全深式冷再生技术在路面病害治理中的应用
2022-09-14周志涛
周志涛
(保定市交通运输局高碑店市养路工区,河北 保定 071000)
0 引言
在路面结构中,路面基层属于承重层,基层强度及质量对路面结构的使用性能和寿命起决定性作用。路面病害与基层质量存在必然联系。在我国各级公路中,水泥稳定碎石基层应用较多,该基层优势在于稳定性、耐久性好,且具有较高强度和承载力。但在行车荷载和自然因素的长期作用下,水泥稳定碎石基层病害问题严重。为有效处治这些病害,提出了全深式冷再生工艺,目前已在全国公路养护维修中得到了大力推广,其不仅可以提高废弃物的利用率,减少养护费用,还可以减少能耗,符合绿色、环保的发展理念。
1 工程概况
某省级公路主干道,通车运营多年,沥青路面老化严重,在车辆荷载和自然因素的影响下,路面出现了不同程度的病害,病害主要有龟裂、坑槽、车辙等,且伴有大量纵横裂缝,在重载作用下,基层已被破坏,经现场钻芯取样,无法完整取出芯样,表明当前路面基层强度下降或者已发生结构性破坏。根据公路养护技术标准要求,结合道路实际情况,决定采用水稳基层全深式冷再生技术对病害进行处治,对路面进行施工养护。
2 路面病害调查分析
为了掌握路面病害情况,采用人工检测法进行路面破损程度调查与分析,主要对调查路段中路面病害类型、病害面积、长度等进行测定。经实际调查,该段公路存在不同程度的龟裂、纵裂、横裂、坑槽、车辙、波浪、拥包、松散、沉陷等病害,按照公路技术状况评定标准相关规定,对路面破损状况进行评价分析,综合评价处于中、次等级,道路损坏程度严重,需要进行路面病害处理。经路面调查可知,该段公路为水稳基层,此类基层的刚度、强度较好,且成本低,在我国各级公路中得到了广泛应用。但通过大量实践表明,此类基层和沥青面层组成的路面结构属于强基薄面组合,这种路面结构形式极易出现反射裂缝等问题,在行车荷载与自然因素的长期作用下,路面结构失效现象普遍。针对工程病害情况,可以将主要病害成因归结为以下几点。
2.1 裂缝病害及成因
路表水下渗到面层和基层间时,在行车荷载作用下,极易产生动水压力,并裹着水稳基层材料不断冲击沥青面层,从而产生裂缝,当基层收缩变化明显的情况下,可形成反射裂缝,进一步破坏路面结构,则会出现严重病害,比如坑槽等。同时,当上部路面结构强度下降,或者车辆荷载过大,也会破坏下部结构,降低基层强度,甚至出现严重的网裂、松散病害。
2.2 坑槽病害及成因
雨水下渗过程中,由于路面结构中存有隔水层,会阻碍雨水向下部结构深入,这种情况下,雨水则滞留在面层处,且此处保留的水分不易蒸发,加上行车荷载的作用,将会加速沥青的剥蚀程度,产生水损坏、网裂等病害,若不及时处理,病害进一步发展,破坏程度加剧,形成坑槽。
2.3 车辙病害及成因
在工程病害调查中发现,车辙病害成因可以总结为两点,第一,该段公路交通量较大,且呈逐年增长的趋势,在高温条件下,道路行车压力加大,势必会产生车辙病害。第二,通车运营多年,由于使用时间较长,路面产生了不同程度的各种病害,大幅降低了混合料中沥青、集料间的黏结性能,进而产生车辙。
3 路面病害治理方案
结合上述分析,调查路段存在不同程度的病害,主要病害为裂缝、坑槽、车辙等。若不及时处理,病害持续加剧,将会导致路面结构强度失效,甚至形成恶性循环,最终影响下部结构强度,危害行车舒适性和安全性。为此,决定进行病害处治与养护维修。经多方讨论,针对路段采取相应措施,对上面层和下面层、基层进行合理处治。首先,铣刨去除上面层;然后,现场铣刨处理下面层、基层后,采取全深式冷再生方案进行处治;最后,根据路面破坏程度,在路面上部加铺沥青面层,厚度根据工程实际准确确定。
4 全深式冷再生技术的特点及机理
相比沥青路面就地冷再生,全深式冷再生主要用于基层材料再生,再生范围较大,可以满足公路深层再生的需求。目前来讲,在一般沥青路面面层再生中,处理深度最高可达到20cm左右,但全深式冷再生的处理深度较大,可超过40cm。作为一种新型就地冷再生工艺,全深式冷再生在我国公路养护维修中得到了大力推广,其特点如下。
(1)环保,污染小。作为一种新型冷再生工艺,全深式冷再生工艺更先进、更简单,同时更能满足节能、环保的发展理念。一方面,全深式冷再生可以充分利用旧路材料,解决了旧路废弃物处理的难题,旧料的再生利用,可以减少对自然环境的污染。另一方面,旧料的大量使用,减少了新料的用量,可以起到节约资源的目的。除此之外,该技术属于冷再生工艺,无需在高温下施工,同样可以减少能耗,降低污染。
(2)旧料利用率高,成本低。全深式冷再生工艺,可以实现旧路材料100%利用,即便是无法100%利用,也仅需添加少量新集料与稳定剂即可,这样可以大幅减少新料成本。据国内外相关实践经验可知,与传统方式相比,全深式冷再生施工成本基本上可以降低30%左右,由此可见,全深式冷再生工艺的经济效益良好。
(3)施工简单,施工效率高。在传统施工中,针对道路维修产生的旧料,需要及时运输到指定地点进行填埋处理,而全深式冷再生施工无需此过程,可以就地冷再生一次性完成施工,同时,无需购买新料。除此之外,相比传统厂拌再生技术,全深式冷再生机械化水平高,且具有较为成熟的旧料铣刨破碎技术,能够实现工艺简化的目的,进而可以提升整体施工效率。
5 混合料路用性能分析
为了保证水稳基层全深式冷再生混合料性能良好,需在确定配合比设计的基础上,针对不同水泥、旧料掺量进行试验,从而对其力学性能相关指标进行评价,并由此确定水泥与旧料最佳掺量,用于指导施工。
5.1 击实试验
在路面基层试验中,击实试验最为常见,通过该试验,可以获取不同配合比条件下混合料的最佳含水量以及最大干密度。在试验中,测试采用3种掺量的水泥,即5%,6%,7%;旧 料 同 样 采 取3种 掺 量,即70%,80%,90%。所得结果如表1所示。
表1 击实试验结果
通过试验分析可知:
(1)对于最佳含水量方面,当水泥掺量增加时,混合料的最佳含水量也会随之增加,当旧料掺量降低时,则会下降;
(2)对于最大干密度,当水泥掺量增加时,混合料最大干密度也会随之增加,但是,当旧料掺量降低时,混合料的密实度则会增加。
究其原因在于以下方面:
(1)当水泥量增加时,参与水泥水化反应的水量会有所增加,这种情况下,混合料的最佳含水量也会随之增加,说明水泥量的增长会强化胶结材料的能力,使混合料密实度增加,进而最大干密度提升;
(2)当混合料内掺加一定量新料后,会加大混合料内大粒径的比重,这样可以增加混合料骨架孔隙,但不易存留水分,将会降低最佳含水量,同时,与旧料相比,新料更密实,具有较大比重,因此,添加的新料越多,混合料的密实度越大。
5.2 无侧限抗压强度分析
在混合料路用性能检测时,可进行无侧限抗压强度试验,以了解混合料的物理力学性能。试验中,在养护期最后1d,在一定温度的恒温水箱内放置样品,放置时间为24h,并在万能试验机上,按照1mm/min的加载速率进行试件加载处理,并由此进行试件破坏过程中最大压力的记录。根据分析,在3种不同掺量70%,80%,90%旧料条件下,水泥掺量为5%,6%,7%时,进行7d无侧限抗压强度试验,结果如表2所示。
表2 7d无侧限抗压强度 单位:MPa
由表2可见,不同旧料用量下,当水泥掺量增加,混合料的无侧限抗压强度会呈上升趋势,尤其是水泥掺量由5%增加到6%的过程中,抗压强度增长较为明显。在确保强度的情况下,6%水泥掺量的应用,不仅可以满足道路再生施工要求,还能减少水泥用量,降低成本,具有良好的经济效益,为此,最终确定水泥掺量为6%。
为了确定旧料用量,决定对水泥掺量6%条件下的不同旧料用量进行试验分析,采用了7d、28d、90d不同龄期条件下的水泥稳定冷再生混合料无侧限抗压强度试验,最终结果如表3所示。
表3 水泥掺量6%条件下不同龄期抗压强度 单位:MPa
由表3可见,在水泥掺6%的条件下,3种不同旧料用量的混合料,在养护龄期由7d升至90d的过程中,混合料的无侧限抗压强度呈增长趋势。但3种旧料用量的增长幅度有所不同,其中旧料用量90%的混合料无侧限抗压强度增长幅度最大。在养护龄期7d时,旧料用量90%的混合料抗压强度在其他两种旧料用量混合料的抗压强度之下,但是当养护龄期达到28d及90d时,旧料用量90%的混合料无侧限抗压强度已经高于其他两种混合料。因此,在无侧限抗压强度试验中,认为选择水泥掺量6%、旧料用量90%的混合料较为理想。
6 水泥稳定基层冷再生施工要点
施工中,按照配合比设计要求进行材料的合理配制,随后根据既定的施工工序进行施工,具体施工要点如下。
6.1 混合料拌和
在确定冷再生设备及其各项参数的前提下,便可进行拌和施工。再生设备施工前,应提前撒布水泥稳定材料,合理控制撒布范围,整个环节可同时进行撒布与拌和施工,精确控制水泥用量,减少材料浪费。全深度冷再生工艺对交通影响小,可进行半幅封闭施工,为避免拌和不均匀,要求在3~5m/min内控制再生设备行驶速度。
6.2 混合料碾压
冷再生机达到了30t,再生料在此设备的碾压作用下,轮迹部位被碾压到了路面之外,其他部位碾压效果并不理想。因此,针对其他部位,可采取压路机进行整平碾压施工。在整个碾压施工环节,分为3个阶段。第一阶段:初压。采用双钢轮压路机施工,实行“静+振”的碾压组合法,并合理控制碾压速度,速度不宜过快。第二阶段:复压。复压与初压不同,可采用单钢轮压路机,碾压方式也改为振压方式,振动压实4遍后,再通过胶轮压路机进行碾压,碾压遍数为6遍,整体复压需10遍。第三阶段:终压。终压是最后一个碾压阶段,采取双钢轮压路机进行碾压,根据工程实际情况,进行2遍静压即可。在碾压施工中,初压后,为了保证路面能够平整,可以借助平地机进行整平处理,而复压结束后,便可检测路面压实度,保证能够达到设计要求。终压后,则需彻底消除明显轮迹,保证路面平整。
7 结语
综上所述,结合该省级公路段路况实际,找出病害原因,针对水稳基层提出了全深式冷再生病害处治方案,通过击实试验、无侧限抗压强度试验,确定了水泥掺量6%、旧料用量90%的配合比方案,该方案可充分利用旧料,降低养护成本,可为相关施工提供参考。