳遞到水泥板塊里,使舊水泥混凝土板塊表面4～6 cm深度范圍碎裂成5 cm以下粒徑的碎石層(頂面最大粒徑不大于5 cm,合格率應(yīng)不小于75%)。由于共振破碎機(jī)動(dòng)量高,和板塊接觸時(shí)間短,將水泥板塊表面的“裂紋”瞬間均勻地“擴(kuò)展”到板塊底部,作用于水泥板塊內(nèi)部的高頻振動(dòng)力使得整體破裂均勻,碎塊大小和方向極其規(guī)律,水泥板塊產(chǎn)生斜向裂紋,與路面夾角呈30°～40°。

碎石化施工前,施工單位應(yīng)制定切實(shí)可行的施工組織設(shè)計(jì),符合要求方可施工。碎石化不得在雨(雪)天氣下施工,施工中如遇雨(雪)時(shí),應(yīng)立即停工,并采取措施,確保排水通暢。

碎石化施工現(xiàn)場應(yīng)嚴(yán)格按《公路養(yǎng)護(hù)安全作業(yè)規(guī)程》(JTG H30—2015)進(jìn)行,未加鋪路面結(jié)構(gòu)前的碎石化層嚴(yán)禁通行車輛。

4.2 施工準(zhǔn)備

(1) 對(duì)路基地下水位偏高,潮濕,排水不暢路段或施工季節(jié)降雨較多,應(yīng)修復(fù)或設(shè)置排水系統(tǒng)。

(2) 特殊路段的處理:①軟弱路段,常年唧漿、基層或路基含水量過大的不良路段,碎石化后松軟,應(yīng)將碎石化層挖除后用級(jí)配碎石換填。②過量碎石化路段,局部路段面板強(qiáng)度過低等情況使碎石化層過于松散,也應(yīng)對(duì)碎石化層挖除換填。③局部下陷路段,如果下陷5 cm可不予處理;否則應(yīng)判斷下陷的原因,并對(duì)碎石層挖除換填。

(3) 構(gòu)造物標(biāo)識(shí),應(yīng)在現(xiàn)場對(duì)沿線結(jié)構(gòu)物進(jìn)行明確標(biāo)識(shí),以確保不會(huì)因?yàn)樗槭┕ざ斐蓳p壞。

(4) 交通管制,碎石化前應(yīng)制定詳細(xì)的交通組織方案,滿足通車及施工安全。

4.3 施工程序

舊水泥混凝土路面共振碎石化技術(shù)施工程序?yàn)?

路況調(diào)查—灑水濕潤—試振—檢測(cè)驗(yàn)證—共振碎石化—清除表面粗粒料—壓實(shí)—技術(shù)指標(biāo)檢測(cè)—鋪筑水泥穩(wěn)定碎石基層。

4.4 試振

舊水泥混凝土路面共振破碎質(zhì)量(破碎程度、粒徑大小排列和形成的破裂面方向)主要受到破碎機(jī)施工速度、振幅、破碎順序、破碎施工方向、不同基層強(qiáng)度(剛度)以及對(duì)破碎機(jī)調(diào)整要求等因素影響。為了確保共振破碎質(zhì)量,實(shí)施共振破碎必須進(jìn)行破碎試振。試振后,通過開挖坑穴,檢驗(yàn)破碎粒徑分布情況,以及均勻程度,確定破碎機(jī)施工參數(shù)及施工組織措施等。

4.5 破碎施工順序

破碎前,應(yīng)對(duì)破碎車道水泥混凝土路表面灑水濕潤,以防止破碎時(shí)揚(yáng)塵,污染環(huán)境。破碎順序一般由水泥路面外側(cè)車道開始,從邊緣向中間破碎,破碎時(shí)應(yīng)有重復(fù)破碎搭接面,搭接寬度不應(yīng)小于5 cm。施工中應(yīng)及時(shí)清除瀝青加鋪或修補(bǔ)材料、填縫料,接縫傳力鋼筋或其他雜物。施工過程中如臨時(shí)發(fā)現(xiàn)軟弱路基,應(yīng)及時(shí)處置。破碎應(yīng)全面徹底,不遺留未破碎區(qū)域。

4.6 壓實(shí)

壓實(shí)前,應(yīng)清除舊水泥混凝土路面接縫內(nèi)大于5 cm的碎石塊,并對(duì)凹陷的路段采用級(jí)配碎石粒料回填。然后采用光輪壓路機(jī)碾壓密實(shí)。

碎石化后應(yīng)及時(shí)壓實(shí),受碎石化原理控制,共振碎石化后松散層顆粒粒徑較小,適當(dāng)灑水,宜采用鋼輪壓路機(jī)(通常四遍)和輪胎壓路機(jī)(通常兩遍)組合碾壓。壓實(shí)遍數(shù)以壓實(shí)完成后表面均勻密度為準(zhǔn)。

碾壓結(jié)束后,為使表面較松散的粒料具有一定的黏結(jié)力,宜噴灑乳化瀝青透層油,用量在2.0～3.5 kg/m2,鋪裝瀝青面層前,不得通行車輛。

碎石化技術(shù)控制要點(diǎn)可歸納為“治”“透”“實(shí)”“穩(wěn)”“檢”“蓋”六字要訣。

(1) 治——病害處治,即對(duì)軟弱老路基或基層進(jìn)行病害治理。

(2) 透——必須將原水泥混凝土面板破透,讓其能量充分釋放,這是防止新加鋪路面結(jié)構(gòu)是否出現(xiàn)反射裂縫的關(guān)鍵。充分了解和掌握原路面狀況和沿線結(jié)構(gòu)物分布,通過探坑確定共振破碎機(jī)的頻率、振幅等參數(shù)。

(3) 實(shí)——碾壓密實(shí),用鋼輪和膠輪組合碾壓。

(4) 穩(wěn)——混凝土路面破碎后應(yīng)形成穩(wěn)定的路面結(jié)構(gòu)層。

(5) 檢——質(zhì)量檢測(cè),檢測(cè)的內(nèi)容包括彎沉值、破碎寬度、漏破情況、軟弱路基處治情況等。

(6) 蓋——壓穩(wěn)后及時(shí)施工瀝青面層,目的是防止雨水等水分對(duì)路基的侵蝕,保護(hù)破碎層。

4.7 技術(shù)指標(biāo)檢測(cè)

舊水泥混凝土路面實(shí)施共振碎石化后,采取外觀鑒別和實(shí)地檢測(cè)相結(jié)合的方法,選取具有代表性的路段挖坑穴抽樣檢驗(yàn)、檢測(cè),深度至路面基層頂面,分析共振破碎效果。鑒別板塊內(nèi)是否產(chǎn)生斜向受力和嵌緊結(jié)構(gòu),判斷、分析、評(píng)價(jià)共振碎裂技術(shù)作用力擴(kuò)展到板塊的何位置完成了能量的傳遞,以及對(duì)板塊周圍的結(jié)構(gòu)物和基層是否會(huì)造成損壞。同時(shí),定點(diǎn)檢測(cè)沉降量,回彈彎沉值測(cè)定、破碎狀況檢測(cè)、縱橫坡度檢測(cè)等。

對(duì)破碎碾壓后的舊水泥混凝土路面進(jìn)行彎沉檢測(cè),滿足設(shè)計(jì)要求。

4.8 質(zhì)量檢查驗(yàn)收

4.8.1 碎石化層施工質(zhì)量檢查驗(yàn)收

碎石化層施工質(zhì)量檢查驗(yàn)收指標(biāo)見表4。

表4 碎石化層施工質(zhì)量檢查驗(yàn)收指標(biāo)

4.8.2 瀝青加鋪層質(zhì)量檢查驗(yàn)收

加鋪層質(zhì)量檢查驗(yàn)收按照《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》(土建工程)(JTG F80/1—2004)、《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)、《城鎮(zhèn)道路工程施工與質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》(CJJ 1—2008)。

5 結(jié)束語

目前該項(xiàng)目已建成通車3年,路面使用狀況良好,未見明顯質(zhì)量缺陷,可滿足日常使用要求。

綜上,對(duì)城市舊混凝土路面采用共振碎石化工藝,可減少路面的反射裂縫,同時(shí)避免傳統(tǒng)維修對(duì)原混凝土破除后帶來的廢棄,并可降低施工工期,有效降低工程造價(jià),節(jié)約資源。