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        水泥混凝土路面共振碎石化技術(shù)的應(yīng)用

        2019-12-02 08:00:06任賀賀武玉東

        任賀賀 武玉東

        【摘要】本文以某道路綜合改造提升工程項(xiàng)目為例,講述了新型工藝路面共振碎石化技術(shù)的原理及應(yīng)用。隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,水泥混凝土路面改造提升為瀝青混凝土路面(簡稱白改黑)將占據(jù)工程建設(shè)項(xiàng)目中很大一部分,水泥混凝土路面將逐漸被取代,通過工程案例對(duì)共振破碎技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行分析,為水泥混凝土路面改造提升工程提供參考。

        【關(guān)鍵詞】水泥混凝土路面;共振破碎;白改黑路面結(jié)構(gòu)

        1、工程概況

        1.1項(xiàng)目概況

        本項(xiàng)目主要對(duì)31條道路進(jìn)行橫斷面優(yōu)化、路面提升、結(jié)構(gòu)“白改黑”,已建道路,現(xiàn)狀道路斷面樣式多,水泥路面結(jié)構(gòu)陳舊破碎,病害較多。道路通車多年,路面沉陷較多且已趨于穩(wěn)定。本次全線改造瀝青混凝土路面,非機(jī)動(dòng)車道采用透水瀝青路面結(jié)構(gòu)。

        1.2周邊環(huán)境

        根據(jù)現(xiàn)狀調(diào)查,道路兩側(cè)地塊開發(fā)強(qiáng)度不大,沿線大部分建筑為4-6層居民自建房;道路等級(jí)為城市主干路,設(shè)計(jì)車速是40km/h,車道寬度45m;在共振破碎施工期間,沿線周圍的敏感建筑物進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察,施工前在人行道位置設(shè)置隔振溝(寬40cm,深80cm),以減少施工振動(dòng)對(duì)周圍建筑物影響。

        2、施工工藝

        2.1 共振碎石化技術(shù)“白改黑”施工工藝:共振碎石化破碎→灑水碾壓→噴灑透層油→鋪筑加鋪層。施工工藝簡單、成熟、可靠,不需專門的配套設(shè)備。

        2.2 大量的水泥砼路面亟待改造

        截止 2018年年底,我國水泥混凝土路面總里程達(dá)到403.97萬公里,其中縣道里程54.97萬公里,鄉(xiāng)道里程117.38萬公里,村道里程231.62萬公里, 參考《2018年交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》。上世紀(jì)90年代開始至今建設(shè)的大量水泥混凝土路面,隨著使用年限的增加,快速增長的交通荷載的作用,大量的水泥混凝土路面進(jìn)入了大中修階段。

        2.3“白改黑”是城鎮(zhèn)化的選擇

        水泥混凝土路面“白改黑”后具有更高的路面平整度、更優(yōu)的路面抗滑性、更低的行車噪聲、更低的眩光特性、更佳的行車舒適性和安全性、更低費(fèi)用、更小的交通影響,更符合城市的發(fā)展需求。

        3、“白改黑”存在的問題

        3.1 存在的問題

        (1)水泥混凝土路面“白改黑”最大的問題是反射裂縫的防治。

        (2)將板塊破碎成較細(xì)的顆粒,能夠避免反射裂縫。但水泥混凝土板塊的剩余強(qiáng)度低,加鋪結(jié)構(gòu)層厚,投資費(fèi)用高。

        3.2 適宜的粒徑

        破碎粒徑大,易產(chǎn)生反射裂縫;破碎粒徑小,路面剩余強(qiáng)度不足,加鋪層厚度大。根據(jù)國內(nèi)外幾十年的工程實(shí)踐,以及室內(nèi)、外大量研究,破碎后水泥混凝土板塊粒徑在3-20cm是實(shí)現(xiàn)兩種狀態(tài)最佳組合的破碎效果 。最佳契合點(diǎn)如圖 3所示。

        4、共振碎石化是實(shí)現(xiàn)最優(yōu)破碎的工藝

        共振碎石化技術(shù)在美國、歐洲等幾十個(gè)國家得到了大量和廣泛的應(yīng)用。2006年引進(jìn)中國,在上海、浙江、福建等地得到較廣泛的應(yīng)用,累計(jì)完成超過 800萬m2的工程量。業(yè)已證明共振碎石化技術(shù)的成熟性、可靠性和適用性。相對(duì)傳統(tǒng)破碎工藝而言,共振碎石化技術(shù)是實(shí)現(xiàn)消除反射裂縫和水泥混凝土路面盡可能高剩余承載力兩個(gè)條件的最優(yōu)工藝。破碎粒徑在3-20cm 范圍。

        5、共振碎石化工作原理

        5.1 共振碎石化設(shè)備

        CB-900(CB,Concrete Breaker)型共振碎石化機(jī)設(shè)備是共振碎石化設(shè)備的最新發(fā)展型,是目前使用的最先進(jìn)的型號(hào)。

        主要技術(shù)參數(shù):發(fā)動(dòng)機(jī)功率約 630 hp,振動(dòng)梁寬寬 66cm,振動(dòng)梁配重 5443-9070kg,破碎錘頭重 23kg,整車總重 27.2-31.8t。振動(dòng)頻率 42-46Hz,振幅在20mm 左右。

        5.2 共振破碎原理

        共振碎石化不依靠 “蠻力”破碎水泥混凝土板塊,而是以 “巧勁”實(shí)現(xiàn) “ 四兩撥千斤”的效果,這是共振破碎的最大特點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)了激振力與板塊的固有頻率的最佳組合。促使水泥混凝土板塊共振開裂,且裂而不碎。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)在于 “ 共振梁的調(diào)諧作用”。

        5.3 共振梁調(diào)諧原理

        共振梁是實(shí)現(xiàn)共振碎石化設(shè)備的關(guān)鍵與核心部件。

        共振梁調(diào)諧原理(圖 7):由偏心凸輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生偏心力,通過共振梁調(diào)幅、調(diào)頻后,將振動(dòng)能量傳遞給破碎錘頭,使得錘頭的振動(dòng)頻率達(dá)到水泥面板的固有頻率,板塊共振并迅速開裂。使錘頭激振頻率與激振力達(dá)到破碎板塊的最佳組合。將偏心凸輪與錘頭直接相連稱作單錘頭破碎設(shè)備,將在第 6 節(jié)介紹。

        5.4 水泥路面的破碎狀態(tài)

        共振碎石化后,破碎粒徑自上而下由小到大,粒徑主要分布在 3cm-15cm 范圍內(nèi)。上層 0~8cm 范圍內(nèi),粒徑相對(duì)較小,一般在 5cm 以下,呈現(xiàn)相對(duì)松散狀態(tài),類似于級(jí)配碎石,起到釋放應(yīng)力的作用;下層粒徑集中在 5~15cm 的塊狀粒料,呈斜向嵌鎖狀態(tài),破裂角在 30°-60°范圍,裂而不散,強(qiáng)度高。不論強(qiáng)度和模量均高于密實(shí)狀態(tài)的級(jí)配碎石,單層碎石化層的模量(靜態(tài)模量)一般在 500-900MPa。

        5.5 工藝參數(shù)的選擇

        板塊破碎的效果受共振破碎機(jī)的破碎前進(jìn)速度、振幅、振動(dòng)頻率、破碎順序,以及原路面結(jié)構(gòu)、水泥混凝土強(qiáng)度、剛度條件、傳力桿、拉桿等因素都影響。為達(dá)到最佳的破碎效果,需進(jìn)行試振破碎,通過開挖樣坑,檢查、驗(yàn)證、調(diào)整,使之達(dá)到最佳的破碎效果。工藝參數(shù)的調(diào)整需要經(jīng)驗(yàn)豐富的工程單位承擔(dān),可調(diào)整的工藝參數(shù)如下:共振頻率:42-46Hz;共振錘振幅:20mm 左右;工作行進(jìn)速度:2-3km/h;破碎順序:由板邊到板中。

        6、共振碎石化的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

        6.1 徹底消除反射裂縫

        共振碎石化破碎粒徑在 20cm 范圍以內(nèi),徹底消除反射裂縫的產(chǎn)生。相對(duì)其他水泥混凝土路面破碎技術(shù)更為有效。

        6.2 技術(shù)適用廣

        共振碎石化采用高頻低幅的振動(dòng),共振碎石技術(shù)對(duì)周邊建筑物、構(gòu)筑物和地下管線影響最小,技術(shù)適用范圍廣。共振碎石化技術(shù)適用的水泥混凝土路面技術(shù)狀況相對(duì)其他技術(shù)較寬,《公路水泥混凝土路面再生利用技術(shù)細(xì)則》(JTGTF31-2014)對(duì)此作了比較,共振碎石化較其他破碎工藝更加適合城市道路。

        6.3 原路再生利用充分

        采用共振碎石化技術(shù)的原路面結(jié)構(gòu)和材料均得到了相對(duì)充分的利用。相對(duì)多錘頭破碎技術(shù),共振碎石化技術(shù)更能發(fā)揮板塊和結(jié)構(gòu)層的剩余強(qiáng)度。

        6.4 加鋪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單

        共振碎石化路面上加鋪層設(shè)計(jì)簡單,不需專門的防反射裂縫設(shè)計(jì)和設(shè)施。通常加鋪結(jié)構(gòu)為兩層式瀝青面層或三層式瀝青面層。

        6.5 施工效率高

        破碎行進(jìn)速度:2-3km·車道/h。一般一臺(tái)設(shè)備一天可破碎 2500m 2 左右(效率取決于多方面因素,水泥混凝土板塊強(qiáng)度、厚度、交通天氣等因素)。

        6.6技術(shù)成熟,應(yīng)用廣泛

        共振碎石化技術(shù)在國外應(yīng)用廣泛,在我國的應(yīng)用也超過了 10 年。各等級(jí)公路、城市道路,農(nóng)村公路、國省道,不同交通等級(jí)的道路上均有應(yīng)用,均有較好的使用效果。設(shè)計(jì)、施工成熟標(biāo)準(zhǔn),技術(shù)成熟度高。

        6.7 綠色、環(huán)保、低碳

        共振碎石化破碎技術(shù)不產(chǎn)生固體廢棄物、無污染;消耗的新資源、新能源少,相應(yīng)的碳排放少。共振碎石化技術(shù)是一種綠色、環(huán)保、低碳的水泥混凝土路面“白改黑”技術(shù)。

        6.8 污染小、擾民低

        破碎產(chǎn)生的粉塵相對(duì)低,通過預(yù)灑水工藝有效降低破碎過程中的粉塵。共振破碎產(chǎn)生的噪音和振動(dòng)相對(duì)小,傳播距離短。相對(duì)多錘頭破碎,產(chǎn)生的粉塵、振動(dòng)、噪音明顯低,擾民低,更加和諧。

        6.9施工交通組織簡便

        共振碎石化技術(shù)施工交通組織更為簡便,對(duì)交通影響小、擾民小。

        6.10 路面更加耐久,投資少

        (1)采用共振碎石化破碎的路面結(jié)構(gòu)加鋪層相對(duì)其他破碎工藝加鋪層結(jié)構(gòu)薄,路面改建的直接綜合成本低(Integrated Direct costs)。

        (2)施工快捷、工期短、快放交通快,間接費(fèi)用(Indirect costs)低。

        (3)經(jīng)共振碎石化改建的道路路面結(jié)構(gòu)更加耐久,維護(hù)少、大修間隔時(shí)間長,路面結(jié)構(gòu)的壽命周期成本(life cycle cost,LCC)低。

        7、 破碎工藝比較

        7.1多錘頭破碎

        多錘頭破碎是水泥混凝土路面較為常用的一種破碎方式。多錘頭破碎系統(tǒng)由兩排各 3 對(duì) 650kg 的錘頭組成,兩側(cè)各有 1 對(duì) 865kg 翼錘。錘頭最大提升高度110cm。依靠重錘自由下落的沖擊力實(shí)現(xiàn)板塊的破碎。特點(diǎn)是沖擊力大、振動(dòng)頻率低,振動(dòng)傳播遠(yuǎn),臨近建筑和地下管線有明顯影響(圖 11)。多錘頭的沖擊力較大,板塊破碎粒徑小,剩余強(qiáng)度低,與級(jí)配碎石相當(dāng)。此外,錘頭沖擊力對(duì)基層承載力也造成一定損傷。因此,經(jīng)多錘頭破碎后路面結(jié)構(gòu),加鋪層通常相對(duì)較厚。

        7.2單錘頭破碎

        單錘頭破碎在多錘頭的基礎(chǔ)上加以改進(jìn),將多錘變?yōu)閱五N形式,提高了錘擊的頻率,減小了錘擊力度。同時(shí),在一定程度上借鑒了共振破碎的特點(diǎn),采用偏心凸輪激振。與共振破碎共振梁調(diào)諧作用(圖 7)不同,單錘頭破碎直接將偏心輪加載于錘頭,無法實(shí)現(xiàn)激振力與混凝土板塊固有頻率的耦合:

        (1)要么激振頻率過高,激振力不足,導(dǎo)致板塊無法有效打裂,加鋪結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生反射裂縫;

        (2) 要么激振頻率過低,激振力過大,板塊打碎,剩余強(qiáng)度不足。兩種破碎技術(shù)的原理比較如下:

        8、設(shè)計(jì)與工程案例

        8.1 設(shè)計(jì)依據(jù)

        (1)公路水泥混凝土路面再生利用技術(shù)細(xì)則(JTGTF31-2014)

        (2)公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范(JTGD50-2006)

        (3)公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范(JTGD40-2011)

        8.2 碎石化時(shí)機(jī)的選擇

        根據(jù)價(jià)值工程理論:共振碎石化“白改黑”的工程價(jià)值大于其他維修改造方案的工程價(jià)值。價(jià)值可以是項(xiàng)目總投資,也可以是項(xiàng)目的壽命周期費(fèi)用,還可以是項(xiàng)目的社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值。時(shí)機(jī)的選擇應(yīng)同時(shí)滿足技術(shù)可行和經(jīng)濟(jì)可行。相對(duì)其他破碎工藝,共振碎石化技術(shù)適用性更廣。項(xiàng)目總投資、壽命周期經(jīng)濟(jì)費(fèi)用低,社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值高?!豆匪嗷炷谅访嬖偕眉夹g(shù)細(xì)則》(JTGTF31-2014)從水泥混凝土路面技術(shù)狀態(tài)的角度給出了共振碎石化的適用條件。

        8.3 典型結(jié)構(gòu)

        共振碎石化路面加鋪層的厚度與交通量有關(guān),與原路面結(jié)構(gòu)狀況和剩余承載力有關(guān)。國內(nèi)共振碎石化路面加鋪結(jié)構(gòu)歸納如下:加鋪層材料的選擇,根據(jù)道路等級(jí)、所在氣候分區(qū)特點(diǎn)等因素,選擇不同質(zhì)量等級(jí)的材料。對(duì)于重交通道路可以采用橡膠瀝青混合料 AR-AC、SMA 等混合料,以及抗車轍劑、玄武巖纖維等添加劑來增強(qiáng)混合料的抗車轍性能和高溫穩(wěn)定性。

        8.4 質(zhì)量檢驗(yàn)與評(píng)定

        碎石化路面施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)主要通過碎石化破碎粒徑和結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行檢驗(yàn)與評(píng)定。檢驗(yàn)主要依據(jù):公路水泥混凝土路面再生利用技術(shù)細(xì)則(JTGT F31-2014)公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范(JTGD50-2006)公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范(JTGD40-2011)

        (1)碎石化破碎粒徑檢驗(yàn)

        通過開挖試坑判斷,避免過度松散和不能有效破碎兩種極端情況。

        (2)破碎化層的結(jié)構(gòu)狀態(tài)檢驗(yàn)

        共振碎石化后該層呈現(xiàn)上層松散,下層嵌鎖的狀態(tài)。狀態(tài)的檢驗(yàn)采取鉆心方法獲得。通過鉆芯試樣,判斷混凝土板下部結(jié)構(gòu)裂縫嵌鎖狀態(tài)。

        (3)結(jié)構(gòu)剩余強(qiáng)度

        路面結(jié)構(gòu)剩余強(qiáng)度可采用碎石化層頂面回彈模量進(jìn)行檢驗(yàn)。該模量為整個(gè)路面結(jié)構(gòu)層的當(dāng)量回彈模量。當(dāng)量回彈模量不應(yīng)作為評(píng)價(jià)碎石化層是否合格的指標(biāo)。因?yàn)槁访娼Y(jié)構(gòu)剩余強(qiáng)度和模量與整個(gè)路面結(jié)構(gòu)各層材料的狀態(tài)密切相關(guān),與所測(cè)試的季節(jié)狀態(tài)有關(guān)?!豆仿访婊鶎邮┕ぜ夹g(shù)細(xì)則》僅將回彈模量作為參考

        8.5工程實(shí)例

        共振碎石化技術(shù)首先應(yīng)用于國省道,之后在不同等級(jí)的道路以及城市道路上推廣和應(yīng)用。

        (1)國省道的應(yīng)用

        滬青平公路為 318 國道上海段,主要為水泥混凝土路面。交通等級(jí)屬于重交通。上海市公路管理處首次引進(jìn)共振碎石化技術(shù),于 2005 年鋪筑了 477m 的共振碎石化的試驗(yàn)段。后期的跟蹤觀測(cè)、研究認(rèn)為反射裂縫防治、資源再利用、節(jié)能減排效果明顯。隨后于 2007、2008 年進(jìn)行了大范圍的共振碎石化工程應(yīng)用。作為示范工程,每年對(duì)該路進(jìn)行定期回訪,該路至今未產(chǎn)生反射裂縫等病害,狀況良好,僅需日常性路面養(yǎng)護(hù)。

        浙江省于 2007 年引進(jìn)共振碎石化技術(shù),首先應(yīng)用于 104 國道(臨海段)的“白改黑”改造中,總長度超過 6km,加鋪三層式瀝青面層,鋪筑厚度為 15cm。基于良好的使用效果,2008 年實(shí)施 104 國道的“白改黑”,迄今已經(jīng)完成近 50km長的共振碎石化“白改黑”改造。路面使用完好,期間未實(shí)施過大修,大大降低了公路養(yǎng)護(hù)、運(yùn)營、管理的成本。

        結(jié)論:

        傳統(tǒng)開膛破肚的改造工藝,需要近半年的時(shí)間,施工噪音、揚(yáng)塵,交通的阻斷嚴(yán)重,社會(huì)影響大;從縮短工期、節(jié)約造價(jià)、節(jié)能環(huán)保等方面綜合考慮,引入路面共振碎石技術(shù)實(shí)施“白改黑”,改造后的路面顯著提升了路面的使用狀況和技術(shù)水平,大大改善了路線區(qū)域的市容市貌,取得了較好的效果和口碑。

        參考文獻(xiàn):

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