朱琨琨
(同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限公司,上海市 200092)
經(jīng)過(guò)多年運(yùn)營(yíng),我國(guó)水泥混凝土道路已進(jìn)入大修期,而大量混凝土路面在改造為瀝青路面(白改黑)后出現(xiàn)了不同程度的反射裂縫。因此研究白改黑技術(shù)的意義重大。
我國(guó)現(xiàn)階段常用道路白改黑方法有三種:碎石化后加鋪、板塊加固后加鋪、翻挖板塊后改建。其各自優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表1。
表1 舊板處置方案比選
板塊加固后加鋪方案容易出現(xiàn)反射裂縫,解決這一問(wèn)題的常見(jiàn)做法為在舊水泥板與加鋪瀝青面層之間設(shè)置應(yīng)力吸收層或防反夾層。各種應(yīng)力吸收層及防反夾層的特點(diǎn)見(jiàn)表2。
目前玻纖格柵實(shí)際應(yīng)用效果并不理想,且有研究表明防反夾層有聚水效應(yīng),因此于舊路與加鋪瀝青面層間僅設(shè)置土工材料的措施正被逐步淘汰。
由受力機(jī)理分析,應(yīng)力吸收層對(duì)抵抗板體水平向伸縮引起的反射裂縫效果較好,而夾層材料對(duì)抵抗板體兩側(cè)豎向位移差引起的反射裂縫效果較好,故建議兩種措施并用。
在投資受限的條件下應(yīng)優(yōu)選采用應(yīng)力吸收層,特別是碎石纖維封層等具備一定整體強(qiáng)度的應(yīng)力吸收層。
相比增設(shè)應(yīng)力吸收層或防反夾層,碎石化法能在不產(chǎn)生廢料的同時(shí)從根源上防止反射裂縫出現(xiàn),因此具有顯著優(yōu)勢(shì)。該法在美國(guó)道路白改黑過(guò)程中得到廣泛應(yīng)用,至少有十幾個(gè)州進(jìn)行了碎石化實(shí)踐,其中阿肯色州進(jìn)行碎石化處理的道路超過(guò)了200 mile[1](約322 km)。下文將詳細(xì)介紹碎石化技術(shù)。
碎石化發(fā)展了近30 a,經(jīng)歷了沖擊壓路機(jī)破碎、挖掘機(jī)加破碎頭破碎、打裂壓實(shí)破碎等幾個(gè)階段后,最終形成了以錘擊破碎法(多錘式破碎機(jī))、共振破碎法(共振破碎機(jī))為主的碎石化方法[2]。兩種方法的區(qū)別如圖1所示。
表2 防反措施比選
圖1 錘擊破碎法與共振破碎法
該法的工作機(jī)理是通過(guò)多錘頭破碎機(jī)攜帶的重錘下落對(duì)水泥混凝土板塊產(chǎn)生瞬時(shí)、點(diǎn)狀的沖擊作用,以達(dá)到破碎的目的。與共振破碎法相比,錘擊破碎法容易破壞老路基層,且在施工過(guò)程中產(chǎn)生較大的噪聲及振動(dòng)易對(duì)道路沿線居民及結(jié)構(gòu)造成不良影響。
該方法由美國(guó)RMI發(fā)明,2004年引入我國(guó),2005年開(kāi)始在上海、浙江開(kāi)始應(yīng)用。2005—2006年先后在滬青平公路、沈磚公路、金山大道、新衛(wèi)公路上進(jìn)行施工[3]。其使用的共振破碎機(jī)械將水壓能量通過(guò)一根方形鋼梁傳遞給錘頭,在偏心軸力的驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生振動(dòng)諧波,并引起板的共振致其迅速破碎開(kāi)裂(見(jiàn)圖2)。
圖2 共振破碎法
2.2.1 共振破碎的本質(zhì)屬性
水泥板塊共振破碎后失去板體性,在行車荷載作用下的受力機(jī)理與粒料接近。根據(jù)實(shí)測(cè),其模量值一般為500~1 000 MPa,接近半開(kāi)級(jí)配瀝青碎石基層模量強(qiáng)度。美國(guó)研究表明,破碎后其回彈模量?jī)H為原整板數(shù)值的5%,即1 350~1 650 MPa,略高于粗粒式瀝青混凝土[4]。因此水泥板塊共振破碎后為柔性基層屬性(見(jiàn)圖3)。
2.2.2 粒徑分布特征
美國(guó)及上海的工程實(shí)踐表明,共振碎石化處理后,上層10 cm碎石化程度高,下層板體型較好,裂縫夾角多為45°。
圖3 共振破碎化后的破碎層
2.2.3 強(qiáng)度特征
上海滬青平公路及金山大道白改黑工程的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明[5],共振碎石化后老路路表彎沉大幅下降,但瀝青面層加鋪后彎沉值恢復(fù)較好,與一般常規(guī)新建瀝青路面強(qiáng)度相當(dāng)(見(jiàn)表3)。
表3 共振碎石化路面彎沉檢測(cè)情況
2.2.4 力學(xué)分析
以如下典型結(jié)構(gòu)為例計(jì)算碎石化層及瀝青層的層底拉應(yīng)力及頂面計(jì)算彎沉:15 cm石灰土+30 cm三渣+共振破碎后水泥路面+8 cm AC-25C(SBS改性)+4 cm SMA-13(SBS改性),其中碎石化層壓回彈模量取值為500~1 000 MPa。
由圖4可見(jiàn),隨加罩后的瀝青層頂面計(jì)算彎沉值LS為21.3~23.2,表明路面結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度較一般新建瀝青路面高(計(jì)算彎沉值LS為21~25);瀝青上面層均為壓應(yīng)力、下面層層底拉應(yīng)力為-0.01~0.14 MPa,略高于一般新建路面。綜合來(lái)看,無(wú)論是彎沉還是瀝青層底拉應(yīng)力均能夠滿足設(shè)計(jì)要求。
2.2.5 共振破碎法優(yōu)缺點(diǎn)綜述
總結(jié)以上分析,共振破碎法具有以下顯著優(yōu)點(diǎn):
圖4 瀝青層頂面計(jì)算彎沉、瀝青層層底拉應(yīng)力與碎石化層模量的關(guān)系
(1)有效消除脫空區(qū)域、反射裂縫。
(2)時(shí)間優(yōu)勢(shì)明顯(共振破碎機(jī)的生產(chǎn)率可達(dá)8 000 m2/d)。
(3)對(duì)交通影響不大(對(duì)向車道可利用)。
(4)噪聲及振動(dòng)較錘擊破碎法小。
(5)工程造價(jià)較省(與翻挖新建相比)。
其缺點(diǎn)為破碎后路面均勻性差,其粒徑大小存在局部較大的情況,壓實(shí)后整體性及均勻性不能得到完全保證,局部離析及脫空可能性未能完全消除,易產(chǎn)生基層強(qiáng)度死角。若直接在碎石層上加鋪瀝青面層,可能導(dǎo)致瀝青路面平整度較差甚至出現(xiàn)坑槽。
2.2.6 共振碎石化的改進(jìn)
考慮到共振碎石化的上述缺點(diǎn),筆者推薦對(duì)碎石層進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)后再加罩瀝青面層。具體補(bǔ)強(qiáng)方法為在瀝青面層及碎石化層之間加鋪薄層,該層無(wú)須大幅提高基層整體強(qiáng)度,因此可以選擇鋼塑土工格柵或三渣層。三渣層厚度以最小為宜,應(yīng)介于15~20 cm。以2.2.4節(jié)的典型結(jié)構(gòu)為例,若取碎石化層模量為800 MPa對(duì)其進(jìn)行彎沉與拉應(yīng)力計(jì)算,加鋪15 cm三渣層與直接鋪筑面層的結(jié)果見(jiàn)表4。
可見(jiàn),加鋪三渣層對(duì)瀝青層頂面彎沉及瀝青層層底拉應(yīng)力都有顯著改善。
表4 加鋪三渣層對(duì)瀝青層頂面計(jì)算彎沉、瀝青層層底拉應(yīng)力的影響
(4)在碎石層和瀝青面層之間加鋪薄層能有效防止因基層局部強(qiáng)度不足而造成的路面損壞。
共振碎石化的優(yōu)勢(shì)決定了其有著廣闊的應(yīng)用前景,但該法的施工控制仍有待完善。而在碎石層和瀝青面層之間加鋪薄層這一技術(shù)仍需實(shí)踐反復(fù)驗(yàn)證,如有條件最好鋪筑試驗(yàn)段,以確定薄層材料的選取及其最佳厚度。
(1)無(wú)論設(shè)置應(yīng)力吸收層還是防反夾層,舊水泥板塊處置后加罩的方法都無(wú)法完全消除反射裂縫。
(2)碎石化方法能有效消除反射裂縫,且不產(chǎn)生廢料。
(3)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及計(jì)算數(shù)據(jù)表明,共振碎石化處置后路表彎沉及瀝青層底拉應(yīng)力均能滿足設(shè)計(jì)要求。