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共振碎石化技术--旧水泥混凝土路面改造中的“扛把子”

共振碎石化技术--旧水泥混凝土路面改造中的“扛把子”

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【摘要】:
随着社会的发展,人们经济水平的提高,人们对道路舒适性的要求也越来越高,而旧水泥混凝土路面在交通荷载和各种自然因素综合作用下,出现了各种结构性损坏,道路服务水平下降,严重影响了行车的安全与舒适性,目前常用的解决方法一般是修复或加铺:在旧水泥混凝土路面之上直接加铺沥青混凝土,即“白加黑”;把旧路面经过处理后作为下卧层再铺筑沥青混凝土,即 “白改黑”。

    随着社会的发展,人们经济水平的提高,人们对道路舒适性的要求也越来越高,而旧水泥混凝土路面在交通荷载和各种自然因素综合作用下,出现了各种结构性损坏,道路服务水平下降,严重影响了行车的安全与舒适性,目前常用的解决方法一般是修复或加铺:在旧水泥混凝土路面之上直接加铺沥青混凝土,即“白加黑”;把旧路面经过处理后作为下卧层再铺筑沥青混凝土,即 “白改黑”。
    “白加黑”、“白改黑”的最大问题是反射裂缝。国内外研究表明,针对该问题目前较成功的做法是采用旧水泥混凝土路面碎石化技术。该技术是将水泥混凝土的面板,通过专用设备一次性破碎为碎块柔性结构,因破碎后颗粒粒径小,力学模式更趋于级配碎石,因而将其命名为碎石化。   
    碎石化技术根据破碎原理和施工机械的不同分为两类:共振碎石化(RPB或RFB,Resonant Pavement Breaker或Resonant Frequency Breaker)和多锤头碎石化(MHB,Multi-Head Breaker)。但是由于多锤头碎石化在控制反射裂缝方面并不十分明显;而共振碎石化技术用于板块完整性与结构性较差的水泥混凝土路面破碎,它将混凝土板破碎成高强粒料层,是目前最有效地解决反射裂缝的破碎技术。 

 

    共振碎石化机理:
    共振破碎机通过振动体带动工作锤头振动,锤头与路面接触,通过调节锤头的振动频率,使其接近水泥混凝土面板的固有频率,引起水泥混凝土面板在锤头下局部范围内产生共振,使混凝土内部颗粒间的内有摩擦阻力迅速减小而崩溃,即可将水泥混凝土面板击碎。
    水泥混凝土路面碎石化后颗粒相互水泥混凝土路面碎石化后颗粒相互啮合嵌挤,破碎裂缝多与水平向成30°-45°,即基本沿最大剪切面破裂,这种角度破裂可获得比垂直破裂更大的模量,可将荷载分散到更大的区域内。同时,由于路基材料和水泥混凝土面板材料的差异较大,因此自有频率差异也较大,所以路基不会与混凝土面板产生共振,进而高频低幅的共振冲击破碎不会影响基层的完整性和结构承载力。 

 

    碎石化层特点:
    碎石化层具备较高的抗压、抗剪切强度,但不具备受拉能力,故不传递裂缝尖端处较大的拉应力或拉应变。碎石化层可看成由上下两层组成:上层基本属于散粒体,类似于级配碎石材料;下层粒径较大,嵌锁良好,使碎石层下部形成“裂而不碎、契合良好、联锁咬合”的板体结构,具有良好的“拱效应”,能将竖向压力变为水平推力,利于减小或者消除发射裂缝的发生可能性。
    碎石化层下层的板体结构具有一定的隔温湿作用,降低了湿度对半刚性基层的影响,使半刚性基层的胀缩减小,为道路基层的稳定性提供了条件;碎石化层上层的透水性较好,旧水混凝土路面的改造完成后,碎石化层能起到排水基层作用,渗入路面内部的雨水,可从安置的路面边缘排水系统中排出,也可从碎石化层直接排向路堤边坡(针对路堤段),从而消除了半刚性基层的冲刷和唧泥问题。
 

 
    碎石化工艺的影响因素
    碎石化道路加铺设计,最终要使加铺层既满足结构性要求,又需满足功能性要求。功能性病害可能会因反射裂缝的产生而出现;结构性病害可能因结构承载能力的不足而出现。要阻止反射裂缝的产生,要求碎块尺寸减小到足够小,以致旧路接裂缝处产生的位移不足以使得今后对应的加铺层层底的拉应力或剪应力过大;而旧板碎石化程度越充分,则碎石化层有效模量越低,旧路承载能力丧失也越大。
    因此,旧水泥混凝土碎石化后的尺寸大小很重要,存在一个适合的范围,要满足加铺路面结构性和功能性两方面的要求。根据NAPA IS-117以及AI MS-17的建议,碎石化层最佳碎石化粒径为2.5~20cm。
    同时,碎石化层的性能还与粒径的形状和级配有关。但碎石化工艺及质量控制,直接决定了碎石层粒径大小、形状、级配组成、碎石化层模量;而碎石化的碾压工艺及质量控制,直接决定了碎石化层的压实度。因此,碎石化路面的成功,与其施工工艺密切相关。 

 

    共振碎石化施工要点:
  1、提前设置排水系统
    必须在共振碎石化施工前安装或更换排水系统。因为碎石化层是致密的半刚性基层,如果不提前设置排水系统,在施工过程中或者运营过程中的雨水会滞留于破碎层,对整个道路的性能产生严重影响。
    2、试振,开挖检测坑 
    在正式进行共振碎石化施工前,需要选取100~300m的路段作为试振区,宽度为单向或双向路幅宽,再于试振区中央部位选取3个左右1.2m2的检测坑。这是为了检查破碎粒径分布情况以及均匀程度,以确定破碎机施工参数以及施工组织措施。共振碎石化破碎粒径宜小于15cm,个别碎块不能超过20cm,主要碎块粒径2.5~7.5cm。 
    3、共振碎石化施工
    共振碎石化施工施工前,应对破碎车道路表洒水,以防止破碎时扬尘,污染环境。按照先外侧车道及路肩,后内侧车道的顺序,每次间隔20cm进行往返破碎。同时,两幅破碎操作面要保证15cm左右的施工搭接宽度。
    4、碾压
    采用共振碎石化技术破碎的水泥混凝土,后期碾压较为简单。先清除碎石层表面大于20cm的碎石块,再洒水浸湿,以增加压实效果,再用钢轮振动压路机来回碾压3-4次,碾压速度≤1.8m/s。对于碾压过程中产生的局部凹处,直接用级配碎石回填吧并压实;对于破碎及碾压中判定为地基软弱带,通常从碎石化层一直到垫层材料全部挖除,并用碎石基层材料回填并压实。 
    5、其他要点
    碎石化层顶面不允许通行交通,沥青加铺层与碎石化层之间可涂洒粘层油。 


    共振碎石化技术能彻底消除反射裂缝,不破坏原路基结构的完整性,同时施工迅速,不产生废弃材料,目前已广泛应用于全国各地的路面改造施工中。