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        連續(xù)陡坡瀝青橋面鋪裝施工關(guān)鍵技術(shù)研究

        2021-04-27 08:56:02劉海濤
        鐵道建筑技術(shù) 2021年2期
        關(guān)鍵詞:拋丸裝層橋面

        劉海濤

        (中鐵十六局集團(tuán)第一工程有限公司 北京 101300)

        1 引言

        銀百高速公路(G69)甜水堡經(jīng)慶城至永和段地屬溫帶大陸性氣候,夏季炎熱多雨。連續(xù)陡坡路段橋面鋪裝層上坡時(shí)受滾動(dòng)阻力、空氣阻力、坡道阻力和加速阻力的作用,下坡時(shí)主要受滾動(dòng)阻力、空氣阻力、加速阻力和行車制動(dòng)力的作用,疊加多雨、車輛超載和低速行駛等眾多因素的綜合影響,導(dǎo)致連續(xù)陡坡路段橋面鋪裝層的車轍、推移和水損壞等早期病害比較嚴(yán)重[1]。相關(guān)研究表明,空隙率是影響瀝青路面水損害的決定性因素,而空隙率也正是Superpave瀝青路面設(shè)計(jì)中最為關(guān)注的參數(shù)之一[2]。因此如何提高橋面鋪裝質(zhì)量、優(yōu)化施工作業(yè)成為影響橋面鋪裝使用壽命的關(guān)鍵。

        孟叢叢等[3]針對(duì)高溫多雨地區(qū)展開粘結(jié)體系的研究,通過室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)粘結(jié)體系進(jìn)行優(yōu)選;臧芝樹等[4]針對(duì)南方典型氣候地區(qū)橋面鋪裝,研究發(fā)現(xiàn)橋面鋪裝材料選擇時(shí),其致密性應(yīng)作為首要考察指標(biāo)。目前針對(duì)多雨地區(qū)陡坡橋面鋪裝層的研究相對(duì)較少,因此在甜永高速項(xiàng)目,研究采取0.45次冪最大密度曲線[5]及Superpave混合料設(shè)計(jì)方法,并通過乳化瀝青撒布涂刷裝置以及水平振蕩壓實(shí)技術(shù)施工,增強(qiáng)連續(xù)陡坡路段橋面瀝青混合料鋪裝層抗車轍、抗推移和抗水損壞的能力,從而提高橋面鋪裝層的施工質(zhì)量和使用壽命。

        2 施工關(guān)鍵技術(shù)

        為解決上述施工難題,主要針對(duì)混合料設(shè)計(jì)、乳化瀝青涂刷和混合料壓實(shí)進(jìn)行了優(yōu)化,分別采用0.45次冪最大密度曲線及Superpave混合料設(shè)計(jì)方法、專用的乳化瀝青撒布涂刷裝置和有針對(duì)性的水平振蕩壓實(shí)技術(shù),從施工設(shè)計(jì)方面保證施工質(zhì)量的穩(wěn)定可控。同時(shí)在施工中應(yīng)加強(qiáng)橋面拋丸與清理、Superpave瀝青混凝土配合比設(shè)計(jì)、橋面粘結(jié)層鋪筑以及混合料的生產(chǎn)、運(yùn)輸和攤鋪等環(huán)節(jié)的管理,降低了施工環(huán)節(jié)對(duì)橋面鋪裝施工質(zhì)量的影響。具體施工工藝流程見圖1。

        圖1 施工工藝流程

        2.1 橋面拋丸、清理

        橋面鋪裝之前應(yīng)在橋面進(jìn)行拋丸試驗(yàn),確保橋面拋丸處理后有足夠的粗糙度。首先隨機(jī)選擇一塊區(qū)域進(jìn)行試驗(yàn),面積不得小于5 m2,鋼丸直徑選擇1.4~2.0 mm,控制拋丸機(jī)行走速度以5~6 m/min為宜。拋丸后的橋面構(gòu)造深度為0.6~0.8 mm,露骨率達(dá)到80%以上,保證瀝青混合料與混凝土橋面有足夠的粘結(jié)力。拋丸處理后需檢驗(yàn)其表面粗糙度,以此來確定拋丸工藝參數(shù)。用吹風(fēng)機(jī)清除表面灰塵,使之達(dá)到清潔。檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)見表1。

        表1 拋丸處理檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

        拋丸作業(yè)施工操作要點(diǎn):

        (1)拋丸作業(yè)溫度區(qū)間為5℃~40℃。為了防止在拋丸作業(yè)中產(chǎn)生大量的揚(yáng)塵,作業(yè)時(shí)要求風(fēng)力不得大于6級(jí);空氣相對(duì)濕度不得大于90%;在雨雪天氣情況下,嚴(yán)禁拋丸作業(yè)。

        (2)拋丸設(shè)備按照試驗(yàn)段確定的行走速度勻速行駛。

        (3)在拋丸機(jī)拋丸作業(yè)時(shí),保證多臺(tái)拋丸機(jī)能夠平行縱向行駛作業(yè),同時(shí)作業(yè)搭接面不得小于2 cm,且不能出現(xiàn)落差。

        (4)拋丸作業(yè)過程中,應(yīng)拋丸去除表面以下1~3 mm深度范圍內(nèi)的面層,保證取出后露骨率不小于20%。如果在拋丸作業(yè)后,存在打毛后的表面不均勻或者露骨率小于20%的情況,應(yīng)對(duì)該區(qū)域表面進(jìn)行二次拋丸作業(yè),直至滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

        (5)拋丸作業(yè)過程中,應(yīng)做好清理工作,對(duì)于塵土、油漬等應(yīng)及時(shí)清理,以免污染磨料砂丸。

        2.2 瀝青混凝土配合比設(shè)計(jì)

        瀝青混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí),在0.45次冪最大密實(shí)度線和控制點(diǎn)下限之間選取瀝青混合料級(jí)配,能夠使混合料結(jié)構(gòu)具有密實(shí)、嵌擠的特征,兼具良好的抗高溫變形、抗水侵害能力和壓實(shí)性能[6]。設(shè)計(jì)參數(shù)見圖2。

        圖2 禁區(qū)、控制點(diǎn)及0.45次冪最大密實(shí)度線

        對(duì)于選定集料空隙率相同的條件下,混合料的油石比隨著級(jí)配曲線離開0.45次冪最大密度曲線距離的增大而增大,因此在0.45次冪最大密實(shí)度曲線和Superpave控制點(diǎn)下限之間選取瀝青混合料級(jí)配可以更好地控制級(jí)配范圍。具體配合比設(shè)計(jì)流程如下:

        (1)目標(biāo)配合比設(shè)計(jì)

        根據(jù)初試瀝青用量試驗(yàn)的空隙率情況,以0.5%~1%為間隔,選擇4種以上瀝青用量,拌制混合料并制備試件,確定礦料級(jí)配和最佳瀝青用量,最后進(jìn)行凍融劈裂試驗(yàn)、水穩(wěn)定性檢驗(yàn)、滲水試驗(yàn)和構(gòu)造深度等試驗(yàn)[7]。

        (2)生產(chǎn)配合比設(shè)計(jì)

        依據(jù)實(shí)驗(yàn)室目標(biāo)配合比確定的礦量級(jí)配和最佳瀝青用量,對(duì)拌和樓的各料倉進(jìn)料比例和速度進(jìn)行調(diào)整使之接近目標(biāo)配合比。拌和樓運(yùn)行啟動(dòng)后,對(duì)各熱料取樣,計(jì)算熱料輸送比例,控制室多次對(duì)供料速度進(jìn)行調(diào)整,以達(dá)到一個(gè)平衡臨界點(diǎn)。最后采用Superpave進(jìn)行生產(chǎn)配合比設(shè)計(jì),采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試驗(yàn)對(duì)拌制的混合料進(jìn)行旋轉(zhuǎn)壓實(shí),檢驗(yàn)瀝青混合料的體積特性,以確定生產(chǎn)時(shí)的最佳瀝青用量[8]。

        (3)生產(chǎn)配合比驗(yàn)證

        在慶城范圍內(nèi)鋪筑試驗(yàn)段,并在試驗(yàn)段適當(dāng)區(qū)域取樣進(jìn)行旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試驗(yàn)及瀝青含量和篩分試驗(yàn)。經(jīng)過篩分得到的礦料合成級(jí)配應(yīng)盡可能接近目標(biāo)配合比,同時(shí)應(yīng)避免級(jí)配曲線中出現(xiàn)“駝峰”現(xiàn)象。此外,進(jìn)行鉆芯取樣檢測(cè)芯樣空隙率大小。由此確定生產(chǎn)用的標(biāo)準(zhǔn)配合比、確定拌和樓混合料原材的輸送及拌和等工藝參數(shù),并據(jù)此在現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證其適用性。

        2.3 鋪筑防水粘結(jié)層

        2.3.1 撒布SBR改性瀝青封水層

        為確保乳化瀝青在陡坡橋面上能夠均勻分布,SBR改性瀝青防水粘結(jié)層采用了一種乳化瀝青撒布后涂刷裝置,見圖3。該裝置可以單次對(duì)噴灑的乳化瀝青進(jìn)行四次涂刷,即兩次直線涂刷、兩次斜線涂刷,能夠使乳化瀝青充分飽滿地進(jìn)入拋丸界面[9]。

        圖3 乳化瀝青撒布后涂刷裝置

        對(duì)噴灑的SBR改性瀝青防水涂層進(jìn)行四次涂刷,使其能夠?qū)佈b層和橋面板粘結(jié)成為一個(gè)整體,共同承受荷載,改善橋面瀝青混合料鋪裝層的受力狀況。施工過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)如下:

        (1)按照設(shè)計(jì)規(guī)定、通過試驗(yàn)確定SBR改性瀝青的施工用量(撒布量為0.25 L/m2),檢測(cè)SBR改性瀝青的路用性能;與此同時(shí),在噴灑之前對(duì)橋梁上護(hù)欄等相關(guān)設(shè)施進(jìn)行預(yù)防護(hù),使護(hù)欄等設(shè)施免受污染。

        (2)橋面在鋪設(shè)防水粘結(jié)層時(shí)要保持橋面的干燥狀態(tài),減少粘結(jié)層起泡現(xiàn)象,防止粘結(jié)強(qiáng)度降低;其次噴灑瀝青的厚度應(yīng)均勻且滿足規(guī)范要求。需對(duì)設(shè)備進(jìn)行標(biāo)定校準(zhǔn),其中設(shè)備距路面的高度和與地面的角度對(duì)層厚影響十分顯著。

        其中:tc為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)土在應(yīng)力歷史中最近一次應(yīng)力開始改變至今所歷經(jīng)時(shí)間;tp為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)在應(yīng)力改變后主固結(jié)完成的時(shí)間。

        (3)對(duì)SBR改性瀝青封水層進(jìn)行充分養(yǎng)護(hù),以達(dá)到破乳要求;橋面噴灑改性瀝青封水層后,應(yīng)保持干凈、無污染且無水分存在,避免橋面封水層受泥土、機(jī)油、柴油等污染后其粘結(jié)效果和粘結(jié)強(qiáng)會(huì)受到影響。

        2.3.2 鋪筑熱熔改性瀝青碎石封層

        為確保熱熔改性瀝青碎石封層施工穩(wěn)定、快速、優(yōu)質(zhì),其操作要點(diǎn)為:

        (1)改性瀝青選用SBS改性瀝青,并通過瀝青撒布車均勻撒布。瀝青用量為(1.4±0.2)kg/m2;碎石選用單一粒徑(4.75~9.5 mm),碎石覆蓋率為60%~70%。碎石撒布前用AH-70道路石油瀝青進(jìn)行預(yù)裹覆處理(碎石質(zhì)量的3‰)。

        (2)宜在干燥和較熱的季節(jié)施工,并盡量避開雨天和溫度較低的天氣,從而能夠在一定程度上保證應(yīng)力吸收層與原路面的粘結(jié)。

        (3)碾壓作業(yè)時(shí),必須保證撒布的集料均勻。碾壓作業(yè)采用膠輪壓路機(jī)可獲得較好的壓實(shí)效果。作業(yè)時(shí)小范圍存在泛油粘輪時(shí),應(yīng)對(duì)泛油范圍內(nèi)再次撒布集料。作業(yè)速度不得小于5 km/h,同時(shí)不得大于8 km/h以保證碎石能夠牢固嵌入改性瀝青中。

        (4)待瀝青溫度下降符合規(guī)范要求時(shí),碎石定位后盡可能在當(dāng)天攤鋪面層瀝青混合料,減少封層污染,避免影響粘結(jié)層的粘結(jié)性能。

        2.4 瀝青混合料的生產(chǎn)

        (1)混合料生產(chǎn)拌和采用間歇式自動(dòng)拌和機(jī)保證原材均勻進(jìn)入攪拌機(jī),同時(shí)保證出料速度穩(wěn)定。

        表2 拌和機(jī)振動(dòng)篩的等效篩孔尺寸 mm

        (3)為了保持級(jí)配穩(wěn)定,在生產(chǎn)過程中應(yīng)加大對(duì)各熱料倉的抽檢、取樣篩分的頻次;此外,增加瀝青混合料的抽檢頻次,及時(shí)地獲取混合料的拌和參數(shù),使得控制室能夠及時(shí)有效地獲取并控制混合料拌和時(shí)的各種參數(shù)。

        2.5 瀝青混合料的碾壓

        在陡坡路段橋面鋪裝碾壓過程中采用水平振蕩壓實(shí)技術(shù)進(jìn)行橋面鋪裝層碾壓。水平振蕩壓實(shí)效果見圖4。在振蕩輪水平作用力和振蕩輪垂直靜載的共同作用下,材料顆粒發(fā)生共振、錯(cuò)動(dòng),位置重新分布,避免了石料振碎、鋪層振松的現(xiàn)象,并可提高壓實(shí)度。水平振蕩壓實(shí)對(duì)地面的搓揉作用使壓實(shí)表面更加平整、致密,提高了表面層防水滲透能力[10]。碾壓作業(yè)過程操作要點(diǎn)為:

        圖4 水平振蕩壓實(shí)效果

        (1)橋面瀝青鋪裝層碾壓時(shí),在保證碾壓效果的前提下,應(yīng)防止過分碾壓對(duì)橋梁造成破壞。在大量的工程經(jīng)驗(yàn)中,一般均采用水平振蕩壓路機(jī),能夠達(dá)到較好的壓實(shí)效果。此外配套相應(yīng)數(shù)量的膠輪壓路機(jī)進(jìn)行壓實(shí)。

        (2)瀝青混合料的碾壓作業(yè)過程應(yīng)遵循“緊跟、高溫、慢壓、強(qiáng)振”的原則[11]。

        (3)壓路機(jī)碾壓作業(yè)時(shí),應(yīng)保持作業(yè)速度恒定;作業(yè)線路和前進(jìn)方向改變時(shí),按照施工要求緩慢變化,避免混合料發(fā)生推移現(xiàn)象。具體按表3選用。

        表3 壓路機(jī)碾壓方式

        (4)碾壓作業(yè)時(shí),作業(yè)機(jī)械設(shè)備應(yīng)將驅(qū)動(dòng)輪置于攤鋪機(jī)一側(cè),防止產(chǎn)生擁包現(xiàn)象;壓路機(jī)作業(yè)啟停時(shí),應(yīng)放低作業(yè)速度,嚴(yán)禁在作業(yè)期間采用剎車制動(dòng),作業(yè)折回時(shí)不可處在同一橫斷面上。

        (5)碾壓作業(yè)后現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)度采用壓實(shí)度和空隙率作為控制指標(biāo)。壓實(shí)度測(cè)定時(shí),標(biāo)準(zhǔn)密度選擇最大理論密度,值控制在93%~97%之間;采用現(xiàn)場(chǎng)鉆取的芯樣計(jì)算空隙率,其值范圍為3%~5%。

        2.6 施工接縫的處理

        (1)施工接縫采用橫向接縫。切縫機(jī)切割成垂直面,人工鑿毛以增加接縫處的咬合力;切縫應(yīng)沿路面橫向進(jìn)行切割,寬度貫徹整個(gè)攤鋪寬度,深度為貫穿鋪層厚度。

        (2)在施工接縫處進(jìn)行攤鋪?zhàn)鳂I(yè)時(shí),應(yīng)準(zhǔn)確測(cè)量施工接縫處瀝青混合熱料層的施工厚度,同時(shí)根據(jù)混合料體積參數(shù)計(jì)算其松鋪厚度;熨平板在作業(yè)之前必須預(yù)熱40 min以上,保證其溫度接近混合料溫度。

        (3)碾壓作業(yè)中,橫向壓實(shí)采用鋼筒式壓路機(jī),同時(shí)碾壓輪應(yīng)從現(xiàn)有路面向新鋪筑的路面緩慢過渡。

        3 效益分析

        采用該橋面鋪裝施工技術(shù)鋪筑的路面,其混合料形成的骨架嵌擠結(jié)構(gòu)較大幅度提高了混合料高溫抗變形能力、水穩(wěn)定性能及疲勞性能,有效地防止路面的早期損壞嚴(yán)重問題,提高橋面的質(zhì)量和使用壽命,可大幅降低路面的后期養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用。基于工程經(jīng)濟(jì)學(xué)中的現(xiàn)值法分析工程項(xiàng)目在不同時(shí)間的費(fèi)用和效益[12],經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)模型見公式(1)。對(duì)比兩種鋪裝層結(jié)構(gòu)類型的高速公路在壽命期內(nèi)發(fā)生的費(fèi)用折算到項(xiàng)目建設(shè)初期基準(zhǔn)年的費(fèi)用見圖5。

        圖5 不同路面結(jié)構(gòu)費(fèi)用現(xiàn)值

        式中,P為項(xiàng)目現(xiàn)值;F為項(xiàng)目終值;i為折現(xiàn)率;n為計(jì)算年限。

        采用該技術(shù)雖然增加了工程項(xiàng)目的初期投資,但從長(zhǎng)遠(yuǎn)的經(jīng)濟(jì)效益來看,總費(fèi)用反而會(huì)有較大程度的節(jié)省,并且大大提高了高速公路運(yùn)營的安全性,社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益明顯。

        4 結(jié)論與建議

        4.1 結(jié)論

        (1)施工后,對(duì)橋面鋪裝進(jìn)行鉆芯取樣,其芯樣壓實(shí)度合格率達(dá)100%;滲水系數(shù)、抗滑性能、厚度等均滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

        (2)采取0.45次冪最大密度曲線及Superpave混合料設(shè)計(jì)方法,能夠使混合料結(jié)構(gòu)具有密實(shí)、嵌擠的特征,兼具良好的抗高溫變形、抗水侵害能力和壓實(shí)性能。

        (3)乳化瀝青撒布涂刷裝置的四次涂刷技術(shù)能夠使乳化瀝青充分地涂刷拋丸界面,極大地提高了界面粘結(jié)性能。

        (4)采用水平振蕩壓實(shí)技術(shù)避免了石料振碎、鋪層振松等現(xiàn)象,能夠使鋪裝層更加平整致密,提高了鋪裝層的抗水侵害能力。

        4.2 建議

        建立對(duì)該橋面鋪裝進(jìn)行早期病害觀測(cè)及追蹤數(shù)據(jù)庫,并制定長(zhǎng)期的觀測(cè)計(jì)劃,為未來其他類似工程積累長(zhǎng)期的施工經(jīng)驗(yàn)。

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