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寒冷地区旧水泥混凝土路面改造为路面基层施工工法

龙建路桥股份有限公司

闫继锋  孙祥柱  田玉龙  杨士杰  李 军

1、前言

水泥混凝土路面是目前黑龙江省道路工程中广泛应用的一种路面结构类型,与沥青路面相比,水泥混凝土路面有许多优点,如刚度大、承载能力强、弯拉强度高、疲劳寿命长、耐久性优良、材料来源广泛、建成初期养护管理费用较低等。但这些优点在我国目前的交通状况下,却因为这种路面结构形式对重载超载的高度敏感而不再成立,使用寿命急剧缩短,特别是黑龙江省地处中国最北部,冬季寒冷,最低气温达-37℃,温度骤降和温度反复升降现象经常发生,加速了路面温缩裂缝的产生与发展,使整个路段的使用性能很快不能满足行车要求,进入大修阶段。当水泥混凝土路面病害越过初始阶段,进入大修阶段,黑龙江省现阶段普遍采用的措施是非破碎情况下加铺改性沥青路面。

加铺改性沥青路面时,旧水泥砼提供了稳定、坚实的基层,沥青路面提供了一个摩阻系数较高、平整度好的面层,大大改善了路面的使用性能。但反射裂缝隐患成为最主要的考虑因素。旧水泥混凝土板块原位破碎加铺应力吸收层作为新建改性沥青混凝土路面基层,较好的解决旧水泥混凝土改建为改性沥青混凝土面层反射裂缝严重的问题。自2002年以来,黑龙江省的高等级水泥混凝土路面相继进入大修期,所有的水泥混凝土路面改建为沥青混凝土路面的施工方案均为:旧水泥混凝土板块原位破碎加铺应力吸收层作为新建改性沥青混凝土路面基层,其上铺筑沥青混凝土路面。龙建路桥股份有限公司在同三公路佳木斯至哈尔滨段旧路改造维修工程、哈大高速公路大修工程、黑龙江省双佳高速公路扩建工程的路面工程施工工作中,通过兰派冲击式压路机原位破碎旧混凝土路面后加铺改性沥青砂应力吸收层作为新建沥青混凝土路面基层,并针对寒冷地区施工期平均气温较低特点,对应力吸收层和沥青混凝土面层的施工温度采用高限控制,形成一套适合于寒冷地区的旧水泥混凝土面层加铺应力吸收层后,形成新的沥青混凝土路面基层的施工工法,提高了路面的使用性能和使用寿命。采用该工法施工的改性沥青混凝土路面,经3年多的使用,反射裂缝及低温裂缝数量明显减少,裂缝间距加长,路面质量和使用性能经过实践检验效果良好,养护费用大大降低,大修时间明显延长,解决了寒冷地区普通沥青混凝土路面低温裂缝多、裂缝宽度大、养护费用高、大修时间短等问题,为寒冷地区修建使用性能更好的沥青路面奠定了基础,取得了较好的经济效益和社会效益。本工法经科技查新处于国内领先地位。

2、工法特点

2.1针对旧混凝土路面多数出现网状裂缝,鸡爪沟等位置基层不均匀沉降导致部分未碎裂水泥混凝土面板托空的特点,采用低频高振幅(约每秒2击,落距约10-20cm),冲击能量可达15-30kJ,冲击荷载达2500-3500kN的冲击压路机分击碎旧水泥混凝土面板。冲击压路机,冲击能量大,影响深度深,冲击压实效果好,施工速度快,提高了压实度,增强了水稳定性,提高了整体强度,减小了沉降变形。冲压稳固后,不仅使旧板碎块的水平位移减小,基本可消除产生反射裂缝的温度应力,同时还能使碎块之间形成集料嵌锁,旧板及基础的整体性明显提高。

2.2采用在旧水泥混凝土板及沥青混凝土路面之间设置1层改性沥青砂应力吸收中间层来防止反射裂缝。应力吸收层厚度一般为2~3 cm,具有模量相对较小,较柔软,变形能力较强,可承受较大的变形而不断裂的特点。加铺应力吸收层可有效降低反射裂缝及路面疲劳开裂。

2.3寒冷地区施工期间平均温度较低,温度散失较快,改性沥青应力吸收层及改性沥青混凝土上面层,厚度较薄,温度散失快。施工过程中保证混合料温度处于较高状态很关键,沥青加热温度、集料加热温度采用高值,混合料运输严密覆盖,减少混合料温度损失,使混合料摊铺时处于高温状态,压路机紧跟摊铺机碾压,使混合料在高温条件下快速成型,确保改性沥青应力吸收层及改性沥青混凝土上面层路面整体质量。

3、适用范围

本工法适用于寒冷地区旧水泥混凝土面层加铺应力吸收层后改造为新建沥青面层的基层施工。

4、工艺原理

冲击碾压施工采用的是冲击压路机是一种具有高冲击能量的压实机械。它一改传统的拖式光轮压路机的圆形钢轮为三角行或方形,当机器行走时,冲击压路机以1.5-2.2次每秒的低频率连续周期性的高振幅撞击力直接冲击破碎混凝土面板。冲击压实设备可以充分击碎旧水泥混凝土面板,一般冲压15-20遍,40cm以下的碎块可达70-80%,通过这样的冲击压实破碎施工,不仅能够有效发挥旧板的残余承载能力,使混凝土碎块形成块状料嵌锁型基层结构,形成高强度的路面基层,大大减少和缓和原路面板反射裂缝,而且还能消除旧路基的病害,最终为后续路面面层提供一个均匀稳定的支撑体系。

寒冷地区施工期平均气温相对较低,改性沥青砂应力吸收层及改性沥青混凝土上面层一般厚度较低,温度散失快,混合料温度较低时,影响路面平整度及碾压质量,在拌和、运输、摊铺、碾压过程中强调温度控制,使混合料在高温下快速成型,确保改性沥青砂应力吸收层及改性沥青混凝土上面层的施工质量。

5  施工工艺流程及操作要点

5.1施工工艺

5.1.1旧水泥混凝土路面破碎施工工艺(流程如图5.1.1所示)



























图5.1.1  旧水泥混凝土路面破碎施工工艺流程图






 

5.1.2应力吸收层施工工艺(流程如图5.1.2所示)










































图5.1.2 应力吸收层施工工艺流程图

5.2冲击压路机处理旧水泥混凝土路面

5.2.1进行冲击破碎工作前,首先要检查清楚施工路段上的涵洞,通道,桥台的位置,用白灰标明破碎压实范围和控制点,检查人员做好一切准备工作。

5.2.2压实机械行驶速度一般为9-12Km/h,转弯半径一般为8m,冲压遍数根据沉降量和混凝土块的破碎情况来确定。

5.2.3冲击能量足够大的情况下,首先沿对板破碎有利的中部线路施工将有利于提高破碎效率,当路面板被充分破碎后,在视情况沿路面板边缘行驶,并根据破碎情况改变冲压机的起步位置。但当路基较刚,冲击破碎较困难时,可利用板边路线弯拉应力大的特性,先沿板边缘冲击破碎,各个击破,逐渐向中部推进的方法进行。

5.2.3同一条路由于地质情况,路面强度的不一致,因此会产生不同的破碎程度,施工期间应根据实际破碎状况及时调整冲压遍数,以防止出现过度破碎和破碎不足等现象。

5.3冲压之后的处理

冲击压实完成以后应该及时扫除冲压施工期间产生的碎屑颗粒。

5.4特殊路段的处理

对于冲击压路机的转弯及行驶速度过低所造成的冲压不良地段及其他破碎效果较差的路段应采用其他水泥板块破碎机械予以破碎至设计要求,并用振动压路机压实。

5.5冲击压实工艺中特殊需要关注的问题

5.5.1冲压粒径要求

破碎后颗粒的粒度组成决定了其后压实的效果,也决定了冲压工艺消除原板块产生反射裂缝的效果。粒径较大固然会导致顶面强度不均匀不利于加铺层稳定,但破碎成较细小的颗粒又会使其水稳定性变得更差,防水、排水问题显得特别重要。这个问题需要在破碎时选择合适的机械运行参数以达到理想的粒径范围。冲压后路线纵向上横缝间距应不大于75cm,控制在30-50cm。在施工过程中,如果破碎产生裂缝的间距过大,可通过增加冲压遍数来达到裂缝(粒径)要求,这要求在施工过程中密切关注裂缝开展情况,以达到要求的效果。

5.5.2破碎顺序

冲压破碎操作的次序应在满足破碎效果的基础上保证有利于表面排水。一般情况下,应先破碎路面两侧的车道,这是因为两侧缺乏侧向约束,有利于破碎,然后破碎中部的行车道。

5.5.3施工中和施工后修复软弱基层或底基层

对于在冲压施工时发现的部分破损严重、无法进行正常冲击压实施工的段落,采取清除水泥混凝土路面和基层、底基层,重新进行基层、底基层施工,重新铺筑C25水泥混凝土路面,待新铺C25水泥混凝土路面养生期结束后按原施工方法进行原位破碎施工。

5.6改性沥青砂应力吸收层施工准备

5.6.1混合料配合比设计

改性沥青砂应力吸收层配合比设计方法与热拌沥青混合料配合比过程大致相同,区别在于改性沥青砂应力吸收层马歇尔试验的稳定度、流值并不作为配合比设计接受或者否决的唯一指标,还必须进行谢伦堡析漏试验和肯特堡飞散试验, 室内试验要注意提高温度进行。寒冷地区改性沥青砂应力吸收层具有模量低、抗剪切性能好、柔性大和变形能力强的特点,在配合比设计中,沥青、矿粉用量要采用高限,沥青用量采用10%,矿粉用量采用8%。集料质量、抗剥落剂应严格要求,采用改性沥青,增加沥青与集料间的粘附性,减小空隙率,提高混合料的低温抗裂性能和高温抗变形能力,降低反射裂缝及路面疲劳开裂。

5.6.2拌和站选址及建设

选址合理,具有较好运输条件,能连续拌和供料满足现场摊铺要求。场地应有足够大的空间,符合国家有关环保、安全、环境、消防等规定的要求。防雨设施齐备,保证集料、填料的防潮;料场、道路采用粒类材料硬化,保证矿料不被污染,各种集料间要砌筑隔离墙,保证不同规格材料不相互混杂。

5.6.3下承层检查及验收

应对已破碎完的混凝土路面进行检查验收,其各项技术指标均应合格后方可进行摊铺工序。摊铺改性沥青砂应力吸收层时,应对下层进行认真清理、打扫干净,喷洒粘层油后进行。喷洒时严格控制油质和用油量,路面不干净、潮湿,气温低于10℃时禁止喷洒,喷洒与涂刷粘层油时都要均匀,并防止污染,采用乳化沥青粘层油时须等待乳化沥青破乳水分蒸发后,才能进行应力吸收层摊铺。

5.6.4施工放样

应力吸收层需严格控制摊铺厚度,不能作为找平层,放样只需控制平面轮廓或行走路线即可。在摊铺机上将摊铺厚度和横坡度控制准确。

5.6.5机械准备

施工前均应对机械设备进行检查和准备,保证机械设备的完好率。

5.7混合料的拌和

5.7.1在满足施工的前提下,沥青的加热温度尽可能不要太高,一般控制在170℃-175℃,防止沥青老化的影响。

根据当时施工现场实测的气温、地温、风速等情况,综合确定集料加热温度为205℃,改性沥青混合料的出厂温度180-190℃,高于200℃废弃。

5.7.2 应力吸收层与普通沥青混凝土不同在于集料均为细集料,所用集料粒径均在4.75mm以下,通过试验确定粗集料仓的数量,保证集料的供应。5.3.3拌和机配备配合比和温度的自动检测和记录设备,了解矿料级配和拌和温度的真实数据。

应力吸收层混合料储存不能过夜,当天拌和当天必须使用完毕。

5.8混合料的运输

5.8.1改性沥青混合料的运输应考虑拌和能力、运距、道路情况、车辆吨位等因素,合理确定车辆数量,使用40T以上自卸翻斗车。

5.8.2运输车辆的车厢应严密干净,因应力吸收层粘性较大,应在车厢内涂刷或喷洒防粘液(油:水=1:3),喷涂后不能有多余液体聚集于车厢底。每次卸料后,安排专人检查,车厢内必须保证卸料干净。

5.8.3装车时,应尽量缩小混合料的出口与车厢的距离,装车时按前、后、中三次装满,每装一次移动一次车位,以减少离析。

5.8.4从拌和站到施工现场,无论运距远近,无论气温高、低,都采用两层帆布中间夹棉毯覆盖运料车,混合料摊铺时,不掀开覆盖,以减少运输温度损失。

5.8.5混合料现场等候待摊铺时,现场施工人员应对每车目测检查和温度测量,签收运料单,发现问题立即废弃。

5.9混合料摊铺

5.9.1选择大功率摊铺机(DF145CS),按工程要求选择确定摊铺机熨平板宽度、设定摊铺厚度和拱度,并将其调整准确。

5.9.2摊铺速度一般不超过3m/min。

5.9.3自卸汽车中的混合料经检查符合要求后,卸料车缓慢后退至机前卸料,摊铺机边授料,边将混合料分送到分料室,并按事先选定的摊铺速度推动料车前进、摊铺,卸完混合料立即驶离摊铺机,第二台料车应立即倒至摊铺机前20-30cm,挂空挡等候卸料,以保证摊铺机匀速不停地摊铺,摊铺温度控制在170℃以上。

5.10混合料碾压成型

5.10.1混合料碾压成型是保证改性沥青混凝土路面质量的关键,改性沥青砂应力吸收层厚度一般厚度只有2-3cm,混合料温度下降较快,高温碾压尤为重要;在碾压过程中要严格贯彻“紧跟、慢压、高频、低幅”原则。

5.10.2应力吸收层碾压按照初压、复压、终压三阶段进行。

初压时的温度宜控制在155-165℃的范围内,低温施工时,应提高5-10℃。宜用激振力180KN双钢轮、双振动压路机紧跟碾压,前进时关闭振动装置静压,以2-3km/h的速度碾压,返回时沿前进轮迹振动碾压,速度3-4km/h。

复压宜紧跟初压,与初压交织在一起(无明显界限)在较高温度下进行,利于碾压密实。复压温度控制在145-155℃。通常使用双钢轮、双振动压路机碾压,碾压参数参照试铺段结果,通常2-3遍,碾压速度可以控制在3-4km/h。

终压紧跟复压之后,一般双钢轮静碾1遍,终压结束时温度宜不低于140℃。

为保证不漏压,宜安排专人对压路机进行管理,并设置明显标志,划分出初压、复压、终压区。

5.11接缝处理

应力吸收层接缝处理十分重要,直接影响路面的平整度和外观,施工中要严格控制,保证接缝质量。

5.12开放交通。

应力吸收层应待摊铺层完全自然冷却,混合料表面温度低于50℃后,方可开放交通,需要提早开放交通时,可洒水冷却降低应力吸收层温度。

6  材料与设备

6.1材料

6.1.1改性沥青

改性沥青是混合料胶凝材料,其品质优劣对改性沥青混凝土路面质量至关重要。成品改性沥青在到达现场储存时,改性沥青罐中必须加设搅拌设备,使用前搅拌均匀,在施工过程中要定期取样检验产品质量,发生质量不合格时不得使用。SMA路面宜采用比当地常用沥青更硬标号的沥青。改性沥青的要求应符合《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)中表4.6.2的要求。

6.1.2细集料

细集料宜采用坚硬、洁净、干燥、无风化、无杂质并有适当颗粒级配的人工轧制的米砂或石屑,宜采用石灰岩轧制,不能使用轧石场的下脚料,可使用适量优质天然砂。其技术指标应符合《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)中表4.9.2、表4.9.3、表4.9.4的要求。

                

 应力吸收层使用细集料质量要求              表6.1.1

指     标

单位

技术要求

试验方法

         视密度   不小于

t/m3

2.50

T0329

         坚固性   不大于

%

12

T0340

         砂当量   不小于

%

60

T0334

塑性指数

%

T0118或T0119(土工试验)

棱角性和粗糙度


实测


6.1.3填料

宜采用石灰岩或强基性岩石等憎水性石料类,磨细的矿粉,要求原石料必须干净无杂质,矿粉必须干燥、清洁。其技术指标应符合《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)中表4.10.1的要求。

            应力吸收层使用填料质量要求                表6.1.2

指     标

单位

技术要求

试验方法

      视密度 不小于

t/m3

2.50

T0352

      含水量 不大于

%

1

烘干法

颗粒范围<0.6mm

        <0.15mm

         <0.075mm

%

100

90-100

75-100

T0351

外观


无团粒、不结块


   亲水系数  不大于




塑性指数

%

T0118或T0119(土工试验)

6.2主要机械设备配备(见表6.2)

                 


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