[分享]旧水泥路面共振碎石化应用研究

发表于2018-05-24    1248人浏览    2人跟帖    总热度:400  

旧水泥路面共振碎石化应用研究_1
碎石化前后各测点弯沉值
共振碎石技术利用共振原理将旧水泥路面的刚性面层变为沥青路面的柔性基层,达到优化路面结构层的目的,因其高频低幅的特征,共振破碎的同时保证了地基不受损坏,是旧水泥路面改造的重大突破。在美国,由于共振碎石化的独特优点,越来越多的被应用到水泥路面“白改黑”工程中,而我国共振碎石化工程应用还处于起步阶段,且国内针对共振碎石化的相关研究相对较少。基于当前研究现状,本文中笔者结合南通市经济开发区江韵路共振碎石化试验路段工程,辅以理论分析及试验检测,针对共振碎石化开展研究工作,为后期共振碎石化相关工程提供建议和帮助。
 
方法技术研究
 
共振原理
 
共振破损设备则是根据共振理论,采用高频低幅设置,通过调节锤头的振动频率,使其接近水泥面板的固有频率,激发其共振。
 
破碎过程中,共振破碎的工作锤头在激发路面共振的同时快速向前移动,冲击的合力指向前下方,水泥板块产生的裂纹是与路面呈35~40°角,这种独特的斜向受力,在形成上部粒径较小,分布均匀的碎石化层的同时,也使下部碎裂水泥板之间,呈现良好的嵌锁结构,大大增强了碎裂后结构的承载力。
 
共振碎石化强度形成机理
 
共振破碎的工作锤头在激发路面共振的同时快速向前移动,冲击的合力指向前下方,水泥板块产生的裂纹是与路面呈35~40°夹角,这种独特的斜向受力和嵌紧结构大大增强了碎裂后结构的承力。共振碎石化后,上部碎石化层,强度降低,起到类似柔性基层作用,抗反射裂缝作用提高。由于阻尼作用的影响,下部水泥混凝土板由于吸收不到充分的能量,碎石化裂纹远小于上部碎石,板体性较好,呈现良好的嵌锁层结构,大大增强了共振破碎后结构的承载力。
 
共振频率的选择
 
在车辆荷载反复作用下,混凝土板块间的咬合作用已基本丧失,因此可以认为每一块板的边界条件为四边自由边界。利用承载板试验对水泥混凝土面板进行检测,得到混凝土面板的当量回弹模量,通过计算得出混凝土面板的固有频率,共振破碎机参考混凝土板固有频率以一定的速度进行共振破碎。
 
工程实例
 
工程概况
 
江韵路位于南通市经济开发区西南部,是南通市开发区路网的重要组成部分,老路行车道为水泥混凝土路面,原车行道路面结构层为22cm水泥混凝土+18cm二灰碎石+20cm12%石灰土+路基处理层(20cm8%石灰土+20cm5%水泥土)。
 
随着通车年限的增加,水泥混凝土面板相继出现各类病害,主要表现为裂缝、断裂板、角隅断裂、错台、接缝碎裂、填缝料损坏、露骨、坑洞等,其中,断裂板、碎裂板比较严重,已经出现较为严重的结构性病害。遂采用共振碎石化对该段路面进行改造。本文选取该段道路共振碎石化的试验路段,桩号K1+400~+500段为工程依托。
 
施工工艺
 
本次拟采用GZL600系列柔性悬浮式共振破碎机,利用共振原理将旧水泥路面的刚性面层破碎利用,充分利用原水泥混凝土,作为新铺沥青路面的基层再利用,在保证基层的足够承载力的前提下,最大程度消除由于水泥混凝土面板的刚性引起的反射裂缝问题。
 
由于路边缘没有侧向约束力,便于破碎,共振破碎的顺序一般沿路边缘(硬路肩边缘)向路中间破碎。通过之前共振频率的计算公式得出水泥面板固有频率为43Hz,共振破碎机调节至固有频率,振幅为20mm激发其水泥板共振。每次的碎石化宽度为20cm左右,一条车道为3.5~3.75m,因此共振碎石化完一个车道需要18~20次,相邻的碎石化区域应有2~5cm的重叠区。
 
在破碎完成后,开始碾压,为了保证碾压效果碾压前对碎石化层进行了洒水处理后开始碾压,碾压结束,洒布沥青纤维封层后加铺沥青面层。
 
共振碎石化效果评价
 
(1)粒径与级配检测。共振碎石化后,水泥面板经过碎石化后分为上部松散层和下部开裂层,其中松散层的厚度为3~5cm,个别破碎粒径大于20.3cm,建议施工中对过大粒径碎石进行人工破碎。下部破裂层结构,水泥板块产生的裂纹是与路面呈35~40°夹角,与机械原理图中共振锤头与地面接触角度相吻合。
 
下部破裂层呈现良好的嵌锁层结构,大大增强了碎裂后结构的承载力。共振碎石后,对试验路段试坑距路肩距2.5m处,开挖直径为1m的试坑,取表面5cm松散层进行室内筛分试验。
 
从上述筛分结果可以看出,碎石化层粒径分布均匀,破碎粒径大部分在15.2cm以内,破碎层粉尘含量(小于0.075mm)不大于7%,共振碎石化表面层(碎石层)的整体级配接近连续性级配碎石级配范围中值,碎石层的级配基本能控制在级配碎石要求的范围。
 
(2)回弹模量检测。共振碎石化后,利用振动压路机进行初压、复压、终压三步进行碾压后,根据《公路路基路面现场测试规程》(JTGE60-2008)中“承载板测定土基回弹模量试验方法”(T0943-2008)对试验路碎石化后断面进行承载板测试,得到顶面当量回弹模量E0值。
 
对碎石化道路而言,并非碎石化层模量越大越好,也不是碎石化程度越高、粒径越小越好。模量越大,说明板体整体性越好,则今后防止反射裂缝的效果越差;碎石化程度越高、破碎粒径越小,则结构的承载能力降低越多,加铺路面今后可能容易因承载能力不足而失效,由上表可以看出碾压前后回弹模量均值分别为283MPa和580MPa,可以看出,碾压后碎石之间空隙进一步压缩,回弹模量增加。可以看出,共振碎石化后,回弹模量较为均匀,拟合曲线后,线性变化平稳,离散性小,且碾压前后的回弹模量有较好的相关性,碾压后回弹模量值介于400~700MPa之间,强度介于半刚性基层和级配碎石柔性基层之间,在防止反射裂缝的同时,保证了足够的承载力,满足路面基层使用要求。
 
(3)弯沉检测实验。共振碎石化前后利用丹麦SwecoDanmarkA/S公司生产的PRIMA100型便携式落锤弯沉仪,分别对破碎碾压后的各测点的碎石层和加铺沥青纤维封层进行弯沉检测。
 
可以看出,碎石化前板块的代表弯沉为12.3,板块的抗变形能力在破碎前仍较强,碎石化碾压后,代表弯沉为99.1,破碎后弯沉值增加显著,弯沉增大7倍左右,变异系数为0.26,小于0.35,说明共振碎石化粒径较为均匀,没有出现明显的粒径较大的未完全破碎碎石,影响路面强度均匀性。
 
从弯沉表还可以看出,洒布沥青纤维碎石封层后,碎石化前后各测点弯沉值弯沉代表值为54.6,各点弯沉值都比沥青纤维碎石封层施工前的要低,洒布碎石纤维封层后整体抗变形能力大大恢复,这说明透层油和沥青纤维碎石封层都对共振碎石层起到了和基层的联接作用,提高了与碎石层的整体性。
 
结论
 
(1)共振碎石化层的级配曲线连续均匀,近似呈线性增长趋势,碎石化后的水泥混凝土路面是由原刚性路面转化为破碎紧密结合、内部嵌挤、高密度的粒径从上到下由细向粗过渡,承载能力逐级增加,有利于路面结构的稳定;
 
(2)碎石化层的回弹模量和弯沉值介于级配碎石和半刚性基层之间,起到了预防反射裂缝的作用,同时下部板块仍保持一定的整体性,为路面提供了足够的承载力;
 
(3)通过分析该路段固定频率和行进速度下的共振碎石化效果,对共振碎石化的参数选择有了较为全面了解,对今后类似工程设计施工提供了经验和数据。


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