十四、刚柔复合式路面基层混凝土与接缝材料双湿嵌挤装配工艺

郭 高,张东方,张 旭,战宏宇,迟文仲

(长春市市政工程设计研究院有限责任公司。吉林长春130033)

（2021-02-07发表于《市政技术》）

【摘要】利用智能制造升级版水泥混凝土滑膜摊铺机，使用振捣棒对尚未初凝的混凝土按三维嵌挤结构分割成小块，与振捣棒固定在一起的喷管随振捣棒的移动在割缝内喷入接缝料，形成网状有三维挤特性的柔性接缝膜。构成湿式装配式混凝土路面基层结构。用众多接缝替代传统缩缝与胀缝，使网状嵌挤接缝既保持传荷能力，又能分散温缩与干缩变形，并有效约束基层反射裂缝，具有与沥青路面装配式基层完全相同的结构特性。该技术是对滑膜摊铺和装配式基层两个工艺技术的融合与升级。可用于刚柔复合式沥青混凝土路面基层结构的施工。

【关键词】道路基层;双湿装配;嵌挤装配;混凝土基层:柔性分隔

1刚柔复合式路面基层双湿嵌挤装配工艺研究

1.1 、刚柔复合式路面

      水泥混凝土路面行车噪声大、振动大、舒适性欠佳,维护修补困难。如果采用水泥混凝土基层加铺沥青层进行复合,可以发挥沥青及水泥混凝土材料各自的优势，具有整体结构强度高、面层减薄、行车舒适性好、使用寿命长，全寿命周期维护费用低等优点,具有明显的经济优势[1]其基层施工主要分为支模、配置钢筋网、制作接缝和水泥混凝土浇筑与养生四个环节，其中配置钢筋网和混凝土养生占用较长时间。现浇混凝土基层施工,对下垫层平整度要求不高,因基层成形后顶面平整度较高,所以各层平整度容易达到设计要求，竣工后路面的主要病害是基层反射裂缝和断板，一般采用新增应力吸收层缓解面层应力法,弱化既有面板刚性法、裂缝灌浆封堵法进行处理[2]。但是诸多案例证明,尽管在刚柔复合式路面结构设计中采取各种加铺层预防基层反射裂缝，也只能延缓和减少裂缝出现,而不能消除。沥青路面出现的基层反射裂缝是普遍的和难以有效解决的问题[3]。对于大体积混凝土的温缩及膨胀通常使用设置补偿段或加入膨胀剂解决[4]。

1.2沥青路面混凝土装配式基层

    市政道路一般使用二灰碎石、水泥稳定碎石等作为基层结构,在施工现场进行摊铺和碾压之后再进行养生的湿法作业过程。由于基层摊铺碾压作业与静态养生的时间与空间重叠,因此往往会因基层结构的强度增长缓慢而导致工期迟滞,施工期间还容易受到降雨、低温等气候的影响,导致道路基层的强度不足。为缩短道路建设工期，长春市政院从三维嵌挤原理模型的探索开始,通过对结构、工艺及材料的创新,提出沥青路面装配式基层成套技术的系统解决方案[5]。该方案充分发挥预制件之间均匀密集的接缝,使其即能可靠传荷又能有效分散温缩应力,因此该基层无需设置接缝就能在全年温差较大地区有效约束反射裂缝。

    自2013年以来,装配式工艺已经在哈尔滨、长春、沈阳、磐石等多个城市道路工程应用[6]。单作业面最高日装配3000块(m)、灌浆6000㎡累计铺装道路基层面积约50万m2。仅2019年在长春市铺装面积达20万m²取得了路面强度高、建设工期短环境优良的良好社会效益和可观的经济效益。装配式基层是利用三维度嵌挤原理制作混凝土预制块，其厚度分为400、300、200mm三个等级，平面最大尺寸为1.2~0.7m。预制块上下面平行，四个侧面都是斜面,装配使斜面处的接缝随之倾斜(见图1),其排列规则是道路纵横断面上所有接缝的倾斜角度均遵循相邻则相反的布置方式(见图2)。在斜面上还设置有梯形断面横槽亚结构,以进一步提高接缝传荷与抗剪能力。

   

 

   为提升预制块接缝对温缩应力的吸收作用，最新的技术是在预制块侧面喷涂具有良好低温抗裂性和断裂伸长率的大应变复合涂层。预制块之间的接缝在铺装后灌浆填充形成接缝体。由斜面、涂层、灌浆料构成的接缝结构对温度等应力的适应性更好。装配式基层的上面层一般采用2层沥青混凝土面层。装配式基层的下面层可以根据交通荷载选用水泥稳定碎石、级配碎石或石灰土等半刚性材料。虽然装配式基块相较于二灰碎石、水泥稳定碎石基层的施工周期已经大大缩短,但是在铺装效率方面与摊铺机相比较仍有差距。长距离的道路建设工程中预制件数量需求巨大，基块生产、运输和铺装效率都将面临巨大挑战。而且装配式混凝土基块作为预制件,也不可避免的会出现漏浆、预制件铺装错位、灌浆不饱满或运输、吊装过程造成的缺陷等问题[7]。

1.3装配式基层发展目标

    为了弥补装配式基层存在的不足,我们设想将摊铺机作业的高效率及铺筑混凝土基层的高平整度与装配式基层不设伸缩缝、不配钢筋且应力分散性好的优点相互结合,融合2种工艺各自的优势铺筑基层,推动摊铺机技术升级,促进装配式基层技术向高质量、高效率、高智能方向发展。

2 双湿嵌挤装配结构工艺及系统组成

2.1双湿嵌挤结构

    双湿嵌挤装配工艺是以沥青路面装配式基层成套技术为基础[5],保留原有的三维嵌挤结构及性能,只针对基块生产及铺装工艺进行升级改造而提出的施工方法。该方法施工步骤为:先将混凝土摊铺在施工现场,形成有一定厚度、尚未初凝的混凝土层平面:随后利用由振捣棒与喷料杆所组成的接缝料喷胶系统(以下简称振捣喷料棒)将混凝土层分隔成网格状(见图3),每个网格内都可以看做是平面尺寸相同、高度等于基层厚度的立体盒子,盒子的4个侧壁都为斜面,阳斜面及阴斜面两两相对,其断面可看作正梯形或倒梯形。基层由排列整齐的盒子构成。盒子的四壁是接缝料,内部由水泥混凝土填充(见图4),混凝土层结构在沿道路前进方向的正负45断面均呈正梯形与倒梯形交替分布的样式[8]。该斜面由接缝料构成,接缝料与水泥混凝土中的细集料及浆体融合并包裹粗骨料,形成有一定宽度和浓度梯度的接缝。这种在路面基层装配过程中通过在尚未初凝的主材内按结构位置植入液体接缝料，主材与接缝料均在施工现场凝固后构成三维嵌挤结构的做法,称为双湿嵌挤装配。

 

 

    接缝传荷能力由3部分构成:主结构是嵌挤斜面,将基层受拉应力转化为受压状态,其功能与现有装配式一致;亚结构是波浪形接缝线,其作用与现有装配式基层所用预制件设置的横槽类似，进一步提升了接缝界面的抗滑抗剪能力;微结构是接缝料融入细集料并包裹骨料形成柔性的粗糙过渡面。其效果与现有装配式基层预制件侧面涂层相同。

2.2双湿嵌挤工艺

    盒子的四个侧壁由接缝料构成,其尺寸及样式由振捣喷料棒的运动轨迹控制,施工工艺的运动机构主要有划分网格、侧壁倾斜、调平底面、喷射方向四个部分。

1)划分网格:移动平台沿着道路纵向连续匀速直线运动,振捣喷料棒按向左与向右交替更换的连续折线轨迹运动,两条相邻的连续折线轨迹合并成矩形网格(见图5)。为实现向左与向右交替变化的折线轨迹,振捣喷料棒的向左再向右的往复运动与移动平台向前的直线运动合成向左与向右交替更换的连续折线轨迹。即前后两条沿着道路纵向的匀速直线运动和横向的往复直线运动的轨迹，在平面形成斜向的网格。

图5 两条相邻连续折线轨迹合并成网格示意图

 2)侧壁倾斜:网格的侧壁是接缝膜,根据网格规划需要,当振捣喷料棒在水平面内向左(向右)运动时,振捣喷料棒要以垂线为参考轴做出向左(向右)的摇摆动作使接缝倾斜，倾斜的接缝形成嵌挤结构。

3)调平底面:当振捣喷料棒左右摇摆时,其最下端处行进轨迹呈弧线形。为消除端部弧线保持振捣喷料棒下端轨迹与路基平行,振捣喷料棒应能根据行进轨迹的曲率变化而自动进行上下伸缩运动。通过振捣喷料棒的左右摇摆与垂直往复运动的合成,使喷料杆端部轨迹始终稳定在基层平面上。

4)喷射方向:为减少喷料口的阻力使接缝料顺利喷出,应使喷口在运动过程中始终保持与喷料杆前进方向呈180°(向后),即振捣喷料棒应能够绕垂直轴转动。

    当进入平曲线路段,各振捣棒横向运动距离保持不变,纵向距离应沿平曲线半径由内向外逐步加长(软件控制)。振捣棒前进时,如遇到诸如检查井等障碍物时应能自动抬起规避,随后再落下继续工作。可以将所有振捣棒均安置在1根横梁上,给每个振捣棒设置一套独立的运动机构,即分散式控制机构,便于应对曲线路段、规避障碍等复杂情况，也可以将所有振捣棒的运动统一由1套机构提供，即集中式控制机构。综上所述,振捣喷料棒运动轨迹控制机构需使喷料杆具备沿着道路纵向、横向、竖向移动及绕竖直轴和水平轴转动的5个自由度的运动能力。其中纵向移动由移动平台直接提供,不需单独设置。

 

接缝断面图

2.3运动机构的实现方式

振捣喷料棒需具有5个自由度,具体实现方式如下:

1)轨迹控制机构主要有横向导轨及沿着横向导轨滑动的活动支座,使纵向及横向的运动实现连续折线轨迹(提供沿Y轴、X轴的移动)。

2)滑动支座上集成有绕垂直轴转动的转台,转台设有摇柄,摇柄由水平凸轮驱动,带动设置在转台上的竖向滑架的转动,实现喷料口方向控制(提供绕 Z轴的转动)。为防止滑动支座在运动中发生干涉，将滑动支座排序,单号安置在前排、双号布置在后排,前后2排滑动支座均同时跟随移动平台沿道路纵断前行,同时沿横向导轨运动,相邻编号的支座分别布置在前后2排,左右相差1个网格距离。

3)竖向滑架基座上设置竖向凸轮,该凸轮使滑杆上下运动(提供沿Z轴的移动)。

4)在滑杆上设置水平安置的摆杆,摆杆由摆杆凸轮驱动,使摆杆绕水平轴摆动,带动喷料杆实现向左或向右的倾斜。配合摆杆绕水平轴的摆动实现喷料杆端部轨迹平面与基层平行(提供绕X轴的转动)。摆杆端部安置有一体式振捣喷料棒,实现振动及喷料。

5)喷料杆纵向断面由多段曲线构成,使相邻混凝土“盒子”侧壁为互相耦合的波浪形状,以增强结构对抗纵向压力的能力。

    所有运动机构均由自动控制系统控制。喷料杆工作角度与斜面关系见图 6。喷胶机构及运行轨迹见图 7。

 

       图7 喷胶机构图

 

2.4、 接缝料及植入

    双湿嵌挤工艺要求接缝料应能在有水环境下作业[10]。资料表明,分子量较小、分子链长度较短的水溶性交联单体制得的胶粉与油溶性交联单体相比具有更好的再分散稳定性[11]。将预制块侧面先喷涂可再生分散胶粉,然后铺装,并在接缝内灌浆的初步试验表明,取芯件接缝体两侧的高分子材料与预制块结合良好，充分表现出其良好的再分散稳定性能。资料还表明,有机硅改性聚氨酯水泥砂浆材料,具备在有水情况下保持材料强度高、固化快、弹性好、防渗透的性能[12]。也有资料表明,接缝料灌入水泥混凝土后,具有良好的黏附性和黏聚性、较低的玻璃化转变温度[13]、延展性及与水泥浆的融合性和良好的耐候性[14]。

    双湿嵌挤工艺的接缝料拌和及输送和植入系统由接缝料材料储备箱、搅拌机、输送泵、压力表、输送管路及喷料口构成。植入工序的关键是使接缝料能均匀连续地在混凝土中分布。

                  图8 总体布置图

    植入接缝料膜形成黏弹性接缝需要通过振捣与扩散的作用实现。一方面振捣使水泥混凝土密实，另一方面在接缝横断面,主体与接缝材料都是湿状态,接缝料在压力及振动的协同作用下向两侧扩散并包裹骨料,接缝料的浓度随宽度增加有逐渐降低的梯度变化,使接缝料在宏观上倾斜布置,在微观上与芯体材料双向渗透,构成有一定宽度的从高到低的韧性过渡区。在接缝料逐渐向外扩散的过程中，会遇到集料及骨料的阻挡,而振捣作用使接缝料很容易绕过它们,接缝料的绕行实现了对骨料的包裹，在接缝断面两侧使接缝料与骨料建立了嵌挤关系[15]

2.5双湿嵌挤接缝多模态在线识别技术

    为保证施工质量,应对现有摊铺机进行改造与升级,使其能够实时监测混凝土的摊铺状态,对异常情况实时报告反馈并及时做出调整。

该设备由移动平台、接缝料拌和与泵送及接缝料植入、振捣、轨迹控制、实时检测与控制5大系统组成。全部集成在移动平台工作。辅助车辆包括接缝料输送车。移动平台为自走式或拖挂式载具。（见图8）

    现浇混凝土与接缝料的结合状态直接影响主体结构质量和使用性能，因此需要使用压力传感器、流量传感器,混凝土振捣3D动态可视化质量监控[16-17]基于噪声信号的振捣棒工作状态判定方法[18]等先进仪器进行实时检测，运用计算机建模方式，动态显示现浇混凝土基层及接缝各个部分的厚度、均匀性、流速等数据，并根据检测数据对泵送压力、振捣频率等参数，进行在线检测和自动控制。滑膜摊铺机工作速度及振捣器布置间距9应稳定可控,在现浇水泥混凝土施工中利用振捣方式插入喷料管,在振捣过程中同步完成接缝料膜植人。也可以将振捣与喷料工序分开，设置前后两排间距、振捣频率不相同的振捣棒,以适应振捣与分隔及扩散不同的技术要求。

3双湿嵌挤工艺特点及适用范围

3.1简化工艺降低成本

    “双湿嵌挤”工艺是采用湿装配合湿接的施工方法,可省略湿法生产混凝土预制件必须大量使用的成型模具或干法生产所依托的大型砖机,将基块生产安装与灌浆三道工序合并为一道工序,由于基层不配置钢筋,在简化工艺的同时,也相应降低了作业成本和材料成本。

3.2提高基层施工效率

    与现有装配式基层铺装效率相比“双湿嵌挤’式装配工艺的主材与接缝同时成形、同时养生;与传统滑膜摊铺机作业相比,省略钢筋配置和接缝制作工序,既能降低成本,又更适合连续作业，工期缩短。以8m宽道路为例,摊铺机按每分钟前进1m计算,预计单机铺装效率不少于6000m2/d。

3.3提高道路质量

    沥青路面装配式基层,利用可发生微小形变的接缝材料,将混凝土基层分割成侧面互相耦合的小块,使其能够在分散应力的同时又具有三维嵌挤稳定性。“双湿嵌挤”式装配工艺在保持原有装配式基层变形适应性好、基层刚度适中、传载荷能力强，基底对下基层压应力减小的同时,还具有基层与垫层之间更帖服、无翘动及脱空现象,消除了因干式铺装平整度差造成的预制块应力集中现象,与主材结合的更好。主材与接缝材料初凝时间重合,在凝固过程中共同经历干缩与温缩变形:通过众多接缝中接缝料的韧性分散、化解干缩与温缩应力,使传统的缩缝胀缝、施工缝由可见接缝升级为隐形接缝，在一定温差条件下，可以有效限制反射裂缝,增加道路行车舒适性和耐久性。

3.4适用范围广

    现有复合式路面适用范围主要是旧路改造(白改黑),而“双湿嵌挤”装配工艺主要是面向新建道路,即刚柔复合式沥青混凝土路面基层的铺筑施工。适合公路、场站道路等大面积的路面基层施工。

4、结语

    该工艺与传统装配式基层作业比较,将预制件生产与现场装配两个场地、不同时段的作业工序合并为主材与接缝料在道路现场同时成形的新工艺。该工艺与传统刚柔复合式路面基层相比,由于路面没有接缝,可有效地预防水损害,延长道路使用寿命,同时继承了刚柔复合式路面强基薄面的特点,可减少沥青材料用量节省国家战略资源。该工艺省略预制件生产环节,不配置钢筋,采用滑膜摊铺机，可使工艺简化、成本降低、效率提高、减少生产过程中的资源消耗,更加节能环保。

    该工艺的研究与应用将促进接缝材料、摊铺机、传感器、人工智能等多方面技术的升级转型,使产业链中的企业获得创新发展,符合国家 2025 发展规划。该工艺的实现,必将使刚柔复合式路面应用范围从水泥混凝土旧路维护拓展到新建道路中，对道路建设有积极意义。

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