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        水泥路面高頻共振碎石化轉(zhuǎn)換瀝青路面柔性基層可行性研究

        2021-03-11 08:18:50
        河南建材 2021年2期
        關(guān)鍵詞:基層混凝土

        祁 亮

        中煤科工集團(tuán)武漢設(shè)計(jì)研究院有限公司(430064)

        水泥混凝土路面雖然有許多優(yōu)點(diǎn),但是在道路通車不久便會(huì)產(chǎn)生裂縫、斷板、錯(cuò)臺(tái)等病害,使混凝土路面的使用壽命減少20%~70%, 導(dǎo)致路面完好率和耐久性受到嚴(yán)重影響。 同時(shí),水泥混凝土路面接縫多,接縫處顛簸跳車,行車舒適性較差,且一旦損壞,修復(fù)比較困難和復(fù)雜。 高頻共振碎石作為現(xiàn)代改造舊水泥公路的重要施工技術(shù)之一,在施工中發(fā)揮著不可替代的作用,不僅可以有效地解決舊公路水泥路面的各類病害問(wèn)題,而且施工周期短,還可以減少資源、材料的浪費(fèi),降低公路再施工的成本。

        1 高頻共振碎石化技術(shù)

        1.1 技術(shù)簡(jiǎn)介

        Rubblization (碎石化)是指利用共振碎石機(jī),通過(guò)低振幅(高度為2 cm 左右)、高頻率(44 Hz 左右)的振動(dòng)錘對(duì)水泥路面進(jìn)行破碎,將原水泥混凝土路面破碎成直徑為3~20 cm 并相互緊密嵌鎖的小塊,這樣既能夠使破碎后的水泥混凝土路面有足夠的承載力,可直接作為瀝青加罩層的下臥基層,又從根本上消除將來(lái)瀝青加罩層的反射裂縫現(xiàn)象。在原水泥混凝土路面上直接加鋪瀝青混凝土的工藝,只是“延緩”了反射裂紋的產(chǎn)生,而無(wú)法減少或者“根除”反射裂紋,3~5 年內(nèi)仍需重復(fù)改造。其原理如圖1 和圖2 所示。

        圖1 直接加鋪和破碎比較

        1.2 共振碎石設(shè)備的工作特點(diǎn)

        水泥板塊產(chǎn)生的裂紋是斜向的,與路面呈35°~40°角。這種獨(dú)特的斜向嵌緊的結(jié)構(gòu)有效地保持了破碎后板塊的承載力,可防止車轍的出現(xiàn)。

        圖2 反射裂紋成因

        作用于水泥板塊內(nèi)部的高頻振動(dòng)力使得板塊整體碎裂均勻,碎塊大小和方向極其規(guī)律,而且板塊里面的鋼筋也與混凝土完全剝離。

        共振設(shè)備只是將裂紋擴(kuò)展到板塊的邊緣,所以對(duì)板塊周邊的結(jié)構(gòu)設(shè)施不會(huì)造成任何損壞。

        水泥混凝土路面破碎后作為基層使用時(shí),除了消除反射裂縫的影響外,還需保證其具有足夠的承載強(qiáng)度,破碎的粒徑尺寸直接影響到道路改造的效果。 破碎后的粒度大小與引起反射裂縫的傾向成正比,而與破碎后該層的結(jié)構(gòu)失效率成反比。即碎塊粒徑越大,作為基層使用的該層在結(jié)構(gòu)上越不容易失效,承載能力越強(qiáng),但引起反射裂縫的概率也越大;粒徑越小,反射裂縫形成的傾向越小,而且整體承載能力也越小。 理想的碎石化要求碎石尺寸為3~20 cm,既可避免出現(xiàn)反射裂紋、又可以防止結(jié)構(gòu)失效;均勻的破碎尺寸、緊密的嵌鎖結(jié)構(gòu),可以有效排水,防止水害;不破壞基層和周邊結(jié)構(gòu)物;鋼筋和混凝土塊有效地分離; 無(wú)需加鋪碎石或水穩(wěn)等應(yīng)力吸收層。通過(guò)彈性層狀體系理論可以得知,路基路面各層彈性模量要上強(qiáng)下弱,方可避免反射裂紋的產(chǎn)生[1]。

        由圖3~圖7 可知,懸浮式碎石化共振技術(shù)的應(yīng)用完全不損壞公路的基層。 與其他方法不同,高頻共振碎石化技術(shù)使混凝土中的裂縫與水平方向呈35°~45°角,且板塊被整體破碎,可以在不傷害路基外形或路基材料的情況下剝離所有的鋼筋。 低頻高幅的共振碎石化的能量被水泥混凝土板塊吸收,且不會(huì)把破碎石塊砸入路基[2]。

        圖3 普通高壓沖擊錘

        圖4 普通高壓重錘與共振碎石比較

        圖5 理想的共振碎石尺寸范圍

        圖6 碎石化層最佳粒徑及模量的確定

        圖7 共振碎石路面結(jié)構(gòu)層典型厚度及模量

        2 工程概況

        本工程位于南方某市城區(qū)主干道,起訖樁號(hào)為K427+750~K433+265,全長(zhǎng) 5.515 km。 原設(shè)計(jì)舊混凝土路面為挖補(bǔ)處理, 因舊板斷板率不斷擴(kuò)大,挖補(bǔ)率由原來(lái)的32.75%提高到62.23%。 道路兩旁有各種批發(fā)市場(chǎng)、長(zhǎng)途車站、物流集散地,來(lái)往重載車輛多,交通流量大,交通疏導(dǎo)壓力大。 屬于原有國(guó)道改線前穿越市區(qū)的道路,周邊房屋商鋪較多,地下管線錯(cuò)綜復(fù)雜,且沒(méi)有相關(guān)管線圖紙可參照。

        為探索水泥路面提質(zhì)改造的建設(shè)方案,在原有多錘頭破碎加鋪水穩(wěn)半剛性基層的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上,結(jié)合南方省市白改黑工程的經(jīng)驗(yàn),經(jīng)多方論證和綜合比選, 最終確定采用高頻共振碎石技術(shù)將原有25 cm 厚水泥混凝土面板共振碎石后做為柔性粒料基層,直接加鋪三層瀝青混凝土面層,路面結(jié)構(gòu)層具體情況見(jiàn)表1。

        3 原有水泥路面狀況調(diào)查

        3.1 沒(méi)有錯(cuò)臺(tái)、開(kāi)裂并且平整的路段

        該路段全長(zhǎng)為5.5 km,原有水泥路面大部分相對(duì)完整,板塊上有不規(guī)則裂紋,很大一部分是因?yàn)樗喟遄陨韽?qiáng)度不夠,在外力作用下斷裂的,沒(méi)有下陷和錯(cuò)臺(tái),說(shuō)明基礎(chǔ)牢固,沒(méi)有脫空[3]。

        3.2 瀝青填補(bǔ)后相對(duì)穩(wěn)定的路段

        K429+500~K431+500 路段有很大面積的瀝青修補(bǔ)路段,有一部分瀝青修補(bǔ)段經(jīng)過(guò)多年的通車行駛,基礎(chǔ)穩(wěn)定,瀝青表面完整,沒(méi)有新的病害產(chǎn)生。

        3.3 瀝青填補(bǔ)后仍不穩(wěn)定的路段

        在十字路口、綠化帶開(kāi)口、市場(chǎng)出入口位置,由于大車來(lái)回碾壓、起步停車等因素,造成面板破損嚴(yán)重、錯(cuò)臺(tái)、路面下陷甚至翻漿、路面坑槽高差大于10 cm。 說(shuō)明下臥基礎(chǔ)軟弱(甚至沒(méi)有水穩(wěn)基層)。

        4 共振碎石施工中的主要技術(shù)措施

        4.1 本工程采用的共振破碎施工工藝流程

        圖8 為本工程的施工工藝流程。

        表1 瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)層

        圖8 水泥混凝土路面共振碎石化施工流程圖

        4.2 瀝青混凝土修補(bǔ)塊的銑刨及共振碎石化效果

        將原有路面上所有填補(bǔ)的瀝青混凝土全部銑刨,露出舊水泥混凝土面板,水泥混凝土面板直接用高頻共振設(shè)備碎石化施工,然后灑水壓實(shí),形成合格的柔性基層[4]。

        正常混凝土面板共振破碎后,會(huì)形成表面合格的級(jí)配碎石(天然應(yīng)力吸收層),下部裂而不碎的原位嵌鎖結(jié)構(gòu)總體成為合格的半柔性粒料基層(介于柔性與半剛性之間,具體如圖9 所示)。

        4.3 路面結(jié)構(gòu)防排水處理

        因道路兩側(cè)綠化帶及路緣石不能擾動(dòng),無(wú)法設(shè)置縱向排水盲溝,所以采取了封水措施:1 cm 同步碎石分兩層灑布、壓實(shí)。 面層之間也布設(shè)改性乳化瀝青粘層。 中面層AC-16 粒徑略微偏細(xì),為增強(qiáng)其承載力和抗剪性能,避免疲勞損傷和車轍,添加玄武巖纖維。

        4.4 采用級(jí)配碎石層調(diào)平

        原有路面缺角、斷板、下沉、瀝青修補(bǔ)的路段,共振后只要表面碎石均勻,沒(méi)有繼續(xù)下陷,就可認(rèn)定下部基層穩(wěn)定,局部撒級(jí)配碎石找平即可,具體如圖10 所示。

        圖9 表面合格的級(jí)配碎石

        圖10 局部撒級(jí)配碎石

        4.5 軟基處理

        軟基或脫空處共振碎石,表面極易產(chǎn)生大塊,且有下沉;對(duì)大面積軟基和脫空,必須進(jìn)行換填補(bǔ)強(qiáng)處理。 K432+480 食品批發(fā)市場(chǎng)門口,以下分別為在共振前、共振時(shí)、共振后、開(kāi)挖后的圖片,共振表面產(chǎn)生大塊,且有下沉;挖開(kāi)以后,下面沒(méi)有水穩(wěn)基層,直接就是土基。 對(duì)這種軟基的處理可挖除到實(shí)底 (一般將原有基層挖除), 換填低標(biāo)號(hào)水泥混凝土,上余10 cm 換填瀝青碎石或級(jí)配碎石,與周邊共振碎石共同形成柔性基層如圖11 所示。

        圖11 柔性基層

        4.6 壓實(shí)質(zhì)量控制

        壓路機(jī)采用具有高頻、低幅振動(dòng)鋼輪且不小于10 t 壓路機(jī),碾壓速度不得大于1.83 m/s,碾壓遍數(shù)按最少3 個(gè)來(lái)回控制。 碾壓時(shí)為增強(qiáng)壓實(shí)效果,可先灑水,然后壓實(shí)。 碾壓時(shí)應(yīng)將表面細(xì)碎粒壓入表面裂縫,進(jìn)一步提高破碎混凝土的模量,使破碎混凝土嵌入路基空隙中,并壓出一致平滑的表面用于攤鋪瀝青。 壓實(shí)后,任何垂直移動(dòng)超過(guò)2 cm 的局部都要考慮開(kāi)挖移除,并用級(jí)配碎石粒料回填。

        在地勢(shì)較低、路面積水較多的路段存在路面壓得太實(shí)或者實(shí)度不夠的問(wèn)題,影響共振碎石化的均勻度。 針對(duì)以上問(wèn)題,在正式破碎之前,先進(jìn)行試振及開(kāi)挖試坑檢查,通過(guò)開(kāi)挖,檢查破碎粒徑分布情況及均勻程度,確定破碎機(jī)械施工參數(shù)及施工組織措施。 破碎后要進(jìn)行碾壓,壓實(shí)采用高頻低振幅的方式,壓路機(jī)噸位不能太大,碾壓遍數(shù)也不要太多,注意不要過(guò)量壓實(shí)。

        5 共振碎石檢測(cè)及質(zhì)量監(jiān)控

        5.1 共振碎石后的質(zhì)量檢測(cè)

        根據(jù)規(guī)范要求,主要檢測(cè)兩大質(zhì)量指標(biāo):①回彈模量或彎沉的測(cè)定,確保承載力;②試坑開(kāi)挖測(cè)量粒徑,觀察斜向裂縫,確保共振碎石均勻。 共振碎石的粒徑與模量值是一對(duì)矛盾體:破的越碎,模量越低。 共振碎石是將水泥剛性面板轉(zhuǎn)化為碎石柔性基層,徹底根除了反射裂縫,但必須確保承載力符合設(shè)計(jì)要求,避免日后疲勞裂縫的產(chǎn)生。 所以在承載力滿足的前提下,應(yīng)盡量保證粒徑大小符合規(guī)范要求[5]。

        5.2 共振碎石承載力檢測(cè)

        傳統(tǒng)的承載板法只適合土基回彈模量的測(cè)定,對(duì)于粒料層表面和舊路表面應(yīng)采用貝克曼梁法測(cè)定回彈模量, 即用彎沉儀測(cè)試各測(cè)點(diǎn)的回彈彎沉值,然后通過(guò)計(jì)算求得回彈模量值。 根據(jù)本工程設(shè)計(jì)和道路的實(shí)際狀況, 測(cè)得回彈模量>300 MPa、彎沉值<65(0.01 mm),符合設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

        5.3 共振碎石試坑檢測(cè)

        共振碎石面開(kāi)挖試坑的主要目的是觀察碎石后斜向裂縫是否貫穿混凝土面板,以確保水泥混凝土板內(nèi)部應(yīng)力釋放,避免翹板效應(yīng),根除反射裂縫。本工程碎石后分為上下兩層,上層粒徑<9 cm,下層粒徑<23 cm。 共振碎石后的水泥板內(nèi)部實(shí)際上充斥著微裂紋,挖出的每一塊石頭摔裂后還會(huì)進(jìn)一步分解。 不同的水泥混凝土破裂的形式不一樣,挖掘機(jī)能很輕松地將其挖開(kāi),但有時(shí)側(cè)面裂縫并不明顯。

        5.4 共振碎石過(guò)程監(jiān)控

        碎石過(guò)程中,通過(guò)測(cè)量上部松散碎石的深度來(lái)監(jiān)控破碎的程度,并隨時(shí)調(diào)整設(shè)備,以確保碎石后的混凝土板的承載力仍然符合設(shè)計(jì)要求。 經(jīng)過(guò)總結(jié),本工程上部碎石層深度在3~7 cm 較為適宜[6]。

        6 舊水泥路面改瀝青路面采用不同施工工藝的費(fèi)用對(duì)比分析

        結(jié)合湖北省現(xiàn)有公路舊水泥路面改瀝青路面的不同施工工藝,以及湖北省高速公路主要材料預(yù)算價(jià)格進(jìn)行對(duì)比分析,具體情況見(jiàn)表2。

        7 高頻共振碎石化技術(shù)對(duì)我國(guó)公路改造的積極意義

        共振碎石以其獨(dú)特的“上部(不超過(guò)1/2 板厚)碎石化,下部嵌鎖化”結(jié)構(gòu),優(yōu)化了路面結(jié)構(gòu),使其既保持了彈性,又具有極高的承載力;既能排掉瀝青層滲水,又能保證水不滲至基層,避免路基二次病害;徹底消除板塊效應(yīng),根除反射裂紋,保證改造完工后的瀝青路面的長(zhǎng)壽命[7]。

        便利的“碎完即壓,壓后即鋪,鋪完即放”的施工組織方式,特殊情況下甚至可采取“碎完即放,放后再鋪”的方式,保證改造施工用時(shí)最短、對(duì)交通干擾最小、社會(huì)成本最低。

        舊水泥板就地破碎、再生利用,變廢為寶,完全符合我國(guó)建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)的戰(zhàn)略方針。

        表2 舊水泥路面的施工工藝及材料價(jià)格

        美國(guó)作為水泥公路大國(guó),從1986 年起已應(yīng)用本工藝完成數(shù)千公里高速公路改造,使用時(shí)間最長(zhǎng)的已超過(guò)二十年,無(wú)一失敗案例;我國(guó)從2004 年開(kāi)始引進(jìn)、使用該工藝,在上海、浙江、四川、福建、湖北、湖南、陜西、江蘇、廣西、廣東等地一、二級(jí)國(guó)省干道及城市主干道進(jìn)行推廣應(yīng)用,全部獲得成功。

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