（道路与铁道工程专业论文）沥青碎石封层技术的施工工艺与施工装备运用.pdf

摘要 对于旧路改建工程中，原水泥路面破坏严重的路段，采用碎石化技术，对原 路面进行破碎，使其成为柔性路面的基层，再加铺柔性面层。本论文主要是研究 碎石化后的路面，进行路面结构设计，面层材料的加铺以及施工工艺。 对碎石化后的低等级路面，对碎石化后路面的强度进行检测，通过检测确定 是否需要进行基层补强。然后选用同步沥青碎石封层技术，对碎石化后的路面进 行面层的加铺。从而实现对旧水泥路面的“刚改柔”。本论文叙述了同步碎石封层 技术的适用性，从路面结构材料的选择，到路面结构的加铺类型，重点分析了同 步沥青碎石封层路面的强度形成机理，和同步沥青碎石封层的施工工艺、压实机 理和同步沥青碎石封层的压实过程，最后对沥青碎石封层技术的施工机械进行了 机群的配置。为同步沥青碎石封层技术的使用和推广提供了一定的依据。 关键词：乳化沥青；沥青碎石；同步封层；施工工艺；压路机；机群配置 a bs t r a c t i nt h ec o n v e r s i o no ft h eo l dr o a d ，w h i c ht h ed e s t r u c t i o no ft h eo r i g i n a lc o n c r e t e r o a ds e c t i o n s ，u s i n gr u b b l et e c h n o l o g y , w h i c hb r o k e np a v e m e n to nt h eo r i g i n a , m a k i n g i taf l e x i b l ep a v e m e n to ft h eg r a s s - r o o t sl e v e l ，t h e np a v et h ef l e x i b l es u r f a c e t h i sp a p e r i st os t u d y , a f t e rt h eg r a v e lr o a dt op a v e m e n ts t r u c t u r a ld e s i g n t h ei n c r e a s ei ns u r f a c e m a t e r i a la n dc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g y t h el o w - g r a d er o a ds u r f a c ea f t e rt h er u b b l e ，d e m a n d ss t r e n g t ht e s t i n go nt h eg r a v e l r o a d ，t h r o u g ht e s t i n gt od e t e r m i n et h en e e df o rs t r e n g t h e n i n g t h e nc h o o s et h ea s p h a l t r u b b l es y n c h r o n i z a t i o nt e c h n o l o g y , o nt h eg r a v e lr o a da f t e rt h ei n c r e a s ei ns u r f a c et o p a v e d i no r d e rt oa c h i e v et h e o l dc e m e n tr o a d ”s o p h i eh a sj u s tc h a n g e d ”t h i sp a p e r d e s c r i b e st h ea p p l i c a b i l i t yo ft h es e a lg r a v e ls y n c h r o n o u st e c h n o l o g y ，f r o mt h ec h o i c e o fp a v e m e n tm a t e r i a l s ，p a v e m e n ts t r u c t u r et oi n c r e a s et h et y p eo fs h o p ，f o c u s i n go n a n a l y s i so ft h es y n c h r o n i z a t i o nl a y e ro fa s p h a l ts e a l e dr o a dg r a v e lf o r m a t i o nm e c h a n i s m o ft h es t r e n g t h ，a n ds y n c h r o n i z a t i o no fg r a v e la s p h a l ts e a l i n gl a y e rc o n s t r u c t i o np r o c e s s ， t h e r ea r er o l l e rs y n c h r o n i z a t i o nm e c h a n i s ma n dt h ec o m p a c t i o no fa s p h a l tc o m p a c t e d g r a v e ll a y e rc l o s u r ep r o c e s s f o rt h es i m u l t a n e o u sc l o s u r eo fa s p h a l tg r a v e ll a y e ra n d t h ep r o m o t i o no ft h eu s eo ft e c h n o l o g yt op r o v i d eac e r t a i nb a s i s k e y w o r d s ：e m u l s i f i e da s p h a l t ；a s p h a l tr u b b l e ；s y n c h r o n o u ss e a l ；c o n s t r u c t i o n t e c h n o l o g y ；r o a dr o l l e r ；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或撰写过的作品成果。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标明。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：花艳翮 日期： 细7 年夸月弓口日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 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：花髯厕 日期：沙罗年年月扣e l 指导教师签名：纱p 卜 日期：研年9 月、3 0 e l 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 k i 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。 学位论文作者签名：艳艳翮 日期：加d 7 年4 月弓。日 指导教师签名：j 尹7 手 日期：珈7 年伞肖3 oe l ， 芗 f 以 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的研究背景 水泥混凝土路面由于其强度高、扩散荷载能力强、稳定性好等优点，在公路建 设中得到了广泛的应用，特别是农村公路。近年来，早期修筑的水泥混凝土路面 大多到了或接近其使用寿命，加之随着重庆市农村经济的高速发展，车流量和轴 载的不断增加，水泥混凝土路面出现不同程度断板、错板、裂缝等结构性破坏， 严重影响了正常的交通运输。因此旧水泥路面的改造，已成为目前重庆农村公路 建设所面临的刻不容缓的任务川。 旧水泥路面的改造的方法有很多种，像薄层罩面，表面处治，在原水泥路面 直接加铺沥青混凝土等。国内外的研究结论及工程实践表明，合适的办法是将原 刚性路面变为柔性基础，并在其上铺设符合当地交通需求的柔性面层。通过路面 破碎能够使刚性面层转换成柔性基层，消除水泥混凝土路面内部应力，彻底防止 反射裂缝产生，是较好的路面改造方法。本课题组结合重庆地区农村公路水泥路 面改造的情况，对水泥路面进行破碎，使其再生，再加铺结构层，形成一种质高 价低的农村公路水泥路面改造方法一一沥青碎石封层技术。对于沥青碎石封层技 术，在我国使用还比较少，处于探索阶段，本课题主要研究沥青碎石封层技术的 施工工艺和施工装备的运用。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究状况 碎石化技术有其它破碎等技术不可比拟的优点，美国迄今为止已有一多半的 州作了总共大约2 0 0 个碎石化处理的项目。目前仍在不断研究和总结经验中。例如 爱荷华州政府建立了为期三年的1 1 u 2 0 0 4 年9 月结束的碎石化研究项目。当然美国也 有因为工程前期评估不足，不当地使用了这一技术，或因加铺层设计不当或施工 不当而造成的问题。例如密执安州对所作的碎石化处理项目进行了评估总结，有 大约4 7 - - - 6 7 的5 年新的碎石化处理沥青加铺层路面需要维修，有大约6 7 - - - 8 7 的5 年新的混凝土加铺层需要维修雎1 。 因此，可以看到随着破碎化改建技术在我国的进一步推广，还需要进一步加 强研究和效果观察，对其施工工艺设装备运用也有待研究，以达到质量和经济的 最优化。 根据碎石封层的类型、使用场合、施工季节、环保要求、施工习惯等，碎石 封层可以选择( 改性) 乳化沥青、稀释沥青、改性沥青、再生性乳化沥青等沥青结 合料，其中，乳化沥青和稀释沥青应用最为普遍。在大量应用碎石封层的国家和 2 第一章绪论 地区，如澳大利亚大部分采用稀释沥青作为结合料，欧洲大部分采用乳化沥青作 为结合料，美国既采用稀释沥青也采用乳化沥青。但是考虑到环保要求，稀释沥 青在不断被乳化沥青所取代。 同步沥青碎石封层技术在2 0 世纪5 0 年代发明于欧洲，最初是简易的沥青( 乳化 沥青) 撤布和人工铁锨散布0 一l o m m 碎石( 或河沙) ，以快速的修复路面龟裂、乏油、 麻面等路面早期病症的方法；随着科学技术的发展，在8 0 年代初期就具有机械化 程度较高的沥青洒布( 乳化沥青) 车和碎石撒布机，施工效率大大提高；但由于当 时材料发展的限制，该施工方法仅用于城乡路、乡村路的养护和修筑：经过8 0 年 代和9 0 年代材料科学技术的快速发展，特别是电子计算机技术推动下的机电一体 化技术及改性乳化沥青材料技术和设备的发展使得乳化沥青生产设备、沥青( 乳化 沥青) 洒布车和碎石撒布机的技术水平有了质的变化；致使该项施工工艺的施工质 量能够满足不同等级公路早期维修养护要求，由于该施工工艺快速、高效的优点 导致了该养护技术的迅速发展和推广，设备技术水平的不断提高。9 0 年代末期在 德国和美国同时出现了电子计算机控制的沥青( 乳化沥青) 洒布和碎石撒布一体化 的同步沥青碎石封层机和改性沥青( 乳化沥青) 生产设备；该同步沥青碎石封层设 备每个喷头的压力和流量都是独立控制，沥青( 乳化沥青) 的喷洒量和每平方米的 碎石撒布量在计算机的控制下随着汽车底盘的行驶速度自动调节，其误差与设定 值很小，其精度每个喷头可以达到5 9 m i n 、每平方米碎石撤布精度可以达到 1 ；由于改性沥青和改性乳化沥青的出现以及增强纤维的添加使得该施工工艺 适用于不同的等级路面养护和维修；现在，该技术在美国，欧洲及日本等国家得 到广泛地应用，各国均有多种型式的碎石封层设备n 1 。 1 2 2 国内研究状况 对于水泥路面特别是农村公路水泥路面的改造，比较有效的办法是将原刚性 路面变为柔性基础，并在其上铺设符合当地交通需求的柔性面层。铺设柔性面层 主要方法有：进行单层沥青石屑罩面；铺设沥青混凝土柔性结构层；对 已形成的柔性基层进行特殊处理后，加铺沥青碎石封层。伽 进行单层沥青石屑罩面其实质为一种预防性养护方法，主要对新建或改建公 路路面起封闭、防水和延长公路使用年限的作用。 铺设沥青混凝土柔性结构层，形成一种刚性基层与柔性面层的组合结构，可 以提高原路面的平整度和抗滑能力。工程的主要内容包括： 对原混凝土板块进行全面调查，包括断裂板块调查和脱空板块的实际弯 沉检测； 处理旧混凝土板块的病害，翻修多重断裂的板块；根据主点弯沉和差异弯 第一章绪论 3 沉两项指标判别脱空的板块，并对其进行稳固处理； 对混凝土板块的所有接缝及裂缝重新灌缝，并铺设防水材料进行防渗处 理： 加铺土工合成材料( 玻璃纤维格栅) ，防止加铺层产生反射裂缝； 加铺沥青混凝土面层。 但加铺沥青混凝土造价高，所需前期投资大；且抵抗反射裂缝的能力不足。 使用不久就会出现开裂，需要修复，造成浪费和不良的影响。 加铺沥青碎石封层技术则是对已形成的柔性基层进行特殊处理后，直接在稳 固的柔性基层基础上，喷洒沥青类结合料，随后立即撒布一定粒径的集料，经碾 压后，再次撒布一定粒径的集料，经再次碾压处理后的而形成柔性面层结构的一 种技术。水泥混凝土路面经过破碎一碾压一沥青碎石封层改造处理后，不仅可以 消除反射裂缝，还彻底解决原传统水泥路面改造出现的问题，是一种真正实现了 刚改柔且低造价的农村公路实施方案。下表1 1 为各国公路养护技术的使用对比 表。 5 】 表1 1 公路养护技术对比表 t a b1 1 c o m p a r a t i v et a b l eo fh i g h w a ym a i n t e n a n c et e c h n o l o g y 国家同步沥青碎粘结剂罩面冷拌和稀浆封层 其它 石封层技术 英国 7 5 1 0 1 5 0o 新西兰 6 5 2 5 01 0 0 一 法国6 0 1 5 2 0 3 2 德国5 9 2 0 1 7 3 1 西班牙 5 6 1 7 1 5 6 6 澳大利亚 5 5 1 9 5 1 0 1 1 荷兰 5 1 3 4 3 9 3 然而，对于沥青碎石封层这样一项新的技术，这里仅仅给我们提供了一种改 造我市农村水泥公路理想的方法思路。在具体的改造工程施工过程中，如何在水 泥路面破碎、碾压稳固后，加铺沥青碎石封层，所需考虑的问题具体包括原路面 破碎方式、压实稳固方式、柔性结构层设计、沥青碎石封层混合料的配比设计、 施工工艺以及检测方式等等。 由于我国的公路建设发展的比较晚，以及我国的公路材料技术和设备技术水 平与国外具有相当大的差距。我国上世纪七十年代以前，多采用层铺法修筑路面， 曾进口了一些碎石撒布机。1 9 7 8 年交通部公路研究所与交通部新津筑路机械厂联 4 第一章绪论 合研制出了s a 3 c 型白行式碎石撒布机，已广泛用于国内外公路工程；我国各省、 市、自治区交通系统的制造厂，也根据各自的条件和施工要求，研制过利用小型 翻斗车改造的小型自行式碎石撒布机，主要用于沥青路面的罩面养护；还研制过 可用于小规模道路施工与养护的后悬挂式和拖式碎石撒布机，但因设计技术水平 属国# b 5 0 年代的水平，机械传动结构繁杂、故障率高、撒布量不准确，且这些产 品多为自行生产与应用，并未形成批量生产的规模。我国的沥青( 乳化沥青) 洒布 车为直热式燃油加热，效率低、对环境污染大，粘油喷洒不均匀、雾化不好，其 设备的技术水平仅相当于国# b 6 0 年代的水平。8 0 年代以后，我国的碎石撒布( 封层) 技术基本处于停滞状态，碎石封层作为一种高效、经济的养护手段，没有得到应 用与重视。近几年来，由于改性沥青技术在我国的推广，采用胶体磨改性和乳化 的技术有了进一步的发展，但仅是将用于其他行业的胶体磨加以改良，其剪切率 低、材料不耐磨不耐腐蚀使用寿命短，施工的质量满足不了等级公路养护和建设 的要求；但是随着稀浆封层技术特别是改性乳化沥青稀浆封层技术日益广泛的应 用，同时引进了一定数量高性能的改性沥青( 乳化沥青) 生产设备，这就为高等级 公路的碎石封层养护提供了必要条件，碎石封层与稀浆封层相比，具有更大的灵 活性，效率更高，必将得到更为广泛的应用，开辟养护技术新的领域1 。 目前，同步沥青碎石封层技术在我国辽宁省、湖南省、山东省、江浙、安徽、 陕西、山西等地的高速公路下封层及国道、省道的建设中已经得到应用。我国辽 宁沈阳三鑫公路工程有限公司于2 0 0 2 年从法国赛格玛公司购进一台通用4 0 型同步 沥青碎石封层机，使用效果较好。由于这项技术优越的性能，许多公路建设部门 对他产生了浓厚的兴趣。但总的来说，由于这项技术在我国才刚刚开始得到应用， 许多施工工艺还没有完全掌握，更缺乏施工经验，在施工材料的研究上还处于空 白，在同步沥青碎石封层车的研究制造上刚开始，还有许多理论上和应用上的问 题没有掌握。鉴于该技术的施工工艺简单和经济性高的优点，还有待研究和发展。 1 3 研究的目的和意义 利用多锤头碎石化设备( m h b ) 对旧水泥混凝士路面碎石化后，可以直接作为新 路面结构的基层或底基层，如果旧水泥混凝土路面碎石化后具有较高的强度，能 够满足道路承载需求，可作为路面基层直接加铺路面面层，新加铺面层是沥青混 凝土路面，也可以是水泥混凝土路面。对于低等级公路，特别是农村水泥混凝土 路面的刚改柔改造，可以采取沥青碎石封层技术。 本课题是基于沥青碎石封层技术的农村水泥路面的改造、应用研究。该课题 研究的核心是将刚性面层改为柔性基层。刚改柔技术在国内外已经研究很多年了， 但大部分都是在原有的水泥路面上直接加铺沥青层，这种做法只能治标不能治本， 第一章绪论 5 只是表面上的刚改柔，并且原路面与新路面的联结处很容易出现病害。而本课题 是用m h b 碎石破碎机将原路面面板破碎，使其再生，然后再铺沥青碎石封层。这 样做既不用将废弃的原水泥混凝土凿除运走，也减少了以往白改黑工程中反射裂 缝的出现。减少了旧路改建的工程造价，也提高了路用性能。 本论文主要是研究破碎后路面加铺结构的施工工艺和施工装备的运用，为沥 青碎石封层技术的施工以及推广做一定的准备。 在路面施工过程中，压实是很重要的一个环节，涉及到多个机械和工序。在 论文中，针对沥青碎石封层技术的施工，讨论了压路机的压实过程与压实原理， 分析材料在不同类型压路机下的受力和运动情况。为以后在公路施工中，压路机 的选型及压实工作提供一个参考。 1 4 本课题的主要研究内容 本论文主要是通过农村水泥公路改造，白改黑工程的施工与检测，总结水泥 混凝土路面碎石化后加铺结构在实际施工中的施工工艺、施工组织和施工装备运 用，主要研究内容是： 在碎石化后的柔性基层之上，铺设沥青碎石封层的工艺过程与技术要求。 同步碎石封层与异步碎石封层的区别和适用范围。 同步沥青碎石封层作为面层，其强度形成机理。 同步沥青碎石封层的施工工艺原理。 同步沥青碎石封层施工工程中的机群配置与评价。 对沥青碎石铺层施工工艺在我市农村公路改造中的适用性进行评价。 1 5 本章小结 本章主要介绍了课题研究的背景，同步碎石封层技术在国内外的应用和发展现 状，以及该课题研究的主要内容和目的。 6 第二章加铺层结构及施工工艺简介 第二章加铺层结构及施工工艺简介 2 1 碎石化 2 1 1 碎石化技术简介 碎石化处理方法最早为美国亚拉巴马州交通局用来处理损害较重的混凝土路 面。该州已有3 0 0 0 余公里混凝土路面经由现场碎石化处理。目前美国有2 6 个州的 交通局制订了混凝土路面碎石化的规范。加拿大安大略省则从2 0 0 0 年开始逐步采 用该项技术处理混凝土路面。当年就在牛津郡作了两条长度分别为2 6 4 k m 和 1 4 2 a n 的路面o 。 碎石化技术原理是通过对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可以允许的范围内，从而彻底解决反射 裂缝，为加铺沥青混凝土路面提供坚实、安全的基础。 碎石化技术提供了一个非常柔性的基层结构，但破坏了混凝土路面板块的结 构性强度，所以加铺的沥青混凝土面层的铺层厚度要增加，一般在1 5 0 m m 以上， 否则路面会产生过多的纵向裂纹和车辙。过厚的沥青混凝土面层增加了重修道路 的成本，另外，道路的排水系统也需要重新考虑，但这种工艺相对重修道路的工 程成本还是较低的。美国使用该技术的州超过3 5 个，而且形成了初步的施工规范。 据有关资料显示该技术可延长路面使用寿命1 0 年以上，而且具有可比造价优势、 不必全封闭交通和有利于环保等特点。 碎石化的一般过程，是用现场移动式的单头共振式的破碎机，或者多锤头冲 击式破碎机将原有的混凝土路面面板打成碎块。 2 1 2 多锤头碎石化设备( m h b ) 多锤头冲击式破碎机如图2 1 所示，有1 2 个或1 6 个重锤两种，其原理是对设在 自行式底盘后部的两排不同质量的锤头，通过分别控制其落锤高度来快速冲击破 碎混凝土路面。施工时，一边行驶，一边破碎，行驶一遍即可解决混凝土路面的 破碎问题。每分钟冲击3 0 至3 5 次。行进速度0 - - - 8 k m h ，机器总重约2 2 t 至2 6 t 。行 走宽度每幅1mn 3 9 m 。对于钢筋混凝土路面，要求在加工后钢筋自动剥离。破 碎机的工作效率为每天处理大约1 6 o n 单车道的混凝土路面，或者每小时处理 2 0 0m 单车道混凝土路面睛】。 第二章加铺层结构及施i 艺简介 圈21m h b 多锤头破碎机 f j 9 2i 洲bm l l i t ih a m m e rc r u s h e r 213 碎石化技术的适用范围 碎石化政造技术在羹国应h j 的基本条件如下： 出现大量的接缝缺陷，如：锚台、翻浆和角隅破坏等导致超过2 0 的接缝 需要修补。 超过2 0 的板出现开裂。 超过2 0 的路面已被修补或需要修补。 碎石化改造技术的适用范围在美国一般采用表21 所示的判定方法。 表2 1 碎石化适用范围 t a b2l a g g r e g a t e so f t h es c o p eo fa p p l l c a t i o n 4 5 & 58 9 l 4 07 辩 躲i 硅： 5 ： 卜卜卜卜卜- _ l _ 卜l _ 厂_ 卜l _ 卜_ - 卜卜卜- _ _ 卜_ _ - 卜_ 卜卜_ l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l 堡i 窒匣i 畦i 建i 翌i 亘i 垦丝il l l l l l l l l l l l l l l l 趸越专与e 蛀匕l 匕e 匕l e l e l e l e l 匕l 匕l l l l l i 绝对不适合破碎及罩面e 域 厂 1 t 丁 镕基c 日r f 第二章加铺层结构及施工1 = 艺简介 一般来说，只要原路基加州承载比( c b r 值) 大于7 ，且水泥混凝土路面基层 与面层总厚度超过3 3 0 n ( 1 3 i n ) ，便可采用碎石化改造技术。 碎石化项目很少遇到不适合的地方，像路基材料损坏太厉害，不能承受破碎 路面的负荷的地区。这种情况主要是在积水较多的区域，地下水位较高路基积水 的路面，以及路基含有较湿的粘土和混入泥沙的粘土的地区。 2 14m h b 碎石化工艺 采用m h b 破碎机把原水泥混凝土破碎一遍； 采用z 型压路机( 2 0 2 5 吨) 将破碎后路面振动压实2 3 遍； 用钢轮压路机振动压实3 遍； 215m h b 碎石化施工工艺流程 垂巫亟h 堕堕 利用m h b 碎石化后的路面直【下图2 2 图22 碎石化后的路面 f i g22 a f t e rg r a v e lr o a d 21 6 碎石化后碎石化层的强度 第二章加铺层结构及施工工艺简介9 随着混凝土颗粒粒径沿深度方向的递增，可以近似地将碎石化层分为松散层、 碎石化层上部和碎石化层下部三个层次( 如图2 3 ) 。 松散层 稳 定 层 次 、厂、_ 卜稳定层顶 碎石化层上部 碎石化层下部 图2 。3 碎石化结构图 f i g2 3 g r a v e ll a y e r 松散层 松散层强度的形成原理类似于纯碎石材料，属于松散粒料材料。由于缺乏胶 结料，松散层是按嵌挤原则产生强度，它的抗剪强度主要决定于剪切面上的法向 应力和材料的内摩阻角。碎石化后洒布的沥青一定程度上增强了混凝土颗粒之间 的粘结力，但其更主要的作用是加强与下面稳定层次的联接，松散层仍按嵌挤的 原则形成强度。 稳定层顶面的约束将松散层的不稳定面上移，增强了其稳定性。松散层作为 一个薄弱层次，其厚度宜薄不宜厚。在进行碎石化施工时应调整m h b 机械运作参 数，在充分破碎旧水泥混凝土板块的前提下，不要施加冗余的破碎功，以免造成 过厚的松散层。 碎石化层上部 碎石化层上部颗粒间具有较大的预压应力，如果将其比拟为粘结力，则该层 结构强度的形成类似于沥青混凝土。不同之处在于，由于碎石化层上部内的混凝 土颗粒与该层层厚具有可比性，其结构强度已开始呈现出由微观向宏观的过渡。 英国的布朗教授提出，不同集料的公称最大粒径会显著影响沥青混合料的性 能，使用较大公称最大粒径的集料，在减少沥青用量的同时，能提高沥青混合料 的稳定性和抗滑性能。 国内道路工作者在利用三轴试验研究大粒径沥青混合料的过程中也发现，混 合料的内摩阻角缈值随粗集料的增加而增大，而由于集料比表面积降低，沥青用量 减少，粘结力c 有下降的趋势。 根据上述结论，碎石化层上部混凝土颗粒的粒径越大，则该层次的内摩阻角矽 1 0 第二章加铺层结构及施工工艺简介 越大；而混凝土颗粒的粒径越小，则膨胀产生的预压应力越大，也即粘结力c 越大。 从宏观的角度讲，颗粒粒径越小，则旧水泥混凝土板块结构强度降低越多，且过 小的颗粒粒径将使得碎石化层在不可避免的扰动面前显得脆弱。因此，在碎石化 施工中，应在保证碎石化层下部充分破碎的前提下，使上部混凝土颗粒粒径尽可 能的大。 碎石化层下部 碎石化层下部是由粒径小于3 7 5 c m 左右的混凝土块体组成的，由于块体很小， 该层次无法像原水泥混凝土路面板那样靠板体的挠曲来扩散荷载；由于连通裂缝的 存在，也不能像其上层次那样靠结构层的连续性来扩散荷载。连通裂缝是碎石化 层下部的不连续部位，使混凝土块体间不能传递弯拉应力。但块体间的嵌锁咬合 使连通裂缝产生了“拱效应”，从而具备传递剪力的可能。 破碎后的碎石化层的粒径至上而下递增，碎石化层上部的粒径稍微比下层要 小一些。破碎后的碎石化层由上而下粒径递增，结构比较稳定，压实时容易达到 所需的压实度和强度。为铺筑面层材料提供较好的条件。 表2 2 碎石化层结构层 t a b2 2 g r a v e ll a y e rs t r u c t u r eo fl a y e r 碎石化后分层厚度粒径 松散层2 - 5 c m7 5c m 碎石化层上部l o c m 左右2 2 5c m 碎石化层下部l o c m 左右 3 7 5c l l l 2 1 7 水泥路面碎石化后的功能定位和质量控制 应用m t t b 碎石化设备后的效果主要取决于破碎后的旧水泥混凝土板块的粒径， 所以对粒径的控制应成为质量控制的一项重要内容。从破碎后颗粒粒径来看，颗 粒粒径越大，其弹性模量表征的强度就越高；相反，粒径越小，其弹性模量越小。 在进行路面结构设计时，弹性模量和泊松比是表征破碎后结构层强度特性的参数， 如果破碎后弹性模量能达到较高的水平，则在设计时可以充分利用这一点达到减 小路面结构其它层次厚度的目的。 碎石化的根本目的是消除旧水泥混凝土板块可能的反射裂缝，而反射裂缝产 生的根本原因，从加铺层顶面与老路面的交界面上来看，主要是老路面结构顶面 在荷载作用下的沉降存在差异，也表现为强度上的差异，所以碎石化的根本目的 是使碎石化后顶面强度趋于均匀。在控制破碎程度时，应该以破碎后顶面强度的 第二章加铺层结构及施工工艺简介 1 1 均匀性来衡量，在此基础上再保证其强度尽量高。 我国刚性路面设计规范中对基层顶面当量回弹模量按可靠度设计表要求碎石 化后结构层作为新路面结构的基层，可参考这一可靠度标准取值。可靠度设计标准、 变异系数和可靠度系数分别见表2 3 、表2 4 和表2 5 所示n ”。 表2 3 可靠度设计标准表 t a b2 3 r e l i a b i l i t yd e s i g ns t a n d a r d st a b l e 公路技术等级高速公路一级公路二级公路三、四级公路 安全等级一级二级三级四级 目标可靠度 9 59 08 58 0 变异水平等级 低低一中中中一高 表2 4 变异系数表 t a b2 4c o e f f i c i e n to fv a r i a t i o nt a b l e j 变异系数等级低中高 基层顶面当量回弹模量 c v 0 2 50 2 5 c v 0 3 50 3 5 c v 0 5 5 注：c v - 以基层顶面当量回弹模量作为主要设计参数的变异系数， 表2 5 可靠度系数表 t a b 2 5r e l i a b i l i t yc o e f f i c i e n t st a b l e 目标可靠度( ) 变异水平等级 9 59 08 58 0 低 1 2 0 1 3 31 0 9 1 1 61 0 4 1 0 8 中1 3 3 1 5 0 1 1 6 1 2 31 0 8 1 1 31 0 4 1 0 7 高1 2 3 1 3 3 1 1 3 1 1 81 0 7 - - 1 1 1 因此，控制回弹模量的变异范围如变异系数。在计算路面结构时，破碎层顶 面上的当量回弹模量可以按下式计算： e t = 毋厂， ( 2 1 ) 其中： e t 一按可靠度方法折减后的旧水泥混凝土板块顶面破碎后的当量回弹模 量； 厨一根据表2 6 推荐值或试验段实测得到的顶面当量回弹模量平均值； 厂，一根据顶面当量回弹模量变异系数值查表确定的变异水平等级对应的 1 2 第二章加铺层结构及施工工艺简介 可靠度系数。 表2 6 碎石化后顶面的当量回弹模量推荐取值范围 t a b2 6 a g g r e g a t e st h et o ps u r f a c ea f t e rt h ee q u i v a l e n tr e s i l i e n t m o d u l u sr a n g er e c o m m e n d 水泥标号 3 2 54 2 5 顶面当量回弹模量 2 0 0 3 5 02 5 0 - 4 5 0 平均值( a ) 2 2 碎石化后路面加铺层的设计 2 2 1 路面结构方案选取原则与依据 经过碎石化处理后的原水泥混凝土路面，实际是将刚性路面变为了柔性基层， 与原水泥混凝土路面相比，它仍保留了原有路面的一定强度，但达不到行车荷载 的要求。 为了能够提供足够的强度，抵抗行车荷载的要求，可以采取两种方案达到要 求：一是在面层进行补强，一是在基层进行补强。在面层进行补强时，通过加铺 多层不同抗压模量的路面材料来提供足够的强度，以满足行车荷载的要求，如加 铺两层或三层沥青混凝土；在基层进行补强时，主要是通过加铺一定厚度的水稳 层来满足强度要求，然后再铺设面层，以提供安全、舒适的行车环境。对于以上 两种方案，从技术上讲都是可行的，都能达到规定要求，但造价相差较大，考虑 到成本问题，在实际运用中，通常是对基层进行补强，然后再铺设适合当地交通 量的面层。针对重庆市农村低造价公路的改造，由于资金的短缺，我们是在对基 层进行补强的基层上，去选择一种既能适应我市农村公路现阶段改造的低造价需 求，又要为适应今后交通量的增加和经济的发展。近年来，根据各地区经济发展 水平的不同，很多地方开始在低等级道路上铺筑单层沥青混凝土路面面层来改善 路用性能，取得了很好的效益，但还有很多经济欠发达的地区由于资金短缺，仍 以沥青表面处治等技术为主作为面层，为此，考虑到我市低造价农村公路的经济 性和适用性，可以考虑选用沥青碎石封层技术，加铺两层沥青碎石封层，实现刚 改柔。 2 2 2 沥青碎石封层的定义 所谓沥青碎石封层，就是使用粒径严格单一的石料，与有较大粘结度和稳定 性的结合料，利用同步碎石封层车，洒布在稳定的基层上，并碾压而形成的路面。 作为低等级道路的面层，为了更好的满足强度要求，通常采用二层式，各层石料 应互相搭配以能产生嵌挤作用，通常遵循下粗上细的原则。 第二章加铺层结构及施工工艺简介 1 3 2 2 3 沥青碎石封层结构层的设计 针对农村水泥路面改造，采取碎石化技术将原路面完全破碎后，应根据公路 等级和交通状况，合理选择和设计路面结构层，使其既可以满足行车荷载和结构 强度的要求，又能节省成本，满足农村现阶段水泥路面改造的要求。为此，经碎 石化处理后作为柔性基层的农村水泥路面改造，在采取沥青碎石封层技术的条件 下，提出以下几种典型路面结构组合方案n 2 1 ，如下图2 4 1 5 c m 沥青碎石上封层 1 5 c m 沥青碎石下封层 透层 4 c m 水泥砂浆找平层 现场碎石化旧水泥混凝土路面 旧路面基层 图( a ) 1 5 c m 沥青碎石上封层 1 5 c m 沥青碎石下封层 透层 二灰稳定集料 现场碎石化旧水泥混凝土路面 旧路面基层 1 5 c m 沥青碎石上封层 1 5 c m 沥青碎石下封层 透层 水泥稳定集料 现场碎石化旧水泥混凝土路面 旧路面基层 图( b ) 1 5 c m 沥青碎石上封层 1 5 c m 沥青碎石下封层 透层 水泥粉煤灰稳定集料 现场碎石化旧水泥混凝土路面 旧路面基层 图( c )图( d ) 图2 4 典型路面结构组合方案 f i 9 2 4t y p i c a lp a v e m e n ts t r u c t u r eo f t h ep o r t f o li os e c t i o n 2 2 4 典型路面结构组合设计方案适用性 经碎石化处理后的原有水泥混凝土路面，实际上是将刚性路面变为柔性基层， 而加铺沥青碎石封层技术则是对已形成的柔性基层进行特殊处理后，直接在稳固 的柔性基层基础上，利用同步碎石封层机将集料与沥青结合料洒布在稳定基层上， 并碾压而形成的路面。当处理后的柔性基层不能满足荷载和行车要求时，必须对 基层进行补强后加铺沥青碎石封层。为此，针对不同的道路等级和荷载要求，选 择一种适宜的路面结构组合方案，不仅可以满足结构强度要求和路用性能，而且 可以节省成本，提高投资效益。 1 4 第二章加铺层结构及施工工艺简介 由于碎石化后基层顶面当量回弹模量的大小与原有水泥混凝土路面所用水泥 强度等级有关，而顶面当量回弹模量的大小又与路面结构强度密切相关，故研究 分析并确定碎石化后基层顶面的当量回弹模量大小，对于路面结构组合方案至关 重要，此外，材料参数和结构尺寸等对路面的结构强度变异性也有一定影响。大 量研究表明，当原有水泥混凝土路面所用的水泥强度等级为3 2 5 时，碎石化后顶 面当量回弹模量平均值为2 0 0 一- - 3 5 0 m p a ；当原有水泥混凝土路面所用的水泥强度等 级为4 2 5 时，碎石化后顶面当量回弹模量平均值为2 5 0 一- - 4 5 0 m p a 。对于农村水泥混 凝土路面，当采用沥青碎石封层技术刚改柔时，应结合当地经济发展水平、交通 状况和行车荷载要求，合理选择图5 1 中典型路面结构组合方案。各方案适用范围 如下： 图2 4 ( a ) 中表示碎石化后基层强度完全满足行车荷载要求，只需对形成 的柔性基层进行稳固找平后，直接在稳固的柔性基层基础上加铺沥青碎石封层。 此方案的主要优点是成本较低，且路面完全实现了路面柔性化结构。找平层的作 用不仅稳固了基层结构，而且为加铺沥青碎石封层提供了一个相对较平整的基层 结构，增加了路面的平整度和集料分布的均匀性。由于采用碎石化后板块尺寸减 小，温度下降时混凝土块的收缩位移大大降低，使得加铺层的拉应力也相应降低， 这对减小反射裂缝是有利的，由于路面结构完全实现了柔性化，故产生反射裂缝 的可行性比其它三种方案低。但是，碎石化后形成的柔性基层与原水泥混凝土路 面相比，它只保留了原有路面的一定强度，在不进行基层补强的情况下形成的沥 青碎石封层路面，往往也达不到原有水泥混凝土路面的整体结构强度，故图2 4 ( a ) 所示路面结构组合方案通常只适用于车流量不大，荷载等级较低，且属于轻交通 等级的路面，一般只适用于四级及四级以下的农村水泥混凝土路面改造。 当碎石化后形成的柔性基层不能满足行车荷载的要求时，这就要求对基层 进行补强后加铺沥青碎石封层。对于农村水泥路面采取沥青碎石封层技术，在满 足低造价且补强的基层能够满足行车荷载的前提下，采用图2 4 ( b ) 、( c ) 、( d ) 是适宜的，通常适用于车流量相对较大，荷载等级相对较高，属于中、重交通的 情况，补强的基层厚度与公路等级、荷载大小和车流量有关，等级越高、荷载越 大，在适用年限内的累计轴次越多，补强的厚度越厚。对于农村水泥混凝土路面 的改造，一般是二级及二级以下的路面，故图2 4 ( b ) 、( c ) 、( d ) 适用在碎石化 基层强度不能满足要求，需要补强的农村二级及以下路面的改造上。由于三者在 补强时选用的基层材料不同，所以适用范围也略有不同。 水泥稳定类和二灰稳定类基层是我国典型的两种路面基层材料，他们都具有 良好的结构整体性和水稳性，且承载力高，刚度大等优点，故在我国公路建设中 得到了广泛的应用。近年来，为克服以上两种典型路面基层材料性能上的不足， 第二章加铺层结构及施工工艺简介 1 5 水泥粉煤灰路面基层材料开始得到推广应用，它不仅具有水泥稳定类和二灰稳定 类基层材料的优点，而且弥补了水泥稳定类和二灰稳定类基层材料的部分性能不 足，可以代替这两种材料用于路面基层的修筑。对于以上三种基层材料，我们除 了要考虑材料性能及适用性外，更应结合农村水泥路面改造的特点，在满足低造 价的同时，应因地制宜，就地取材，充分发挥当地的自然资源优势，从而带动经 济的可持续发展，使该技术得到广泛推广与应用。 基层补强时，三种基层材料的特点和适用范围。 1 ) 早期强度和抗裂性不同。水泥稳定类基层早期强度较高，后期强度随龄期 增长而增加，但抗裂性差；二灰稳定类材料基层早期强度低，后期强度和整体性 随龄期的增长而增加，且抗裂性较好；水泥粉煤灰路面基层材料早期强度高，抗 裂性好，并具有很强的抗冲刷性，且后期强度也随龄期增长而增加。故水泥稳定 类基层和水泥粉煤灰路面基层是一种适合多种工作环境的良好的结构，而二灰稳 定类基层由于其早期强度低、水稳性差、抗冲刷性差，严重影响了其施工进度与 路面的早期使用性能，其推广应用受到了一定的条件限制。 鼍。 2 ) 施工与养生条件不同。水泥稳定类基层施工工艺简单，机械化作业程度高， 可形成规范化流水作业，施工速度快，工期短、质量稳定，且施工受雨天影响小， 在碾压完成后立即开始养生；二灰稳定类基层施工工艺复杂，施工进度较慢，i 工 期较长，质量不易控制，且对季节的依赖性大，在碾压完成后第二天或第三天才 能开始养生；水泥粉煤灰路面基层施工机动灵活，通常不需要特别的生产工艺和 施工设备，施工速度和过程不如水泥稳定类基层那么快捷、紧凑，对季节的依赖 性也不如二灰稳定类基层那么大，在混合料最大干密度和含水较理想的情况下， 可以在施工碾压完后开始养生，当粉煤灰中含水较大时，应结合工程实际，宜在 施工后适当时间开始养生【l 引。 3 ) 材料来源和适用地区不同。水泥稳定类基层材料主要是水泥与碎石，不需 要任何特殊材料，在农村地区料源广泛，适用范围广；二灰稳定类基层材料主要 是石灰和粉煤灰，适合在工业比较发达的农村地区；水泥粉煤灰路面基层材料和 二灰稳定类基层材料一样，同样适合在工业比较发达的农村地区，因为他们都需 要大量利用工业废渣粉煤灰，是一种具有较好技术经济性和生态环境效益的路面 基层材料。对于工业不发达或没有工业的广大农村地区，采用带粉煤灰的基层材 料是不经济的，相反，可以因地制宜，就低取材，充分利用当地的碎石材料是适 合的。此外，对于二灰稳定类基层材料的石灰在运输、存放和消解过程中都会对 环境造成极大污染，故在采用二灰稳定类基层材料时更应综合评价其经济、社会 和环保利益，以便选取更适合本地区的农村路面基层材料。 4 ) 施工后基层易产生的主要裂缝不同。水泥稳定类基层材料在施工后由于材 1 6 第二章加铺层结构及施工工艺简介 料内部水分的蒸发而发生体积收缩或温度的降低而产生体积收缩，故在养护不及 时或洒水保湿不足时易出现干缩裂缝或温缩裂缝，因此，做好养护工作和各工序 的衔接，减少基层失水，使基层尽早达到设计强度是减少基层裂缝的重要保证； 二灰稳定类基层材料由于其固有的温缩和干缩特性，易使基层产生收缩裂缝，并 导致面层产生反射裂缝等；水泥粉煤灰路面基层材料与水泥稳定类基层材料一样， 易产生温度收缩和干燥收缩。因此，必须做好养护工作，控制好集料的含水量和 混合料的组成配比，从而减少收缩裂缝的产生和提高抗裂缝性能。 通过以上分析可知，当路面碎石化后基层强度能够满足结构强度和行车要求 时，可直接在其上加铺沥青碎石封层，主要适用于等级较低且交通量较轻的农村 低等级公路；当碎石化后基层强度不能满足结构强度和行车要求时，必须对基层 进行补强后加铺沥青碎石封层。为了节省成本和满足因地制宜，就地取材的要求， 水泥稳定类基层材料通常适用在工业欠发达的农村地区，而二灰稳定类和水泥粉 煤灰路面基层材料通常适用在粉煤