路面破碎技術在舊水泥路面改造中的應用

盧明全 郭敏敏 曠小軍 姚亞軍

1 武警水電二總隊八支隊，福建 廈門 361000 2 長安大學，陜西 西安 710061 3 武警水電一總隊，廣西 南寧 530021

路面破碎技術在舊水泥路面改造中的應用

盧明全1郭敏敏2曠小軍2姚亞軍3

1 武警水電二總隊八支隊，福建 廈門 361000 2 長安大學，陜西 西安 710061 3 武警水電一總隊，廣西 南寧 530021

針對目前我國舊混凝土路面改造中存在的問題，借鑒國外混凝土路面破碎技術，研究舊水泥混凝土路面改造中使用的幾種不同沖擊破碎技術的特點和施工要點和質量控制，為舊水泥混凝土路面的修復改造中破碎技術的選取提供依據。

路面破碎技術；沖擊破碎；共振破碎；舊水泥路面；路面改造

概述

從上世紀70年代開始，由于我國國力等情況,許多城市道路尤其是南方的許多省際干線公路都建成了造價相對便宜的水泥混凝土路面。近年來，隨著社會經濟大發展帶來的重交通負荷沖擊和混凝土路面使用壽命的到來，混凝土路面幾乎都出現了斷板、錯板、裂縫、剝落、坑洞等損害，并且隨著使用年限的遞增破損面積逐年上升，難以承擔路網中的高等級公路之重任，另外在新建公路的同時也必然要對占用路網計劃的舊的混凝土路面干線公路進行改造，如何翻修已成為公路部門必須面對和解決的技術問題。

1 水泥路面的翻修改造方法

從目前國內外的實際情況來看，水泥路面的翻修改造主要有以下兩種。

1.1 早期不徹底的水泥路面改造方法

早期的水泥路面改造工程主要是對舊面面層做一些拉毛處理后直接加鋪一層新的水泥混凝土或加鋪瀝青混凝土（白改黑）。然而由于舊水泥面板的預留接縫、裂縫、坑洞、脫邊、板底空洞造成的不穩定性等病害的存在使得改造后的路面整體強度大打折扣。新舊面層在車輛載荷的連續沖擊下,舊面板病害處的承載力會突然降低造成應力集中而反射到上面，使加鋪的新面出現載荷型反射裂縫；同時由于溫度變化，造成兩層材料的脹縮效應，出現差異溫度應力在下層裂縫處得不到連續，使得上層產生應力集中造成溫度脹縮型反射裂縫。因為舊面板各種病害的存在，必然會慢慢地延伸到加鋪層上，且舊面板下存在的空洞，強度不均等情況，盡管可診斷處理但難以完全消除面板下的隱患新路通車后，也會慢慢地對整個路面產生影響。所以對破壞不太嚴重、溫差不大、交通載荷較小的路面，采取這種方法尚可，但對損壞較嚴重的重交通、高速公路這樣的工藝很快就會使改造工程前功盡棄。如何才能使翻修改造后的路面使用壽命達到和新設計路面一樣的年限，而又能利用舊的水泥面板材料呢？破碎、碾壓、加鋪工藝是一種較理想的辦法。

1.2 水泥路面的破碎改造工藝

為徹底解決舊面板對新加鋪層的致命影響，只有將原有的舊水泥面板徹底打碎,完全消除原有路面存在的病害，釋放面板下空洞的隱患，將打碎的混凝土碾壓后直接作為基層或底基層，再加鋪新的面層,才是舊水泥路面翻修改造的理想方法。它不但解決了舊面改造的質量問題，而且大大降低了工程的總費用，節約了路基材料同時也解決了丟棄水泥碎塊垃圾的環保問題。然而水泥面板的打碎說來容易做起來難。破碎后的碎塊太大會引起更多的反射應力太小又會降低作為基層的支撐強度。水泥面板的硬度本來就較大，破碎過程中就可能對原路基造成影響，且大面積的破碎工程施工速度和效率也是問題。所以僅就水泥路面的破碎技術，人們已進行了許多研究。破碎工藝、破碎設備、施工方法等都隨著水泥路面的改造歷程而發展更新。

2 目前混凝土路面改造中使用的沖擊破碎技術

本文就舊水泥混凝土路面改造中使用的幾種不同沖擊破碎技術的特點和施工要點和質量控制做簡要的論述。目前混凝土路面改造中使用的沖擊破碎技術主要有：MHB多錘頭破碎技術；RMI共振破碎技術；門板式打裂壓穩技術；沖擊壓實技術。

2.1 MHB多錘頭破碎技術

采用的多錘頭自動破碎機后部配備2排成隊錘頭，可在設備全寬范圍內進行連續破碎，破碎后的料塊粒徑自上而下逐漸增大，上部小顆粒經壓實后形成平整表面易于攤鋪，下部大顆粒之間形成嵌擠結構強度比一般的粒料基層高得多，經壓實并撒布透層油后在上面鋪筑瀝青混合料面層，施工見圖1，施工質量,控制指標見表1。

多錘頭式破碎機對路面的沖擊能量非常大，擊打能力很強，可將厚厚的水泥面板一次擊開。但會直接破壞原有路基的平整度和密實度的均勻性，如路基下有管線等設施也會對其造成直接影響。產生的振動沖擊波很大，一般施工點周圍20米內不能有振動敏感型建筑物。另外施工噪音非常高,不但工人勞動強度大，而且形成噪音污染。從破碎質量上看靠重力砸擊路面很難一次將水泥面板打碎。雖然可反復工作或利用大噸位振動式壓路機配合進一步碾碎但還是難以將水泥面板擊碎到理想的尺寸，并存在埋在下面的較大未碎塊頭難以處理。

圖1 大型多錘式破碎機

實踐證明，破碎后的碎塊尺寸越大、越不均勻，對新加鋪層的影響就越大，即越容易引起反射裂縫，破碎后的碎塊尺寸越小，引起反射裂縫的幾率就越小，但其對路面的支撐強度也會變小，使作為基層使用的破碎壓實層的結構失效概率增大。經研究，碎塊尺寸與反射裂縫和結構強度之間的關系如圖2所示。根據美國RMI公司的實踐經驗，舊面破碎后的碎塊尺寸在3～8英寸（8～20厘米）之間時,可取得較為理想的效果。從圖2中可看出正是兩個曲線的交叉點附近。重錘沖擊式破碎方法難以將舊面板打碎到這樣的尺寸范圍內。

圖2 碎石尺寸與反射裂縫和結構強度之間的關系

表1 多錘頭破碎技術施工質量控制指標

2.2 RMI共振破碎技術

上世紀末,美國共振機器公司率先研制出了共振式破碎設備，它的出現使水泥路面破碎改造工藝實現了新的突破。

2.3 共振破碎原理

共振式破碎設備是利用振動梁帶動工作錘頭振動，錘頭與路面接觸。錘頭的振動頻率約44HZ左右，振幅為20mm。通過調節錘頭的振動頻率,使其接近水泥面板的固有頻率 ,激發其共振即可輕而易舉地將水泥混凝土面板擊碎。其原理圖如圖3所示。工作錘頭上裝有專用傳感器,感應路面的振動反饋 ,由電腦自動調節振動頻率 ,搜尋被擊物的自有頻率 ,并引起水泥面板在錘頭下局部范圍內產生共振 ,使混凝土內部顆粒間的內摩擦阻力迅速減小而崩潰。共振式破碎設備同時還可控制被擊碎的碎塊粒度和破碎深度。共振破碎施工見圖4，施工質量控制指標見表2。

圖3 共振破碎機錘頭工作原理圖

圖4 共振破碎施工圖

表2 共振破碎技術施工質量控制指標

2.4 共振破碎的特點

（1）破碎后的碎石尺寸理想均勻

由于共振破碎力發生在整個水泥板塊厚度范圍內，能使板塊較均勻地分裂,通過微調振動頻率，改變振動的力度可使破碎后的碎塊尺寸達至3～8英寸（8～20cm）的較理想尺寸。

（2）破碎后的粒度上部較小下部較大

由于振動力是由面板上部向下部傳遞的,振動錘并不在一個點上連續振動，而是快速向前移動的,所以振動在混凝土中存在衰減梯度，從而使上部的破碎粒度較小，下部的破碎粒度較大。這樣的結構首先是小粒度可更好地消除反射裂縫，同時下部的較大的粒度提高了路基的承載能力，其次是上部小粒度有利于路面滲水的橫向排除，下部的大粒度又可起到阻止滲水向下滲透的作用。

（3）破碎后的碎石紋路規則排列，并與路面形成35～40°夾角

共振破碎的工作錘頭在激發路面共振的同時，快速向前移動沖擊的合力指向前下方，從而使振碎的裂紋與路面形成了一定的夾角。這一夾角可使碎石塊之間相互嵌合,經壓實后相互嚙合得更緊，從而使碎石層起到更好的礫石穩定層的作用。共振破碎機使碎石裂紋走向傾斜的示意圖如圖5所示。實際效果（截面）如圖6所示。

圖5 共振破碎頭使面板裂紋傾斜示意圖

圖6 共振破碎機破碎后的面板截圖

（4）破碎深度可控制不沖擊路基，保證路基下的管線設施完好無損

共振式破碎機通過調節振動頻率和振幅即可控制破碎的深度。因為它是在試圖以接近混凝土的固有頻率而振動，在發生共振的瞬間,錘頭就向前運動了,垂直向下的沖擊力很小,而且面板下邊的材料為非混凝土，不會與之共振，所以避免了對路基的沖擊。路基下的其他管線設施自然不會受到影響。路基不受沖擊，保持了原有的路基平整度和密實度的均勻性。

（5）振動影響小,施工適應范圍大

共振破碎技術是工作頭與局部水泥板塊之間的振動,高頻低幅振動波衰減很快，傳遞范圍很小,一般不會影響到施工點附近2～3米外的構件。所以，共振動破碎技術的應用范圍比較廣，市政、機場、港口、重要設施附近的公路等對振動級別有要求的地方，采用共振技術可很好的解決問題。

2.5 門板式打裂機壓穩技術

該機裝配有寬度為2.5米的板式沖擊錘，錘頭重5噸，具備足夠的能量使混凝土路面產生全深度的開裂。打裂時要控制落錘提升高度不宜過高或過低，過高時沖擊力太大，易使路面板因嚴重破裂而產生過大的位移，出現大量的碎屑，過低則達不到打裂效果。破碎后路段不得開放交通。施工質量控制指標見表3。

表3 門板式打裂壓穩施工質量控治指標

2.6 沖擊壓實技術

采用多邊形鋼輪沖擊壓實機，可在擊碎舊路面板的同時將其夯實穩固到基層上，即破碎與穩固同步進行，從而使原有路面結構成為新鋪層的良好支承，并避免其出現反射裂縫。施工質量控制指標見表4。沖擊壓實機一改傳統光輪壓路機的圓形鋼輪為多邊形，當機器行走時，在輪面與地面間摩擦阻力的作用下，輪軸反復抬升和落下，使鋼輪沖擊夯壓地面。在沖擊壓實過程中如發現局部路段出現“彈簧”現象，應停機檢查。確認后應把“彈簧”層挖除，然后回填碎石、石渣，找平后用傳統壓實機具分層壓實，再用沖擊壓實機械補壓同樣遍數，以避免與非挖填路段之間產生沉降差異。沖擊壓實后的路面在攤鋪完瀝青混合料面層之前不允許開放交通，施工過程中如下雨，應立即停止作業并做好作業區遮蓋工作，防止雨水滲入路床。

表4沖擊壓實技術施工質量控制指標

3 結論

1）舊混凝土路面的改造，采用新的破碎技術對舊路面板進行破碎后，可直接作為路面基層，施工效率高，節約資源，具有良好的經濟和環保效益。

2）MHB多錘頭破碎技術適用于施工點周圍20米內沒有振動敏感型建筑物，而且路面質量等級要求不高的水泥混凝土路面改造中；共振破碎技術適用于市政、機場、港口、重要設施附近的公路等對振動級別有要求的地方，對噪音要求小的居住區，以及不能斷絕交通的路面改造中；沖擊破碎技術適用于舊水泥混凝土路面板破損嚴重、且舊路基及基層較差的水泥混凝土路面改造，能為新加鋪層形成穩固的支承體系。

[1]陳英輝,王一兵,賀 杰.破碎舊水泥路面的新機型[J].工程機械，2004,(9): 60～62.

[2]熊帆,黃曉明,賈 棟.碎石化技術在水泥砼老路改建中的應用 [J].交通科技,2004,(6):52～54

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.09.035