（道路与铁道工程专业论文）水泥混凝土路面碎石化技术应用研究.pdf

摘蔓 摘要 自上世纪八九十年代起，国内开始大规模修建水泥混凝土路面，截至2 0 0 5 年底全国 水泥混凝土路面通车里程已达3 0 7 万公里。近年来，随着交通量的增加，特别是重载车 辆的增多，很多水泥混凝土路面出现严重损坏，严重影响了道路的通行能力，很多水泥 路面需要修复改造。由于对水泥混凝土面板破碎后再加铺罩沥青面层可以合理利用旧水 泥板、解决反射裂缝问题、结构强度更高、施工简便以及环保无污染等优点，所以在水 泥混凝土路面的维修和改造中得到了越来越多的使用。 本文在查阅大量国内外相关文献及研究成果的基础上，结合$ 3 3 8 葛村收费站至镇南 立交段大修工程，对全长2 2 k m 路段进行碎石化试验研究。 本文首先分析评价了旧水泥混凝土路面加铺各种防反射裂缝措施，发现破碎稳固技 术可以彻底解决加铺层的反射裂缝问题，降低温度型和荷载型反射裂缝产生的可能性反 射裂缝问题，并得到了破碎稳固的关键技术。 其次，通过对老路的取芯检测、路面状况调查和评价以及交通量调查确定试验路段 以及改造方案。采用水泥板破碎尺寸和破碎后承载能力作为试验路评价指标对碎石化试 验的效果进行了检测，发现水泥稳定碎石基层和沥青层的各项指标均满足设计要求；旧 水泥混凝土板破碎后也符合粒径尺寸和承载力要求。 最后，参照美国r m i 合同有关技术参数，结合国内外公路工程的施工经验，根据试 验段具体施工过程控制以及数据采集分析，提出了一整套水泥混凝土路面板碎石化技术 施工工艺和要点，并进行了工程环境影响分析和评价。 关键词：水泥混凝土路面；碎石化；反射裂缝：破碎尺寸；承载能力；施工工艺 a b s t r a c t a b s t r a c t s i n c et h e8 0 sa n d9 0 so f l a s tc e n t u r y , t h ec e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n t sh a v eb e e nb u i l to n al a r g es c a l ei nc h i n a t h et o t a ll e n g t hh a sc o m et o3 0 7t h o u s a n dk i l o m e t e r sb yt h ee n do f 2 0 0 5 r e c e n t l y , a l o n gw i t ht h ei n c r e a s eo f t r a f f i c ，p a r t i c u l a r l yt h eh e a v yl o a d i n g ，t h e r ea r e m a n ys e v e r ed a m a g e sw h i c h h a v eas e r i o u se f f e c to nr o a dc a p a c i t yi l lt h ep a v e m e n t s m a n y c e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n t sn e e dt ob er e p a i r e d b e c a u s el a y i n ga s p h a l tl a y e ra f t e rb r e a k i n g 印c e m e n tc o n c r e t er o a ds l a bh a sm a n y a d v a n t a g e s ，s u c ha ss o l v i n gr e f l e c t i v ec r a c k i n ge f f e c t i v e l y , r a t i o n a lu t i l i z a t i o no f t h eo l d c e m e n tc o n c r e t es l a b s i m p l ec o n s t r u c t i o na n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na n ds oo n , m o s t l yt h e m b b l i z a t i o nt 融 r n n e s st e c h n i q u ei su s e di nt h em a i n t e n a n c ea n dt r a n s f o r m a t i o no f t h ec e m e n t c o n c r e t ep a v e m e n t s o nt h eb a s i so f c o n s u l t i n gal a r g en u m b e ro f d o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lr e l e v a n t d o c u m e n t sa n dr e s e a r c hr e s u l t s ，c o m b i n i n gp a v e m e n tm a i n t e n a n c ee n g i n e e r i n gf r o ms 3 3 8g e v i l l a g et o l l g a t et ot h ez h e r m a no v e r p a s s ，m b b l i z a t i o nt e c h n o l o g yi nt h et e s ts e c t i o nw h i c h i s 2 2 k mo f t o t a ll e n g t hi ss t u d i e di nt h i sp a p e r f i r s to f a l l ，a l lk i n d so f m e a s u r e st or e l i e v er e f l e c t i v ec r a c k i n gh a v eb e e na n a l y s e da n d a p p r a i s e di nt h ea s p h a l tc o n c r e t eo v e r l a yo no l dc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n t i ti sf o u n d t h a t r u b b l i z a t i o nf i i n l l n e s st e c h n i q u ec a ns o l v er e f l e c t i v ec r a c k i n gc o m p l e t e l y , a n dr e d u c et h e p o s s i b i l i t yo f t e m p e r a t u r et y p ea n dl o a d i n gt y p er e f l e c t i v ec r a c k i n g t h ek e yt e c h n o l o g yo f r u b b l i z a t i o nf i r l n n e s si sg o t s e c o n d l y , t h r o u g hd r i l l i n gc o r es a m p l e ，i n v e s t i g a t i n gp a v e m e n tp e r f o r m a n c ea n d t r a f f i c v o l u m e ，t h et e s ts e c t i o na n dt r a n s f o r m a t i o ns c h e m ea r ed e t e r m i n e d t h er u b b l i z a t i o ns i z ea n d b e a r i n gc a p a c i t ya f t e rb e i n gb r o k e na r ea d o p t e da se v a l u a t i o ni n d e x e s i ti sf o u n d t h a ta l l i n d e x e so f c e m e n ts t a b i l i z e dm a c a d a mb a s ea n da s p h a l tc o n c r e t es u r f a c em e e tt h ed e s i g n r e q u i r e m e n t a l s o ，o l dc e m e n tc o n c r e t es l a ba f t e rr u b b l i z a t i o ns a t i s f i e sd e m a n do fs i z ea n d b e a t i n gc a p a c i t y f i n a l l y , c o n s u l t i n gt e c h n i c a lp a r a m e t e r si nr v i ic o n t r a c t ，c o m b i n i n gt h ec o n s t r u c t i o n e x p e r i e n c eo f t h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lh i g h w a ye n g i n e e r i n g ，b a s e do nc o n s t r u c t i o n c o n t r o la n dd a t ao ft e s ts e c t i o n ，r u b b l i z a t i o nt e c h n i q u ea n dk e yp o i n t sh a v eb e e np r o p o s e d i i a b s l 卧c t t h ee n v i r o n m e n t a li m p a c to f t h ep r o j e e th a sb e e nc a r r i e do n 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 n t ；r u b b l i z a t i o n ；r e f l e c t i v ec r a c k i n g ；r u b b l i z a t i o n s i z e ；b e a r i n gc a p a c i t y ；c o n s t r u c t i o nt e c h n i q u e 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 水泥混凝土路面的病害及维护改造 水泥混凝土是一种刚度大、扩展荷载能力强、稳定性好、使用寿命长的路面 结构，是适应载重大、速度高、密度大的交通运输要求的高等级路面。世界各国 对水泥混凝土路面的修筑技术一直在进行研究和总结，并在高等级、重交通的道 路上得到广泛应用。英国1 9 7 0 年以后修建的主要干道中2 2 为水泥路面，美国 近十年来修建的承受重交通道路中有5 3 的州际公路和1 5 的一级联邦资助公 路采用水泥混凝土路面。 我国水泥混凝土路面的修筑已经有半个多世纪的历史，但是由于国家建设资 金有限，水泥短缺，建国初期修建的水泥混凝土路面很少。七十年代中后期，浙 江、江苏、广东等省在道路沥青供应不足、质量不高的情况下，开始较多的修建 水泥混凝土路面。自上世纪八九十年代起，由于沥青供应缺口不断增大和水泥产 量不断增加，全国范围内开始大规模修建水泥混凝土路面。与其同时，一些科研 机构也开展了水泥混凝土路面的相关研究工作，水泥混凝土路面的铺筑工艺不断 改进，水泥混凝土路面已能较好的满足现代交通的要求。2 0 0 5 年底，水泥混凝 土路面总里程，全国达3 0 6 6 2 2 k m ，江苏省达3 0 3 3 4 k m ，镇江市达1 7 9 6 k m 。 但是，水泥混凝土路面在长期使用过程中，由于诸多原因，不可避免地出现 结构和功能性破坏。水泥混凝土路面主要有断裂类病害、竖向位移类病害、接缝 类病害和表层类病害四种病害类型。近几年来，随着交通量的增加，特别是重载 车辆的增多，混凝土路面断板、破碎、错台、唧浆现象十分严重，严重影响了道 路地通行能力。所以在新建高等级公路中，水泥混凝土路面比例越来越低。水泥 混凝土路面的破损不仅给公路管理与养护部门带来了巨大的负担，给国家造成了 巨大的经济损失，而且严重影响了公路交通运输的正常经营，造成不良的社会影 响，增加交通事故发生的隐患。 1 1 2 水泥路的维修与改造办法 与沥青路面相比，水泥混凝土路面修复相对困难，我国各地对严重破损的水 泥混凝土路面进行了大量的修复工作，很多老的水泥混凝土路面已经、f 在或即 第一章绪论 将被改建成沥青或水泥混凝土路面。由于加铺沥青混凝土造价较低、施工方便， 对交通影响小，同时可以有效的改善原水泥混凝土路面的行车条件，所以国内外 经常采用这种所谓的“白改黑”改造方式。 维修改造方法主要有以下几种： 直接加铺一沥青混凝土或水泥混凝土； 设置补强层后加铺沥青混凝土或水泥混凝土； 挖除后加铺沥青混凝土或水泥混凝土； 破碎后加铺，沥青混凝土或水泥混凝土。 不同维修改造方法的优缺点对比如下： 1 ) 直接加铺和设置补强层后加铺的方法存在以下不足： 不能解决反射裂缝；板块检测和补强工作量大；施工机械大多为重型机械， 老路作为便道使用可能造成较大的破坏，实际修补的量要大于设计量。 2 ) 挖除后加铺的方法存在以下不足： 工程量大，工程造价较高；老路面利用率相对较低；施工期间交通干扰大； 混凝土板块的破除存在一定的浪费；污染较大。 3 ) 破碎后加铺的方法有以下优点： 可有效解决反射裂缝问题：有效利用老水泥板，结构强度更高；施工简便迅 速，综合造价低；环保，无污染。 1 1 3 碎石化技术的发展 碎石化技术最早应用于美国，1 9 8 6 年开始起步，2 0 0 2 年技术开趋成熟，并 逐步进入国内。混凝土路面碎石化设备主要有多锤头破碎机( m 船) 和共振式 破碎机，现在多锤头破碎机已经从国外引进到国内来。 亚拉巴马州最先使用碎石化技术用来处理损坏较重的混凝土路面，该州到目 前已有超过3 0 0 0 k r n 的混凝土路面采用碎石化工艺处理，使用效果良好。截至 2 0 0 2 年，美国已有3 0 多个州开始采用碎石化技术。 目前伊利诺斯州大约有2 5 0 0 0 k m 水泥路面，其中8 0 以上已经接近设计使 用年限，需要维修、重建。伊利诺斯州于1 9 9 0 年开始进行了旧水泥混凝土路面 碎石化技术的研究和应用，到2 0 0 0 年己完成了近1 0 条水泥路面的维修加铺。 1 9 9 2 年。内华达州采用碎石化技术和打裂压稳技术对i 8 0 州际公路进行修 第一苹绪论 复加铺沥青混凝土路面。原有混凝土路面板厚度2 0 c m ，碎石化处理后加铺1 7 e r a 的沥青混凝土层，打裂压稳处理路段加铺2 0 c m 沥青混凝土层。到1 9 9 8 年，这 两段路面均没有发生严重的裂缝病害。 1 9 8 6 到2 0 0 0 年，密歇根州共计完成了5 6 条碎石化改造道路。是美国应用 碎石化技术修复旧水泥路面较多的州。为了有效控制反射裂缝，密歇根州碎石化 施工技术指南要求破碎后表面大于1 5 c m 的水泥块必须进行处理。 目前，山东省已成功引进该项技术，并已摸索出一系列适合山东水泥路面改 造的技术体系。累计完成1 5 0 多条公路水泥路的改造。浙江湖州1 0 4 国道埭溪路 段2 k m “白改黑”试验路段，是在采用多锤头机械破碎后，分别不同路段加铺1 2 c m 和1 5 e r n 沥青面层。施工完成后经对试验路段进行弯沉测定，其弯沉强度很高， 代表弯沉在2 1 2 9 ( 0 o l m m ) 范围内。经过大半年的运营使用，沥青面层表面 没有发现反射裂缝，路面平整，路况良好。台州仙居3 0 5 省道经碎石化处理后， 虽弯沉较大，但使用大半年未出现裂缝，这说明经多锤头碎石化处理能彻底解决 反射裂缝的问题。 结合$ 3 3 8 葛村收费站至镇南立交段中修工程，镇江市在江苏省率先引进碎 石化技术，将为镇江市开创水泥混凝土路面养护新局面，有效地利用老路面，降 低造价，在发挥老路价值的同时提升道路的服务水平。 1 2 研究范围和研究目标 1 2 1 研究范围 依托$ 3 3 8 镇江段k 2 1 6 + 0 0 0 k 2 1 8 + 2 0 0 中修工程，对全长2 2 k m 路段进行 碎石化试验研究。 1 2 2 研究目标 参照美国r m i 合同有关技术参数，结合国内外公路工程的施工经验，以上 述项目为载体，研究水泥混凝土道路板块碎石化技术在镇江市公路白改黑改造中 的施工与检测控制要点，总结出m h b 碎石化设计、施工的普遍方法，并为该项 技术在江苏省推广应用打好基础。 1 2 3 研究技术路线 项目研究技术路线如下： 第一章绪论 图1 - i 设计指标体系基本框架 4 筹备阶段 报告形成上报 一 已有相关j一编写人纲成l1 人纲审壳、 资料收集il 立项目组ij 项e t 立项 + - l 试验路段划分1 1 上 确定段落试验方法 审查l 1， 确定收集数据种类和方法 i 确定施i ic zl i 调整 士 l l l l j l l 监理跟踪j7 i 施i ： 1 1i 设计服务i l 中间数据收集、分析 t 资料整理 上 完成课题报告初稿 上 课题验收、结题 上 科技成果鉴定评审 第一二章l f l 水泥混凝卡面扳破碎稳崩技术研究 第二章旧水泥混凝土面板破碎稳固技术研究 2 1 旧水泥混凝土路面沥青加铺层防反措施 2 1 1 反射裂缝的产生 工程实践表明，旧水泥混凝土路面沥青加铺层存在着严重的反射裂缝问题， 其病害产生的主要根源是由于反射裂缝造成的。 反射裂缝( r e f l e c t i v e c r a c k i n g ) 是指己开裂的旧沥青路面或水泥路面内的裂 缝在行车荷载和温度荷载的反复作用下反射到新加铺面层上形成的裂缝，如图 2 1 所示。对于旧水泥混凝土路面沥青加铺层结构，由于水泥混凝土板在温度梯 度和湿度变化下先产生收缩开裂，而后在温度和交通荷载的作用下，裂缝向上方 反射到沥青面层而形成反射裂缝。 图2 一l 反射裂缝 反射裂缝产生后，整个路面结构体系的边界条件发生了变化。由于裂缝的存 在，路面结构在外加荷载作用下产生的应力和位移在基层裂缝处不再连续，尤其 是在裂缝上面的沥青面层底部会有很大的应力集中。不论是交通荷载还是温度荷 载，在裂缝附近都会产生很大的应力集中，这是裂缝继续向沥青层传播的基本原 因。为方便起见，常常把温度变化引起的反射裂缝称为温度型反射裂缝。相应地， 把行车荷载引起的反射裂缝称之为荷载型反射裂缝，如图2 2 所示。 第一二帝水泥混凝十面板破碎稳闶技术研究 沥青层袭血 、! 竺竺竺 - 1r 水泥混凝i ：层- il 一温度引起的胀缩 。，_ j l - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 一 底基层 ( a ) 温度引起的开裂 叁 ! 竺竺 二二二二 至受 二 底基层 ( b ) 交通荷载疲劳开裂 图2 2 反射裂缝产生机理 反射裂缝破坏了路面结构整体性和连续性，并在一定程度上导致结构强度的 削弱( 如裂缝处弯沉增大，回弹模量降低等) 。尤其是随着雨水或雪水的浸入， 导致水泥混凝土层松散，在行车荷载反复作用下，产生冲刷和唧泥现象，引起裂 缝两侧的沥青路面破碎，导致沥青路面的破坏，从而影响公路使用质量和寿命。 因此，如何控制与防止反射裂缝已成为旧水泥混凝土路面沥青加铺层设计与研究 的关键技术。 2 1 2 反射裂缝的扩展 传统的强度理论认为，当结构层中某点的临界应力超过沥青混凝土本身的极 限强度时，结构层达到破坏状态。实际上并非如此，结构层中的反射裂缝从其产 生到整个路面破坏，中间要经历一个裂缝扩展阶段，即反射裂缝在面层厚度方向 上的纵向扩展和在其表面的横向扩展。 反射裂缝的纵向扩展 按裂缝的受力特点和位移特点，可以把它们抽象化为三种基本类型，如图 2 3 所示： ( 1 ) 张拉型裂缝( i 型) ，正应力盯和裂缝面垂直，在诈应力作用下，裂缝尖端处 左右两个平面张丌而扩展，且裂缝扩展的方向和盯作用方向垂直。这种裂缝 扩展模式称为张拉型裂缝，也称为i 型裂缝。 6 第二章儿i 永泥混凝十面板破碎稳周挫术研究 ( 2 ) 滑丌型裂缝( i i 型) ，剪应力f 和裂缝表面平行，而且它的作用方向也与裂缝 方向垂直，在剪应力作用下裂缝的上下两个平面相对滑移而扩展。这种裂缝 扩展模式称为剪丌型裂缝，或称为型裂缝。 ( 3 ) 撕开型裂缝( i l l 型) ，剪应力r 和裂缝表面平行，而且它的作用方向也与裂 缝方向平行，在剪应力作用下裂缝的上下两个平面撕裂扩展。这种裂缝扩展 模式称为撕开型裂缝，或称为型裂缝。 温度应力对反射裂缝的影响模式为张开模式，裂缝通常产生于沥青面层顶面 或底面，而后逐渐向面层中百j 发展。行车荷载对反射裂缝影响的主要模式是张开 模式和剪切模式，当车轮驶经裂缝的正上方时，以张开模式引起反射裂缝，一般 产生于面层的底部，在周期性荷载的作用下垂直向上扩展；当车轮驶经在裂缝之 前和之后的位最时，主要以剪切模式影响反射裂缝，裂缝在面层中以一定的角度 向上发展。撕开模式在面层中不常出现。 模型( a ) ：水平移动( 张拉型) 模型( b ) ：竖直移动( 剪切型) 模型( c ) ：平行移动( 撕开型) 图2 3 裂缝界面的三种位移模型 当车轮荷载( 偏荷载) 和温度应力共同作用于复合面结构时，r i g o 等人的分 析结果显示，裂缝的扩展介于偏荷载和温度应力单独作用时裂缝扩展路径之问， 7 第一二章水泥混凝十面板破碎稳问技术研究 比偏荷载作用时的裂缝扩展途径更垂直一些。 反射裂缝的横向扩展 众所周知，反射裂缝在瞬间是不可能贯穿整个路面宽度的，除非在应力作用 时，裂缝的长度已经等于或大于相对于整个路面宽度的临界长度( 这旱的临界长 度是指当裂缝的长度接近或大于该长度时，裂缝的扩展非常快而且是不稳定的) 。 较为合理的发展过程是裂缝首先在路表面某些位置产生，然后再向两侧扩展。一 般情况下，反射裂缝多出现在轮迹处，因为温度对反射裂缝的影响在整个路面宽 度内都是相同的，而行车荷载则是以一定的频率分布在车道上的，尤其是在渠化 交通的道路上。 与面层开裂有关的问题是环境因素的负效应，反射裂缝一经出现，水分的浸 入、氧化以及行车的反复作用，常常加速反射裂缝向四周扩展，但即使裂缝贯穿 整个路面宽度，也不会立即影响到行车的舒适性。如果在面层与基层之间加入了 防反措施，如土工织物等不透水材料，即使反射裂缝出现在面层顶面，如果这些 不透水材料仍不破裂，那么就可以减少环境因素的影响，使面层保持在一定的使 用水平，直到反射裂缝处的材料出现恶化。因此，即使面层中出现了裂缝，路面 并不就因此而“破坏”了，如何定义路面的损坏将直接关系到面层的设计寿命。 2 1 3 防治反射裂缝的措施 为减少反射裂缝的数量和延缓反射裂缝的发展速度，国外从1 9 3 2 年以来， 已尝试了许多预防措施。其中加筋沥青罩面层和应力应变吸收薄膜夹层一直是 研究者关注的热点。美国m i c h i g a n 州使用钢筋网丝加筋沥青罩面层，较好地防 治了反射裂缝。但同一种措施在c a l i f o r n i a 州及澳大利亚的效果并不明显。德国 不来梅港市采用s a m i 防治反射裂缝，取得了较好的效果，但梅尔白隆市的试验 效果并不显著。美国i o w a 州的试验路观测结果表明，土工织物能有效地防治反 射裂缝，但同一种措施在n o r t hc a r o l i n a 州的效果则几乎没有。我国从2 0 世纪 8 0 年代起也进行了一些研究，这些研究主要集中在针对控制反射裂缝产生和发 展的力学分析上，并提出了一些防范措施。 除了l f l 水泥板块的修补与加固，一般来说，防裂措施分为材料和结构两个方 面。材料方面主要是提高沥青混合料的抗裂性能，如采用改性沥青、s m a 、 添加聚酯纤维、改进级配等。结构方面常用的方法有：增加沥青面层厚度；采用 第二章f 水泥混凝十面板破碎稳l 卉l 技术研究 土工织物或格栅作为央层：利用橡胶沥青等材料作应力吸收层：设置大空隙率的 防裂中间层；沥青层锯切横缝等。 这些主要可以归纳为以下几种方法： 1 提高沥青混合料的性能 提高面层沥青混合料的抗裂性能也是一种从面层自身考虑的防裂方法。如采 用改性沥青、在混合料中采用添加剂( 聚酯纤维、木质素纤维等) 提高混合料性 能、提高沥青用量、改善集料的级配等。 符冠华等人采用疲劳试验，研究了不同类型沥青混合料对旧水泥路面水平位 移产生反射裂缝的抵抗能力，结果表明：s m a l 6 明显比a c 一1 6 的抗反射裂缝能 力强，采用改性沥青可以增强沥青混合料的抗反射裂缝能力。 张肖宁等人通过模拟试验，对比不同沥青混合料对车辆荷载引起的反射裂缝 的抵抗能力，分析了骨料级配、沥青、矿粉、纤维等对沥青抗裂性能的影响，认 为由沥青、矿粉、纤维组成的胶浆在混合料中所占比例虽不大，但对路面抵抗反 射裂缝的能力却起着十分重要的作用，适当提高矿粉与沥青用量、在混合料中掺 入适量的木质纤维或聚合物纤维可以提高混合料抵抗反射裂缝的能力。 2 增加沥青面层的厚度 增加面层厚度是各国在选择反射裂缝防治措施时首先考虑的因素。为了减少 反射裂缝，许多国家在采用贫混凝土基层时，对沥青面层的最小厚度做了规定。 增加面层厚度的作用主要表现在增强分散荷载能力，减小由于车辆作用引 起的裂缝两侧基层相对位移，改善面层受力；增加裂缝在面层内的延伸路径， 推迟了反射裂缝贯穿面层的时自j ；较厚的面层起到一定的保温作用，减少基层 温度变化以及由其产生的裂缝两侧基层水平相对位移。 事实证明，增加面层厚度一定程度上可以延缓反射裂缝的产生，但要有效解 决反射裂缝问题，可能需要比现在厚得多的沥青面层，这显然是不经济的 顾强康等人在自行研制的试验台架上对水泥路面沥青加铺层进行了疲劳试 验，模拟温度应力作用下加铺层厚度对结构抗裂佳能的影响，得出结论：当加铺 层厚度小于1 0 c m 时，随着厚度的增加，疲劳荷载作用次数明显增加，二者接近 线性关系，加铺层厚度大于1 0 c m 后，疲劳寿命增加变得缓慢，大于1 5 c m 时， 疲劳寿命增加就不明显了。 第- 二章i | 水泥混凝十血板破碎稳蒯技术研究 因此，不能单纯依靠增厚面层来防治反射裂缝，必须结合其它防裂措施，j 能在兼顾经济性的同时取得良好防裂效果。 3 采用防裂央层 ( 1 ) s a m i 应力吸收层 s a m i 是英文s t r e s sa b s o r b i n gm e m b r a n ei n t e r l a y e r 的简称，一般译为应力吸 收层，由橡胶沥青或改性乳化沥青与细集料组成d o ，厚度约1 0 c m ，嚣于沥青 面层与基层之间，如图2 4 所示。 图2 _ 4s a m i 应力吸收层的布置 应力吸收层在路面结构中起着一种软介层的作用，它能把裂缝处基层位移引 起的应变消散在夹层内，有效地削弱基层裂缝处沥青面层的应力集中现象；同时 能起到封层的作用，阻止路表水渗入基层。 国外7 0 年代就开始了采用应力吸收层防治反射裂缝的研究。1 9 7 5 年美国州 级公路i 一4 0 在a r i z o n a 和p i n t a - m e c a r r o l 的两段水泥路面改造中，采用s a m i 应力吸收层防止反射裂缝，加铺层结构为：s a m i 层+ 3 2 c m 沥青混凝土( a c ) + 1 3 e m 丌级配磨耗层( o g f c ) 。经过四年的使用，1 9 7 9 年调查显示，约有2 0 的横向接缝处出现了反射裂缝，但裂缝很小，平均只有l ，6 m m 。 1 9 7 9 年，美国m i n n e s o t a 州试验路，其中两段采用s a m i 应力吸收层防裂， s a m i 层上加铺层厚分别为3 8 c m 和2 0 c m 。1 9 8 4 年对试验路进行调查表明，s a m i 应力吸收层能有效防止反射裂缝的产生，且3 8 c m 加铺层的防裂效果要明显好于 2 0 e r a 厚加铺层。 ( 2 ) 土工类材料央层 0 第二章| u 水泥混凝十面板破碎稳嗣技术研究 金属网格、土工织物、土工格栅等都曾被作为央层材料，目前应用较多的是 土工织物和土工格栅，原材料主要由聚丙稀、玻璃纤维、尼龙和聚酯等，由于原 材料的差异，力学性能相差较大 加拿大多伦多市l e s t e rp e a r s o n 国际机场道面加铺时，采用玻纤格栅防止反 射裂缝，4 年后调查表明：道面反射裂缝减少了5 0 。1 9 7 3 年加拿大魁北克州 试验路上的无纺聚丙稀土工织物层防裂效果却不明显。其加铺层厚度为5 c m ，使 用四年后，出现了大量的反射裂缝，可能与魁北克州冬季严寒的气候有关。 1 9 7 4 年，美国达可他州( d a k o t a ) 铺筑试验路，研究无纺聚丙稀土工织物 ( n o n w o v e np o l y p r o p y l e n ef a b r i c ) 防治反射裂缝的效果。认为无纺聚丙烯土工织 物不仅能起到减少反射裂缝的作用，而且还能有效防止路表水下渗。经过三年的 使用，这种土工织物依然保持完好，增设土工织物路段的反射裂缝宽度比不设土 工织物的路段要小的多。 我国自八十年代末开始研究此技术。哈尔滨建筑工程学院道路研究所于 1 9 9 3 年7 月提出了塑料网格在柔性路面结构工程中的应用研究报告，报告 对室内外试验进行了详细阐述，并提出了施工工艺。长沙交通学院也对塑料格栅 进行了室内研究，提出了 - i - 工格栅对沥青路面抗车辙、抗开裂性能的试验研究 初步报告。 黄岩等人通过室内试验评价了玻璃纤维格栅、土工布、土工格栅等的夹层的 防裂效果，得到结论：土工央层材料对于由基层水平位移引起的张开型裂缝能起 到较好的防裂作用，而且玻璃纤维格栅的防裂效果要大于土工布、土工格栅；但 是，对于出基层竖向错位引起的剪切型反射裂缝，织物央层作用不明显。 1 9 9 9 年，青岛市香港路加铺改造中采用聚酯无纺土工布作为防裂措施，并 与其他路段进行对比，通车一年后采用土工佰失层的路段没有出现丌裂，而没有 采用土工布的路段不同程度的出现反射裂缝。 ( 3 ) 铺设级配碎石中间层、沥青碎石中间层 采用级配碎石或沥青碎石中问层防裂i 在国内外不少地区已有使用。沥青碎 石材料根据密实度分为三种：密级配、开级配及半丌级配。密实级配沥青碎石( 空 隙率小于1 0 ) 采用的集料最大公称粒径通常较大，又称为大粒径沥青碎石 ( l a r g es t o n ea s p h a l tm i x t u r e ，简称l s m ) ，其模量大、强度高，主要作为基层 第_ 二章i 水泥混凝十面板破碎稳州技术研究 使用。作为防治反射裂缝中间层使用的沥青碎石，一般采用空隙率大于1 0 的 半开级配或开级配( a s p h a l tm a c a d a m ，我国规范简称a m ) ，空隙率大，模量低， 具有一定的吸收应力、应变的能力，裂缝在其内部发展缓慢。 加拿大冬季寒冷，魁北克省和安大略省的试验路结果表明，级配碎石中间层 防止反射裂缝非常有效；地处温暖地带的澳大利亚和南非同样得到了这一结论。 2 0 0 0 年，吉林省长春市至辽源市的一级公路上分别采用沥青碎石联结层和级配 碎石联结层修筑试验路( 沥青面层厚l o c m ) ，裂缝观测显示沥青碎石防裂效果优 于级配碎石，级配碎石层裂缝率高，且裂缝增加速度有随通车时间增长的趋势， 局部还出现了面层疲劳产生的网裂。 但是国内外大量研究表明，采用以上这些措施是不能彻底消除反射裂缝的， 采用上述防范措施的目的只是控制开裂而不能消除开裂，所有的防反措施只是尽 量推迟产生早期裂缝的时间，以及一旦裂缝产生后，如何延缓其向上面层发展的 速度，从而达到延长其使用寿命的目的。 2 2 水泥混凝土路面破碎稳固的主要技术 为了彻底消除沥青加铺层的反射裂缝，获得性能良好、长寿命的沥青路面， 美国沥青协会( a i ) 和国家沥青路面研究中心( n a p a ) 在二十世纪八十年代初 期开始研究旧水泥混凝土路面的破碎和断裂技术，随之在九十年代初期提出了旧 水泥混凝土路面板块更为彻底的碎石化技术，并在各地逐步推广应用。 破碎后加铺沥青层的方法，即水泥混凝土路面破碎稳固加铺沥青层技术 ( c r a c k b r e a k 、s e a ta n dr u b b l i z a t i o n ) 是在旧水泥路面结构破坏严重，断板率较 高，出现大量错台、翻浆和角偶破坏时采用的一种原位利用水泥混凝土路面的技 术。该技术是指在旧水泥混凝土路面改造过程中，利用专用的水泥面板破碎设备 将旧水泥混凝土路面打碎、压稳后加铺沥青混凝土面层的一种施工方法。具体做 法是首先破碎旧水泥混凝土面层，使其成为3 0 1 0 0 c m 左右的碎块，然后用重 型压路机碾压数遍，使之稳定后加铺沥青混凝土。水泥板块尺寸减少大大降低了 温度变化时的收缩位移，从而降低了加铺层的拉应力，同时接缝和裂缝两侧的板 块由于尺寸减小，压实后与基层紧密接触，避免了脱空出现，故弯沉和弯沉差也 随之降低。因此。该技术不仅可以彻底解决加铺层的反射裂缝问题，而且具有经 济、实用、高效的特点。 第一二章水泥混凝十血板破碎稳同技术研究 美国早在二十世纪八十年代初就丌始了破碎稳固及碎石化技术的研究和应 用，并建立了在旧水泥混凝土路面破损严重时原位利用水泥混凝土路面的破碎稳 固与碎石化工艺及加铺沥青罩面层的技术。现在破碎旧水泥路面有多种处理方 法，其中主要包括冲击压实、打裂压稳、碎石化等技术。 2 2 1 冲击压实和打裂压稳技术 冲击压实和打裂压稳是上个世纪八十年代美国率先开发出来的旧水泥板破 碎加铺沥青混凝土面层技术。在八十年代中后期，美国沥青协会( a j ) 和国家沥 青路面研究中，0 ( n a p a ) 对冲击压实和打裂压稳技术进行了系统研究，并与1 9 9 3 年提出了冲击压实和打裂压稳技术的系统评价和设计指南m s 1 7 ( a i ) 和n a p a r e p o r t1 1 7 。 冲击压实主要采用四边形、五边形等重型冲击压路机，这是一种具有高冲击 能量的压实机械，其钢轮有三边、四边、五边和六边形等，压实轮有一系列交替 捧列的凸点和平整的冲击面。当钢轮滚动时，通过轮轴反复抬升和落下，对旧水 泥混凝土路面板间歇而有周期性的冲击作用，从而使其出现横向裂缝。随着重压 遍数的增加，横向裂缝逐渐增多并形成贯穿整个板体的网状裂缝，最终水泥混凝 土板被冲击破损成为5 0 e m 左右大小的网状碎块，其裂纹从上到下贯穿真个水泥 板，并且块与块之间形成嵌锁结构，从而为沥青混凝土面层提供了一个稳定、高 强度的基础。 冲击压路机在打裂旧水泥混凝土路面的同时，还将冲击影响到路基以下，能 检查出旧路面的薄弱部位，有效消除旧水泥混凝土路面板的脱空和加固地基的作 用。冲击压路机除了冲击压实的作用外，还有静力、搓揉、振夯的作用，比较适 用于面板破损严重且板下有软弱地基的情况。但是，出于冲击压路机对基础产生 强烈的冲击，可能破坏浅埋涵洞和路面下的管线设施，故在城市道路、桥涵密集 道路中的应用受到了限制。另外，冲击产生的振动波会对路边房屋、道路挡墙产 生不利的影响。引起的噪音和扬尘也应该给予考虑。 打裂压稳是利用专门设备将大吨位门刀式冲击锤提升到一定高度后自由落 体所产生的巨大冲击力将水泥混凝土面板横向打裂，并用胶轮压路机碾压使其稳 定，然后加铺沥青混凝土面层的一种旧水泥路面破碎改造技术。 打裂压稳采用的破损设备一般采用门刀式破碎机( g u i l l o t i n e d r o p h a m m e r ) ， 第一二帚水泥混凝十面板破研 稳| 卉| 技术研究 要求其锤重至少5 吨以上，以具备足够的能量使水泥混凝土板块在一次打击下就 产生全深度破碎。 打裂的质量控制，一般要求7 5 以上的面板不规则开裂，平均0 4 0 6 m 2 的范围内出现网状裂缝。对于打裂性裂缝的深度要求贯穿整个水泥板深度，扩散 性裂缝深度超过2 5 m m ，在打裂作业时严禁将基层振碎。 从本质上分析，两种技术的防反机理和施工工艺基本相同，其主要思想是通 过降低水泥板的有效尺寸，并通过压实后水泥板块或颗粒间相互嵌挤，避免水泥 板块底部脱空的存在，从而有效的降低温度因素引起的水平位移和荷载因素引起 的竖向位移，这样可以抑制或消除反射裂缝的产生。 f 7 7 j 式破碎机造成的水泥面板破碎开裂所产生的裂缝是极其细小的，产生的 水泥混凝土碎块不是通常所说的分离水泥混凝土颗粒，而是相互嵌挤的一种近似 整体的结构。因此，打裂压稳技术保留了原有水泥路面的绝大部分结构强度。但 是与冲击压实相比，其破碎尺寸相对较大，而且结构强度的变异性较大，因此从 控制反射裂缝的角度分析，冲击压实的效果要好于打裂压稳。 2 2 2 碎石化技术 自上世纪八十年代初期，美国开始研究和应用冲击压实和打裂压稳技术完成 旧水泥路面沥青混凝土加铺，各州修建了很多试验路并进行了路面性能测试。 1 9 8 9 年t h o m p s o n 和s c h u t z b a c h 发表了对冲击压实和打裂压稳技术的研究和评 价报告，但是认为这两种技术只是能延缓( d e l a y ) 而不能清除( e l i m i n a t e ) 反射 裂缝。 为了更有效的控制和消除反射裂缝，美国在上个世纪八十年代中后期开始研 究和应用碎石化技术。碎石化技术是通过对水泥旧混凝土路面进行比较彻底地破 碎从而有效地减少混凝土板的有效尺寸，充分降低水泥混凝土板接缝、裂缝处在 荷载、温度、湿度变化下的位移，从而有效地防止反射裂缝的产生。与冲击压实 和打裂压稳相比，碎石化技术对水泥板的破碎程度更为彻底，碎石化技术是在冲 击压实和打裂压稳技术上发展起来的一种更为彻底的水泥混凝土面板破碎技术， 其目的是将水泥混凝土面板较为均匀的破碎成为1 0 2 0 c m 的颗粒，并经过压实 稳定形成一种类似级配碎石结构的最大柔性基层，这样碎石化通过对旧水泥混凝 土路面进行均匀地冲击、破碎、压实，在损失一部分结构强度和整体性能的情况 4 第一二章水泥琨凝十血板破碎稳嗣技术研究 下，把水泥路面在温度、湿度、荷载作用下的位移降低到沥青混凝土面层可以允 许的范围内，从而从根本上解决沥青混凝土加铺层反射裂缝的问题。 为完成水泥混凝土板的彻底破碎，需要专门的破碎设备，目前用与水泥路面 碎石化处理的设备主要有两种：多锤头破碎机( m h b ) 和共振式破碎机( r m ) 。 m h b 碎石化技术专用破碎设备主要原理是利用设在自行式底盘后部的两排1 6 个不同质量的锤头，通过分别控制落锤高度来快速冲击破碎混凝土路面。工作时， 通过控制每个锤头的行程来改变冲击能量，以满足不同路面状况的破碎要求。 多锤头破碎机( m h b ) 的破碎原理与打裂压稳技术有所不同，多锤头破碎 机用打击点多、作用面积小，因此破碎尺寸较小。共振式破碎机( r m ) 与其他 方法的破碎原理不同，它是利用共振原理完成水泥板破碎，因此破碎效果更好， 因此对基层材料影响较小。 碎石化技术对基层、桥涵、管道等构造物影响较小，对地基承载力也比椭 压实和打裂压稳要求的低，同时多锤头破碎机( m h b ) 打击地面一次便可完成 路面破碎，施工效率较高。但是由于需要专门的破碎设备，破碎程度的增加一方 面需要更多的破碎能量，使破碎费用增加；另一方面也使原有的路面强度降低。 2 3 破碎稳固的关键技术 当前国内外对破碎稳固技术的研究重点主要集中在以下几个关键技术上： 2 3 1 破碎稳固技术的适用条件 对于各种破碎技术的适用条件需要考虑的主要因素有：旧水泥混凝土路面的 破损状况、地基条件和经济性。在采用破碎稳固技术时，必须对原有路面进行调 查与评价，确定破碎稳固技术是否适用，否则将造成加铺工程的失败或影响经济 性。但是各个地区的路面结构、地基条件、旧路面破损状况存在很大的差异，因 此确定各种破碎技术是否适用是十分困难、复杂的。 2 3 2 水泥板破碎尺寸的要求 破碎稳固技术的主要目的是对水泥混凝土路面进行均匀地冲击、破碎、压实， 减少原有混凝土路面板的平面尺寸，降低产生反射裂缝的单向温度应力，在损失 一部分结构强度和整体性的情况下，把水泥混凝土路面在温度、湿度变化和荷载 作用下的位移降低到沥青混凝土面层允许的范围内，从而减少反射裂缝的产生。 水泥板破碎尺寸过大，不利于控制反射裂缝：破砰尺寸太小又会造成结构强度的 第- 二章水泥混凝十面扳破碎稳州技术研究 过度丧失。因此确定旧水泥板破碎尺寸需要根据结构性和功能性两方面综合考 虑。 2 3 3 水泥路