城市旧水泥路面改造工程共振碎石化工艺分析

孟祥虎(合肥市市政设计研究总院有限公司,安徽 合肥 230041)

0 引 言

路面是道路的重要组成部分,其施工质量直接影响行车舒适度和使用年限,对于在运营过程中出现的路面破碎、裂缝等问题需要及时进行修复。共振碎石化技术近年来在公路养护大修的施工中得到了较为广泛的应用,与传统的修复方式相比,它具有施工操作简便、成本相对较低等优点,对路面的修复效果良好,具体优点如下:

(1) 施工简便、效率高,交通组织灵活。共振碎石化施工的主要设备有共振破碎机、洒水车、压路机等,设备使用种类少,通用性高,方便施工机械组织管理,减少机械成本支出。同时,共振碎石化施工由于施工机械少,作业区分段灵活,利于施工现场交通组织,减小施工过往道路通行影响。

共振碎石化技术施工效率高,速度快,而且经破碎后的碎石层,无须养护期,可直接进入透层、封层、面层等加铺层施工,施工工序可以无缝衔接,提高了路面维修效率,符合快速施工、快速开放交通的公路运维理念,适用于在交通流量大、开放交通要求高的路段应用。

(2) 碎石层剩余强度高,抗反射能力强。经共振碎石化技术处理后的水泥路面碎石层,粒径主要在3～15 cm,上层粒径较小,一般在5 cm以下,相对松散,类似于级配碎石,起到应力释放作用,下层粒径集中在5～15 cm,块状,且处于斜向咬合状态,破裂角度在30°～45°,相互嵌锁,裂而不散,有较高的剩余强度。

作为基层使用时,既有柔性基层抗干缩、抗温缩、抗反射裂缝、抗疲劳等优点,又有半刚性基层承载能力大、刚度大、弯沉小、模量高等特点,能有效解决水泥路面“白改黑”工程中经常出现的反射裂缝现象,是一种极佳的沥青路面基层材料。

(3) 施工环保、经济,对周围环境影响小。共振碎石化技术将旧水泥路面破碎并重新利用作为基层使用,充分挖掘旧水泥板块的剩余价值,既提高了公路维修的经济性,又减少了水泥板块废弃物的排放,符合当今绿色、环保、节能的公路建设理念。

共振碎石化技术采用高频率、低振幅的振动,相对于多锤头等其他传统破碎方式,共振碎石化技术破碎冲击力小,可大幅减少了对周边建筑物、构筑物及各地下管线的影响;而且,共振碎石化工艺施工噪声小,更适合在穿城、穿镇等噪声敏感路段施工。

城市道路“白改黑”后道路功能将得到整体提升,同时结合道路改造,对现状雨污合流、地下管线设施同步进行升级改造,可以完善道路配套设施。

本文以蚌埠市汤河路“白改黑”改造项目为范例,浅析共振碎石化工艺在城市旧混凝土路面改造中的应用。

1 工程概况

汤和路位于蚌埠市城区东部,路线北起孙郢路,南至学瀚路口,全长约8.5 km,是连接经开区及龙子湖区重要的通道,也是完善蚌埠市片区内部路网的重要组成部分,如图1所示。

图1 工程位置图

本次设计汤和路工程范围位于经开区,起点为胜利路,终点为蚌埠学院(黄山大道北侧),全长约4.66 km,道路等级为城市次干路,规划道路宽度为35 m,由于征地等原因,近期按照20 m实施,机非混行;设计速度为40 km/h。本次设计道路为老路改造项目,周边地块以小区、高校、企业为主。

本项目建设对于改善区域交通环境,满足居民出行需求,带动地块开发,具有重要意义。

2 现状混凝土板块调查

2.1 拟建道路现状混凝土板块检测概况

鉴于汤和路改造工程设计的需要,对蚌埠市汤和路既有水泥混凝土路面进行了质量检测。汤和路(胜利路—蚌埠学院)为双向四车道,路宽20 m,全长4.66 km。检测内容主要为既有水泥混凝土路面板块病害现状调查、弯沉差及主副点弯沉、传荷系数检测、面层厚度、面层水泥混凝土强度检测和基层厚度。

2.2 路面状况调查统计结果

根据现场混凝土板块破损状况调查得到的病害类型、轻重程度和密度指数,计算出汤和路路段的路面综合状况指数PCI=60.981,断板率为13.428%,平均错台量为0.494,路面损坏状况等级为C级。

3 设计方案

3.1 设计原则

本项目的设计应满足项目的交通功能及经济性要求,体现本工程的整体效能,设计应达到“科学合理,基本功能完善,造型新颖,布局紧凑,造价合理”的目的,设计遵循以下原则:

(1) 注重道路交通设计理念的研究与应用,综合分析区域规划、道路环境,工程方案应满足交通发展的近期及远期要求,并做到功能上适用并适度超前、技术上可行,以取得最佳的投资效益,且确保设计方案的基本功能完善。

(2) 坚持科学态度,积极采用新成果、新技术、新工艺、新材料。既要经济合理、安全可靠,又要适合本工程的建设特点。建设规模及标准与道路性质、功能定位相契合。合理确定建设标准,就地取材,选用成熟的施工材料和工艺,节约工程投资,使适用性和经济性实现最佳结合,以达到控制造价的目的,确保工程造价合理。

(3) 节约资源、避免浪费、环境保护,体现城市发展的可持续。总体设计应充分利用现有地形及道路现状进行竖向设计,以最大限度地减少因考虑不周带来的重复建设和巨大浪费,节约宝贵的资源,实现城市可持续发展的战略要求。水泥混凝土板共振碎石化后加铺沥青层可很好地消除反射裂缝,因此路面状况较好时可以采用该技术,但需要考虑经济成本等。路面质量较差时会影响共振破碎效果,因此需经技术论证以及病害处理后采用该技术。共振碎石化作业面距离道路两侧构筑物或建筑物水平安全距离应满足表1要求。

表1 共振碎石化作业面距离道路两侧构筑物或建筑物水平安全距离

共振碎石化施工作业路段内构筑物和管线的安全距离应满足表2要求。无法避免时,应采取隔离措施。

表2 共振碎石化施工作业路段内构筑物和管线的安全距离

表3 共振碎石化施工质量检验标准

3.2 现状混凝土路面处理方案

根据现场调查本次设计汤和路,胜利路至望湖路段(桩号0+00—7+89.012)、向湖路至东海大道段(桩号12+72.714—东海大道)、学苑路至设计终点段三段道路两侧构筑物或建筑物距离车道边均大于10 m;车行道范围内地下管线埋深均大于1 m,且管道运营状况良好,可就地利用;道路范围内无涵洞、桥梁、挡土墙等地下构筑物;同时根据检测报告,路面破损状况调查评定等级为C级;本次设计对以上三段采用共振碎石化技术,首先对现状水泥混凝土路面进行处理,然后利用专业共振碎石化设备将现状混凝土路面碎石化,经检测合格并达到设计及规范要求后,再采用碎石层找平,最后加铺沥青面层。现状水泥混凝土路面具体处理方案,应结合弯沉检测结果,根据以往施工经验及实验路段反馈数据:

(1) 对于弯沉值L<40(0.01 mm)并且板底无严重脱空的板块,设计时不做特殊处理后;

(2) 对于破碎板及弯沉值L≥40(0.01 mm)的板块占既有道路总板块数比例不高时,对该部分板块采取翻挖换板处理,面板开挖后对既有基层进行检测,满足要求时,可直接浇筑面板,对于不满足要求的基层也应挖除,并采用40 cm厚C20素混凝土浇筑至基层顶面后,重新浇筑24 cm厚C30混凝土面板;

(3) 对于破碎板及弯沉值L≥40(0.01 mm)的板块占既有道路总板块数比例较高时,则对该道路采取全段挖除面板及基层后,对开挖面进行检测,满足新建道路的底基层要求后,铺筑水稳碎石基层和沥青面层。

3.3 路面结构设计方案

根据《城镇道路路面设计规范》(CJJ 169—2012),本项目路面设计采用双轮组单轴载100 kN为标准轴载。

(1) 设计年限:沥青混凝土路面15年;

(2) 标准轴载:双轮组单轴载100 kN;

(3) 设计交通等级:中等交通。

路面设计采用多层弹性连续体系理论,根据计算,车行道(碎石化后加铺段)结构做法(加铺总厚度约20 cm)如下:

4 cm AC-13C细粒式SBS改性沥青混凝土;

改性乳化沥青粘层;

8 cm AC-25C粗粒式SBS改性沥青混凝土(抗车辙剂添加量0.4%);

AC-25C粗粒式沥青混凝土调平层;

乳化沥青封层(2.0～3.5 kg/m2,松散层粉末较多时取上限);

碎石补强及调平层(粒径为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(原混凝土面板处理后再进行共振碎石)。

4 施工方案

4.1 原水泥混凝土路面共振碎石化

共振碎裂技术产生的高频低幅振动能量,通过破碎锤头传递到水泥板块里,使旧水泥混凝土板块表面4～6 cm深度范围碎裂成5 cm以下粒径的碎石层(顶面最大粒径不大于5 cm,合格率应不小于75%)。由于共振破碎机动量高,和板块接触时间短,将水泥板块表面的“裂纹”瞬间均匀地“扩展”到板块底部,作用于水泥板块内部的高频振动力使得整体破裂均匀,碎块大小和方向极其规律,水泥板块产生斜向裂纹,与路面夹角呈30°～40°。

碎石化施工前,施工单位应制定切实可行的施工组织设计,符合要求方可施工。碎石化不得在雨(雪)天气下施工,施工中如遇雨(雪)时,应立即停工,并采取措施,确保排水通畅。

碎石化施工现场应严格按《公路养护安全作业规程》(JTG H30—2015)进行,未加铺路面结构前的碎石化层严禁通行车辆。

4.2 施工准备

(1) 对路基地下水位偏高,潮湿,排水不畅路段或施工季节降雨较多,应修复或设置排水系统。

(2) 特殊路段的处理:①软弱路段,常年唧浆、基层或路基含水量过大的不良路段,碎石化后松软,应将碎石化层挖除后用级配碎石换填。②过量碎石化路段,局部路段面板强度过低等情况使碎石化层过于松散,也应对碎石化层挖除换填。③局部下陷路段,如果下陷5 cm可不予处理;否则应判断下陷的原因,并对碎石层挖除换填。

(3) 构造物标识,应在现场对沿线结构物进行明确标识,以确保不会因为碎石化施工而造成损坏。

(4) 交通管制,碎石化前应制定详细的交通组织方案,满足通车及施工安全。

4.3 施工程序

旧水泥混凝土路面共振碎石化技术施工程序为:

路况调查—洒水湿润—试振—检测验证—共振碎石化—清除表面粗粒料—压实—技术指标检测—铺筑水泥稳定碎石基层。

4.4 试振

旧水泥混凝土路面共振破碎质量(破碎程度、粒径大小排列和形成的破裂面方向)主要受到破碎机施工速度、振幅、破碎顺序、破碎施工方向、不同基层强度(刚度)以及对破碎机调整要求等因素影响。为了确保共振破碎质量,实施共振破碎必须进行破碎试振。试振后,通过开挖坑穴,检验破碎粒径分布情况,以及均匀程度,确定破碎机施工参数及施工组织措施等。

4.5 破碎施工顺序

破碎前,应对破碎车道水泥混凝土路表面洒水湿润,以防止破碎时扬尘,污染环境。破碎顺序一般由水泥路面外侧车道开始,从边缘向中间破碎,破碎时应有重复破碎搭接面,搭接宽度不应小于5 cm。施工中应及时清除沥青加铺或修补材料、填缝料,接缝传力钢筋或其他杂物。施工过程中如临时发现软弱路基,应及时处置。破碎应全面彻底,不遗留未破碎区域。

4.6 压实

压实前,应清除旧水泥混凝土路面接缝内大于5 cm的碎石块,并对凹陷的路段采用级配碎石粒料回填。然后采用光轮压路机碾压密实。

碎石化后应及时压实,受碎石化原理控制,共振碎石化后松散层颗粒粒径较小,适当洒水,宜采用钢轮压路机(通常四遍)和轮胎压路机(通常两遍)组合碾压。压实遍数以压实完成后表面均匀密度为准。

碾压结束后,为使表面较松散的粒料具有一定的黏结力,宜喷洒乳化沥青透层油,用量在2.0～3.5 kg/m2,铺装沥青面层前,不得通行车辆。

碎石化技术控制要点可归纳为“治”“透”“实”“稳”“检”“盖”六字要诀。

(1) 治——病害处治,即对软弱老路基或基层进行病害治理。

(2) 透——必须将原水泥混凝土面板破透,让其能量充分释放,这是防止新加铺路面结构是否出现反射裂缝的关键。充分了解和掌握原路面状况和沿线结构物分布,通过探坑确定共振破碎机的频率、振幅等参数。

(3) 实——碾压密实,用钢轮和胶轮组合碾压。

(4) 稳——混凝土路面破碎后应形成稳定的路面结构层。

(5) 检——质量检测,检测的内容包括弯沉值、破碎宽度、漏破情况、软弱路基处治情况等。

(6) 盖——压稳后及时施工沥青面层,目的是防止雨水等水分对路基的侵蚀,保护破碎层。

4.7 技术指标检测

旧水泥混凝土路面实施共振碎石化后,采取外观鉴别和实地检测相结合的方法,选取具有代表性的路段挖坑穴抽样检验、检测,深度至路面基层顶面,分析共振破碎效果。鉴别板块内是否产生斜向受力和嵌紧结构,判断、分析、评价共振碎裂技术作用力扩展到板块的何位置完成了能量的传递,以及对板块周围的结构物和基层是否会造成损坏。同时,定点检测沉降量,回弹弯沉值测定、破碎状况检测、纵横坡度检测等。

对破碎碾压后的旧水泥混凝土路面进行弯沉检测,满足设计要求。

4.8 质量检查验收

4.8.1 碎石化层施工质量检查验收

碎石化层施工质量检查验收指标见表4。

表4 碎石化层施工质量检查验收指标

4.8.2 沥青加铺层质量检查验收

加铺层质量检查验收按照《公路工程质量检验评定标准》(土建工程)(JTG F80/1—2004)、《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)、《城镇道路工程施工与质量验收规范》(CJJ 1—2008)。

5 结束语

目前该项目已建成通车3年,路面使用状况良好,未见明显质量缺陷,可满足日常使用要求。

综上,对城市旧混凝土路面采用共振碎石化工艺,可减少路面的反射裂缝,同时避免传统维修对原混凝土破除后带来的废弃,并可降低施工工期,有效降低工程造价,节约资源。