（管理科学与工程专业论文）基于水泥路面改造的面板就地再生工艺研究及质量管理.pdf

摘要 从上世纪8 0 年代开始，水泥混凝土路面做为路面结构的主要形式之一，在 我国得到了大规模的发展。随着路面使用年限的增长，相当一部分水泥混凝土道 路达到了其设计寿命，早期修建的水泥混凝土路面都不同能够程度的出现了各种 破坏，急需维修改造。翻修下来的大量旧料，如果处理不当，就会对土壤、水源 产生较严重的污染，同时，由于旧料有一定的使用价值，因此，从环保或是经济 上看，旧水泥路面再生利用目前在我国都应该得到重视和发展。 本文以农村水泥混凝土路面改造工程为研究背景，提出了水泥混凝土路面就 地再生碎石化技术，分析了碎石化技术的原理、适用条件、施工方法、施工流 程并指出碎石化技术的工艺要点及关键技术。 本论文结合公路养护工程机械化施工实践，考虑影响水泥混凝土路面改造工 程中机械化施工系统各机械的制约因素、应用概率论、数理统计、随机服务系统 理论、公路工程机械化施工系统理论，研究了水泥混凝土路面再生工程中机械化 施工系统，各个机械在施工作业中各个时期的工作状态，相互联系、相互制约的 规律。在此基础上，提出了水泥路面碎石化技术的机械化施工系统的资源配置方 法。 关键词：水泥路面；破坏；碎石化：路况调查；机群配置 a bs t r a c t s i n c et h e19 8 0 s ,c e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n t , w h i c hw a so n eo ft h em a i n e s t f o r m sa s t h ep a v e m e n ts t r u c t u r ei nc h i n a ，h a sb e e nd e v e l o p e d r a p i d l ya n d c o s m i c a l l y 。w i t ht h ei n c r e a s eo f y e a r ，q u i t eap a r to f p a v e m e n t ，w h i c hr e a c h e dt h e l i m i to fl i f ea n dd e s t r o y e da td i f f e r e n td e g r e e ，n e e dt ob er e p a i r e da n dr e n o v a t e d 。i f d i s p o s e di n c o r r e c t l y ，t h eo l dc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e mw i l lp o l l u t es o i la n dw a t e r s o u r c es e r i o u s l y 。h e n c e ，i no r d e rt op r o t e c te n v i r o n m e n ta n ds a v et h ee c o n o m y ，i t i sv e r yi m p o r t a n tt od e v e l o pr e c y c l i n go l df l e x i b l ep a v e m e n t si n0 1 1 1 c o u n t r yn o w 。 b a s e do nt h ec e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n tm a i n t e n a n c e ，t h et h e s i sp u t so f ft h e r u b b i l i z a t i o nt e c h n o l o g y ，a n a l y z e st h ep r i n c i p l e 、a p p l i c a b l ec o n d i t i o n 、c o n s t r u c t i o n m e t h o d 、c o n s t r u c t i o np r o c e d u r ea n dt h ec r i t i c a l t e c h n o l o g i e s o fr u b b i l i z a t i o n t e c h n o l o g y 。 t h i sp a p e rw h i c ha p p l y i n gt h et h e o r yp r o b a b i l i t ym a t h e m a t i c a ls t a t i s t i c s ，t h e t h e o r yo fr a n d o ms e r v i c es y s t e m ，t h et h e o r yo fh i g h w a ye n g i n e e r i n gm e c h a n i z a t i o n c o n s t r u c t i o na n dt h em e t h o do fe v a l u a t i o no fe c o n o m yi sd e e p l yi n t ot h es t u d yo ft h e m a c h i n e s s t a t e sd u r i n gc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n tc o n s t r u c t i o n ，t h er u l e so fr e l a t i o n a n dl i m i ta n dt h ee v a l u a t i o no ft e c h n o l o g ya n de c o n o m y ，u n d e rc o n s i d e r i n go ft h e p r a c t i c eo fh i g h w a ye n g i n e e r i n gm e c h a n i z a t i o nc o n s t r u c t i o ns y s t e mo fc e m e n t c o n c r e t ep a v e m e n t 。m e a n w h i l e ，i tr a i s e sa na p p o i n to fo p t i m u mc o n f i g u r a t i o no f r e s o u r c eo fm e c h a n i z a t i o nc o n s t r u c t i o ns y s t e mo fc e m e mc o n c r e t ep a v e m e n t 。 k e yw o r d s ：c e m e n tc o n c r e t ep a v e m e m ；d e s t r u c t i o n ；r u b b i l i z a t i o m i n v e s t i g a t i o n o fr o a dc o n d i t i o n ；c l u s t e rc o n f i g u r a t i o n 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表茸 撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式枥 明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：矽纵擒 日期：卅知p 月 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 涉日 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权重庆交 通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本人学位论文 收录到中国学位论文全文数据库，并进行信息服务( 包括但不限于汇编、复制、发行、 信息网络传播等) ，同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。 学位论文作者签名：t 缈免舭 日期： 月 司 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n 系列数据库 中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规定享受相关权益。 1 5 t 争 罔 了 哆 ，尹月 v 名 年 签7 师 y 摊一 导 期 指 日 小 诈 舸硼 名尸 签 l 者年 作凹7獬叫 位 期 学 日 第一章绪论 1 1 论文的提出及意义 第一章绪论 目前研究水泥混凝土路面的的重建和再生技术，使现有已经损坏的水泥混凝 土路面得到快速有效的改造和重新使用，对这个困扰公路界多年的如何维修及改 造旧的水泥混凝土路面无疑是十分有意义的。同时也是很好的响应了中央提出的 建设资源节约型，环境友好型以及技术创新型社会的要求。 破损的水泥混凝土路面是人工放置的资源，我们应当尽可能做到物尽所用， 从保护环境，节约资源，经济实用的角度研究水泥混凝土的重建再生技术，即重 复利用路面材料，并且尽可能的减少新集料的投入，以做到资源化再生，符合循 环经济模式。 旧水泥混凝土路面再生的意义主要有如下方面： 水泥混凝土路面再生技术通过重复利用旧路面材料达到节约资源和保护 生态环境的目的； ( d 对水泥混凝土路面的再生利用，能够节约成本，产生很强的经济意义； 由于我国水泥混凝土路面数量庞大，今后必将面临更多的水泥混凝土路 面材料再生利用问题，因此有必要对该项技术进行全面的、系统的整理加工，并 进行必要的试验论证。如有关再生方面的技术指标、质量控制、各种再生路面可 能适应的道路等级、再生路面结构设计中的材料参数等一系列技术问题应该达到 规范化和标准化。 目前，对水泥混凝土路面再生利用的方法主要有两个大类：就地再生和移除 集料回收。本文所针对的研究对象是其中的一部分，即水泥混凝土路面的就地再 生技术。 多年来，世界各国广泛进行水泥混凝土再生利用的试验研究，取得丰硕的成 果，并已在生产中大面积推广应用。现在，水泥混凝土再生利用技术，已成为当 代公路建设中的重大科学技术成果之一。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 国外水泥混凝土路面碎石化技术应用很广泛，就美国而言，从上个世纪七十 年代末、八十年代初开始，由于大范围面积水泥混凝土路面损害的出现，碎石化 技术逐渐发展起来。同时，碎石化技术的发展是与一个国家的机械制造水平分不 开的。我国以前及现在采用的施工机械，美国在其碎石化工艺发展的早期也应用 2第一章绪论 过，随着设备不断发展和改进，水泥路面改造效果也不断提升。现在，美国的碎 石化、打裂压稳和冲击压实共同构成了对旧水泥混凝土路面常用的破碎处治方 法，使用这些技术后，其相应形成的“颗粒”粒径不同，对旧水泥混凝土路面减 缓或消除反射裂缝的效果也不同。 密歇根州率先采用水泥混凝土面板的碎石化技术。自1 9 8 6 年以来该州已 经完成了近6 0 项工程，各项工程的设计使用年限均为2 0 年。然而，多种早期破 坏的出现，使得必须进行大修前的平均使用年限缩短为1 4 年。密歇根大学的研 究者大量研究了影响使用性能持久性的因素，他们发现表观直径大于6 英寸的碎 块必须手工进一步破碎成更小颗粒，破碎后的表面要相对平整，暴露的钢筋必须 切除，碎石化前应清除沥青修补处，避免对路面进行二次破碎，破碎后路表应禁 止通车。 伊利诺斯州也对碎石化路面进行了仔细研究砼1 。自1 9 9 0 年以来该州已建成 了1 0 个路段。他们的成果已编撰成为选择碎石化处治方法的规范。他们认为要 进行碎石化，则c b r ( 加州承载比) 值不得低于5 。一般来说，如果要求路面拥 有长期的高性能服务水平，需要考虑完全重建，但是如果只要求中等服务年限的 良好服务水平，碎石化不失为一种上上之选。 科罗拉多；i l ( c o l o r a d o ) 2 0 0 0 年开始在斯特林( s t e r l i n g ) 北部的i 7 6 号州际公路 上应用了碎石化工艺，并且采用了两种设备，即m h b 和共振式口1 。为了研究对 比两种设备碎石化后的路面结构状况，特别是建成后碎石化层的温度变化、应力 扩散等情况，科罗拉多州运输局的研究人员在两种设备的破碎路段上设置了四个 测试点，在这些点位上埋设了传感器等元器件，希望通过其后五年的连续观测， 了解新路面使用状况及两种设备碎石化的对比情况，为碎石化工艺在该州的应用 作好准备。 密苏里州在3 5 号州际公路的哈里森郡段上有一定里程的试验段，包括两段 7 英寸和两段1 1 英寸的沥青混凝土罩面，其中一段3 英寸和一段1 l 英寸的路段 设置了纵向边缘的排水设施。所有路段在轮迹范围以外都出现了纵向裂缝，在没 有设置排水设施的路段出现了一些轮迹处的纵向疲劳裂缝。这条试验段在使用八 年后能有如此状况，还是可以接受的h 1 。 阿肯色州有超过2 0 0 英里的路面需要碎石化处理畸3 。他们倾向于在对旧水泥 混凝土路面碎石化前铣去已有的沥青混凝土罩面。阿肯色州的设计人员认为：在 他们的设计交通荷载条件下，只要在碎石化路面上加铺3 英寸的沥青混凝土面层 后，再进行一两次加铺磨耗层，即可使路面状况在3 0 年内处于可接受的状态。 特拉华州( d e l a w a r e ) i 9 5 号州际公路在2 0 0 0 年曾采用碎石化工艺，该路段 水泥混凝土板块厚度为1 0 英寸( 约2 5 c m ) ，已使用3 2 年，截至1 9 9 7 年的年平均 第一章绪论3 日交通量( a a d t ) 达到了8 5 0 0 0 辆，迅速达到其使用寿命，需要进行大修或重建。 其重建包括两种处治方法，是大面积罩面和局部的重建，重建部分采用3 4 c m 的破碎水泥混凝土底基层、2 9 c m 的s u p e r p a v e 沥青稳定基层和4 c m 的s m a 磨 耗层；其它大部分路面将原水泥混凝土板块破碎后作底基层，加铺2 6 c m 的 s u p e r p a v e 沥青稳定基层和4 c m s m a 抗磨耗罩面1 。 内华达州在9 0 年代末期修建了四段碎石化路段，他们估计在更换磨耗层前 路面可以服务1 5 年。 2 0 0 2 年11 月美国密苏里州的路面养护手册( m i s s o u r ig u i d ef o rp a v e m e n t r e h a b i l i t a t i o n ) 中叙述了美国各州的碎石化实践结论：碎石化是一种将水泥混凝土 路面( p o r t l a n dc e m e n tc o n c r e t e ) 离散化的施工工艺，其上的加铺层可以是沥青混 凝土也可以是水泥混凝土。这种施工工艺将水泥混凝士板块破碎成3 1 2 英寸( 约 7 5 3 0 c m ) 的颗粒，但不会扰动颗粒间的嵌挤结构，所形成的碎石化层的刚度大 约是普通碎石基层的三倍，应该注意的是必须避免破损颗粒压入土基。这样，碎 石化层便形成了坚硬的粒料基层，进行碎石化的根本目的在于消除反射裂缝产生 的可能性h 1 。 在美国，大多数州的看法是碎石化是一种最终的有效的处置手段。不过，因 为碎石化使原结构的整体强度降低，再加铺后也存在一些问题，比如，纵向疲劳 开裂，而比较严重的是车辙问题。因此碎石化技术对板块破碎后，在进行新路面 结构设计时，要充分考虑到强度变化的因素，确保新结构可以较长时间地承受荷 载作用。这个是在碎石化的应用中应当注意的问题。 1 2 2 国内研究现状 我国幅员辽阔，全国各地区因材料、传统等原因，修建水泥混凝土路面的里 程数不同，如重庆市因砂石材料丰富，水泥供应充足，修建的水泥混凝土路面里 程相对较多。在决策修建水泥混凝土路面时，工程技术人员通常认为其养护费用 较低，建成后可以“少管”甚至“不管”，但现实的情况是重载交通带来了水泥 混凝土路面的早期病害，路面结构建成之后短短2 到3 年就开始出现病害。水泥 混凝土路面出现病害后，修复需要较长时间中断交通，速度也较慢，从病害修复 的角度而言，水泥混凝土养护的复杂和耗费程度要远远大于沥青混凝土路面。所 以现下我国大部分省份的工程技术人员倾向于在高等级公路上使用沥青混凝土 路面，而在二级及其以下公路上才考虑慎用水泥混凝土路面。目前，我国有大量 旧水泥混凝土路面已到了使用期末，这些水泥混凝土路面大部分建成于9 0 年代 早期，服务期十年左右，但在我国迅速发展的公路运输的使用需求下，年平均日 交通量增加快速，有相当一部分路面结构的荷载作用次数已达到了设计年限，已 4第一章绪论 出现或很快会出现大范围的破坏。 对于水泥混凝土路面大量出现的病害，目前的主要处治方式有三种：一是破 碎后移除；二是对原混凝土板进行压浆稳定后，加铺基层，然后再做沥青面层； 三是采用冲击压实机械原位破碎后加铺基层后铺筑面层。 1 0 4 国道济宁段，即泰安至曲阜一级公路改造工程。原路面结构为2 4 c m 水 泥混凝土路面。对旧路面进行压浆稳固，检测合格后，加铺1 5 c m 水泥稳定碎石 基层+ 8 沥青路面。1 9 9 7 年通车，从1 9 9 9 年开始出现大量板块反射裂缝，维修压 力很大，2 0 0 5 年确定将加铺的面层、基层清除，对旧混凝土板进行破碎稳固或 碎石化。 枣庄一木石高速公路，原路面结构为2 4 c m 水泥混凝土路面。对旧路面进行 压浆稳固，检测合格后，加铺1 8 c m 水泥稳定碎石基层+ 9 c m 沥青路面。2 0 0 0 年 通车，从2 0 0 2 年开始出现板块反射裂缝，目前仍在使用，每年都要对裂缝进行 两次灌缝维护h 引。 1 0 4 国道泰安段，即泰安至曲阜一级公路改造工程。原路面结构为2 4 c m 水 泥混凝土路面，设计荷载汽- - 2 0 ，验算荷载挂一1 0 0 。旧路面采用五边型压实机冲 压破碎，作为新建路面结构底基层，然后加铺1 8 c m 水泥稳定碎石基层+ 1 5 c m 沥 青路面或1 2 c m 沥青大碎石基层+ 9 c m 沥青混凝土面层两种结构。2 0 0 3 年通车， 已经出现板块反射裂缝，目前仍在使用，每年都要对裂缝进行两次灌缝维护。 2 0 5 国道( 新线) 天长段，即宁连公路安徽省天长段改造工程h3 l 。原路面结构 为水泥混凝土路面，设计荷载汽一超2 0 ，验算荷载挂一1 2 0 。旧路面采用s p 一 1 0 型五边型压实机冲压破碎，作为新建路面结构底基层，然后加铺水泥稳定碎 石基层和水泥混凝土面层结构。通车半年后的路面状况优良。 3 2 3 国道广东省南雄市附城至始兴县交界段修复工程h 钔。原水泥混凝土路面 建成于1 9 9 4 年，部分路段是在原沥青路面上铺筑。经过多年使用，混凝土路面 出现破碎、断裂、沉陷、脱空等严重病害，混凝土路面平均断板率达到3 9 ( 最 大5 1 最小2 3 ) ，路面状况处于极限状态。旧路面采用型号为i m p a c t o i 也0 0 0 单轮式四边形冲击压实机平均冲压8 遍，再撒布约l c m 厚的石屑填缝振压，并 开放交通碾压；底基层采用1 5 c m 厚4 水泥稳定碎石，设计弯沉值1 1 8 ( 0 o l m m ) ； 基层采用1 5 c m 厚5 水泥稳定碎石，设计弯沉值6 3 ( 0 o l m m ) ；下面层为5 c m 中粒式沥青混凝土，上面层采用4 c m 细粒式沥青混凝土。该工程于2 0 0 2 年9 月 开工，同年1 月完成下面层的施工，于2 0 0 3 年6 月完成沥青混凝土上面层的施 工。自通车以来，路面在部分路段，主要是高填方路段，出现纵向、横向裂缝。 总体来说，目前国内旧水泥混凝土路面的大修和改造各种方案中都有明显的 瑕疵和病害，需要寻求新的解决方案。 第一章绪论 5 1 3 本论文的研究内容 本论文的研究的主要内容有： 根据合适的路面再生形式提出水泥混凝土路面就地再生工艺； m h b 多锤头碎石化技术机理、碎石化层强度形成原理和压实机型及其参 数选择； 碎石化技术的具体工艺流程以及控制指标； ( d 碎石化施工机群系统设计。 6第二章水泥混凝土破坏形式及再生技术介绍 第二章水泥路面破坏形式及再生技术介绍 2 1 水泥混凝土路面的破坏及原因 2 1 1 水泥混凝土路面破坏类型 水泥混凝土路面在行车荷载和环境等因素作用影响下，通常可能出现的破坏 类型有断裂，唧泥，错台，拱起和接缝挤碎等几种，二级或者三级公路水泥路面 中主要有以下几种形式： 板角断裂破坏 板角断裂破坏是调查中出现最多的破坏形式，这种破坏一般发生在纵横缝交 叉处的四块板角中( 如图2 1 ) 哺1 ，四块板角中的一块或两块首先断裂，断裂后的 板角在车辆荷载作用下继续破坏，使板角呈网裂破坏形式。这类路面结构基本都 未设基层，混凝土板直接铺筑在旧泥结碎石路面上，由于泥结碎石水稳性差，地 表水从接缝下渗后聚集在板下，使泥结碎石湿软，在车辆荷载作用下，板角应力 集中，在板角处产生唧泥，板下被淘空，板角断裂；板角断裂后，地表水下渗量 增加，断裂的板下继续产生唧泥，使板角进一步断裂，显网状断裂；当一块板角 呈网状断裂后，渗入相邻板块的地表水量增大，引起相邻板块在车辆荷载作用下 产生唧泥，相继产生断裂和网裂破坏。部分路面结构虽然设置了片石基层，但由 于片石尺寸大、施工质量差。地表水仍可通过片石基层下渗到泥结碎石结构层及 土基，使路面基础湿软，产生唧泥和不均匀沉降，导致板角断裂破坏。这种破坏 的路面多是在接缝处未设拉杆或传力杆，加重了板角处的应力集中，使路面板角 更容易首先破坏。 因此，产生板角破坏的原因主要是水的作用和路面结构不合理，未设置基层 或选用不合要求的基层材料，两缝交叉处的地表水下渗后，在车辆荷载作用下， 板角应力集中、板下产生唧泥淘空和不均匀沉降，导致了板角破坏。 板沿纵向破坏 图2 2 表明了混凝土路面纵向开裂断板破坏病害的情况，这种病害主要发生 在半填半挖或新旧结合路基上，如图2 2 a ) 陋1 所示。在半填半挖路基或旧路加宽 地段，由于填挖部分路基或新旧两部分路基的不均匀沉降，引起路面板沿纵向开 裂破坏，断裂发生在不均匀沉降的填挖结合处或新旧路基结合处，裂缝两端弯曲 延伸到横向接缝，严重的将产生错台。这种裂缝若不及时修补，地表水沿裂缝下 渗后下。在车辆荷载作用下，板下产生唧泥，将导致板的进一步坡坏；图2 2 b ) 哺1 是由于填方部分土基压实度不够，产生不均匀沉降导致的纵向破坏，这种破坏的 路面有明显的下凹或错台。断裂的板进一步破坏后，裂缝呈网状、甚至产生积水， 第= 章水混凝土破坏形式丑再生拄术舟g 坑槽等，影响行车安全和舒适。 这种破坏是纵向开裂破坏中最为严重的破坏形式。 图2 1 混凝土板角断裂破坏 第= 章水泥混凝破坏形式厦* 生技术舟镕 0 图2 2 混凝土纵向开裂断板破坏 f i 9 22l o n g i t u d i n a lc r a c k i n g f r a c t u r e d e s t r u c t i o no f c o n c r e t e 圈混凝土板沿纵向施工缝破坏 这种破坏与混凝土路面沿纵向的破坏不同，沿纵向破坏的裂缝发生在板中纵 向的任一位置。而这种破坏裂缝发生在纵向施工缝两侧，严重者( 如图23 ) ”裂 缝呈网状。产生这种破坏的原因有以下几个方面： 1 、路面板的纵向施工缝未设拉杆，在车辆荷载和板的自重作用下，板往两 侧滑移。纵缝宽度增加，增大了地表水下渗，而板又直接搁在泥结碎石或片石基 层上。使板在纵缝板边产生唧泥，导致板沿纵缝的破坏。 2 ) 路面分两幅施工。正常交通不能中断，在作第一幅路面旌工时，施工 车辆及其他车辆在靠近板边行驶，行车、水、泥土等使后半幅施工的路面基础强 度降低，使两幅路面板基础强度不均，导致基础强度较低的板沿纵缝首先破坏， 当缝的一侧的板破坏后，下渗地袤水增加，使相邻板块基础强度下降，引起相邻 板块沿纵缝破坏。 圈横向断板破坏 这种裂缝沿板横向贳穿，一般发生在横向缩缝或施工缝附近。对这种破坏的 板块尺寸测量和板的厚度及强度测试表明，板的分块尺寸基本符合规范的分块要 求，而板的强度和厚度明显偏低。因此，产生这种破坏的原因主要有以下几方面： 1 ) 板太薄，混凝土强度不足，在接缝处多未设置传力杆，使板在靠近接缝 处的荷载应力增大，在荷载和温度应力作用下，混凝上板严重断裂破坏。 2 ) 切缝深度过浅，锯缝失效，使板不能沿锯缝断裂。这种裂缝若不及时采 取养护和维修，阻止地表水的f 渗，会导致面板的进步破坏。 圉路基压实不足引起断板破坏 第二章水泥混凝土破坏形式及再生技术舟韬9 在多在填方地段，由于路基压实不足，施工质量差，道路在通车一定时间后， 路基自重及车辆荷载作用下沉降周结完成，使混凝土路面产生不均匀沉降破坏， 这种破坏有纵向横向等。 露骨( 混凝土剥落) 这种病害主要表现在路面通车一段时间后，路表水泥剥落，沙石或沙砾骨料 出露，有的甚至出现坑槽，影响路面使用寿命和行车的舒适。产生这样病害的原 因主要有两个方面： 图2 3 掘凝土路面沿级向施工缝破坏 f i 9 23 l o n g l t u d 讯a j c o n s w o c t l o nj o i n t d e s t r u c t i o n o f c o n c l e t e p a v e m e n t 1 1 混凝土强度太低，导致路面耐磨性差 使板的抗磨能力下降，产生露骨病害。 坏 在一些地形地质条件复杂路段。路基修筑在浅层滑坡上，由于滑坡的不断移 动导致路面破坏这种由路基浅层滑移引起的路面破坏与其它原因引起的病害明 显不同，破坏主要发生在有浅层滑坡的半填半挖路基上，破坏特点是路面整体下 沉。整段路基路面始终处于一种不剧烈的沉降变形之中。这种病害在一些地形复 杂的路段尤其严重。图2 4 ”1 是由浅层滑坡引起的典型破坏形式。 第二章水混凝十破坏形式厦再生技术介g 图2 4 浅层滑坡引起的混凝土路面破坏 f 1 9 24 c o n c r e t ep a v e m e n t d e s t r u c t i o n i n d u c e d b y s h a l l o wl a n d s l i d e 这种破坏路段的路基挖方一侧有良好稳定的岩石下卧层，上部为松散破碎的 堆积层，路基大部分修筑在堆积层上，有些破坏路段即使在下边坡设了挡墙，但 路面仍处于不断的下沉和变形之中，而挡墙本身并没有裂缝或外倾的变形，路基 变形未产生足e 卫使挡墙外移的推力，坡体的侧向位移较小，因此，这种堆积层路 段路基的不断整体下沉，主要与堆积层的固结和同时伴有侧向小位移有关。其原 因在于这种堆积层多为杂填土或风化破碎岩体，而路基填筑高度不太，填筑之前 亦未作原地面处理，如夯实或挖台阶或清除松散堆积层等。当这些松散堆积层( 浅 层滑坡) 在填筑过程中受到扰动及在车辆荷载和水的作用下，松散堆积层将不断 产生沉降固结，使路面不断下沉破坏。且这种路段的下沉速度在雨季最快。水是 导致路基沉降，引起这些路面破坏的重要诱因之，水源主要是通过边沟、边坡、 路肩和破坏路面裂缝下渗的大气降水。浅层滑坡上的路面破坏严重影响着行车的 安全和舒适。在山区公路的选线中应尽量避免路基通过滑坡地带。若无法绕避。 则应采取各种措施对滑坡进行加固治理。 21 2 基于本课题水泥混凝土路面破坏原因 引起水泥混凝土路面破坏的原因很多。包括路基压实不足，地下水和地表水 的渗入、施工质量、气温、路面结构形式等，这些因素对混凝土路面破坏的影响 因道路所处自然环境条件和交通条件而异。本课题主要是面向重庆地区农村水泥 公路，根据其具体环境，产生破坏病害的原因住要有以下几个方面： 路面结构设计不当。路面结构不合理主要是指结构组合不当、选择的基 层材料不合适、结构防水性差及板厚不够。 第二章水泥混凝土破坏形式及再生技术介绍l l 覆混凝土板施工质量较差。施工质量的影响主要表现在混凝土强度和板厚 未达到设计要求及混凝土集料级配差几方面，给混凝土路面的提前破坏埋下了隐 患。 臻懒 在些半填半挖路段，旧路加宽路段及部分新建路的高填方地段，都存 在不同程度的路基压实不足或不均匀沉降引起的路面断板破坏。路基或基层压实 度不足，产生不均匀沉降，导致混凝土板断裂破坏。 戮不良工程地质条件的影响。不良工程地质条件对路面的影响主要在一些 浅层滑坡地段，由于滑坡体的不断沉降和侧移使路面逐年下沉，整段路面破坏。 其病害特征比较明显。此外，有些风化破碎严重的岩挖方边坡上坍塌下来的岩石 亦常堵塞边沟，砸坏路面，引起混凝土路面的破坏。 施工管理不善。施工管理不善主要是管理不规范、不能严格照图施工， 不能严格执行施工监理制，导致路面质量低劣、产生提前破坏。 2 2 各种再生方式的简介及评定 目前，破损水泥混凝土路面的就地再生方法有： 按原结构进行整修，如断板压浆处理、灌注聚脂胶类粘结剂等，该类方 法普遍适用于断板率较低、病害较轻的混凝土路面。即为( 大板) 直接加铺技术。 将老路面混凝土板全部拆除掉，重新铺筑新的路面结构。即为清除重铺 法。 以混凝土路面做基层，在其上加铺其他结构层，该类方法适用于路面破 损较严重的道路。即破碎处治技术。 2 2 1 直接加铺法 经路面评定，旧水泥混凝土路面面板存在轻度破碎，脱空，错台和裂纹的情 况，或者经过少量的维修即可恢复的水泥混凝土面板，可以用直接加铺法。 ( 1 ) 加铺工艺 首先要对原地面进行压浆处理，压浆孔密度约为5 6 个灌浆孔每块板。 需要采用高压灌浆设备，使浆液尽量进入水基层稳定料中或者脱空层中，以稳固 基层。压浆程度，以浆液从横纵缝冒出，或者以水泥混凝土板有翘起现象为止。 其次，对横纵缝清缝，清除缝内有的填充物和杂物，再用手持式注射枪进行 沥青灌缝，然后用改性沥青油毛毡等材料贴缝，有必要时再加铺一层特殊沥青材 料过度层，吸收或者抵抗横纵缝向上扩散的能量。 板底灌浆工艺呻1 1 ) 公路水泥混凝土路面养护技术规范( j t j0 7 3 1 2 0 0 1 ) 规定： 1 2第二章水泥混凝土破坏形式及再生技术介绍 灌浆孔布置在四个角和板中，不少于5 孔，边孔距板边大于5 0 c m 。 罐入浆液可以是热沥青，水泥浆，水泥粉煤灰浆，水泥沙浆等。 灌入工艺，1 8 0 摄氏度热沥青，压力设备2 0 0 - - 4 0 0 k p a ，压满后持压半分钟， 堵塞。水泥浆类，设备灌注压力1 5 2 o m p a ，邻孔出浆后堵孔，灌入水泥浆强 度达到3 m p a 可开放交通。 2 ) 公路养护技术规范( j t j0 7 3 9 6 ) 规定： 与上述基本相同。但是热沥青为2 1 0 摄氏度以上，水泥灌注浆压力为 3 0 0 5 o o m p a ，养生三天后开放交通。 3 ) 美国高速公路施工规范( 第8 版) 规定： 灌浆设备，注射压力为1 7 2 2 0 7 m p a 。 钻孔，孔径5 0 m m ，孔深需穿过基层进入路基不超过7 5 m m ，冲净孔。 灌浆是以板块垂直运动为标准，板边缘上升不得高于相邻板块边缘 o 0 2 5 m m ，板块绝对上升量不大于0 1 2 5 m m 。 灌浆压力，不大于o 8 6 2 m p a ，启动时允许短时压力达到2 0 7 m p a ，促使浆 液进入结构空隙，一直到相邻孔出浆为止；如果发现相邻孔，板缝，裂缝，路肩 或者灌浆回路处集浆过多，则注意调整工艺。 天气标准，当路基和底基层是非解冻材料，而且路面温度高于5 摄氏度时可 可以施工。 ( d 评价 该工艺主要适合原路面基础较好，损坏较小的水泥混凝土路面。但是容易产 生反射裂缝。 2 2 2 清除重铺法 适用于旧水泥混凝土路面面板存在严重破碎，脱空，错台和裂纹以及基层或 路基上部存在大面积病害的情况。 其工艺主要是首先破碎并清运旧水泥混凝土路面面板，然后对原路面基层夯 实处置或加铺新的基层，最后重新铺筑新的水泥混凝土路面或者沥青混凝土路 面。 这种工艺对路面和路基的病害处理最为彻底，但是对水泥混凝土废料的处理 难度较大。 2 2 3 破碎处治技术 破损水泥混凝土路面就地修复最常用的技术，就是用沥青混合料或者水泥混 凝土作加铺层。但是这样会导致一个问题就是产生反射裂缝。前面所介绍的直接 第二章水泥混凝土破坏形式及再生技术介绍1 3 加铺法就很难消除反射裂缝。通常认为反射裂缝形成的机理是加铺层材料的冷热 性质不同、在温度沿板厚变化时产生的不等效水平移动及在车辆荷载作用下，由 于板存在接缝或者裂缝导致板传荷能力不良而引起缝两侧板块产生相对竖直位 移所引起的应力。反射裂缝一般是位于原来裂缝的接缝上方的加铺层底部产生应 力集中，形成局部高应力而出现，主要通过原来路面的裂缝和接缝沿加铺层向上 扩散形成。 控制加铺层反射裂缝的一种方法就是先将原来混凝土路面面板破碎成小块， 再进行稳固加铺。破碎和稳固路面的目的是将混凝土破碎成能将板的水平位移减 小以消除产生反射裂缝的温度应力，同时还要能使混凝土碎块与碎块之间形成 嵌锁，同时保持住水泥混凝土路面原来具有的大部分结构强度。碎块稳固的目的 是为其上的加铺层提供较好的支承。目前，能将路面面板破碎成满足上述要求的 技术主要有三种：打裂压稳技术，冲击压实技术，碎石化技术。根据三种技术的 特点和发展，本课题主要研究适合重庆地区农村公路的碎石化技术。 打裂压稳技术 打裂压稳是目前水泥混凝土路面重建中普遍采用的一种比较简单的处理方 式。它采用门板式破碎设备将旧水泥混凝土路面每3 0 - - 一5 0 c m 横向打裂，经压实 后在上面摊铺沥青混凝土面层或者水泥混凝土面层。该技术可延缓沥青混凝土路 面反射裂缝的出现，并充分利用原有路面的强度。 1 ) 裂压稳技术的适用范围与所需设备 打裂压稳技术适用于以下3 种情况：a 水泥路面接缝缺陷，错台、翻浆和角 隅破坏率等达到总接缝长度的l o ；b 板块出现开裂或下沉，需要修补的面积小 于路面总面积的1 5 ；c 每公里平整度随机检测双向各1 0 0 m ，平均值大于1 2 m m 。 打裂压稳技术所需的设备包括：a 打裂设备。门板式破碎机，如图2 5 n 们， 打裂设备配有宽度为2 5 m 的门板式冲击锤( 锤头重5 t ) ，具有足够的能量使混凝 土路面产生深度开裂。b 压稳设备。压稳设备为2 5 t 重的胶轮压路机，低于2 5 t 时应增加压实遍数，以达到规定要求。c 附属设备。洒水车、充气设备、清扫设 备及各种手动工具。 2 ) 打裂压稳施工技术 打裂压稳前的准备工作 a 打裂压稳前，应清除原路面上加铺或局部修补的热拌沥青混合料；标记 结构物的具体位置，如路标、桩号、暗涵、通道、水渠、桥梁等，作出禁止破碎 的标记( 结构物埋深、 5 0 c m ) ，严格按标记施工；做好路面排水系统的修缮工作； 编制施工组织计划；配合交通管理部门做好交通管制，确保交通安全；做好设备 的保养和调试，保证施工所需设备的完好性。 第二章水泥混凝土破坏形式厦再生技术舟绍 圈2 5 板式打裂破碎机 f j 9 25 c l e f t c r u s h e r b 打裂压稳施工工艺流程，见图2 6 “o 图2 6 打裂压稳工艺流程 f i 9 26 t e c h n o l o g i c a lp r o c e s s o f c l e i t a n ds t e a d y v o l t a g e 3 1 打裂压稳施工方案及技术要求 a 确定试验段打裂压稳程序“” 在正式开始打裂施工之前，先进行1 5 0 m 左右的试验路破碎以确定破碎机 的工作参数。落锤式破碎机的冲击强度取决于锤头高度和锤击间距。锤头间距控 第二章水泥混凝土破坏形式及再生技术介绍15 制在5 0 6 0 c m ，锤头高度由低到高不断调整直至达到破碎要求，一般控制在 1 4 1 6 m 。打裂机的实际行走速度控制在5 0 0 m h 左右。打裂破碎效果应为使7 5 以上路面产生不规则开裂，相邻裂缝围成的块粒为0 4 - - 0 6 平方米。为避免过度 破坏，打裂时不应使路面板产生过大位移及混凝土板产生大量碎屑。落锤式破碎 机作用下混凝土面板产生的裂缝十分细小，因而在干燥路面状态下难以判别路面 是否开裂。可在一定范围内均匀洒水，打裂后即可见清晰的裂缝，并伴有气泡产 生，由此判别打裂程度是否满足要求。同时在破碎后的路面取芯，以确定开裂程 度和深度。由于路面开裂未必沿竖直方向，取样位置应选择在锤头冲击痕迹的端 部或开裂的交叉点。试验段内取样点不少于2 个。必要时开挖检验，直接观察开 裂深度。 b 打裂和压稳施工 应严格按确定的打裂和压稳程序施工。操作人员可根据路面的具体情况对设 备进行细微调整，以满足破碎要求。压实过程中，操作人员应紧跟压路机观察路 面板的压实情况，并将压实中移动的板用油漆作出标记。同时将压实后不稳定的 板打碎成更小的块，再进行清扫和压实，直到打碎的板被紧密地稳定在路基或底 基层上。 4 1 打裂压稳的质量控制n 3 1 a 打裂效果的检验 要求水泥混凝土路面板经打裂后，使其形成的不规则开裂面积控制在0 6 平 方米以内，其检验方法通过以下两种种手段来认定： 外观鉴定：用水直接泼向经打裂后的面板。这时水会渗透到不同部位的裂缝 缝隙中而冒出气泡。现场取芯，用取芯机现场取样，观其芯样的断裂情况，取芯 频率每1 0 0 0 平方米取1 个。 打开查验：选择有代表性的几块板，用挖掘机或人工翻挖打开并量测最大水 泥碎块的粒径是否已控制在0 6 平方米以内。 b 对沉降量的控制 对打裂前后实行定点定位水准测量，计算其总的沉降量。 测量每一次压稳后沉降量。把每次测得的沉降量同前一次压稳后测得的沉降 量相比较，即相邻两次沉降量比较，当其变化量之差小于5 毫米时，则停止压实， 并认为压稳工艺已达到施工要求。 5 ) 打裂压稳技术的特点 a 厶邑延缓反射裂缝的影响。 b 通过加铺水泥稳定基层，充分提高整体组层强度。 c 应用打裂压稳技术，以利于充分利用原有路面的残余弯拉强度，减少大量 1 6第二章水泥混凝土破坏形式及再生技术介绍 难以处置的建筑垃圾，利于对环境的有效保护。 d 工程平均每平方造价基本与采用凿除旧板后再进行水泥混凝土路面换板 施工的造价持平。 6 ) 打裂压稳施工中应注意的问题 a 冲击力的调节 经监理工程师许可，可减少打裂设备的冲击力和压路机的配重，以避免对覆 盖或相邻结构物造成破坏。 b 局部破损严重部位的处理 对于路面裂缝、板块下沉和板块破碎严重的部位，应对基层进行碎石化处理， 填充级配碎石和砂砾等进行夯实，然后加铺沥青混凝土面层。 c 清缝和封缝 在洒布透层油前，应采用加压空气或其他方法清除接缝中的松散料。如果接 缝宽度较大，应采用适当的封缝料进行封缝。 d 设置排水边沟 在竖曲线底部、原路面翻浆处、平曲线超高低侧和所有存在排水问题的地段， 必须设置排水边沟。 ( d 冲击压实技术 冲击压实技术是近年来修复旧水泥混凝土路面的发展的一种技术。该技术 主要是采用多边形冲击压实机，如图2 7 u 钔，对旧水泥混凝土路面进行破碎并将 其夯实稳固到基层上，从而使原来路面结构成为新加铺层的支承，而且可以很好 的防止反射裂缝的产生。 1 ) 冲击压实的设备及工作机理 当前常见的冲击压实机主要有南非蓝派公司生产的1 5 t 5 型及美国i r t 公司 的i m p a c t 0 2 0 0 0 型，国内的则有郑工机械集团的y t 2 0 、c y z 2 5 、5 y t 2 0 及唐 山专用汽车厂的y c t l 2 d 等，品种多样。其工作机理主要是通过改良的冲击轮 ( 其形状为三边形或五边形) ，当机器行走时，在路面间摩阻力的作用下，轮轴 反复抬升和落下，使钢轮冲击夯压地面。冲击压实机的压实功能来自两个方面： a 是冲击轮的自重，这与一般压路机的压实机理一致；b 是冲击轮滚动时所产生 的冲击动能。由于多边形冲击轮为非圆形，半径不等，当其在以一定的速度9 1 2 k m h 行走时，不断地将势能转化为动能对路面进行冲压夯实，瞬间产生巨大的 能量，强烈的冲击波向面板下深层传播，使冲击破碎的板块得以压实稳固。不仅 保持了混凝土块原来所具有的强度，还能使其形成块状料嵌锁型基层结构，并紧 密嵌压于原路面基层中，形成强度高的路面底基层，减少缓解了路面板反射裂缝 的产生。 第= 章水泥混凝土破坏形式及再生技术介绍1 7 图2 7 五边形冲击压路机 f i 9 27p e n t a g o n i m p a c t i n g r o a d r o l l e r 图2 8 冲击碾压原理示意图 f i 9 28p r i n c i p l e o f i m p a c t i n g a n d r o l l i n g 图28 “”示出冲击压路机的基本原理，能量以k j 计，按下式计算： e - - m g h 式种：e 一势能( k j ) m 一非圆形冲击能的质量( k g ) g 一重力加速度常数 h 一冲击轮外半径( r ) 同内半径( r ) 的差值，h f r - r ，m 2 1 冲击压实的施工工艺方案 其施工工艺流程，见图2 9 。其施工方案如下： 准各工作： a 施工放样，冲压时会产生较大冲击波可能对沿线桥涵等构造物产生破坏， 故在施工时应予避让，现场按试验段提供的避让距离用黄线标示出作业控制区 b 测点布设，为了对破碎状态和沉降量进行检测，检测布点如图2 1 0 “”。 c 防水。为预防冲压过程中下雨，需准备好防雨用雨布。 d 做好原地面高程测量以及板块破损调查。 e 设专职安全员负责冲压区域内安全管理进行交通管制。 冲压施工“： 1 8 第二章水泥混凝土破坏形式及再生技术介绍 a 冲压顺序，根据试验段结果，混凝土面板在水平方向所受约束愈小破碎效 果愈好，故在施工中选定从路肩一行车道一超车道依次冲压，每冲压1 遍后按以 上顺序进行下遍冲压。 b 冲压速度，考虑前5 遍冲压主要是对混凝土板块破碎，选择7 9 k m h 速度可产生最佳破碎效果。5 遍后则拟选择9 1 2 k m h 速度为宜。 图2 9 冲击压实工艺流程 f i 9 2 9t e c h n o l o g i c a lp r o c e s so fi m p a c t i n ga n dr o l l i n g c 特殊路段处理及构造物检查，检查并清除软弱地基上的板块，处理地