混凝土路面多錘頭碎石化法強度機理與施工技術(shù)研究

葉 君 李 陽 段石金

（浙江交工集團股份有限公司，浙江 杭州 310000）

1 概述

水泥混凝土路面以其剛度高、承載能力強等優(yōu)點，在我國公路路面形式中占有較大比重。然而，在水泥混凝土路面使用過程中，其受到車輛荷載的重復(fù)碾壓，將逐漸出現(xiàn)板體開裂、板角斷裂等病害[1-2]。在水泥混凝土路面使用末期，路面病害已經(jīng)非常嚴(yán)重，采用其它道路養(yǎng)護措施已不能滿足路面使用性能時，必須對路面進行破碎。破碎后可能的處理方式有兩種：一是原位利用，二是從原位移除。多錘頭碎石化技術(shù)是一種原位利用的路面改造方式，該方法是采用碎石化設(shè)備，如門刀式破碎機、共振式破碎機、多錘頭式破碎機等，將原水泥混凝土面板進行機械破碎，并經(jīng)壓實后鋪筑上層結(jié)構(gòu)，恢復(fù)道路承載能力和表面功能[3-4]。在多種破碎方法中，多錘頭式破碎方法具有破碎效果好、效率高等優(yōu)點而被廣泛采用[5]。已有研究表明，多錘頭碎石化法能有效防止反射裂縫，節(jié)約資源，保護環(huán)境，降低路面修復(fù)成本[6-8]。

對于碎石化技術(shù)的研究是工程實際的客觀需要。一是水泥混凝土路面發(fā)展和生存的需求；二是大量水泥混凝土路面改造和維修的迫切需要。水泥路面出現(xiàn)破壞后如何修復(fù)，是公路養(yǎng)護部門需要解決的重要問題，也是我國水泥路面推廣和應(yīng)用所面臨的重大挑戰(zhàn)。近年來，水泥路面在高等級公路的應(yīng)用比例中趨于減少，碎石化技術(shù)為水泥混凝土路面的維修和改建提供新技術(shù)的同時，也解除了廣大技術(shù)人員建設(shè)水泥路面的后顧之憂，為其進一步推廣和應(yīng)用拓展了空間。無論是從路網(wǎng)建設(shè)、生態(tài)環(huán)境保護，還是從經(jīng)濟大動脈的高效運營、資源的循環(huán)再生利用上看碎石化技術(shù)都有著極為重要的社會和經(jīng)濟意義，具有廣闊的應(yīng)用前景和利用價值。

2 強度形成機理

采用多錘頭碎石化法對水泥混凝土路面進行處理時，多錘頭破碎機的破碎頭對老舊水泥混凝土面板進行沖擊破碎，在沖擊波的作用下，水泥混凝土面板發(fā)生破碎。以有的研究和工程實踐都已經(jīng)表明，老舊水泥混凝土面板經(jīng)碎石化處治后，其破碎層可以依據(jù)顆粒粒徑和其嵌擠作用的差異性被劃分為三個層位，即表面松散層、上層和下層結(jié)構(gòu)[9-10]。表面松散層收到的沖擊作用最大，原混凝土材料通常被破碎為粒徑不超過7.5cm的顆粒材料。松散層的材料強度主要來源于破碎混凝土顆粒間的嵌擠作用。由于松散層的水泥混凝土顆粒的針片狀顆粒含量較高，雖然能夠形成一定的嵌擠作用，但這種嵌擠作用并不足以是破碎后的混凝土路面行車足夠的強度和承載能力，因此往往需要采用Z型壓路機對其進行進一步壓密。

3 碎石化施工工藝

3.1 水泥混凝土面板破碎

首先，多錘頭破碎機械在破碎老舊水泥面板前要確定破碎錘的破碎點，一般錘距為50cm左右。路面破碎的形狀必須成“鋸齒”拼圖狀，所有的碎粒處于互相嚙合，未被打亂的狀態(tài)，這樣可使交通負(fù)荷向更大的范圍分散；碎粒共同“工作或彎曲”，將負(fù)荷分散到更大的范圍。破碎的混凝土的固定方法是用重型靜碾壓路機碾壓，以重型輪胎壓路機為首選，因為鋼輪壓路機或振動壓路機在碾壓時接觸面不均勻，尤其是振動壓路機會使一些小型碎塊下沉，造成破碎塊體更加松動而不能起到固定作用。采用50T的重型輪胎式壓路機碾壓幾遍的固定方法對破碎的混凝土碾壓。對于一些破碎后產(chǎn)生的混凝土過分剝落、形成縫隙較大的部分，采用砂漿灌漿及封漿處理，以保證加鋪結(jié)構(gòu)層以下沒有空洞。破碎與固定同步進行：同步進行主要是利用重型輪胎式壓路機對水泥板進行碾壓，使舊水泥板完全破碎并與下步結(jié)構(gòu)層充分接觸，同時保證水泥混凝土板體保留大部分強度。利用壓路機本身的重力及工作時的沖擊力來完成的，利用大的沖壓力將水泥混凝土面板壓裂并將板體壓實以起固定作用。指標(biāo)控制一般采用高差控制，高差的控制方法是在施工前，每車道50米確定一點測定其高程，施工時每碾壓5遍測一次，當(dāng)前后兩次高差小于5mm時，即認(rèn)為破碎并碾壓密實。

3.2 破碎后層位處理

由于在老舊水泥混凝土面板破碎過程中，不可避免地在表面會產(chǎn)生一些松散混凝土顆粒材料，這些松散的顆粒如不進行清除，在鋪筑上層結(jié)構(gòu)后，會在上層結(jié)構(gòu)與碎石化層中間形成松散夾層，易誘發(fā)上層結(jié)構(gòu)發(fā)生位移，從而影響其耐久性。因此，在鋪筑上層結(jié)構(gòu)前，應(yīng)對碎石化層表面松散顆粒、灰塵等進行清除。此外，雖然破碎后的水泥混凝土面板表面并不平整，但不應(yīng)對碎石化層表面不應(yīng)過度修整，這是由于對碎石化層表面過度修整會影響原混凝土顆粒間的嵌擠作用，從而破壞層位穩(wěn)定性。但對于超過5cm的表層凹陷，可用密集配碎石材料進行回填，并進行壓實。除此之外，對于非全幅破碎的水泥混凝土路面而只對一個車道寬度進行破碎時，破碎寬度應(yīng)寬于一個車道，以寬于一個車道不少于15cm為宜。最后，在進行上層結(jié)構(gòu)攤鋪時，應(yīng)注意減少施工車輛的通行次數(shù)和載重量，避免通行的施工車輛對破碎層形成過渡擾動，繼而破壞原有破碎層的穩(wěn)定性。如施工車輛已經(jīng)對原碎石層產(chǎn)生了明顯擾動，應(yīng)對該區(qū)域進行二次壓實，以保障其穩(wěn)定性。

4 多錘頭碎石化機械特點及適用性分析

4.1 多錘頭碎石化機械特點

多錘頭碎石化機械一般簡稱MHB（Multiple Hearl Breaker 的英文縮寫），其主要由定量泵、插裝閥、單作用液壓缸、工作錘頭架和錘頭組成[10]，并且一般采用柴油驅(qū)動。對老舊水泥混凝土面板進行破碎主要依靠錘頭對面板的錘子作用產(chǎn)生。在MHB 后排一般設(shè)置有兩排工作錘頭，不同型號的MHB 的錘頭質(zhì)量有所差異，一般在400kg 以上。在工作時，錘頭被液壓系統(tǒng)提升至一定高度后釋放，并借助自身重量對面板進行錘擊，每次錘擊可產(chǎn)生約1.38-11.1kJ 沖擊能量。錘頭的提升高度一般可以通過試驗確定，依據(jù)機械型號、施工路段的混凝土面板厚度、強度確定適宜高度，以達到預(yù)期的破碎效果。此外，為防止擊起的水泥混凝土碎屑飛濺，一些MHB 設(shè)備還在下部設(shè)置有遮擋裝置。當(dāng)前，MHB 的破碎寬度均能完全覆蓋一個車道寬度。相對于單錘頭破碎設(shè)備，MHB 由于配備了多個錘頭，在破碎作業(yè)中，多個錘頭可以連續(xù)、均勻地對混凝土板進行破碎，具有更為高效、平穩(wěn)的優(yōu)點。相對于其他種類的破碎設(shè)備，MHB 的優(yōu)勢主表表現(xiàn)在以下幾個方面：首先，MHB 的沖擊功相對較小，能夠減小對面板下層結(jié)構(gòu)造成破壞；其次，其對混凝土面板的覆蓋面廣、作用力較為均勻，能夠保障不同位置的面板收到相近的錘擊力，繼而使破碎后的混凝土顆粒具有更為穩(wěn)定的粒徑；再次，MHB 施工過程中噪音相對較小，能夠減小對周圍環(huán)境造成噪聲污染；最后，通過調(diào)整破碎參數(shù)，可以有效調(diào)整MHB 的破碎深度，達到更理想的破碎效果。

4.2 多錘頭碎石化法適用性

由于采用多錘頭碎石化法進行老舊水泥混凝土面板破碎是將原有水泥混凝土面板的強度進行破壞，并由破碎后的不同粒徑的混凝土顆粒間的嵌擠作用形成新的強度。因此，雖然多錘頭碎石化方法具有一系列優(yōu)點，但也應(yīng)注意其適用性?？偨Y(jié)已有的研究和工程實踐，可知多錘頭碎石化法主要適用于以下情況：

1、原水泥混凝土面板已經(jīng)產(chǎn)生了大量網(wǎng)裂、龜裂病害，其板體間的連續(xù)性已經(jīng)產(chǎn)生不可逆的破壞。此時，由于原有的水泥混凝土面板的連續(xù)性已經(jīng)被破壞，通過碎石化方法可以使面板被破碎成均勻顆粒，從而形成嵌擠而重新獲得強度。

2、水泥混凝土出現(xiàn)堿-骨料反應(yīng)，其他方法已經(jīng)難以對其進行處治。出現(xiàn)堿-骨料反應(yīng)后，骨料與水泥之間產(chǎn)生不可逆的反應(yīng)，繼而造成混凝土松散，水泥喪失膠結(jié)能力。此時，采用碎石化法進行處治后，其強度主要來源于顆粒之間的嵌擠作用，從而減小對水泥膠結(jié)能力的需求。

3、出現(xiàn)較大面積的斷板、錯臺、翻漿等病害，面板與面板之間，或面板與下層結(jié)構(gòu)之間連續(xù)性遭到破壞。

4、原水泥混凝土面板面臨較大范圍的維修需求，一般超過20%。由于此種情況下，面板之間連續(xù)性差，采用注漿等方法已經(jīng)難以對已有病害產(chǎn)生有效處治，或處治成本高昂，則可采用碎石化方法減小處治成本。

5 結(jié)論

本文取得的主要結(jié)論包括：

（1）水泥混凝土面板經(jīng)碎石化處理后將分為表面松散層、上層和下層結(jié)構(gòu)。

（2）表面松散層強度較低，多需采用Z 型壓路機進行進一步壓密；上層結(jié)構(gòu)上層結(jié)構(gòu)的顆粒間具有較大的移動阻力，從而有效形成了該層位的強度；下層結(jié)構(gòu)中，破碎后的塊體之間產(chǎn)生了“連鎖咬合”作用，該作用能夠?qū)⑸蠈雍奢d傳遞的壓力轉(zhuǎn)變?yōu)樗椒较虻耐茢D力，從而使整個路面結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定。

（3）在鋪筑上層結(jié)構(gòu)前，應(yīng)對碎石化層表面松散顆粒、灰塵等進行清除，并對超過5cm的表層凹陷用密集配碎石材料進行回填后壓實；對于非全幅破碎的水泥混凝土路面而只對一個車道寬度進行破碎時，破碎寬度應(yīng)寬于一個車道，以寬于一個車道不少于15cm為宜；在進行上層結(jié)構(gòu)攤鋪時，應(yīng)注意減少施工車輛的通行次數(shù)和載重量，避免通行的施工車輛對破碎層形成過渡擾動，繼而破壞原有破碎層的穩(wěn)定性。如施工車輛已經(jīng)對原碎石層產(chǎn)生了明顯擾動，應(yīng)對該區(qū)域進行二次壓實，以保障其穩(wěn)定性。

（4）多錘頭碎石化設(shè)備具有破碎效率高、工作穩(wěn)定、破碎滲透可控等優(yōu)點。

（5）歸納總結(jié)了多錘頭碎石化法的適用條件。