路面破碎技术在旧水泥路面改造中的应用

卢明全 郭敏敏 旷小军 姚亚军

1 武警水电二总队八支队，福建 厦门 361000 2 长安大学，陕西 西安 710061 3 武警水电一总队，广西 南宁 530021

路面破碎技术在旧水泥路面改造中的应用

卢明全1郭敏敏2旷小军2姚亚军3

1 武警水电二总队八支队，福建 厦门 361000 2 长安大学，陕西 西安 710061 3 武警水电一总队，广西 南宁 530021

针对目前我国旧混凝土路面改造中存在的问题，借鉴国外混凝土路面破碎技术，研究旧水泥混凝土路面改造中使用的几种不同冲击破碎技术的特点和施工要点和质量控制，为旧水泥混凝土路面的修复改造中破碎技术的选取提供依据。

路面破碎技术；冲击破碎；共振破碎；旧水泥路面；路面改造

概述

从上世纪70年代开始，由于我国国力等情况,许多城市道路尤其是南方的许多省际干线公路都建成了造价相对便宜的水泥混凝土路面。近年来，随着社会经济大发展带来的重交通负荷冲击和混凝土路面使用寿命的到来，混凝土路面几乎都出现了断板、错板、裂缝、剥落、坑洞等损害，并且随着使用年限的递增破损面积逐年上升，难以承担路网中的高等级公路之重任，另外在新建公路的同时也必然要对占用路网计划的旧的混凝土路面干线公路进行改造，如何翻修已成为公路部门必须面对和解决的技术问题。

1 水泥路面的翻修改造方法

从目前国内外的实际情况来看，水泥路面的翻修改造主要有以下两种。

1.1 早期不彻底的水泥路面改造方法

早期的水泥路面改造工程主要是对旧面面层做一些拉毛处理后直接加铺一层新的水泥混凝土或加铺沥青混凝土（白改黑）。然而由于旧水泥面板的预留接缝、裂缝、坑洞、脱边、板底空洞造成的不稳定性等病害的存在使得改造后的路面整体强度大打折扣。新旧面层在车辆载荷的连续冲击下,旧面板病害处的承载力会突然降低造成应力集中而反射到上面，使加铺的新面出现载荷型反射裂缝；同时由于温度变化，造成两层材料的胀缩效应，出现差异温度应力在下层裂缝处得不到连续，使得上层产生应力集中造成温度胀缩型反射裂缝。因为旧面板各种病害的存在，必然会慢慢地延伸到加铺层上，且旧面板下存在的空洞，强度不均等情况，尽管可诊断处理但难以完全消除面板下的隐患新路通车后，也会慢慢地对整个路面产生影响。所以对破坏不太严重、温差不大、交通载荷较小的路面，采取这种方法尚可，但对损坏较严重的重交通、高速公路这样的工艺很快就会使改造工程前功尽弃。如何才能使翻修改造后的路面使用寿命达到和新设计路面一样的年限，而又能利用旧的水泥面板材料呢？破碎、碾压、加铺工艺是一种较理想的办法。

1.2 水泥路面的破碎改造工艺

为彻底解决旧面板对新加铺层的致命影响，只有将原有的旧水泥面板彻底打碎,完全消除原有路面存在的病害，释放面板下空洞的隐患，将打碎的混凝土碾压后直接作为基层或底基层，再加铺新的面层,才是旧水泥路面翻修改造的理想方法。它不但解决了旧面改造的质量问题，而且大大降低了工程的总费用，节约了路基材料同时也解决了丢弃水泥碎块垃圾的环保问题。然而水泥面板的打碎说来容易做起来难。破碎后的碎块太大会引起更多的反射应力太小又会降低作为基层的支撑强度。水泥面板的硬度本来就较大，破碎过程中就可能对原路基造成影响，且大面积的破碎工程施工速度和效率也是问题。所以仅就水泥路面的破碎技术，人们已进行了许多研究。破碎工艺、破碎设备、施工方法等都随着水泥路面的改造历程而发展更新。

2 目前混凝土路面改造中使用的冲击破碎技术

本文就旧水泥混凝土路面改造中使用的几种不同冲击破碎技术的特点和施工要点和质量控制做简要的论述。目前混凝土路面改造中使用的冲击破碎技术主要有：MHB多锤头破碎技术；RMI共振破碎技术；门板式打裂压稳技术；冲击压实技术。

2.1 MHB多锤头破碎技术

采用的多锤头自动破碎机后部配备2排成队锤头，可在设备全宽范围内进行连续破碎，破碎后的料块粒径自上而下逐渐增大，上部小颗粒经压实后形成平整表面易于摊铺，下部大颗粒之间形成嵌挤结构强度比一般的粒料基层高得多，经压实并撒布透层油后在上面铺筑沥青混合料面层，施工见图1，施工质量,控制指标见表1。

多锤头式破碎机对路面的冲击能量非常大，击打能力很强，可将厚厚的水泥面板一次击开。但会直接破坏原有路基的平整度和密实度的均匀性，如路基下有管线等设施也会对其造成直接影响。产生的振动冲击波很大，一般施工点周围20米内不能有振动敏感型建筑物。另外施工噪音非常高,不但工人劳动强度大，而且形成噪音污染。从破碎质量上看靠重力砸击路面很难一次将水泥面板打碎。虽然可反复工作或利用大吨位振动式压路机配合进一步碾碎但还是难以将水泥面板击碎到理想的尺寸，并存在埋在下面的较大未碎块头难以处理。

图1 大型多锤式破碎机

实践证明，破碎后的碎块尺寸越大、越不均匀，对新加铺层的影响就越大，即越容易引起反射裂缝，破碎后的碎块尺寸越小，引起反射裂缝的几率就越小，但其对路面的支撑强度也会变小，使作为基层使用的破碎压实层的结构失效概率增大。经研究，碎块尺寸与反射裂缝和结构强度之间的关系如图2所示。根据美国RMI公司的实践经验，旧面破碎后的碎块尺寸在3～8英寸（8～20厘米）之间时,可取得较为理想的效果。从图2中可看出正是两个曲线的交叉点附近。重锤冲击式破碎方法难以将旧面板打碎到这样的尺寸范围内。

图2 碎石尺寸与反射裂缝和结构强度之间的关系

表1 多锤头破碎技术施工质量控制指标

2.2 RMI共振破碎技术

上世纪末,美国共振机器公司率先研制出了共振式破碎设备，它的出现使水泥路面破碎改造工艺实现了新的突破。

2.3 共振破碎原理

共振式破碎设备是利用振动梁带动工作锤头振动，锤头与路面接触。锤头的振动频率约44HZ左右，振幅为20mm。通过调节锤头的振动频率,使其接近水泥面板的固有频率 ,激发其共振即可轻而易举地将水泥混凝土面板击碎。其原理图如图3所示。工作锤头上装有专用传感器,感应路面的振动反馈 ,由电脑自动调节振动频率 ,搜寻被击物的自有频率 ,并引起水泥面板在锤头下局部范围内产生共振 ,使混凝土内部颗粒间的内摩擦阻力迅速减小而崩溃。共振式破碎设备同时还可控制被击碎的碎块粒度和破碎深度。共振破碎施工见图4，施工质量控制指标见表2。

图3 共振破碎机锤头工作原理图

图4 共振破碎施工图

表2 共振破碎技术施工质量控制指标

2.4 共振破碎的特点

（1）破碎后的碎石尺寸理想均匀

由于共振破碎力发生在整个水泥板块厚度范围内，能使板块较均匀地分裂,通过微调振动频率，改变振动的力度可使破碎后的碎块尺寸达至3～8英寸（8～20cm）的较理想尺寸。

（2）破碎后的粒度上部较小下部较大

由于振动力是由面板上部向下部传递的,振动锤并不在一个点上连续振动，而是快速向前移动的,所以振动在混凝土中存在衰减梯度，从而使上部的破碎粒度较小，下部的破碎粒度较大。这样的结构首先是小粒度可更好地消除反射裂缝，同时下部的较大的粒度提高了路基的承载能力，其次是上部小粒度有利于路面渗水的横向排除，下部的大粒度又可起到阻止渗水向下渗透的作用。

（3）破碎后的碎石纹路规则排列，并与路面形成35～40°夹角

共振破碎的工作锤头在激发路面共振的同时，快速向前移动冲击的合力指向前下方，从而使振碎的裂纹与路面形成了一定的夹角。这一夹角可使碎石块之间相互嵌合,经压实后相互啮合得更紧，从而使碎石层起到更好的砾石稳定层的作用。共振破碎机使碎石裂纹走向倾斜的示意图如图5所示。实际效果（截面）如图6所示。

图5 共振破碎头使面板裂纹倾斜示意图

图6 共振破碎机破碎后的面板截图

（4）破碎深度可控制不冲击路基，保证路基下的管线设施完好无损

共振式破碎机通过调节振动频率和振幅即可控制破碎的深度。因为它是在试图以接近混凝土的固有频率而振动，在发生共振的瞬间,锤头就向前运动了,垂直向下的冲击力很小,而且面板下边的材料为非混凝土，不会与之共振，所以避免了对路基的冲击。路基下的其他管线设施自然不会受到影响。路基不受冲击，保持了原有的路基平整度和密实度的均匀性。

（5）振动影响小,施工适应范围大

共振破碎技术是工作头与局部水泥板块之间的振动,高频低幅振动波衰减很快，传递范围很小,一般不会影响到施工点附近2～3米外的构件。所以，共振动破碎技术的应用范围比较广，市政、机场、港口、重要设施附近的公路等对振动级别有要求的地方，采用共振技术可很好的解决问题。

2.5 门板式打裂机压稳技术

该机装配有宽度为2.5米的板式冲击锤，锤头重5吨，具备足够的能量使混凝土路面产生全深度的开裂。打裂时要控制落锤提升高度不宜过高或过低，过高时冲击力太大，易使路面板因严重破裂而产生过大的位移，出现大量的碎屑，过低则达不到打裂效果。破碎后路段不得开放交通。施工质量控制指标见表3。

表3 门板式打裂压稳施工质量控治指标

2.6 冲击压实技术

采用多边形钢轮冲击压实机，可在击碎旧路面板的同时将其夯实稳固到基层上，即破碎与稳固同步进行，从而使原有路面结构成为新铺层的良好支承，并避免其出现反射裂缝。施工质量控制指标见表4。冲击压实机一改传统光轮压路机的圆形钢轮为多边形，当机器行走时，在轮面与地面间摩擦阻力的作用下，轮轴反复抬升和落下，使钢轮冲击夯压地面。在冲击压实过程中如发现局部路段出现“弹簧”现象，应停机检查。确认后应把“弹簧”层挖除，然后回填碎石、石渣，找平后用传统压实机具分层压实，再用冲击压实机械补压同样遍数，以避免与非挖填路段之间产生沉降差异。冲击压实后的路面在摊铺完沥青混合料面层之前不允许开放交通，施工过程中如下雨，应立即停止作业并做好作业区遮盖工作，防止雨水渗入路床。

表4冲击压实技术施工质量控制指标

3 结论

1）旧混凝土路面的改造，采用新的破碎技术对旧路面板进行破碎后，可直接作为路面基层，施工效率高，节约资源，具有良好的经济和环保效益。

2）MHB多锤头破碎技术适用于施工点周围20米内没有振动敏感型建筑物，而且路面质量等级要求不高的水泥混凝土路面改造中；共振破碎技术适用于市政、机场、港口、重要设施附近的公路等对振动级别有要求的地方，对噪音要求小的居住区，以及不能断绝交通的路面改造中；冲击破碎技术适用于旧水泥混凝土路面板破损严重、且旧路基及基层较差的水泥混凝土路面改造，能为新加铺层形成稳固的支承体系。

[1]陈英辉,王一兵,贺 杰.破碎旧水泥路面的新机型[J].工程机械，2004,(9): 60～62.

[2]熊帆,黄晓明,贾 栋.碎石化技术在水泥砼老路改建中的应用 [J].交通科技,2004,(6):52～54

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.09.035