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水泥混凝土旧路面的改造技术

来源:石家庄市海森化工有限公司  日期:2018-03-22 16:31:22  属于:产品技术
文章摘要:国内多数原有道路的路面都为水泥混凝土面板结构,这种结构接缝多且易产生裂缝,最终导致错台、脱空等病害,造成路面损坏,影响行车舒适度。随着城市道路、普通公路甚至高速公路的大规模改造,“白加黑”的处理方式被越来越广泛地应用到旧水泥混凝土道路的沥青化中。旧路改造的方式逐步在发展,选择也多样化,实际的应用过程中也存在一定的问题。本文结合成都市三环路改造和国省干线“联十四”拓宽改造的施工实例,分析并对比水泥混凝土旧路面改造过程中两种典型处理方式的技术要点和存在问题,提出相应的施工控制措施。
国内多数原有道路的路面都为水泥混凝土面板结构,这种结构接缝多且易产生裂缝,最终导致错台、脱空等病害,造成路面损坏,影响行车舒适度。随着城市道路、普通公路甚至高速公路的大规模改造,“白加黑”的处理方式被越来越广泛地应用到旧水泥混凝土道路的沥青化中。旧路改造的方式逐步在发展,选择也多样化,实际的应用过程中也存在一定的问题。本文结合成都市三环路改造和国省干线“联十四”拓宽改造的施工实例,分析并对比水泥混凝土旧路面改造过程中两种典型处理方式的技术要点和存在问题,提出相应的施工控制措施。
  1“白加黑”改造方式概述
  “白加黑”改造的方式较多,最为典型的处理方式为整板利用和破碎利用。整板利用,即直接在水泥混凝土旧路面上加铺沥青结构层,该方式保留了原路面的结构性能;破碎利用则是将旧混凝土面板破碎后再铺设沥青结构层,该方式是将旧混凝土面板碎石化,作为新道路的基层。作者参与的成都市三环路改造和国省干线“联十四”拓宽改造工程,分别采用了这两种方式,其施工理念和施工工艺截然不同,经济性和适用性也存在较大差异。
  2 整板利用技术及施工控制措施
  2.1 成都市三环路改造前状况分析
  从检测及调查情况来看,由于三环路交通流量,以及车辆轴载日益重型化,超载情况严重的实际条件下,原水泥混凝土路面出现了大面积的破损,仅靠局部维修维护已经不能满足继续增长的交通流量要求。
  下面仅对三环路主车道整治前状况进行说明:①路面破损严重:车道按破损状况由重至轻排列为:车道2>车道3>车道1>车道4(内外环情况相同),平均破损率达到近四分之一。②承载力不足:外环快车道承载能力相对较差,路面弯沉较大,且不够均匀,离散性较大。③接缝传荷能力:三环路快车道接缝传荷情况较差,内、外环快车道的优良率均不足60%,其中内环快车道的情况相对更差。④板底脱空状况:三环路板底脱空情况均较严重,除了外环快④车道和内环快④车道脱空率分别为41.4%和37.3%外,其余车道脱空率均达到50%以上,尤其是内环快①②③车道,脱空率分别达到67.2%、74.5%、79.4%。
  综合来讲,所有原混凝土路面在长期使用后均会出现裂缝、断板、板角断裂、错台、沉陷、接缝碎裂、填缝材料破损、板块脱空、唧泥、网裂、磨损、露骨、坑洞、修补损坏等多种损坏形式,部分地段损坏程度严重至无法正常通行,这也加重了路面噪音对周边区域的影响,导致道路使用品质下降,严重影响了行车的安全性和舒适性。
  2.2 整板利用处理技术和存在的问题
  2.2.1 整板利用改造内容和施工工艺。三环路改造选用了整板利用处理方式,该方式主要是进行以下方面的改造:
  第一,原路面病害处置。原水泥路面病害处治的好坏将直接影响到加铺后路面的使用效果,处治好路面的病害是旧路面加铺改造的关键,需要针对不同病害类型采用不同的处治措施,为加铺沥青混凝土提供良好的基面,确保加铺结构层达到预期的路用性能和耐久性能。其核心是基底加固,主要有破碎板换板处理、裂缝修补以及脱空板压浆处理。若基床存在软弱层,则须进行换填。
  第二,防排水工程。防排水永远都是道路工程的重中之重,多数次生病害都是因为防排水工程没有做好。将路面明水及渗水汇集至雨水井排入雨水管网是市政道路的常用防排水方式,因此各管道各接口须设置通畅。
  第三,加铺沥青面层。通过多方论证,路面加铺方案采用4cm厚改性沥青玛蹄脂碎石SMA-13+6cm厚改性沥青混凝土AC-20+1cm橡胶沥青碎石应力吸收层+处治合格的原水泥混凝土路面。
  整板利用处理一般施工工艺流程如下:施工准备→原水泥砼面板病害处置(包括破碎板换板处理、基底处理、裂缝修补、脱空板压浆)→基面清理→施工应力吸收层→铺设新沥青面层。
  2.2.2 整板利用技术存在的主要问题。
  第一,脱空板注浆量不易控制,处理不彻底易产生后期病害。
  第二,路面由刚性向柔性直接过渡,沥青路面易产生反射裂纹,影响路面耐久性能。
  第三,水泥混凝土旧路面与新沥青面层的粘结是关键,但多数情况会导致粘结强度不足,会导致沥青面层“脱皮”等情况发生。
  第四,水泥混凝土旧路面在长期荷载作用后,各板块存在较大高差,沥青面层施工尤其是摊铺的平整度控制难度加大。
  2.3 施工控制措施及建议
  通过对水泥混凝土旧路面的状况调查以及病害分析,需要针对不同病害类型采用不同的处治措施,为水泥混凝土路面加铺沥青混凝土提供良好的基面,确保加铺结构层达到预期的路用性能和耐久性能。结合整板利用技术存在的主要问题,作者认为控制重点应该放在脱空板压浆、刚柔结构层过渡处理、新旧路面粘结处理和沥青面层平整度上。
  2.3.1 脱空板压浆。
  第一,水泥浆配合比一般自行设计,浆液24小时的抗压强度必须达到5MPa以上;浆体流动性好,100%结石率,泌水率、干缩率小。在施工过程中应注意灌浆压力的控制,压力控制在2~5MPa之间,压浆完成后即对压注区封闭,避免施工车辆和施工机械进入。
  第二,压浆效果检测。养生1天后即可检测压浆效果。现在普遍采用FWD(Falling Weight Deflectometer,落锤式弯沉仪)逐板检测板角处(每板4个点)的弯沉,来判定质量是否合格,否则进行复灌,板块合格率必须达到100%,直至符合要求后才允许开放交通或进行下道工序施工。一般要求板块压浆合格率一次应不低于85%,两次压浆合格率应满足100%。为了控制板底压浆的质量,还应按规定频率取件作抗压强度试验。
  第三,压浆时应控制避免砼面层出现新裂缝。
  2.3.2 刚柔结构层过渡处理
  旧路面与新路面的刚柔过渡处理不好,极易产生反射裂纹,严重影响道路的使用寿命。作者建议推广使用在过渡面增加橡胶应力吸收层(橡胶沥青+改性沥青覆裹后的碎石)的方式来进行处理,厚度1cm为宜。橡胶应力吸收层与碎石封层施工工艺基本相同,文章不作详述。成都市三环路改造完成后已通车5年,目前道路状况良好。通过这种方式处理后,可以在最大限度地利用原有路面结构能力的情况下使新面层的综合性能大幅提升。
  2.3.3 新旧路面粘结处理
  在水泥混凝土旧路面处理完毕后,一般只作简单的基面清理就喷砂粘层油,施工沥青结构层(过渡层),导致新旧路面粘结强度不足。作者在三环路改造施工时经过摸索论证,借鉴桥面防水层施工时打毛处理的施工工艺,对水泥混凝土旧路面进行抛丸打毛处理后,再进行新路面施工。该处理工艺采用抛丸打毛专用设备,高速喷射钢珠,然后钢珠和冲击下来的碎渣吸入机器,钢珠和碎渣分离,钢珠循环使用,碎渣收集后处理,速度快,效果好,且无二次污染,新旧路面粘结强度得到保证。
  2.3.4 沥青面层摊铺
  沥青面层作为翻新后道路的新结构层,其施工质量的好坏直接影响到道路的使用寿命和行车舒适度。从材料的选取、配合比的设计到混合料的拌制、运输、摊铺、碾压这一系列工序,每道工序都有严格的检验指标或评定标准,但究其根本,就是要解决三个问题:一是混合料质量;二是压实度;三是平整度。尤其是旧路面上直接摊铺,基面平整度先天性差的情况下,须加强控制。
  第一,摊铺沥青路面时气温不应低于10℃,雨天及路面潮湿的情况下不建议施工,如确需施工应采取必要措施。施工时必须选用有自动找平装置、有预压实装置的摊铺机。摊铺机的摊铺速度应根据拌和机的产量、施工机械配套及摊铺宽度、摊铺厚度来选择,一般按1.5~2.5m/min,SMA混合料的摊铺速度宜按低速控制,做到均匀前进,不间断摊铺,中间不得随意停机。
  第二,摊铺沥青路面下面层或分层摊铺调平层(因原路面标高与原设计标高可能存在差异,故路面改造时可能存在调平层)时,采用悬挂钢丝绳为基准线,以便下面层压实标高符合要求。直线段每10m设置1个支承桩,弯道部分每5m设置一个支承桩,基准线距熨平板一般20~30cm,基准线采用钢丝绳,每个张拉段200m左右,其张紧力一般控制在800~1000N之间,基准线应安排固定人复核查看,以免出现支承桩松动、偏移、钢丝绳下垂等问题,发现问题,必须及时修正。
  第三,沥青路面上面层找平应采用自动找平装置,可选择的有浮动式基准梁,超声波自动找平仪,激光扫描自动找平仪,摊铺机行走基面要清扫干净,以免影响自动调平精度。
  第四,为了保证沥青混合料能够在有效压实时间内达到规定的压实度,改性沥青混合料碾压时应做到“紧跟、慢压、高频、低幅”。一个作业面需配备的基本压实设备应为:双钢轮振动压路机(振幅和频率可根据需要调整),施工SMA面层时不得少于5台(SMA施工时不得使用胶轮压路机碾压),施工AC面层时不少于4台(静态不小于11t),根据混合料类型、温度和层厚选择频率和振幅。其余压实设备可参照规范及相关经验进行配置。桥面沥青铺装层碾压不宜采用振动压路机,应该采用振荡压路机,以免损伤桥梁结构。
  第五,温度控制:一般来讲,改性沥青混合料的矿料温度为180℃~200℃,沥青温度为170℃~180℃,混合料出厂温度为175℃~185℃,初碾温度不低于160℃,终压温度不低于120℃,具体实施时拌和、碾压温度还需要根据具体的道路沥青、改性沥青的粘温曲线确定。热拌沥青混合料路面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。
  沥青面层的施工是一项综合工程,对混合料的质量要从源头抓起,对于平整度的控制应从下面层就开始把关,前后场的调配工作不可脱节,合理安排施工顺序和周期,方可将沥青面层的摊铺工作做好。
  3 破碎利用技术及施工控制措施
  国省干线“联十四”拓宽改造工程采用的是破碎利用技术,文章对破碎利用技术的阐述将依托于该项目改造的状况进行。
  3.1 国省干线“联十四”改造前状况分析
  国省干线“联十四”是双向四车道普通公路,改造前水泥混凝土旧路面病害较少,改造的主要原因是作为当地城区和景区的主要通道,其通行能力不足,且对外形象不佳。经过调查统计,该道路旧混凝土板的完好率在90%以上,道路坐落在九龙江老河床地带,两侧为村庄和农田,路基采用河砂填筑,主要病害为裂缝、断板、板角断裂、错台等。
  3.2 破碎利用处理技术及存在的问题
  3.2.1 破碎利用改造内容和施工工艺
  国省干线“联十四”改造选用了破碎利用处理方式,该方式主要是进行以下方面的施工:
  第一,原路基病害处置。施工前,基床存在的软弱层必须挖除后进行换填处理,施工前应进行仔细核查。
  第二,混凝土旧路面碎石化。采用重型多锤头破碎设备将旧混凝土板破碎后作为新道路基层使用,破碎后水泥混凝土路面颗粒粒径小,能将水泥混凝土路面破碎成嵌挤颗粒,力学模式更趋向于级配碎石,为加铺层提供理想的柔性嵌锁基层。
  第三,铺设调平层。旧路面碎石化后作为基层利用,其表面平整度较新建基层差很多,加之新路面纵坡调整,必须铺设调平层来进行调控。
  第四,铺设沥青层。沥青层的做法全国都较为通用,沥青化是旧路改造的最后一步。“联十四”改造的沥青层结构形式较为多样,标准结构形式为4cm厚改性沥青玛蹄脂碎石SMA-13+6cm厚普通沥青混凝土AC-20+16cm沥青碎石基层+碎石化基层。
  破碎利用处理一般施工工艺流程如下:施工准备→原路基病害处置(主要是基底软弱层的换填处理)→水泥混凝土旧路面碎石化处理→施工调平层→铺设沥青层。
  3.2.2 破碎利用技术存在的主要问题
  第一,道路整体路况良好的情况下原路基病害不易事先发现,事后处理较为麻烦。
  第二,混凝土旧路面碎石化采用的破碎压稳工艺要求高,目前仅有地方性标准和经验数据作为参考,施工存在不稳定性,旧路面碎石化后作为基层,其性能与级配碎石还是有一定差距。
  第三,若新路面纵曲线进行调整,为保证沥青面层结构的均匀性,调平层厚度会出现极大差异,需分成多个小段落进行调平层施工,且根据厚度不同,调平层选用的材料也不同,比如“联十四”,就选用了级配碎石、水泥稳定碎石和沥青碎石等多种组合,施工难度加大,现场不易控制。
  第四,碎石化采用重型破碎设备,振动大,冲击力强,对周围建筑物影响较大。
  3.3 施工控制措施及建议
  破碎利用技术虽较为单纯,但存在的主要问题都是由不同的因素在主导,作者认为该方式控制重点如下:
  3.3.1 原路基病害的确认和处理
  原路基的病害必须经过详细调查确认并做好标记,无法事先核实的,要在碎石化过程中仔细观测高程的变化情况,以判别薄弱点的存在,破碎后进行回弹模量测试,及时进行处理。处理主要是采用换填的方式,填料要选用级配碎石(回弹模量≥300MPa),换填至破碎混凝土板顶,分层压实。
  3.3.2 调平层的施工
  第一,调平层施工前,需要确定厚度变化的每个里程位置,对现场高程认真测设,加密布点,分段插打钢钎并固定牢靠。
  第二,通过试验段总结参数,尤其是调平层材料的压实系数,要根据压实系数和厚度确定每一段的松铺厚度,才能保证调平层施工完成后的平顺。
  第三,在调平层选用多种材料组合时,要分层由下而上逐一施工,搞好施工组织安排,提高施工效率。在条件允许时,应提出变更,统一调平层的材料。
  施工的具体工艺和建议可参考上文2.3.4沥青面层摊铺中调平层施工工艺。
  3.3.3 破碎设备的振动影响
  该问题严格来说非技术问题,但是也可以采用技术的方式解决或减小影响。
  第一,施工前要对沿线房屋和其他结构物情况进行调查,各方签认留底。
  第二,房屋地段施工时调低破碎机锤头落差,减小冲击力,增加破碎遍数。
  第三,对必要的设施进行加固,确保安全。
  第四,连续的房屋段落,在道路和房屋之间开挖减震沟,以削弱击波。
  3.3.4 水泥混凝土旧路面碎石化
  碎石化施工是破碎利用最关键的环节,旧路面作为基层利用,其结构性能能否满足要求,决定着改造的成败。
  第一,设备选型的控制,作者建议碎石化工艺采用多锤头破碎机进行破碎,Z型压路机、钢轮压路机和胶轮压路机进行组合碾压,破碎压稳后的旧路面,粒径自上而下逐渐增大,表面平整易于摊铺,下部大颗粒之间形成嵌挤结构,形成紧密性好、内部结构稳定、密度高的材料层。一般来讲,多锤头破碎机每重锤质量应在500kg以上,锤头的提升高度可在0.8~1.8m之间调节,可通过调整重锤下落高度和刀距来控制破碎后颗粒粒径的范围。Z型压路机Z型钢箍的间距宜为7cm±1cm,高度宜为2.5~3cm,宽度不宜小于1cm,以保证碾压完成后表层颗粒的细化。钢轮压路机和胶轮压路机采用路基路面施工的同规格设备即可。
  第二,通过试验段确定参数,长度不宜少于500m,主要用于设备参数调整,以达到规定的破碎效果。在试验段破碎过程中安排不同落锤高度、频率和行车速度的不同区间完成设备调试,确定适合该路段的施工参数(如落锤高度、刀具、各型号压路机的碾压组合方式等)。在水泥混凝土旧路面厚度不超过30cm时,多锤头破碎设备碎石化一般初始参数可如表1设置。
  第三,封层的施工。碎石化完成后要进行浇洒透层油并进行下封层施工,封层亦采用钢轮压路机碾压2~3遍为宜,封闭碎石化基层。
  第四,同一条路由于地质状况.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与破碎不够等现象。对于局部出现面积大于1m2的未破碎混凝土面板时,调整设备破碎宽度,进行局部补充破碎,以保证破碎质量。
  第五,碎石化技术要求建议。在进行充分碾压后,要求水泥混凝土破碎率达到75%,表面最大尺寸不超过7.5cm,中间层不超过22.5cm,底部不超过37.5cm的粒径,确保由上而下粒径在7.5~37.5cm之间,接近或达到级配碎石层的结构性能。
  破碎顺序应先从路面高处向低处过渡,路面沥青混合料摊铺也按此顺序进行,以避免由于先摊铺低处路面造成排水不畅。破碎宽度应超过一个车道,搭接宽度在5~15cm之间。对于水泥混凝土左右两幅面板中缝应进行搭接破碎,以保证彻底消除中缝的反射裂缝问题。
  4 两种技术的施工理念对比分析
  整板利用倾向于维持旧路的全部结构性能,采用的是刚柔相济的新老结合,破碎利用则更趋于新建沥青道路的结构形式,对老路面的结构性能进行了彻底改造,以满足于新建路面柔性过渡的需求。基于这两种理念,整板利用技术不管采取什么措施来消减刚柔连接的弊端,沥青面层都更容易产生反射裂纹;而破碎利用技术对基底的处理较为简单,在长期荷载作用下,更容易出现不均匀沉降。

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