凯发官网地址 鑿毛臺車在復合式路面界面處治中的應用研究

復合式瀝青路面層間粘結效果不佳是其主要病害形式之一。文中依托南渝 (南充—重慶) 高速公路, 采用鑿毛臺車, 對試驗路段水泥砼基面進行噴砂打毛和鑿毛臺車鑿毛處理, 處理后測試水泥砼基面的露骨率、構造深度及擺式摩擦系數, 并用剪切儀、拉拔儀測試復合式路面層間剪切和拉拔強度, 最后對兩種界面處理方法的經濟效益進行對比分析。結果表明, 鑿毛臺車處理的鑿毛界面露骨率在85%以上, 構造深度為1.17mm, 剪切強度為0.8 MPa, 拉拔強度為0.54 MPa, 均高于噴砂處理界面;擺式摩擦系數不能用于評價水泥砼界面處理效果;鑿毛法能有效除去表面浮塵, 增加界面粗糙度, 增強層間粘結效果, 具有較好的打毛效果和經濟性能。

水泥砼與瀝青混合料之間的粘結效果不佳, 會導致在外力作用下應力與變形的不連續, 造成鋪裝層的抗剪強度不足, 是橋梁路段、“白+黑”等復合式路面擁包推移及唧漿等病害的形成原因之一。近年來, 四川高速公路的修筑主要集中在甘孜等川西山區, 如雅康 (雅安—康定) 、汶馬 (汶川—馬爾康) 等高速公路多以橋梁、隧道為主, 層間處理方式和防水粘結層材料選擇是提高復合式路面層間粘結的重要途徑。該文在介紹不同界面處治方法的基礎上, 對鑿毛臺車和常用界面處治方法噴砂打毛法進行對比分析, 測試試驗路段兩種界面的處治效果和層間粘結效果, 并對兩種界面的經濟效益進行分析。

1 界面糙化方式介紹

1.1 不同界面處治方式概述

目前, 四川省常用的水泥砼界面處治方式為噴砂打毛, 防水粘結層采用聚合物反應型防水粘結涂料。另外, 精銑刨、人工拉毛、高壓水噴射和露石劑等基面處理方式在一些路面工程中也有所應用。

精銑刨效率較高, 基面形成45°斜向刻槽, 深度在6mm左右, 但銑刨機價格較高, 四川應用較少;噴砂打毛法拋射鋼珠, 容易對人造成傷害, 且 拋丸機 價格昂貴, ;人工拉毛成本低, 但表面均勻性較差, 效率較低, 易造成路面平整性較差;高壓水噴射雖然效率較高, 對路面損傷較小, 均勻性較好, 但成本較高, 技術成熟性較差, 應用局限性較大;露石劑等化學方法環境污染較大, 費用較高, 工程應用相對較少。綜上, 目前常用的界面處治方法中, 有些不能完全鑿除水泥砼表面的浮塵, 有些價格昂貴, 應用范圍受限, 有些則易對環境造成污染。為此, 設計開發鑿毛臺車, 在有效除去表面浮塵的同時降低鑿毛費用。

1.2 噴砂打毛法介紹

噴砂打毛法是最常用的一種水泥砼界面處治方式。其基本原理為拋丸機發射直徑2~3 mm的鋼珠在水泥砼表面形成深淺不同的小坑, 以形成粗糙的表面和除去表面浮塵, 并采用吸塵器將打毛過程中產生的廢渣和碎鋼珠吸進廢料倉。噴砂打毛處理一般要求露骨率在20%以上, 盡可能除去表面浮塵, 加強瀝青混合料和水泥砼層間的粘結性能。南渝 (南充—重慶) 高速公路采用手扶式自行走拋丸清理設備進行水泥砼界面處治。

1.3 鑿毛臺車

(1) 鑿毛臺車的組成。空壓機→連通器→氣壓電子閥系統→儲氣罐→臺車支架→驅動電機 (可調變速箱) →后橋驅動齒盤→驅動連接鏈條→前方向轉向系統→液壓油泵→液壓升降裝置→多個鑿毛機 (矩陣排列) 組合→鑿毛機上下滑動蝶形裝置→鉆桿→釬頭→灰塵擋板→吸塵裝置→灰塵處理容器→封閉隔音箱式結構箱。

(2) 動力原理。1) 鑿毛機。采用空壓機產生壓縮空氣作為動力, 通過特制連通器、氣壓電子閥控制系統控制進入儲氣罐, 再通過儲氣罐高壓接頭、高壓氣管與多個鑿巖機進氣口緊密連接。啟動氣壓電子閥控制系統, 輸送高壓壓縮氣體使其驅動鑿毛機活塞在缸體中高頻垂直、旋轉運動, 進而帶動鉆桿及釬頭旋轉、上下沖擊工作面。2) 鑿毛臺車。采用驅動電機 (可調變速箱, 可根據鑿毛的實際情況調整行走速度) 、驅動連接鏈條與后橋驅動齒盤相連接產生行走驅動動力。

(3) 使用原理。調整臺車液壓升降裝置的高度、啟動空壓機, 打開氣壓電子閥控制系統、吸塵裝置電源開關及驅動電機 (可調變速箱) 開關, 將前方向轉向系統方向盤移動到要操作的位置實施操作。

2 現場測試試驗指標

歐美發達國家從設計理論、試驗方法等方面對橋面鋪裝體系進行了深入研究, 但國內在這方面還沒有相關施工技術規范, 防水層及界面處理隨意性較大, 以人為經驗為主, 缺乏專業質量判別標準和技術指標。在查閱國內外相關文獻的基礎上, 通過對水泥砼基面處治效果評價指標及層間粘結性能評價指標的篩選, 采用構造深度和露骨率評價水泥砼界面處治效果, 通過剪切試驗和拉拔試驗評價層間結合性能。其中:構造深度測試依據JTG E60-2008《公路路基路面現場測試規程》中手工鋪砂法測定路面構造深度的試驗方法;剪切試驗采用南京路達生產的JHY-A結構材料剪切儀;拉拔試驗采用南京路達生產的LGZ-1結構層材料強度拉拔儀。

露骨率指標雖然很早就有學者提出, 但測試方法無統一標準。參考文獻[3], 提出以下露骨率測試方法:1) 清除已打毛的水泥砼表面的塵土及殘留廢渣;2) 隨機選取水泥砼表面, 用粉筆畫出一個10cm×10cm的方框, 人工計數得到該方框內粒徑在5mm以上的粗顆粒個數, 即露石度;3) 根據級配最大粒徑查表2得到最大露石度;4) 實際露石度與最大露石度的百分比即為露骨率。

3 測試效果分析

3.1 界面處治效果對比

在南渝高速公路月華互通鋪筑長約30m、寬約6m的試驗段 (見圖1) , 測試其構造深度、擺式摩擦系數及露骨率等界面處治效果評價指標。

表3 構造深度和擺式摩擦系數測試結果

由表3可知:鑿毛區的平均構造深度大于噴砂區, 約為噴砂區的3.2倍;但擺式摩擦儀測定的3種界面的擺式摩擦系數差別不大, 不處理界面的摩擦系數略小于鑿毛界面和噴砂界面, 建議不采用擺式摩擦系數評價水泥砼基面的打毛效果。由于鑿毛臺車采用蝶形裝置進行鑿毛, 通過升降裝置可調整鑿毛深度, 同時蝶形頭打毛的深度大于拋丸機發射的鋼珠, 形成凹凸不平的表面, 相同砂量下, 打毛深度越大, 砂攤鋪的面積越小, 構造深度也越大。

表4 露骨率測試結果

由表4可知:鑿毛區的露骨率大多在85%以上, 8個測點的平均值為91%;噴砂區的露骨率較低, 最低為16%, 平均為34%, 遠低于鑿毛區, 說明噴砂法對清除基面浮塵的效果較差。噴砂打毛法8個測值的離散性較大, 變異系數為34.26%, 遠高于鑿毛法的4.82%, 說明鑿毛法處治水泥砼界面的均勻性高于噴砂打毛法。鑿毛臺車通過空壓機提供外力, 蝶形裝置對水泥砼表面施加作用力, 打毛深度和范圍均大于噴砂打毛法, 連續的多個蝶形頭對通過區域形成全覆蓋, 可有效清除水泥基面浮漿, 達到85%以上的露骨率;而噴砂采用拋丸機拋射鋼珠, 具有一定的離散性, 可能導致局部無法拋射到, 無法完全清除水泥基面浮漿。

綜上所述, 鑿毛法較噴砂法更能有效清除水泥基面浮漿, 提高界面粗糙度, 增加界面間咬合力和抗剪切性能。

3.2 層間粘結性能對比

對南渝高速公路吳家壩大橋、銅缽河大橋右幅試驗路進行剪切強度和拉拔強度測試, 測試溫度為10~20℃。吳家壩大橋右幅基面處治方式為鑿毛法, 銅缽河大橋右幅基面處治方式為噴砂打毛法, 粘結層材料均采用聚合物反應型防水粘結涂料。測試結果見表5。

由表5可知:鑿毛法處理的復合路面的剪切強度和拉拔強度高于噴砂法, 剪切強度約為噴砂法的1.6倍, 拉拔強度約為1.54倍。鑿毛界面由于界面粗糙度較大, 鑿毛深度較大, 施工過程中集料易嵌擠在頂面的凹下區域, 形成更大的接觸面, 在與瀝青混合料接觸處能提供更大的摩擦力和粘結力。而噴砂界面表面仍有一部分浮漿, 使防水粘結材料不能與水泥砼基面有效粘結, 在外力作用下容易剪壞或拉壞。總體而言, 鑿毛法處治的復合路面層間粘結性能高于噴砂法, 為其1.5~1.6倍。

表5 層間粘結性能測試結果

4 經濟效益分析

以目前四川省設計要求的噴砂打毛法作對比, 分析鑿毛法 (假設施工質量正常, 復合式路面在界面處出現破壞) 的經濟效益。

采用鑿毛臺車處理水泥砼界面, 可延長復合式路面使用壽命3~5年, 在路面設計使用周期內至少可減少1次養護, 則兩種處理技術 (取雙幅1km橋面, 橋面寬度取8.5m) 的初期和設計周期內的經濟成本為:

(1) 噴砂打毛技術。橋梁路面結構為4cm改性瀝青SMA-13+6cm改性瀝青AC-20C+防水粘結層+噴砂打毛。噴砂打毛的單價為10元/m2, 防水粘結層的單價為18元/m2, 6cm改性瀝青AC-20C的單價為72元/m2, 4cm改性瀝青SMA-13的單價為68元/m2, 銑刨6cm瀝青砼的單價為12元/m2, 銑刨4cm砼的單價為8元/m2, 初期成本為 (10+18+72+68) ×8.5×1 000×2÷10 000=285.6萬元。橋面若產生推移等病害, 養護時必須在銑刨后重新進行噴砂打毛、灑防水粘結層, 恢復路面結構。養護1次的成本為 (12+8+10+18+72+68) ×8.5×1 000×2÷10 000=319.6萬元。預計設計周期內采用噴砂打毛技術需養護2次 (根據現有通車項目調查結果) , 則1km橋面總成本為285.6+319.6×2=924.8萬元。

(2) 鑿毛技術。鑿毛處治的單價為12元/m2, 其余計算單價同上。初期成本為 (12+18+72+68) ×8.5×1 000×2÷10 000=289萬元。養護1次的成本為 (12+8+12+18+72+68) ×8.5×1 000×2÷10 000=323萬元。預計設計周期內采用鑿毛技術最多需養護1次, 則1km橋面總成本為289+323=612萬元。

采用鑿毛技術, 預計設計周期內1km橋面可節約費用924.8-612=312.8萬元。

5 結論

(1) 通過對水泥砼基面處治效果評價指標及層間粘結性能評價指標的篩選, 選取露骨率和構造深度評價界面處理效果, 層間剪切強度和拉拔強度評價復合式路面層間粘結效果。

(2) 通過現場試驗路水泥砼基面處治指標測試, 得出擺式摩擦系數不能用于評價水泥砼界面處治效果;鑿毛方法得到的露骨率和構造深度比噴砂打毛法更高, 界面粗糙度更大。

(3) 噴砂法處理的復合路面的剪切強度和拉拔強度遠低于鑿毛法, 鑿毛界面粗糙度更大, 能提供比噴砂界面更大的抗剪強度和粘結強度, 有助于提高剛柔界面的粘結性能。

(4) 與噴砂法相比, 鑿毛界面具有更好的經濟和性能優勢。