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寒冷地區舊水泥混凝土路面改造為路面基層施工工法

龍建路橋股份有限公司

閆繼鋒  孫祥柱  田玉龍  楊士杰  李 軍

1、前言

水泥混凝土路面是目前黑龍江省道路工程中廣泛應用的一種路面結構類型,與瀝青路面相比,水泥混凝土路面有許多優點,如剛度大、承載能力強、彎拉強度高、疲勞壽命長、耐久性優良、材料來源廣泛、建成初期養護管理費用較低等。但這些優點在我國目前的交通狀況下,卻因為這種路面結構形式對重載超載的高度敏感而不再成立,使用壽命急劇縮短,特別是黑龍江省地處中國最北部,冬季寒冷,最低氣溫達-37℃,溫度驟降和溫度反復升降現象經常發生,加速了路面溫縮裂縫的產生與發展,使整個路段的使用性能很快不能滿足行車要求,進入大修階段。當水泥混凝土路面病害越過初始階段,進入大修階段,黑龍江省現階段普遍采用的措施是非破碎情況下加鋪改性瀝青路面。

加鋪改性瀝青路面時,舊水泥砼提供了穩定、堅實的基層,瀝青路面提供了一個摩阻系數較高、平整度好的面層,大大改善了路面的使用性能。但反射裂縫隱患成為最主要的考慮因素。舊水泥混凝土板塊原位破碎加鋪應力吸收層作為新建改性瀝青混凝土路面基層,較好的解決舊水泥混凝土改建為改性瀝青混凝土面層反射裂縫嚴重的問題。自2002年以來,黑龍江省的高等級水泥混凝土路面相繼進入大修期,所有的水泥混凝土路面改建為瀝青混凝土路面的施工方案均為:舊水泥混凝土板塊原位破碎加鋪應力吸收層作為新建改性瀝青混凝土路面基層,其上鋪筑瀝青混凝土路面。龍建路橋股份有限公司在同三公路佳木斯至哈爾濱段舊路改造維修工程、哈大高速公路大修工程、黑龍江省雙佳高速公路擴建工程的路面工程施工工作中,通過蘭派沖擊式壓路機原位破碎舊混凝土路面后加鋪改性瀝青砂應力吸收層作為新建瀝青混凝土路面基層,并針對寒冷地區施工期平均氣溫較低特點,對應力吸收層和瀝青混凝土面層的施工溫度采用高限控制,形成一套適合于寒冷地區的舊水泥混凝土面層加鋪應力吸收層后,形成新的瀝青混凝土路面基層的施工工法,提高了路面的使用性能和使用壽命。采用該工法施工的改性瀝青混凝土路面,經3年多的使用,反射裂縫及低溫裂縫數量明顯減少,裂縫間距加長,路面質量和使用性能經過實踐檢驗效果良好,養護費用大大降低,大修時間明顯延長,解決了寒冷地區普通瀝青混凝土路面低溫裂縫多、裂縫寬度大、養護費用高、大修時間短等問題,為寒冷地區修建使用性能更好的瀝青路面奠定了基礎,取得了較好的經濟效益和社會效益。本工法經科技查新處于國內領先地位。

2、工法特點

2.1針對舊混凝土路面多數出現網狀裂縫,雞爪溝等位置基層不均勻沉降導致部分未碎裂水泥混凝土面板托空的特點,采用低頻高振幅(約每秒2擊,落距約10-20cm),沖擊能量可達15-30kJ,沖擊荷載達2500-3500kN的沖擊壓路機分擊碎舊水泥混凝土面板。沖擊壓路機,沖擊能量大,影響深度深,沖擊壓實效果好,施工速度快,提高了壓實度,增強了水穩定性,提高了整體強度,減小了沉降變形。沖壓穩固后,不僅使舊板碎塊的水平位移減小,基本可消除產生反射裂縫的溫度應力,同時還能使碎塊之間形成集料嵌鎖,舊板及基礎的整體性明顯提高。

2.2采用在舊水泥混凝土板及瀝青混凝土路面之間設置1層改性瀝青砂應力吸收中間層來防止反射裂縫。應力吸收層厚度一般為2~3 cm,具有模量相對較小,較柔軟,變形能力較強,可承受較大的變形而不斷裂的特點。加鋪應力吸收層可有效降低反射裂縫及路面疲勞開裂。

2.3寒冷地區施工期間平均溫度較低,溫度散失較快,改性瀝青應力吸收層及改性瀝青混凝土上面層,厚度較薄,溫度散失快。施工過程中保證混合料溫度處于較高狀態很關鍵,瀝青加熱溫度、集料加熱溫度采用高值,混合料運輸嚴密覆蓋,減少混合料溫度損失,使混合料攤鋪時處于高溫狀態,壓路機緊跟攤鋪機碾壓,使混合料在高溫條件下快速成型,確保改性瀝青應力吸收層及改性瀝青混凝土上面層路面整體質量。

3、適用范圍

本工法適用于寒冷地區舊水泥混凝土面層加鋪應力吸收層后改造為新建瀝青面層的基層施工。

4、工藝原理

沖擊碾壓施工采用的是沖擊壓路機是一種具有高沖擊能量的壓實機械。它一改傳統的拖式光輪壓路機的圓形鋼輪為三角行或方形,當機器行走時,沖擊壓路機以1.5-2.2次每秒的低頻率連續周期性的高振幅撞擊力直接沖擊破碎混凝土面板。沖擊壓實設備可以充分擊碎舊水泥混凝土面板,一般沖壓15-20遍,40cm以下的碎塊可達70-80%,通過這樣的沖擊壓實破碎施工,不僅能夠有效發揮舊板的殘余承載能力,使混凝土碎塊形成塊狀料嵌鎖型基層結構,形成高強度的路面基層,大大減少和緩和原路面板反射裂縫,而且還能消除舊路基的病害,最終為后續路面面層提供一個均勻穩定的支撐體系。

寒冷地區施工期平均氣溫相對較低,改性瀝青砂應力吸收層及改性瀝青混凝土上面層一般厚度較低,溫度散失快,混合料溫度較低時,影響路面平整度及碾壓質量,在拌和、運輸、攤鋪、碾壓過程中強調溫度控制,使混合料在高溫下快速成型,確保改性瀝青砂應力吸收層及改性瀝青混凝土上面層的施工質量。

5  施工工藝流程及操作要點

5.1施工工藝

5.1.1舊水泥混凝土路面破碎施工工藝(流程如圖5.1.1所示)



























圖5.1.1  舊水泥混凝土路面破碎施工工藝流程圖






 

5.1.2應力吸收層施工工藝(流程如圖5.1.2所示)










































圖5.1.2 應力吸收層施工工藝流程圖

5.2沖擊壓路機處理舊水泥混凝土路面

5.2.1進行沖擊破碎工作前,首先要檢查清楚施工路段上的涵洞,通道,橋臺的位置,用白灰標明破碎壓實范圍和控制點,檢查人員做好一切準備工作。

5.2.2壓實機械行駛速度一般為9-12Km/h,轉彎半徑一般為8m,沖壓遍數根據沉降量和混凝土塊的破碎情況來確定。

5.2.3沖擊能量足夠大的情況下,首先沿對板破碎有利的中部線路施工將有利于提高破碎效率,當路面板被充分破碎后,在視情況沿路面板邊緣行駛,并根據破碎情況改變沖壓機的起步位置。但當路基較剛,沖擊破碎較困難時,可利用板邊路線彎拉應力大的特性,先沿板邊緣沖擊破碎,各個擊破,逐漸向中部推進的方法進行。

5.2.3同一條路由于地質情況,路面強度的不一致,因此會產生不同的破碎程度,施工期間應根據實際破碎狀況及時調整沖壓遍數,以防止出現過度破碎和破碎不足等現象。

5.3沖壓之后的處理

沖擊壓實完成以后應該及時掃除沖壓施工期間產生的碎屑顆粒。

5.4特殊路段的處理

對于沖擊壓路機的轉彎及行駛速度過低所造成的沖壓不良地段及其他破碎效果較差的路段應采用其他水泥板塊破碎機械予以破碎至設計要求,并用振動壓路機壓實。

5.5沖擊壓實工藝中特殊需要關注的問題

5.5.1沖壓粒徑要求

破碎后顆粒的粒度組成決定了其后壓實的效果,也決定了沖壓工藝消除原板塊產生反射裂縫的效果。粒徑較大固然會導致頂面強度不均勻不利于加鋪層穩定,但破碎成較細小的顆粒又會使其水穩定性變得更差,防水、排水問題顯得特別重要。這個問題需要在破碎時選擇合適的機械運行參數以達到理想的粒徑范圍。沖壓后路線縱向上橫縫間距應不大于75cm,控制在30-50cm。在施工過程中,如果破碎產生裂縫的間距過大,可通過增加沖壓遍數來達到裂縫(粒徑)要求,這要求在施工過程中密切關注裂縫開展情況,以達到要求的效果。

5.5.2破碎順序

沖壓破碎操作的次序應在滿足破碎效果的基礎上保證有利于表面排水。一般情況下,應先破碎路面兩側的車道,這是因為兩側缺乏側向約束,有利于破碎,然后破碎中部的行車道。

5.5.3施工中和施工后修復軟弱基層或底基層

對于在沖壓施工時發現的部分破損嚴重、無法進行正常沖擊壓實施工的段落,采取清除水泥混凝土路面和基層、底基層,重新進行基層、底基層施工,重新鋪筑C25水泥混凝土路面,待新鋪C25水泥混凝土路面養生期結束后按原施工方法進行原位破碎施工。

5.6改性瀝青砂應力吸收層施工準備

5.6.1混合料配合比設計

改性瀝青砂應力吸收層配合比設計方法與熱拌瀝青混合料配合比過程大致相同,區別在于改性瀝青砂應力吸收層馬歇爾試驗的穩定度、流值并不作為配合比設計接受或者否決的唯一指標,還必須進行謝倫堡析漏試驗和肯特堡飛散試驗, 室內試驗要注意提高溫度進行。寒冷地區改性瀝青砂應力吸收層具有模量低、抗剪切性能好、柔性大和變形能力強的特點,在配合比設計中,瀝青、礦粉用量要采用高限,瀝青用量采用10%,礦粉用量采用8%。集料質量、抗剝落劑應嚴格要求,采用改性瀝青,增加瀝青與集料間的粘附性,減小空隙率,提高混合料的低溫抗裂性能和高溫抗變形能力,降低反射裂縫及路面疲勞開裂。

5.6.2拌和站選址及建設

選址合理,具有較好運輸條件,能連續拌和供料滿足現場攤鋪要求。場地應有足夠大的空間,符合國家有關環保、安全、環境、消防等規定的要求。防雨設施齊備,保證集料、填料的防潮;料場、道路采用粒類材料硬化,保證礦料不被污染,各種集料間要砌筑隔離墻,保證不同規格材料不相互混雜。

5.6.3下承層檢查及驗收

應對已破碎完的混凝土路面進行檢查驗收,其各項技術指標均應合格后方可進行攤鋪工序。攤鋪改性瀝青砂應力吸收層時,應對下層進行認真清理、打掃干凈,噴灑粘層油后進行。噴灑時嚴格控制油質和用油量,路面不干凈、潮濕,氣溫低于10℃時禁止噴灑,噴灑與涂刷粘層油時都要均勻,并防止污染,采用乳化瀝青粘層油時須等待乳化瀝青破乳水分蒸發后,才能進行應力吸收層攤鋪。

5.6.4施工放樣

應力吸收層需嚴格控制攤鋪厚度,不能作為找平層,放樣只需控制平面輪廓或行走路線即可。在攤鋪機上將攤鋪厚度和橫坡度控制準確。

5.6.5機械準備

施工前均應對機械設備進行檢查和準備,保證機械設備的完好率。

5.7混合料的拌和

5.7.1在滿足施工的前提下,瀝青的加熱溫度盡可能不要太高,一般控制在170℃-175℃,防止瀝青老化的影響。

根據當時施工現場實測的氣溫、地溫、風速等情況,綜合確定集料加熱溫度為205℃,改性瀝青混合料的出廠溫度180-190℃,高于200℃廢棄。

5.7.2 應力吸收層與普通瀝青混凝土不同在于集料均為細集料,所用集料粒徑均在4.75mm以下,通過試驗確定粗集料倉的數量,保證集料的供應。5.3.3拌和機配備配合比和溫度的自動檢測和記錄設備,了解礦料級配和拌和溫度的真實數據。

應力吸收層混合料儲存不能過夜,當天拌和當天必須使用完畢。

5.8混合料的運輸

5.8.1改性瀝青混合料的運輸應考慮拌和能力、運距、道路情況、車輛噸位等因素,合理確定車輛數量,使用40T以上自卸翻斗車。

5.8.2運輸車輛的車廂應嚴密干凈,因應力吸收層粘性較大,應在車廂內涂刷或噴灑防粘液(油:水=1:3),噴涂后不能有多余液體聚集于車廂底。每次卸料后,安排專人檢查,車廂內必須保證卸料干凈。

5.8.3裝車時,應盡量縮小混合料的出口與車廂的距離,裝車時按前、后、中三次裝滿,每裝一次移動一次車位,以減少離析。

5.8.4從拌和站到施工現場,無論運距遠近,無論氣溫高、低,都采用兩層帆布中間夾棉毯覆蓋運料車,混合料攤鋪時,不掀開覆蓋,以減少運輸溫度損失。

5.8.5混合料現場等候待攤鋪時,現場施工人員應對每車目測檢查和溫度測量,簽收運料單,發現問題立即廢棄。

5.9混合料攤鋪

5.9.1選擇大功率攤鋪機(DF145CS),按工程要求選擇確定攤鋪機熨平板寬度、設定攤鋪厚度和拱度,并將其調整準確。

5.9.2攤鋪速度一般不超過3m/min。

5.9.3自卸汽車中的混合料經檢查符合要求后,卸料車緩慢后退至機前卸料,攤鋪機邊授料,邊將混合料分送到分料室,并按事先選定的攤鋪速度推動料車前進、攤鋪,卸完混合料立即駛離攤鋪機,第二臺料車應立即倒至攤鋪機前20-30cm,掛空擋等候卸料,以保證攤鋪機勻速不停地攤鋪,攤鋪溫度控制在170℃以上。

5.10混合料碾壓成型

5.10.1混合料碾壓成型是保證改性瀝青混凝土路面質量的關鍵,改性瀝青砂應力吸收層厚度一般厚度只有2-3cm,混合料溫度下降較快,高溫碾壓尤為重要;在碾壓過程中要嚴格貫徹“緊跟、慢壓、高頻、低幅”原則。

5.10.2應力吸收層碾壓按照初壓、復壓、終壓三階段進行。

初壓時的溫度宜控制在155-165℃的范圍內,低溫施工時,應提高5-10℃。宜用激振力180KN雙鋼輪、雙振動壓路機緊跟碾壓,前進時關閉振動裝置靜壓,以2-3km/h的速度碾壓,返回時沿前進輪跡振動碾壓,速度3-4km/h。

復壓宜緊跟初壓,與初壓交織在一起(無明顯界限)在較高溫度下進行,利于碾壓密實。復壓溫度控制在145-155℃。通常使用雙鋼輪、雙振動壓路機碾壓,碾壓參數參照試鋪段結果,通常2-3遍,碾壓速度可以控制在3-4km/h。

終壓緊跟復壓之后,一般雙鋼輪靜碾1遍,終壓結束時溫度宜不低于140℃。

為保證不漏壓,宜安排專人對壓路機進行管理,并設置明顯標志,劃分出初壓、復壓、終壓區。

5.11接縫處理

應力吸收層接縫處理十分重要,直接影響路面的平整度和外觀,施工中要嚴格控制,保證接縫質量。

5.12開放交通。

應力吸收層應待攤鋪層完全自然冷卻,混合料表面溫度低于50℃后,方可開放交通,需要提早開放交通時,可灑水冷卻降低應力吸收層溫度。

6  材料與設備

6.1材料

6.1.1改性瀝青

改性瀝青是混合料膠凝材料,其品質優劣對改性瀝青混凝土路面質量至關重要。成品改性瀝青在到達現場儲存時,改性瀝青罐中必須加設攪拌設備,使用前攪拌均勻,在施工過程中要定期取樣檢驗產品質量,發生質量不合格時不得使用。SMA路面宜采用比當地常用瀝青更硬標號的瀝青。改性瀝青的要求應符合《公路瀝青路面施工技術規范》(JTG F40-2004)中表4.6.2的要求。

6.1.2細集料

細集料宜采用堅硬、潔凈、干燥、無風化、無雜質并有適當顆粒級配的人工軋制的米砂或石屑,宜采用石灰巖軋制,不能使用軋石場的下腳料,可使用適量優質天然砂。其技術指標應符合《公路瀝青路面施工技術規范》(JTG F40-2004)中表4.9.2、表4.9.3、表4.9.4的要求。

                

 應力吸收層使用細集料質量要求              表6.1.1

指     標

單位

技術要求

試驗方法

         視密度   不小于

t/m3

2.50

T0329

         堅固性   不大于

%

12

T0340

         砂當量   不小于

%

60

T0334

塑性指數

%

T0118或T0119(土工試驗)

棱角性和粗糙度


實測


6.1.3填料

宜采用石灰巖或強基性巖石等憎水性石料類,磨細的礦粉,要求原石料必須干凈無雜質,礦粉必須干燥、清潔。其技術指標應符合《公路瀝青路面施工技術規范》(JTG F40-2004)中表4.10.1的要求。

            應力吸收層使用填料質量要求                表6.1.2

指     標

單位

技術要求

試驗方法

      視密度 不小于

t/m3

2.50

T0352

      含水量 不大于

%

1

烘干法

顆粒范圍<0.6mm

        <0.15mm

         <0.075mm

%

100

90-100

75-100

T0351

外觀


無團粒、不結塊


   親水系數  不大于




塑性指數

%

T0118或T0119(土工試驗)

6.2主要機械設備配備(見表6.2)

                 


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