十四、剛?cè)釓?fù)合式路面基層混凝土與接縫材料雙濕嵌擠裝配工藝

郭 高,張東方,張 旭,戰(zhàn)宏宇,遲文仲

(長春市市政工程設(shè)計研究院有限責(zé)任公司。吉林長春130033)

（2021-02-07發(fā)表于《市政技術(shù)》）

【摘要】利用智能制造升級版水泥混凝土滑膜攤鋪機(jī)，使用振搗棒對尚未初凝的混凝土按三維嵌擠結(jié)構(gòu)分割成小塊，與振搗棒固定在一起的噴管隨振搗棒的移動在割縫內(nèi)噴入接縫料，形成網(wǎng)狀有三維擠特性的柔性接縫膜。構(gòu)成濕式裝配式混凝土路面基層結(jié)構(gòu)。用眾多接縫替代傳統(tǒng)縮縫與脹縫，使網(wǎng)狀嵌擠接縫既保持傳荷能力，又能分散溫縮與干縮變形，并有效約束基層反射裂縫，具有與瀝青路面裝配式基層完全相同的結(jié)構(gòu)特性。該技術(shù)是對滑膜攤鋪和裝配式基層兩個工藝技術(shù)的融合與升級?？捎糜趧?cè)釓?fù)合式瀝青混凝土路面基層結(jié)構(gòu)的施工。

【關(guān)鍵詞】道路基層;雙濕裝配;嵌擠裝配;混凝土基層:柔性分隔

1剛?cè)釓?fù)合式路面基層雙濕嵌擠裝配工藝研究

1.1 、剛?cè)釓?fù)合式路面

? ? ? 水泥混凝土路面行車噪聲大、振動大、舒適性欠佳,維護(hù)修補(bǔ)困難。如果采用水泥混凝土基層加鋪瀝青層進(jìn)行復(fù)合,可以發(fā)揮瀝青及水泥混凝土材料各自的優(yōu)勢，具有整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、面層減薄、行車舒適性好、使用壽命長，全壽命周期維護(hù)費用低等優(yōu)點,具有明顯的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢[1]其基層施工主要分為支模、配置鋼筋網(wǎng)、制作接縫和水泥混凝土澆筑與養(yǎng)生四個環(huán)節(jié)，其中配置鋼筋網(wǎng)和混凝土養(yǎng)生占用較長時間。現(xiàn)澆混凝土基層施工,對下墊層平整度要求不高,因基層成形后頂面平整度較高,所以各層平整度容易達(dá)到設(shè)計要求，竣工后路面的主要病害是基層反射裂縫和斷板，一般采用新增應(yīng)力吸收層緩解面層應(yīng)力法,弱化既有面板剛性法、裂縫灌漿封堵法進(jìn)行處理[2]。但是諸多案例證明,盡管在剛?cè)釓?fù)合式路面結(jié)構(gòu)設(shè)計中采取各種加鋪層預(yù)防基層反射裂縫，也只能延緩和減少裂縫出現(xiàn),而不能消除。瀝青路面出現(xiàn)的基層反射裂縫是普遍的和難以有效解決的問題[3]。對于大體積混凝土的溫縮及膨脹通常使用設(shè)置補(bǔ)償段或加入膨脹劑解決[4]。

1.2瀝青路面混凝土裝配式基層

? ? 市政道路一般使用二灰碎石、水泥穩(wěn)定碎石等作為基層結(jié)構(gòu),在施工現(xiàn)場進(jìn)行攤鋪和碾壓之后再進(jìn)行養(yǎng)生的濕法作業(yè)過程。由于基層攤鋪碾壓作業(yè)與靜態(tài)養(yǎng)生的時間與空間重疊,因此往往會因基層結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度增長緩慢而導(dǎo)致工期遲滯,施工期間還容易受到降雨、低溫等氣候的影響,導(dǎo)致道路基層的強(qiáng)度不足。為縮短道路建設(shè)工期，長春市政院從三維嵌擠原理模型的探索開始,通過對結(jié)構(gòu)、工藝及材料的創(chuàng)新,提出瀝青路面裝配式基層成套技術(shù)的系統(tǒng)解決方案[5]。該方案充分發(fā)揮預(yù)制件之間均勻密集的接縫,使其即能可靠傳荷又能有效分散溫縮應(yīng)力,因此該基層無需設(shè)置接縫就能在全年溫差較大地區(qū)有效約束反射裂縫。

? ? 自2013年以來,裝配式工藝已經(jīng)在哈爾濱、長春、沈陽、磐石等多個城市道路工程應(yīng)用[6]。單作業(yè)面最高日裝配3000塊(m)、灌漿6000㎡累計鋪裝道路基層面積約50萬m2。僅2019年在長春市鋪裝面積達(dá)20萬m2取得了路面強(qiáng)度高、建設(shè)工期短環(huán)境優(yōu)良的良好社會效益和可觀的經(jīng)濟(jì)效益。裝配式基層是利用三維度嵌擠原理制作混凝土預(yù)制塊，其厚度分為400、300、200mm三個等級，平面最大尺寸為1.2~0.7m。預(yù)制塊上下面平行，四個側(cè)面都是斜面,裝配使斜面處的接縫隨之傾斜(見圖1),其排列規(guī)則是道路縱橫斷面上所有接縫的傾斜角度均遵循相鄰則相反的布置方式(見圖2)。在斜面上還設(shè)置有梯形斷面橫槽亞結(jié)構(gòu),以進(jìn)一步提高接縫傳荷與抗剪能力。

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? ?為提升預(yù)制塊接縫對溫縮應(yīng)力的吸收作用，最新的技術(shù)是在預(yù)制塊側(cè)面噴涂具有良好低溫抗裂性和斷裂伸長率的大應(yīng)變復(fù)合涂層。預(yù)制塊之間的接縫在鋪裝后灌漿填充形成接縫體。由斜面、涂層、灌漿料構(gòu)成的接縫結(jié)構(gòu)對溫度等應(yīng)力的適應(yīng)性更好。裝配式基層的上面層一般采用2層瀝青混凝土面層。裝配式基層的下面層可以根據(jù)交通荷載選用水泥穩(wěn)定碎石、級配碎石或石灰土等半剛性材料。雖然裝配式基塊相較于二灰碎石、水泥穩(wěn)定碎石基層的施工周期已經(jīng)大大縮短,但是在鋪裝效率方面與攤鋪機(jī)相比較仍有差距。長距離的道路建設(shè)工程中預(yù)制件數(shù)量需求巨大，基塊生產(chǎn)、運輸和鋪裝效率都將面臨巨大挑戰(zhàn)。而且裝配式混凝土基塊作為預(yù)制件,也不可避免的會出現(xiàn)漏漿、預(yù)制件鋪裝錯位、灌漿不飽滿或運輸、吊裝過程造成的缺陷等問題[7]。

1.3裝配式基層發(fā)展目標(biāo)

? ? 為了彌補(bǔ)裝配式基層存在的不足,我們設(shè)想將攤鋪機(jī)作業(yè)的高效率及鋪筑混凝土基層的高平整度與裝配式基層不設(shè)伸縮縫、不配鋼筋且應(yīng)力分散性好的優(yōu)點相互結(jié)合,融合2種工藝各自的優(yōu)勢鋪筑基層,推動攤鋪機(jī)技術(shù)升級,促進(jìn)裝配式基層技術(shù)向高質(zhì)量、高效率、高智能方向發(fā)展。

2 雙濕嵌擠裝配結(jié)構(gòu)工藝及系統(tǒng)組成

2.1雙濕嵌擠結(jié)構(gòu)

? ? 雙濕嵌擠裝配工藝是以瀝青路面裝配式基層成套技術(shù)為基礎(chǔ)[5],保留原有的三維嵌擠結(jié)構(gòu)及性能,只針對基塊生產(chǎn)及鋪裝工藝進(jìn)行升級改造而提出的施工方法。該方法施工步驟為:先將混凝土攤鋪在施工現(xiàn)場,形成有一定厚度、尚未初凝的混凝土層平面:隨后利用由振搗棒與噴料桿所組成的接縫料噴膠系統(tǒng)(以下簡稱振搗噴料棒)將混凝土層分隔成網(wǎng)格狀(見圖3),每個網(wǎng)格內(nèi)都可以看做是平面尺寸相同、高度等于基層厚度的立體盒子,盒子的4個側(cè)壁都為斜面,陽斜面及陰斜面兩兩相對,其斷面可看作正梯形或倒梯形?；鶎佑膳帕姓R的盒子構(gòu)成。盒子的四壁是接縫料,內(nèi)部由水泥混凝土填充(見圖4),混凝土層結(jié)構(gòu)在沿道路前進(jìn)方向的正負(fù)45斷面均呈正梯形與倒梯形交替分布的樣式[8]。該斜面由接縫料構(gòu)成,接縫料與水泥混凝土中的細(xì)集料及漿體融合并包裹粗骨料,形成有一定寬度和濃度梯度的接縫。這種在路面基層裝配過程中通過在尚未初凝的主材內(nèi)按結(jié)構(gòu)位置植入液體接縫料，主材與接縫料均在施工現(xiàn)場凝固后構(gòu)成三維嵌擠結(jié)構(gòu)的做法,稱為雙濕嵌擠裝配。

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? ? 接縫傳荷能力由3部分構(gòu)成:主結(jié)構(gòu)是嵌擠斜面,將基層受拉應(yīng)力轉(zhuǎn)化為受壓狀態(tài),其功能與現(xiàn)有裝配式一致;亞結(jié)構(gòu)是波浪形接縫線,其作用與現(xiàn)有裝配式基層所用預(yù)制件設(shè)置的橫槽類似，進(jìn)一步提升了接縫界面的抗滑抗剪能力;微結(jié)構(gòu)是接縫料融入細(xì)集料并包裹骨料形成柔性的粗糙過渡面。其效果與現(xiàn)有裝配式基層預(yù)制件側(cè)面涂層相同。

2.2雙濕嵌擠工藝

? ? 盒子的四個側(cè)壁由接縫料構(gòu)成,其尺寸及樣式由振搗噴料棒的運動軌跡控制,施工工藝的運動機(jī)構(gòu)主要有劃分網(wǎng)格、側(cè)壁傾斜、調(diào)平底面、噴射方向四個部分。

1)劃分網(wǎng)格:移動平臺沿著道路縱向連續(xù)勻速直線運動,振搗噴料棒按向左與向右交替更換的連續(xù)折線軌跡運動,兩條相鄰的連續(xù)折線軌跡合并成矩形網(wǎng)格(見圖5)。為實現(xiàn)向左與向右交替變化的折線軌跡,振搗噴料棒的向左再向右的往復(fù)運動與移動平臺向前的直線運動合成向左與向右交替更換的連續(xù)折線軌跡。即前后兩條沿著道路縱向的勻速直線運動和橫向的往復(fù)直線運動的軌跡，在平面形成斜向的網(wǎng)格。

圖5 兩條相鄰連續(xù)折線軌跡合并成網(wǎng)格示意圖

?2)側(cè)壁傾斜:網(wǎng)格的側(cè)壁是接縫膜,根據(jù)網(wǎng)格規(guī)劃需要,當(dāng)振搗噴料棒在水平面內(nèi)向左(向右)運動時,振搗噴料棒要以垂線為參考軸做出向左(向右)的搖擺動作使接縫傾斜，傾斜的接縫形成嵌擠結(jié)構(gòu)。

3)調(diào)平底面:當(dāng)振搗噴料棒左右搖擺時,其最下端處行進(jìn)軌跡呈弧線形。為消除端部弧線保持振搗噴料棒下端軌跡與路基平行,振搗噴料棒應(yīng)能根據(jù)行進(jìn)軌跡的曲率變化而自動進(jìn)行上下伸縮運動。通過振搗噴料棒的左右搖擺與垂直往復(fù)運動的合成,使噴料桿端部軌跡始終穩(wěn)定在基層平面上。

4)噴射方向:為減少噴料口的阻力使接縫料順利噴出,應(yīng)使噴口在運動過程中始終保持與噴料桿前進(jìn)方向呈180°(向后),即振搗噴料棒應(yīng)能夠繞垂直軸轉(zhuǎn)動。

? ? 當(dāng)進(jìn)入平曲線路段,各振搗棒橫向運動距離保持不變,縱向距離應(yīng)沿平曲線半徑由內(nèi)向外逐步加長(軟件控制)。振搗棒前進(jìn)時,如遇到諸如檢查井等障礙物時應(yīng)能自動抬起規(guī)避,隨后再落下繼續(xù)工作?？梢詫⑺姓駬v棒均安置在1根橫梁上,給每個振搗棒設(shè)置一套獨立的運動機(jī)構(gòu),即分散式控制機(jī)構(gòu),便于應(yīng)對曲線路段、規(guī)避障礙等復(fù)雜情況，也可以將所有振搗棒的運動統(tǒng)一由1套機(jī)構(gòu)提供，即集中式控制機(jī)構(gòu)。綜上所述,振搗噴料棒運動軌跡控制機(jī)構(gòu)需使噴料桿具備沿著道路縱向、橫向、豎向移動及繞豎直軸和水平軸轉(zhuǎn)動的5個自由度的運動能力。其中縱向移動由移動平臺直接提供,不需單獨設(shè)置。

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接縫斷面圖

2.3運動機(jī)構(gòu)的實現(xiàn)方式

振搗噴料棒需具有5個自由度,具體實現(xiàn)方式如下:

1)軌跡控制機(jī)構(gòu)主要有橫向?qū)к壖把刂鴻M向?qū)к壔瑒拥幕顒又ё?使縱向及橫向的運動實現(xiàn)連續(xù)折線軌跡(提供沿Y軸、X軸的移動)。

2)滑動支座上集成有繞垂直軸轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)臺,轉(zhuǎn)臺設(shè)有搖柄,搖柄由水平凸輪驅(qū)動,帶動設(shè)置在轉(zhuǎn)臺上的豎向滑架的轉(zhuǎn)動,實現(xiàn)噴料口方向控制(提供繞 Z軸的轉(zhuǎn)動)。為防止滑動支座在運動中發(fā)生干涉，將滑動支座排序,單號安置在前排、雙號布置在后排,前后2排滑動支座均同時跟隨移動平臺沿道路縱斷前行,同時沿橫向?qū)к夁\動,相鄰編號的支座分別布置在前后2排,左右相差1個網(wǎng)格距離。

3)豎向滑架基座上設(shè)置豎向凸輪,該凸輪使滑桿上下運動(提供沿Z軸的移動)。

4)在滑桿上設(shè)置水平安置的擺桿,擺桿由擺桿凸輪驅(qū)動,使擺桿繞水平軸擺動,帶動噴料桿實現(xiàn)向左或向右的傾斜。配合擺桿繞水平軸的擺動實現(xiàn)噴料桿端部軌跡平面與基層平行(提供繞X軸的轉(zhuǎn)動)。擺桿端部安置有一體式振搗噴料棒,實現(xiàn)振動及噴料。

5)噴料桿縱向斷面由多段曲線構(gòu)成,使相鄰混凝土“盒子”側(cè)壁為互相耦合的波浪形狀,以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)對抗縱向壓力的能力。

? ? 所有運動機(jī)構(gòu)均由自動控制系統(tǒng)控制。噴料桿工作角度與斜面關(guān)系見圖 6。噴膠機(jī)構(gòu)及運行軌跡見圖 7。

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?????? 圖7 噴膠機(jī)構(gòu)圖

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2.4、 接縫料及植入

? ? 雙濕嵌擠工藝要求接縫料應(yīng)能在有水環(huán)境下作業(yè)[10]。資料表明,分子量較小、分子鏈長度較短的水溶性交聯(lián)單體制得的膠粉與油溶性交聯(lián)單體相比具有更好的再分散穩(wěn)定性[11]。將預(yù)制塊側(cè)面先噴涂可再生分散膠粉,然后鋪裝,并在接縫內(nèi)灌漿的初步試驗表明,取芯件接縫體兩側(cè)的高分子材料與預(yù)制塊結(jié)合良好，充分表現(xiàn)出其良好的再分散穩(wěn)定性能。資料還表明,有機(jī)硅改性聚氨酯水泥砂漿材料,具備在有水情況下保持材料強(qiáng)度高、固化快、彈性好、防滲透的性能[12]。也有資料表明,接縫料灌入水泥混凝土后,具有良好的黏附性和黏聚性、較低的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度[13]、延展性及與水泥漿的融合性和良好的耐候性[14]。

? ? 雙濕嵌擠工藝的接縫料拌和及輸送和植入系統(tǒng)由接縫料材料儲備箱、攪拌機(jī)、輸送泵、壓力表、輸送管路及噴料口構(gòu)成。植入工序的關(guān)鍵是使接縫料能均勻連續(xù)地在混凝土中分布。

????????????????? 圖8 總體布置圖

? ? 植入接縫料膜形成黏彈性接縫需要通過振搗與擴(kuò)散的作用實現(xiàn)。一方面振搗使水泥混凝土密實，另一方面在接縫橫斷面,主體與接縫材料都是濕狀態(tài),接縫料在壓力及振動的協(xié)同作用下向兩側(cè)擴(kuò)散并包裹骨料,接縫料的濃度隨寬度增加有逐漸降低的梯度變化,使接縫料在宏觀上傾斜布置,在微觀上與芯體材料雙向滲透,構(gòu)成有一定寬度的從高到低的韌性過渡區(qū)。在接縫料逐漸向外擴(kuò)散的過程中，會遇到集料及骨料的阻擋,而振搗作用使接縫料很容易繞過它們,接縫料的繞行實現(xiàn)了對骨料的包裹，在接縫斷面兩側(cè)使接縫料與骨料建立了嵌擠關(guān)系[15]

2.5雙濕嵌擠接縫多模態(tài)在線識別技術(shù)

? ? 為保證施工質(zhì)量,應(yīng)對現(xiàn)有攤鋪機(jī)進(jìn)行改造與升級,使其能夠?qū)崟r監(jiān)測混凝土的攤鋪狀態(tài),對異常情況實時報告反饋并及時做出調(diào)整。

該設(shè)備由移動平臺、接縫料拌和與泵送及接縫料植入、振搗、軌跡控制、實時檢測與控制5大系統(tǒng)組成。全部集成在移動平臺工作。輔助車輛包括接縫料輸送車。移動平臺為自走式或拖掛式載具。（見圖8）

? ? 現(xiàn)澆混凝土與接縫料的結(jié)合狀態(tài)直接影響主體結(jié)構(gòu)質(zhì)量和使用性能，因此需要使用壓力傳感器、流量傳感器,混凝土振搗3D動態(tài)可視化質(zhì)量監(jiān)控[16-17]基于噪聲信號的振搗棒工作狀態(tài)判定方法[18]等先進(jìn)儀器進(jìn)行實時檢測，運用計算機(jī)建模方式，動態(tài)顯示現(xiàn)澆混凝土基層及接縫各個部分的厚度、均勻性、流速等數(shù)據(jù)，并根據(jù)檢測數(shù)據(jù)對泵送壓力、振搗頻率等參數(shù)，進(jìn)行在線檢測和自動控制?；備仚C(jī)工作速度及振搗器布置間距9應(yīng)穩(wěn)定可控,在現(xiàn)澆水泥混凝土施工中利用振搗方式插入噴料管,在振搗過程中同步完成接縫料膜植人。也可以將振搗與噴料工序分開，設(shè)置前后兩排間距、振搗頻率不相同的振搗棒,以適應(yīng)振搗與分隔及擴(kuò)散不同的技術(shù)要求。

3雙濕嵌擠工藝特點及適用范圍

3.1簡化工藝降低成本

? ? “雙濕嵌擠”工藝是采用濕裝配合濕接的施工方法,可省略濕法生產(chǎn)混凝土預(yù)制件必須大量使用的成型模具或干法生產(chǎn)所依托的大型磚機(jī),將基塊生產(chǎn)安裝與灌漿三道工序合并為一道工序,由于基層不配置鋼筋,在簡化工藝的同時,也相應(yīng)降低了作業(yè)成本和材料成本。

3.2提高基層施工效率

? ? 與現(xiàn)有裝配式基層鋪裝效率相比“雙濕嵌擠’式裝配工藝的主材與接縫同時成形、同時養(yǎng)生;與傳統(tǒng)滑膜攤鋪機(jī)作業(yè)相比,省略鋼筋配置和接縫制作工序,既能降低成本,又更適合連續(xù)作業(yè)，工期縮短。以8m寬道路為例,攤鋪機(jī)按每分鐘前進(jìn)1m計算,預(yù)計單機(jī)鋪裝效率不少于6000m2/d。

3.3提高道路質(zhì)量

? ? 瀝青路面裝配式基層,利用可發(fā)生微小形變的接縫材料,將混凝土基層分割成側(cè)面互相耦合的小塊,使其能夠在分散應(yīng)力的同時又具有三維嵌擠穩(wěn)定性?！半p濕嵌擠”式裝配工藝在保持原有裝配式基層變形適應(yīng)性好、基層剛度適中、傳載荷能力強(qiáng)，基底對下基層壓應(yīng)力減小的同時,還具有基層與墊層之間更帖服、無翹動及脫空現(xiàn)象,消除了因干式鋪裝平整度差造成的預(yù)制塊應(yīng)力集中現(xiàn)象,與主材結(jié)合的更好。主材與接縫材料初凝時間重合,在凝固過程中共同經(jīng)歷干縮與溫縮變形:通過眾多接縫中接縫料的韌性分散、化解干縮與溫縮應(yīng)力,使傳統(tǒng)的縮縫脹縫、施工縫由可見接縫升級為隱形接縫，在一定溫差條件下，可以有效限制反射裂縫,增加道路行車舒適性和耐久性。

3.4適用范圍廣

? ? 現(xiàn)有復(fù)合式路面適用范圍主要是舊路改造(白改黑),而“雙濕嵌擠”裝配工藝主要是面向新建道路,即剛?cè)釓?fù)合式瀝青混凝土路面基層的鋪筑施工。適合公路、場站道路等大面積的路面基層施工。

4、結(jié)語

? ? 該工藝與傳統(tǒng)裝配式基層作業(yè)比較,將預(yù)制件生產(chǎn)與現(xiàn)場裝配兩個場地、不同時段的作業(yè)工序合并為主材與接縫料在道路現(xiàn)場同時成形的新工藝。該工藝與傳統(tǒng)剛?cè)釓?fù)合式路面基層相比,由于路面沒有接縫,可有效地預(yù)防水損害,延長道路使用壽命,同時繼承了剛?cè)釓?fù)合式路面強(qiáng)基薄面的特點,可減少瀝青材料用量節(jié)省國家戰(zhàn)略資源。該工藝省略預(yù)制件生產(chǎn)環(huán)節(jié),不配置鋼筋,采用滑膜攤鋪機(jī)，可使工藝簡化、成本降低、效率提高、減少生產(chǎn)過程中的資源消耗,更加節(jié)能環(huán)保。

? ? 該工藝的研究與應(yīng)用將促進(jìn)接縫材料、攤鋪機(jī)、傳感器、人工智能等多方面技術(shù)的升級轉(zhuǎn)型,使產(chǎn)業(yè)鏈中的企業(yè)獲得創(chuàng)新發(fā)展,符合國家 2025 發(fā)展規(guī)劃。該工藝的實現(xiàn),必將使剛?cè)釓?fù)合式路面應(yīng)用范圍從水泥混凝土舊路維護(hù)拓展到新建道路中，對道路建設(shè)有積極意義。

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