旧水泥混凝土路面碎石化后力学性能分析.pdf

公路 交通技术2 0 1 4年 8月 第4期T e c h n o l o g y o f H i g h w a y a n d T r a n s p o r t A u g 2 0 1 4 N o 4 旧水泥混凝土路面碎石化后力学性能分析 熊斌丹 ， 林钦 国 ， 吕勇衡 ( 1 中交四航局第一工程有限公司， 广州5 1 0 5 0 0 ； 2 重庆交通大学，重庆4 0 0 0 7 4 ) 摘要 ： 对旧水泥路 面共振破碎层分上层及 下层进行强度形成机理分析 ， 对破碎层 旧水泥路 面层及 其破碎 层进行 弯 沉测试和回弹模量测试， 并根据测试结果对旧水泥混凝土路面破碎层的力学性能进行分析。结果表明： 旧水泥混凝 土路 面整体 强度 虽然较好 ， 但 差异性很 大 ， 不利 于直接补 强和加铺新 的结构层 ； 共振破 碎后 的旧水 泥混凝土路 面整 体强度下降， 但均匀性很好 ， 呈现出柔性特征， 更有利于路面的补强和加铺， 从而可有效提高路面的使用品质。 关键词 ： 旧水泥路 面 ； 共振破碎 ； 破碎层 ； 力 学性能 文章编号： 1 0 0 9 6 4 7 7 2 0 1 4 ) 0 4 0 0 1 0 0 5 中图分类号： U 4 1 6 2 1 6 文献标识码： A An a l y s is f o r Me c h a n ic a I Pr o p e r t i e s o f 0I d Ce me n t Co n c r e t e P a v e me n t a f t e r Ru b b l i z a t i o n X I O N G B i n d a n ， L I N Q i n g u o 。 L V Y o n g h e n g Abs t r a c t：Th i s p a pe r a n a l y z e s me c h a n i s m o f s t r e n g t h f o r ma t i o n o n u p p e r a nd l o we r r e s o n a n c e b r e a k i n g l a y e r s o n o l d c e me n t p a v e me n t ， pe r f o r ms d e fle c t i o n t e s t a n d mo d u l u s r e s i l i e nc e t e s t f o r o l d c e me n t p a v e me n t c o u r s e a n d i t s b r e a k i n g l a y e r s a n d a n a l y z e s me c ha n i c a l p r o p e r t i e s o f t h e br e a k i n g l a y e r s o n o l d c e me nt c o nc r e t e p a v e me n t a c c o r d i n g t o t e s t r e s u l t s Th e r e s u l t s s h o w t h a t t h e i n t e g r a l s t r e n g t h o f o l d c e me nt c o n c r e t e p a v e me nt i s g o o d，b u t b i g d i f f e r e nc e e x i s t s，n o t f a v o r a bl e for d i r e c t s t r e n g t h e n i n g a n d o v e r l a y o f n e w s t r u c t u r e l a y e r ；t h e i n t e g r a l s t r e n gth o f o l d c e me n t c o n c r e t e p a v e me n t a f t e r r e s o n a n c e b r e a k i n g i n c r e a s e s，b u t t h e h o mo g e n e i t y i s v e r y g o o d a n d fle x i b l e f e a t ur e i s e x hi bi t e d，mo r e f a v o r a b l e for r e i n f o r c e me n t a n d o v e r l a y o f p a v e me n t S O a s t o i mp r o v e t h e s e r v i c e q u a l i t y o f p a v e me n t e f f e c t i v e l y Ke y wor ds：o l d c e me n t p a v e me n t ；r e s o n a n c e b r e a k i n g；br e a k i n g l a y e r ；me c h a n i c a l p r o p e r t y 水泥路面是我 国等级公路主要 的路 面形式之 一 。目前 ， 我国大多数旧水泥路面均达到 了设计年 限 ， 路面板破损严重 ， 因此需对其进行维修改造。对 于旧水泥路面的改造 ， 国内很 多工程选择了直接加 铺沥青 面层的方式 ， 此类方法的特点是 ： 在车辆和温 度荷载的共同作用下 ， 原水泥面板接缝和裂缝处易 发生相对位移， 使沥青面层出现反射裂缝， 影响路面 的使用 ， 而且还为养护工作带来麻烦 J 。因此 ， 这种 维修改造方式的应用具有一定的局限性。 通过对国内外旧水泥路面加铺沥青面层处理反 射裂缝问题 的调研 和分析 ， 对 旧水泥路面进行碎石 化处理是最有效 的措施之一 ， 其 中尤 以共振破碎技 术最具代表性。共振破碎技术 原理是通过共振 破碎机锤头发出的高频率振动波与水泥路面产生共 基金项 目： 重庆市科委科研项 目( C S T C 2 0 0 9 AC 6 0 8 2 ) 收稿 日期 ： 2 0 1 4 0 4 2 5 作者简介 ： 熊斌丹 ( 1 9 7 9 一 ) ， 男 ， 广东省梅州市人 ， 本科 ， 工程师 振作用 ， 使水泥板块破碎成分散的粒料体 ， 然后对其 碾压 ， 形成 “ 高强粒料基层 ” ， 从 而可将水泥混凝 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范围内， 以彻底解决反射裂缝。 本文通过分析共振破碎技术理论 ， 实地进行水 泥路面破碎试验 ， 提出破碎路面力学分析方法 ， 为水 泥路面维修改造的设计计算提供理论参考依据。 1 影响破碎层力学行为因素 利用共振破碎技术对水泥路 面进行改造 ， 使改 造后的路面既可以满足结构强度要求 ， 又能满足使 用功能要求 ； 既可以在结构性上防止 因承载力不足 而产生的病害， 又可以在功能上防止因反射裂缝而 引起的病害。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 2 公路交通技术 2 0 1 4丘 原因将达到 3 0 。 5 0 。 。据 王树森等人 的研究 ， 级 配碎石的内摩擦角为 3 5 。 4 0 。 。 为获取破碎层的抗剪强度， 引入下式 ： T=C +F f=c +o - t a n q 式中 ： 为破碎层抗剪强度 ； c 为破碎层粘聚力 ； F 为 总内摩阻力 ； o - 为破碎层材料剪切面上的法 向应力 ； 为破碎层材料的内摩擦角。 式中 和 c 具有如下特点。 1 )总内摩阻力 。 = F1 + F2 丁 A +下 h A 或 F =F l +F 2 =F 1 1 +F 1 2 +F 1 3 + ( 其中 F l = F 1 1 + F 1 2 + F 1 3 ) 式 中： 为机械作用产生 的阻力 ； F ： 为分子 吸附的 作用力 ； 为单位机械 的作用力 ； 为单位分 子的 作用力 ； A 为机械实 际作用 的面积 ； A 为分子作用 实际接触的面积。 ( 1 )机械作用阻力 F 。 一些破碎颗粒陷入其它颗粒之间的缝隙处， 宏观嵌入而产生的宏观咬合力 F 当颗粒受剪切应力作用， 剪切面上的颗粒之 间会产生相对滑动的趋势 ， 因而产生滑动摩 阻力和 附着力 ， 称为微观咬合力 F 破碎层在受剪过程中， 破碎颗粒逐步稳定， 颗粒之间在相互碰挤过程中重新排列 ， 在此过程所 形成的强度 ， 研究定义为挤破重新排列分力 F ( 2 )分子吸附作用力 F ： 。 由于分子之间相互吸引而在颗粒问的接触面上 产生阻力 ， 吸附作用力 大小主要影响因子包括接触 面积以及时间长短。 2 )粘聚力 C 。 粘聚力为破碎颗粒本身 的吸引力， 由于数值较 小 ， 在计算过程中容易被忽略。 破碎层颗粒具有不规则 的形状和尺寸 ， 颗粒之 间往往 以点或者平 面的形式接触 ， 实际接触面积小 于 2个颗粒接触表面的面积 ， 因此水泥路面破碎层 中内摩 阻力 以 F 为主r 。 2 2破碎层下层强度形成机理 破碎层下层强度与上层强度具有相同的形成机 理， 但下层由于粒径较大， 强度的构成还包含颗粒间 相互嵌锁形成拱效应所产生 的强度 ， 此为上层强度 所缺 。 试验 中， 利用标 准荷 载 B Z Z 一 1 0 0进行加载 ， 荷 载作用 当量 圆的直径为 2 1 3 c m， 当荷载应 力传递 到破碎层下层顶面时， 在加铺沥青层与破碎层上层 的扩散作用下 ， 作用在破碎层下层的荷载应力圆的 直径应远大于2 1 3 c m， 如图5所示 。在荷载作用下 产生弯沉时 ， 受荷块体将发生微小转动， 产生水平方 向的挤压力 ， 因为水平方 向的挤压力和碎石块间的 竖 向相对移动趋势 ， 使块体间的接触面上产生竖向 摩擦力 ， 提升了碎块之间竖向抗剪强度 J 。 由于破碎层下层碎块的嵌挤 ， 使其产生一定的 拱效应 ， 致使水平挤压力较为显著。如图 6所示 ， 在 荷载 P的作用下 ， 破碎层下层表面上某点 A发生微 小 的位移后至 A 点 ， 产生 的弯沉 A h ， 则碎块 的侧 向压缩量 为 L=Ah s i n c Ah 式中： L为侧 向变形 ； h h为竖 向变形 ； 为近似拱 线的水平夹角。 侧向变形 必然受到相邻碎石块体 的限制而 产生侧向挤压力 ， 拱度越 大或在一定荷载范围内的 荷载越大， 就越大 ， 相应 的侧向力也就越大。因 此 ， 破碎层下层具有明显的 “ 拱效应” ， 即能将 竖 向 压力变为水平推力 ， 从而扩散荷载 。 3水泥路面破碎前后力学性能对比分析 本文依托某城市主干道路面改造工程对水泥混 凝土路面共振破碎前后的路面回弹弯沉和回弹模量 等力学性能参数进行了测试 ， 并根据结果 的统计和 分析来考察路面性能的变化 ， 测试路段双向 6车道 ， 长约 6 0 m。 3 1 破碎前后回弹弯沉对比分析 图5 破碎层荷载传递示意 荷 载P 图 6 碎块 间的拱效应示意 A l= A h I 大样图 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 4年第 4期 熊斌丹， 等： 旧水泥混凝土路 面碎石化后力学性能分析 1 3 弯沉检测是 目前比较常用的测量路面强度的技 术手段 ， 旨在考察旧水泥路面 的承载能力。弯沉测 试常用方法有贝克曼梁法、 落锤式弯沉仪法、 自动弯 沉仪法 、 激光弯沉仪法等。 本测试路段弯沉检测均采用贝克曼梁法， 弯沉 梁长为 5 4 r n ， 弯沉测定用的车参数如表 1所示。 表 1 弯 沉荷载标 准参数 参数 标准值 后轴标准轴载 k N 侧双轮荷载 k N 单轮传压面当量圆直径 e m 轮胎充气压力 MP a 轮隙宽度 1 0 0 +_1 5 00 5 2 1 3 0 + 0 5 0 7 0+0 0 5 满足能 自由插入弯沉测头 检测要求 为使路面检测具有可比性， 首先需对路面布点， 分别确定各点的坐标和高程 。现场布点在每块板上 以水泥面板板边距 边缘 2 0 c m作为测量基点 ， 按 5 m等间距布置 ， 纵 向共布置 1 9个断面 ， 横 向共 布置 1 1 个断面， 合计共布置 2 0 9个点。荷载车辆的左、 右后轮压在试验段的定位点上 ， 进行定点的弯沉测 试。测试完毕后 对 旧水 泥路面进行破碎并压实后 ， 按照破碎前的检测点 的坐标 ， 恢复以前的点位 ， 进而 测试破碎层的弯沉值 。 破碎前及破碎后弯沉检测试验结果如表 2所示。 由表2 数据可以看出， 破碎前旧水泥混凝土路 面板的弯沉值都较小， 最大弯沉仅6 8 ( 0 O 1 m m ) ， 代 表弯沉值是3 3 3 5 ( 0 0 1 m m) ， 由此表明， 破碎前测 试路段路面整体 强度较 好。但 弯沉值 波动都 比较 大 ， 左 幅 和 右 幅弯 沉 的 变 异 系数 分 别 为 0 8 4和 0 6 9 ， 表 明水泥混凝土路面板之间强度差异性较大 ， 不同板块的破损程度是不均匀的。 通过对试 验路段破 碎前后路面 的弯沉检 测试 验 ， 可得到以下结论 。 1 )测试路段路面破碎前整体强度较好 ， 但路面 状况较差 ， 各车道 、 各板块 的破损程度不均匀 ， 导致 弯沉值 的变异系数大。 2 )破碎后 ， 旧水泥路面破碎层 的弯沉值 比破碎 前的弯沉值要大 ， 是破碎前 的2倍左右。 3 )破碎后 ， 破碎层测得的弯沉变异系数 比破碎 前减小了2倍左右， 这是因为破碎后路面整体性改 变所致。 3 2 破碎前后回弹模量对 比分析 回弹模量测试采用承载板法。承载板法是通过对 路面逐级加载、 卸载 ， 分别测 出每级荷载下对应的回 弹变形值， 然后通过计算， 求得路面结构层的整体回 弹模量， 以进一步分析路面的刚度和抵抗变形的能力。 破碎前后 回弹模量检测结果如表 3所示。 从表 3可以看 出， 旧水泥混凝土面板破碎前 回 弹模量较高但均匀性很差 ， 强度差异性很大 。经过 破碎后 ， 破碎层的回弹模量大幅度降低 ， 最大值 只有 3 4 6 7 M P a ， 只有破碎前的2 0 左右， 由此说明破碎 后 的旧水泥路面强度特征 由刚性变为柔性了。破碎 后， 变异系数降低了4 倍多， 说明破碎后路面的抵抗 变形能力明显提高 。 4 结 论 1 )旧水泥路面破碎前的整体强度较好， 但是差 异性较大 ， 强度均匀性较差 ； 破碎后强度均匀性显著 改善。 表 2 破碎前后水 泥混凝土路面弯沉值对 比分析 日 水泥路面状态 方位弯沉检测点数 最大弯沉值 ( o 0 l m m)最小弯沉值 ( 0 0 1 m m)代表弯沉值 ( 0 0 1 m m)变异系数 ( 下转第 1 8页) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 8 公路交通技术 2 0 1 4丘 一 襄 0 0 o O 0 0 O o o O 0 0 oo O 0 0 0 0 o 0 0 组合 1 组合2 组合 3 组合4 组合5 铺装结构 图5 不同结构组合下路面车辙试验结果 均较强。另外 ， 分析发现 ， 其它 4种组合的车辙试验 结果与 A P A试验结果所表征 的抗变形能力基本吻 合 ， 组合 3例外 ， 这可能与组合 3上下 2层混合料类 型相 同以及试验误差有关 。 从 A P A试验与车辙试验结果分析看， 5种 S MA 双层结构都表现出较好的抗高温变形性能， 其中桥 面铺装组合 1 和组合 2的抗车辙性能更好。本次研 究发现 ， 桥面铺装层的结构设计应与一般路面有所 区别 ， 不能按照一般理解进行设计 ， 且设计时应单独 进行结构组合 的试验验证 ， 以保证结构层抗高温变 形能力最大化 。 4结论 本文针对水泥混凝土桥面铺装 ， 通过 A P A试验 和车辙试验 ， 研究了双层 S M A不同组合结构的抗高 温变形性能 ， 得到以下结论。 1 )双层铺装结构 的桥面抗高温变形性能与双 层结构组合方式 密切相关 ， 单层混合料动稳定度大 的组合在一起 ， 结构层整体抗变形性能不一定强； 而 上面层混合料动稳定度稍弱的与下面层动稳定大的 组合在一起 ， 结构层整体抗变形性能反而可能较强。 2 )在双层 S MA组合 中， 组合 1与组合 2的抗 高温变形能力相对较强 ， 实际工程 中可优先考虑。 参 考 文 献 胡伟， 钱伟斌 桥面铺装双层 S MA混合料设计与施 工控制 J 城市道桥与防洪 ， 2 0 0 8 ( 6 ) ： 8 5 8 8 周艳， 李佩林 双层 S MA钢桥面铺装复合梁疲劳试 验研究 J 公路与汽运 ， 2 0 1 3 ( 3 ) ： 1 8 1 1 8 5 高博， 王俏 ， 王 民， 等 国内外典型桥面铺装组 合结构性能研究 J 公路交通技术， 2 0 1 1 ( 2 ) ： 4 3 4 7 于颖 水泥混凝土桥桥面铺装受力机理分析 D 重 庆 ： 重庆交通 大学 ， 2 0 0 8 陈研， 陆凯华 水泥混凝土桥双层 S M A桥面铺装关 键施工工艺 J 山西建筑， 2 0 1 0 ( 1 0 ) ： 3 0 1 3 0 2 肖明亮， 花红桂 双层 S MA路面在赛果高速公路中的 应用 J 现代交通技术， 2 0 1 3 ( 4 ) ： 8 - 1 1 李玉龙， 陈辉强 沥青砂胶缓冲层在双层 S MA钢桥面铺 装体系中的应用研究 J 公路交通技术， 2 0 0 5 ( 5 ) ： 8 1 8 5 倪松 双层 S MA 一 1 3 S型沥青路面施工 J 山西建 筑 ， 2 0 0 9 ( 1 5 ) ： 1 4 5 1 4 7 ( 上接第 1 3页) 2 )破碎后 旧水泥混凝土路面 回弹模量 只有破 9 3 8 9 4 2 碎前 的 2 0 ， 破 碎后 路面强 度特征 由刚性 变为柔 4 邵小明， 杜涛 共振破碎技术在旧水泥混凝土路面 性 。 改造中应用 J 山西建筑， 2 0 1 0 ( 2 4 ) ： 2 9 4 2 9 5 3 )破碎后旧水泥混凝土路面 回弹弯沉 和回弹 5 刘金福 “ 白改黑” 路面改造中共振破碎施工工艺研究 苎 的 变 是 竺 呈 6 混2 0 凝1 4 土,3 9路 ( 1面 ) 共： 16振0 -碎 1 6石4 化 及 沥 青 加 铺 技 前 的 5 和 2 4 ，说 明 对 旧 水 泥 路 面 进 行 破 碎 处 理 j _ ” 一 可 以有效减少不 同板块之间的强度差异性 ， 使其趋 7 王树森 ，王哲人 高等级公路沥青路面柔性 ( 级配碎 于稳定和均匀 ， 更利 于路面改造中实施补强层和加 石) 基层的研究 R 长春： 吉林省交通厅， 2 0 0 2 参 考 文 献 9 罗青海 共振破碎改造I H 水泥混凝土路面机理及效应 【 1 范秀辉 冲击式压路机的应用现状与前景展望 J 石 研究 D 重庆： 重庆交通大学， 2 0 1 1 家庄铁道学院学报， 2 0 0 3 ( S 1 ) ： 1 3 1 1 3 3 1 0 陈敏 橡胶沥青在“ 白改黑” 项 目中的应用 C 1 1 全 2 王学营 基于高频低振幅共振破碎技术的路面结构力 国城市公路学会第二十二次学术年会论文集 武汉 ： j一 j 1 j l一一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m