水泥混凝土路面共振碎石化设计与实践.pdf

s 一一s 水 泥混凝 土 路 面共 振碎 石化 设计 与实 践 王 海 荣 ( 上海 兰德公 路 工程 咨询设 计 有 限公 司) 摘要 ： 旧水泥混凝 土路 面共 振碎石化具有施工便捷 、 控制反 射裂缝 效果 明显 、 减少 废弃工 程的特 点 ， 在 目前 大量水 泥混凝 土 路面改建 中有广泛的应用前景 。依托沪青平公路 旧水 泥混凝土路面共振碎石化改建 ( 白改黑) 工程 ， 对 旧水 泥混凝土路 面共振碎 石 化设计理论和方法进行总结 ， 为上 海公 路类似旧水泥混凝土路 面改建提供 一种新的工艺 。 关键词 ： 共振碎石化 ；国际平整度 ； 试 振 ； 反射裂缝 0 引 言 国外水 泥混 凝土 路面 碎石 化工 艺应 用很 广 泛 。美 国从 2 0世 纪 7 O年 代 末 、 8 O年 代 初 开 始 ， 因 大 范 围水 泥混凝 土路 面损 害 的出现 ， 碎石 化工 艺逐 渐发 展 起 来 。 虽 然碎 石化技 术 在 国外许 多工 程 中得 到 了有 效 应 用 ， 但 在 国内 尚属 空 白 ， 其 力 学 机 理 、 加 铺 层 厚 度 设 计 方 法 、 路面设 计指 标 、 验收 指标 、 设计 标 准 、 破 碎 层特 性 的 表 征等仍 需做 大量 的研究 工 作 。 2 0 0 4年 3月 在 我 国公 路 第 二 届 科 技 创 新 高层 论 坛上 ， RMI 公 司 向我 国介 绍 了共 振 碎 石化 技 术 。2 0 0 5 年到 2 0 0 6年 间 ， 我市 先后 在 沪青平 公路 、 沈 砖 公路 、 金 山大道 ( 亭 卫 公 路 ) 、 新 卫 公 路 等 工 程 中进 行 了 应 用 。 本论文 以沪青平公路整治项 目为依托 ， 介 绍水 泥混凝 土路面 共振 碎石 化设计 与 实践 。 1 工 程概述 沪青 平公 路 2 0 0 7年 整 治 路 段 东起 拦 路 港 桥 西 桥 坡 ( 桩 号 K5 4 +4 5 4 ) ， 西 至沪 苏省 界 ( 桩号 K6 7 +0 0 2 ) ， 路线 全长 1 2 5 4 8 m。 沪青平公路于 1 9 9 0 1 9 9 3年进行拓宽改建 ， 由原 来 双 向 2车 道大 部分 路段 为 7 m 宽 的公 路 ， 改建 成 “ 四 快 二慢 ” 的一 级 公 路 ， 设 计 速 度 1 0 0 k m h 。沪 青 平 公 路 现状 见 图 1 。 目前 沪青 平公 路除 部分 桥梁 接坡 及部 分 过渡 段 是 沥青 混凝 土路 面外 ， 主要 为 水 泥 混 凝 土 路 面 。其 中 机 动车 道水 泥混 凝土路 面 结构 如下 ： 水泥 混凝 土面层 ( f r = ： = 4 5 MP a ) 2 2 c m 粉煤灰 三 渣基层 3 0 e m 砂 砾 ( 砾 石 砂) 垫 层 1 5 c m 收 稿 日期 ： 2 0 1 0 0 4 2 8 图 1 现 状 沪 青 平公 路 2现 状道 路状 况调 查 现 场水 泥混 凝土 路 面板块 损坏 情况 较 为严 重 。道 路病害情况主要有 ： 板块裂缝 、 板块碎裂 、 板角角裂 、 水 泥混凝土板块错 台等影响道路行 车条件 与安 全的情 况 ， 其 中以纵 向裂 缝 、 板 角 断裂尤 为严 重 。见 图 2 。 图 2板 块 纵 向连 续 裂缝 3碎 石化 工 艺的选 择 碎 石 化 技 术 包 括 MHB( Mu l t i He a d B r e a k e r ) 多 锤 头碎 石 化 技 术 和 RP B( R e s o n a n t P a v e me n t B r e a k e r ) 碎 石化 技 术 。沪 青 平 公 路 碎 石 化 采 用 美 国安 迈 公 司 生产 的 P B 5 0 0型 共振 碎石 化机 械设 备 ( 见 图 3 ) 。 N o 2 2 0 1 0上冯么魄 1 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 一 一s 图 3碎 石 化 破 碎 机 侧 面 图 4水泥 混凝 土碎 石化 层尺 寸 、 级配分 析 4 1 破碎 时及破碎 碾 压后破 碎 层表 观 施工 机 械 采用 P B 5 0 0型机 ， 破 碎 试 验 路段 之后 ， 从 表面层 看 已基本 达 到 了预 期 的破碎 效果 。破 碎 的颗 粒 细小 而 均 匀 ， 大 部 分 碎 块 尺 寸 都 在 4 c m 以 内 ， 如 图 4 。 图 4 沪青平公路碎石化层 表层 4 2板垂 直方 向破 碎角 从 现场 情况 来看 ， 破碎 旧水泥 混凝 土路 面 时 ， 绝 大 多数 板块竖 向基 本沿 3 5 。 5 O 。 方 向碎 裂 ， 如 图 5 。 图 5破 碎 角 4 3检查 坑 板块 破碎 后开 挖 了 5个 1 m 左 右 大 小 的检 查 坑 ( 4个在 加铺 前 ， 1个在 加 铺 后 ) ， 以直 观地 了解 破 碎情 况( 如图 6 、 图 7 ) 。从 图中可 以明显地看到 ， 旧水泥混 1 6 上 么赡 N 。 2 2 0 1 0 凝土 面层 已经碎 裂 为粒料 ， 但散粒 之 间仍 比较 紧密 ( 尤 其是 碾压 破碎层 再加 铺好 沥青层 之后 ) 。 图 6加 铺 前 检 查 坑 图 7加铺后检查坑 5 水 泥混 凝土 路面 破碎前 后 的弯沉 及模量 分析 5 1 弯沉 检测 本 项 目采用 的 P RI 2 1 0 0弯沉 仪 ( 丹 麦 C a r l B r o 公 司 的子公 司 P HONI X公 司生 产 ) 进 行 弯沉测试 。 前后 进行 二次 弯沉测 试工 作 ： 第 一 次 ， 破 碎前 ， 旧水 泥混 凝土路 面上 ； 第二次， 破碎后未加铺 HMA沥青面层前 ， 破碎的 水泥 混凝 土碎石 层 上 。 5 2弯沉 测试 结果 分析 测试 结果 如下 ： ( 1 ) 破 碎 前 旧路 检 测 因数 据 点样 本 ( 见 表 1 ) 可 知 ， 板 角 弯沉 板边 弯 沉 板 中弯沉 ， 整个 板块 弯沉 变异 系数 均 比较 大 ， 板 中 弯 沉离散 性 最严 重 。参 照 现 场状 况 ， 可知 旧水 泥 混凝 土板破损较严重 ， 且板间破碎程度不一 ， 路段内地基条 件 也存在 一定 差异 ， 导致 弯沉 的变 异系数 较大 。 ( 2 ) 破碎 前后 板 中弯沉 比较 将施工前 后三 次对板 中的弯沉值 进行对 比( 见 表 2 ) 。 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 l 沪 青 平 试 验 段 破 碎 前 路 表 弯 沉 测 试 结 果 弯沉均位( F W1 ) ) 弯沉均值 ( B B梁) 标准差 变异 系数 检 测位置 o 0 1 mn 1 o 0 1 mm ( 换算 为 B B值后) ( 换算 为 B B值后) 板 中 1 O 9 7 1 2 6 6 4 4 0 5 1 2 板 边 l 3 9 9 1 8 0 6 O 2 0 3 3 5 板 角 1 5 l I 7 2 0 1 9 0 7 0 4 5 l 表 2沪青平试验 段破 碎前后路表弯沉测试结 果 弯沉均值 ( F WD) 弯沉均值 ( B B梁) 代表弯沉 标准差 变异 系数 检 测 时 间 o 0 1 mm 0 0 1 mm o 0 1 mm ( 换算为 B B值后) ( 换算 为 B B值后) 破碎前 1 0 9 7 1 2 6 6 4 0 5 1 2 破碎后加铺前 7 0 5 2 1 l 9 0 2 6 4 0 2 2 2 注： 代表 弯沉项括号 内为温度修正后弯沉值 ， 下 同。 若用 B B梁弯沉值 ， 破碎后 ( 未加铺前) 水泥混 凝土 层顶 面弯 沉 是 破 碎 前 的 9 4倍 ； 若 用 F WD 弯 沉 值 ， 破 碎后 水 泥混凝 土层 顶 面弯 沉是破 碎 前 的 6 4倍 。 破碎后 几乎 丧失 板体 性 ， 成为 散粒 层 ， 故 其 顶 面弯 沉会 大幅 度下 降 。 破碎 后碎 石化 层顶 面弯 沉 的变异 系 数是 碎前 的 0 4 3倍 ， 已大 幅 下 降 ， 说 明破 碎 后 水 泥 混 凝 土 面 层 更 加 稳定 和均 匀 ， 对 加铺 有利 。 6沥青 加铺 层设 计 6 1 设计弯沉值计算 我 国 公路 沥青 路 面设计 规 范 是 采用 多层 弹性 体 系柔性 路 面 的设 计方 法 。 根据交 通量 统计 及 预测 资料 ， 计算 2 0 0 7年 2 0 2 1 年 1 5年间 ， 沪青 平公 路 车道 累计 标 准 当量 轴 次 N 为 1 2 8 1 0 6 9 8 次 。 根据路 面弯沉 值 的公式 计算 路 面弯 沉值 ， 见 式 ( 1 )。 Z d 一 6 0 0 N A。 A。 A b ( 1) 式 中 ： A 为公 路 等级 系数 ， A 一1 0 ； A 为 面层 类 型 系 数 ； A 一 1 0 ； Ab 为基 层类 型 系数 ， A = = = 1 3 。 基 层类 型 系 数半 刚性 为 1 0 ， 柔 性 为 1 6 ， 考 虑 到 碎石化 后基 层介 于 半 刚 性 与 柔性 之 间 ， 所 以 基 层类 型 系数取 1 3 。 计算 得 出 ： 一2 9 5 5 ( O 0 1 ram) 6 2 层 底容 许弯 拉应 力计 算 各层底面容许弯拉应力 o ， 计算公式为 d R a 。 K ( 2 ) 式 中 ： 为 沥青 混凝 土 或半 刚 性 材 料 的劈 裂 强 度 ； K 为 抗拉 强度 结 构系 数 ， K 取值 分三 种情 况 ： 对沥 青混 凝土 层 的抗拉 强 度结构 系 数见下 式 ： K 一 0 0 9 N A ( 3 ) 对 无 机结 合料 稳定 集料 类 的抗拉 强度 结 构 系数 见 下式 ： K 一0 3 5 N ” A 对 无 机结合 料 稳定 细粒 土类 的 的抗拉 强度 结 构 系数 见下 式 ： K 一0 4 5 N “ A 沪青 平公 路加 罩 面层方 案 ： 4 c m S MA一1 3面层 6 c m 中粒式 沥青 混凝 土 ( AC 一2 0 C) 8 c m 粗粒 式 沥青 混凝 土 ( AC一2 5 C) 2 2 c m 碎石 化 路面 3 0 c m 原有 粉煤 灰 三渣 1 5 c m 原有 砾石 砂垫 层 根据规范计算得出各种结构层的底面容许抗拉应 力 ( 见表 3 ) 。 表 3各 结 构 层 底 面 容 许抗 拉 应 力 面层 容许 弯拉应力 MP a S M A 面层 0 6 4 中粒式沥青混凝 土 0 3 7 粗粒式沥青混凝土 0 2 9 参数取值 ： 层 间结合 系数均按连续界 面取 1 0 材料参数按 公路沥青路面设计规范 材料设计参数取值 6 3 设计验算 N 。 2 2 0 1 0上冯 咯 1 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 碎 石化 后老 路结 构 ( 1 ) 计算 改建 路 面各层 顶 面实 际弯沉 值 ： 第 1 层 顶 面实 际弯沉 值 z 一 2 3 8( 0 0 1 ram) 第 2层 顶 面实 际弯沉 值 z 一 2 5 2( 0 0 1 mm) 第 3层顶面实际弯沉值 z 。 一 3 0 7( O 0 1 mm) ( 2 ) 计 算 新 建 路 面 各 层 底 面 最 大 拉 应 力 ( 负 为 受 压 、 正 为受拉 ) ： 第 1 层底 面最大 拉应 力 d (1 ) 一 一0 2 0 8 MP a 第 2层底 面最大 拉应 力 d (2 ) 一 一0 0 5 6 5 MP a 第 3层底 面最大 拉应 力 d (3 ) 一 一0 0 1 8 7 MP a 验算 结 果表 明 ： 设计 碎 石化改 建 沥青混凝 土路 面结 构能满 足 设计 弯 沉值 要 求 ，而上 、 中 、 下 面层 层 底 均 为压 应 力 ， 面层 均 处 于受压 状态 ， 因此 能 满 足沥 青 面 层抗 疲 劳 开 裂 的 要 求 。 7沥 青加铺 层 的检测 与 回访 7 1 沥青加 铺层 的弯 沉检 测 2 0 0 7年沥 青层 加铺后 ， 对沥 青 路 表弯 沉进 行 检测 与分析 ( 见表 4 ) 。 表 4 沪青平试验段破碎加铺沥青层后路 表弯 沉测试 结果 弯沉均值 ( F WD ) 弯沉均值 ( B B梁) 代表弯沉 标准差 变异系数 检测时间 o 0 1 mm o 0 1 mm o 0 1 mm ( 换算 为 B B值后) ( 换算为 B B值后 ) 沥青加铺后 1 8 4 0 2 5 9 3 7 4 ( 3 2 2 ) 7 0 0 2 7 0 破 碎 加 铺 后 ， 板 中 代 表 弯 沉 ( 温 度 修 正 后 ) 为 0 3 2 mm， 小 于 按 照 柔 性 基 层 计 算 的 设 计 弯 沉 0 4 mm， 但 大 于 按 半 刚 性 基 层 计 算 的 设 计 弯 沉 0 2 5 mm； 板 中弯沉 均值 0 2 6 mm， 接近 于按 半 刚性 基 层 计算 的设 计 弯沉 0 2 5 mm。 L， 一 ( + S) K K。 ( 4 ) 加铺路 面代 表 弯沉 根据 上式计 算 ， 式 中 ， L为 弯沉 的平均值 ； Z 为与保证 率有关 的系数( 沪青平公 路 Z 一 1 6 4 5 ) ； S为弯 沉 的标 准 差 ； K 为 季节 影 响 系数 ， 现 行路 基路 面质 量验 收标 准 中 ， 按照 地 区及土 质 ， 考 虑材 料含 水量 的不 同 而 引起 回弹 模 量 的变化 ， 进 行 季节 影 响 系数 的修正 系数 在 1 0 1 4 之 间 ； K。 为温度 ( 2 O 标准 值 ) 修 正 系数 ， T2 0 ， K。 一8 寺 一 ， T 2 0 ， K 3 = = ： P 0 0 2 ( 2 0 T ) a ，h为加 铺层 厚度 。 根据弯沉测试资料反算可求得碎石化层静态模量 典型值 5 0 0 9 0 0 MP a 。 1 8 上踢么堍 N o 2 2 0 1 0 7 2 道路 回访 沪青平 公路 碎石 化 路 段 已通 车将 近 3年 ， 路 面 运 行 良好 ， 未 发现 裂缝 等病 害 ( 见 图 8 ) 。 图 8 沪青平公路碎石化加铺施工后路面状况 8 结语 碎 石化工 艺 在 国内是一 门较 新 的旧水 泥混凝 土 路 面改建工艺 ， 需要对使用效果进行进一步的收集和分 析 ， 总结 经验 ， 为 类似工 程 提供经 验 和数据 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m