水泥混凝土舊路面多錘頭碎裂技術(shù)在G104城區(qū)段改造工程應(yīng)用研究

潘旭輝,史奇彬,陸云濤,王芮文,3

(1.溧陽(yáng)市交通工程建設(shè)事業(yè)發(fā)展中心，江蘇 常州 213000；2.江蘇森淼工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212000；3.江蘇省交通技師學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

1 工程概況

G104溧陽(yáng)城區(qū)段路面基層原設(shè)計(jì)為級(jí)配嵌擠碎石，厚度35 cm，面層為水泥混凝土路面，厚度為25 cm，1999年建成通車(chē)。該路段起點(diǎn)樁號(hào)為K26+230～K36+600，全長(zhǎng)10.6 km，由于該路段處于市區(qū)外緣段，交通量大，重載車(chē)輛多，原水泥混凝土路面損毀較為嚴(yán)重，對(duì)行車(chē)的安全性和舒適性造成很大的影響。2017年，對(duì)該段路段進(jìn)行技術(shù)狀況評(píng)定，結(jié)果顯示路面狀況的評(píng)定分值已經(jīng)降低到59.6分，混凝土路面唧泥現(xiàn)象隨處可見(jiàn)，表面露骨率達(dá)96%，掉角面積占板體總面積的比例超21%，混凝土板斷板率高達(dá)41.1%。路面損毀非常嚴(yán)重，已無(wú)法正常承載車(chē)輛運(yùn)行。2018年進(jìn)行路面黑色化改造。為做到廢物利用，并減小場(chǎng)外運(yùn)輸棄方，經(jīng)比對(duì)，決定采用反擊式破碎機(jī)多錘頭碎裂工藝[1]對(duì)原有路面進(jìn)行破碎。采用多錘頭碎裂工藝時(shí)，左右兩路幅采用不同的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行施工，以確定最佳施工參數(shù)組合。

2 多錘頭碎裂技術(shù)簡(jiǎn)介

2.1 應(yīng)用環(huán)境

水泥混凝土路面在我國(guó)公路起步早期應(yīng)用較廣，當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)理念為利用其較高的抗壓和抗折強(qiáng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)上部車(chē)輛荷載的抵抗，但水泥混凝土路面下承層技術(shù)不成熟等諸多因素造成水泥混凝土面板的整體破壞或局部破壞，水泥混凝土面板的這種破壞很難通過(guò)預(yù)防維修等方式恢復(fù)最佳使用狀態(tài)[2]。

目前國(guó)內(nèi)水泥混凝土路面常用的改善維修方法是通過(guò)將路面整體切除后將水泥路面板破碎體運(yùn)送至棄方處，然后按設(shè)計(jì)進(jìn)行柔性路面的鋪設(shè)。如果水泥路面毀損不嚴(yán)重，也可以通過(guò)加鋪柔性面層進(jìn)行表面處理[3]。由于微表處理治標(biāo)不治本，而棄方處理又會(huì)造成成本的增加和環(huán)境的污染，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外開(kāi)始興起反擊式破碎機(jī)多錘頭碎裂技術(shù)進(jìn)行水泥混凝土老路的改造。反擊式破碎機(jī)多錘頭碎裂技術(shù)是利用沖擊原理[4]將水泥混凝土路面擊碎，擊碎后的混凝土路面形成一定粒徑的顆?；驂K體，這些顆粒和塊體通過(guò)互相之間的較強(qiáng)咬合力、嵌擠力以及壓路機(jī)的振動(dòng)力，形成內(nèi)部高穩(wěn)定的柔性粒料穩(wěn)定層，為瀝青混凝土路面的后續(xù)攤鋪起到較好的支承層作用。通過(guò)這種工藝施工的結(jié)構(gòu)基層不會(huì)形成反射裂縫，施工工期不長(zhǎng)，對(duì)環(huán)境的破壞小，在節(jié)能環(huán)保方面非常有利，另外，對(duì)于急于通車(chē)的路段還可以有效地降低因通車(chē)造成的影響。

反擊式多錘頭碎裂技術(shù)興起于美國(guó)[5]，在國(guó)外的實(shí)踐中，其工藝已經(jīng)日漸成熟，但因國(guó)外水泥路面的設(shè)計(jì)理論、強(qiáng)度等級(jí)、下承層狀況與國(guó)內(nèi)有差別，造成水泥混凝土路面承力層、路面厚度、混凝土路面板的大小、板間傳力形式等方面有差異，碎裂工藝在本質(zhì)上也存在很大不同，國(guó)外的設(shè)備和工藝無(wú)法直接應(yīng)用于國(guó)內(nèi)公路。

G104溧陽(yáng)城區(qū)段在進(jìn)行改造時(shí)，通過(guò)對(duì)設(shè)備錘頭排序進(jìn)行改造、碎裂的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行組合，對(duì)碎裂后形成板體的水泥路面進(jìn)行破碎外觀分析、承載能力比對(duì)，然后得出最佳碎裂參數(shù)[6]。對(duì)回彈模量進(jìn)一步驗(yàn)證，將驗(yàn)證結(jié)果作為確定后續(xù)加鋪瀝青路面厚度大小的重要參考設(shè)計(jì)指標(biāo)。

2.2 段落設(shè)計(jì)

為得到最佳效果，本課題組首先對(duì)反擊式碎裂機(jī)多錘頭核心裝置進(jìn)行改裝，包括錘頭間距和振動(dòng)頻率。根據(jù)整個(gè)路段的病害調(diào)查結(jié)果，選取城區(qū)南段K30+410.1～K30+710.1進(jìn)行試驗(yàn)段施工。因反擊式破碎機(jī)多錘頭核心裝置的技術(shù)參數(shù)對(duì)混凝土路面碎裂顆粒大小、混凝土路面板的厚度及使用后期路面混凝土抗折抗壓強(qiáng)度影響都非常大，因此必須對(duì)錘頭下落勢(shì)能(由高度決定)、多錘頭節(jié)點(diǎn)布設(shè)間距以及行走推進(jìn)的速率進(jìn)行把控。根據(jù)國(guó)外工程實(shí)踐參考，選取錘頭下落勢(shì)能高度105～125 cm，落錘節(jié)點(diǎn)布設(shè)間距為75 mm，具體見(jiàn)表1。

表1 參數(shù)選擇表

根據(jù)施工技術(shù)方案，在試驗(yàn)段未開(kāi)始施工時(shí)，需要對(duì)路面邊緣開(kāi)槽，槽口寬度控制在18 cm，深度為3 mm，目的是解除混凝土路面板之間的橫向聯(lián)系。施工時(shí)，采用表1的參數(shù)對(duì)路面板進(jìn)行碎裂，目測(cè)碎裂顆粒達(dá)到要求時(shí)，采用羊足碾、雙鋼輪壓路機(jī)進(jìn)行碾壓2～3遍以達(dá)到密實(shí)效果。

2.3 碎裂參數(shù)的確定

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)段落分參數(shù)效果分析，發(fā)現(xiàn)所劃分的六個(gè)施工段落中破碎的效果有明顯的差別。其中段落①、④、⑤對(duì)于原水泥混凝土路面表面破損深度最大只有50 mm，且未在錘頭的敲擊下破壞原路面混凝土結(jié)構(gòu)，未發(fā)現(xiàn)裂縫。而段落③破損的深度較大，原混凝土路面板損壞嚴(yán)重，且表面錘擊能量過(guò)大，產(chǎn)生大量的混凝土碎末，并且在板塊的邊部施工時(shí)，由于板塊無(wú)側(cè)面約束，混凝土路面板損壞較為嚴(yán)重，甚至出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)性損壞，從而對(duì)路面排水功能和附屬工程造成巨大影響。段落②和⑥破碎效果較為理想，如破碎后的水泥路面顆粒大小基本一致，且頂面碎末粉塵較少；破碎深度均在75～100 mm，與文獻(xiàn)研究結(jié)果非常接近；對(duì)于路面板下部板體的碎裂效果更好一些，已經(jīng)基本形成了嵌擠效果，而板塊邊緣由于有切縫，處理后能保持基本完整。

產(chǎn)生上述效果的理論基礎(chǔ)如下：根據(jù)落錘能量的波動(dòng)理論，當(dāng)落錘的下落勢(shì)能較大而向前行走的速度較小時(shí)，其形態(tài)屬于低頻率高振幅，這時(shí)，水泥板塊的碎裂與多錘頭的波動(dòng)沖擊力和寬泛的能量傳播范圍有密切關(guān)系。這進(jìn)一步說(shuō)明，多錘頭的勢(shì)能大小和碎裂機(jī)行走的速度相互作用及合理的組合是影響路面破碎效果的主因，二者的合理組合能獲得良好的碎裂效果。由試驗(yàn)段效果比較，選擇后續(xù)的施工組合：多錘頭勢(shì)能高度125 cm，多錘頭落錘相鄰間距75 mm，碎裂機(jī)施工行駛的速度85～105 m/h。如果路面板的橫斷面較大，可對(duì)板的邊部進(jìn)行開(kāi)槽，從而解除路面板之間的約束，在路面碎裂效果方面也更有優(yōu)勢(shì)。如有條件，還可以將邊板通過(guò)切割機(jī)切縫，在板塊破碎后保證邊部的完整，利于后續(xù)施工。

3 碎裂質(zhì)量解析

試驗(yàn)段的破碎情況是，所選擇的兩幅路段碎裂的顆粒直徑有很大區(qū)別，在進(jìn)行質(zhì)量解析時(shí)，對(duì)不能滿(mǎn)足顆粒直徑要求的路段去除。優(yōu)選右幅②段落和左幅⑥段落作為質(zhì)量解析路段，解析質(zhì)量的手段采用挖孔、粒料的顆粒分析和彎沉測(cè)試。

3.1 顆粒直徑和排水滲透效果評(píng)估

以隨機(jī)的方法選擇破碎后的板塊，在板塊處挖去不少于邊長(zhǎng)為100 cm的測(cè)試坑孔?？涌椎纳疃葢?yīng)達(dá)到整體性較好的路面層次(包括基層以及混凝土層)。以《公路水泥混凝土路面再生利用技術(shù)細(xì)則》為依據(jù)，確定坑孔內(nèi)的破碎顆粒最大值，分析其直徑范圍。測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 破碎情況

從測(cè)試結(jié)果分析，應(yīng)用反擊法多錘頭路面碎裂技術(shù)對(duì)混凝土路面板碎裂后，左幅路面板頂面破碎顆粒的平均直徑明顯大于右幅。這足以說(shuō)明能量分配也是右幅大，左幅略小。由此可以確定，右幅的路面強(qiáng)度偏小，碎裂后的顆粒直徑變得更小。另一方面，左幅混凝土路面板碎裂后的上下部平均顆粒直徑遠(yuǎn)低于右幅，原因是右幅錘頭的勢(shì)能較小，碎裂效果不好，面板的表面沒(méi)有出現(xiàn)直徑較大的顆?；蛘邏K體，這說(shuō)明多錘頭下落的勢(shì)能是轉(zhuǎn)化為動(dòng)能的主要能量來(lái)源，是影響碎裂顆粒大小的主要因素。而碎裂機(jī)的行走速度也是影響碎裂效果的因素之一，速度越大，能量傳送深度越小，其影響的是路面板頂部的碎裂效果。在多錘頭下落勢(shì)能高度和行走速度的雙重影響下，碎裂后，其破碎效果隨著深度增加而變大，其層次明顯分為表面層、上部層和下部層。

顆粒分析完成后，需要進(jìn)行水保性試驗(yàn)，在開(kāi)挖的坑孔中倒入不少于30L的清水，仔細(xì)查看15 min左右坑孔內(nèi)水位的起伏情況，從而判斷排水性能。當(dāng)測(cè)試坑孔在左幅時(shí)，其排水性能較好，未發(fā)現(xiàn)存水。當(dāng)測(cè)試坑孔位于右幅時(shí)，坑孔在短時(shí)間內(nèi)排水，在碎裂裂縫被水充盈后，水并未在松散的顆粒內(nèi)部水平滲透和排除，在底部形成了積水區(qū)。這表明，下部整體性較強(qiáng)，碎裂的深度沒(méi)有達(dá)到預(yù)期，排水性能不佳。當(dāng)排水不好時(shí)，如果水通過(guò)裂縫浸入到瀝青路面，則會(huì)出現(xiàn)水毀破壞。

3.2 碎裂物的級(jí)配范圍分析

對(duì)破碎后的混凝土路面板表層碎裂的顆粒進(jìn)行篩分試驗(yàn)，并繪制篩分的顆粒級(jí)配通過(guò)率圖。如圖1所示。從篩分結(jié)果可以看出，混凝土路面板碎裂后，左幅顆粒大小大于右幅顆粒，并且經(jīng)壓路機(jī)碾壓以后粒徑大小總體變小。左幅顆粒雖然變小，但是變小的幅度與右幅相比較低。換句話(huà)說(shuō)，左幅路面板經(jīng)多錘頭破碎后其上部松散層次的強(qiáng)度較右幅大，顆粒的均勻性也比右幅好，其性狀為優(yōu)質(zhì)級(jí)配碎石狀，對(duì)后續(xù)瀝青路面防止反射裂縫更加有利。如不考慮其他因素，在左幅碎裂施工中，其水泥混凝土路面板碎裂后，試驗(yàn)測(cè)得的含粉量接近2.3%，含粉量符合要求的7%。在右幅碎裂施工中，其水泥混凝土路面板碎裂后，試驗(yàn)測(cè)得的含粉量接近5.1%，含粉量較大的主要原因?yàn)樗榱褭C(jī)的行走速度較小。

圖1 顆粒級(jí)配試驗(yàn)圖

3.3 彎沉測(cè)試

在通常情況下，經(jīng)破碎后，混凝土路面板回彈彎沉代表值應(yīng)小于110(0.01 mm)。如果測(cè)試結(jié)果不滿(mǎn)足此要求，可以挖除換填級(jí)配碎石以使其滿(mǎn)足要求。為掌握破碎后路面板的彎沉情況，在破碎后的左右幅進(jìn)行彎沉測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 路段彎沉檢測(cè)結(jié)果

正如表3所測(cè)得的數(shù)據(jù)顯示，對(duì)于右幅的施工情況，老路面的混凝土路面板在反擊法多錘頭工藝技術(shù)碎裂后，所測(cè)得的彎沉是沖擊碎裂前的1.6倍；對(duì)于左幅的施工情況，在舊水泥混凝土路面板碎裂后是碎裂前的2.3倍。究其原因，在右幅，經(jīng)多錘頭碎裂后的路面板表面層以下并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)存在松動(dòng)的粒徑超過(guò)10 cm的塊體，混凝土路面板整體性較好，碎裂后的整體強(qiáng)度大于左幅。應(yīng)該指出的是，左幅混凝土面板碎裂后彎沉變異系數(shù)與碎裂前相比明顯更小，說(shuō)明此工藝能顯著改善路面承載力的非均勻性，使路面性能更加牢固和穩(wěn)定。

4 等效法模量推算[7]

反擊法多錘頭碎裂后的混凝土路面板的結(jié)構(gòu)回彈模量直接影響著瀝青路面的設(shè)計(jì)計(jì)算。在進(jìn)行該層次的回彈模量預(yù)測(cè)時(shí)，將碎裂后的混凝土路面板作為雙層承力結(jié)構(gòu)層等效結(jié)構(gòu)。即碎裂后，原路面基層與路基土作為一個(gè)等效結(jié)構(gòu)層，視為復(fù)合結(jié)構(gòu)，將碎裂后的路面板層作為另外一個(gè)結(jié)構(gòu)層次。在這兩層結(jié)構(gòu)之間存在著層間摩阻力和擠壓力的咬合，因此其結(jié)構(gòu)受力是比較穩(wěn)定的。在進(jìn)行復(fù)合回彈模量估算時(shí)，采用等效推算，并結(jié)合實(shí)際壓實(shí)情況進(jìn)行。

根據(jù)以往工程的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，碎裂后混凝土路面板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度明顯比單純的級(jí)配碎石為高，其回彈模量是級(jí)配碎石的2.5倍左右。但是碎裂后路面板的上下層的回彈模量差別比較明顯，因此，不能單純按級(jí)配碎石的方法進(jìn)行計(jì)算選取數(shù)值。采用等效法推算整個(gè)碎裂層的回彈模量時(shí)，應(yīng)對(duì)回彈彎沉進(jìn)行等效變換，由此推算回彈模量。計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

α=0.86+0.26lnhx

(3)

其中，Et表示老路的水泥混凝土路面板在經(jīng)過(guò)碎裂后整個(gè)均層的回彈模量；Eta是水泥混凝土路面板經(jīng)過(guò)多錘頭沖擊碎裂以后，原來(lái)的基層(也就是舊路面板的承力層)所測(cè)得的回彈模量；hx表示水泥混凝土路面板經(jīng)多錘頭沖擊碎裂以后的殘余厚度。Ex表示經(jīng)多錘頭沖擊碎裂后，水泥混凝土路面板碎裂頂面的回彈模量。

由于反擊法多錘頭碎裂技術(shù)是對(duì)原混凝土路面板結(jié)構(gòu)性的破壞，路面板強(qiáng)度損失較大，因此，需要對(duì)破碎前基層的回彈模量進(jìn)行折減，即由Etb折減為Eta。在進(jìn)行彎沉施測(cè)時(shí)，在不干擾碎裂后的基層強(qiáng)度前提下，將原破碎的水泥混凝土路面板挖除，測(cè)定水泥混凝土路面板在碎裂前后，原有路基路床頂面的彎沉值，推算路基土的回彈模量，經(jīng)計(jì)算，其值比路面板破碎后損失30%左右。表4所示是混凝土路面板的回彈模量推算數(shù)據(jù)。

表4 回填模量推算表

有研究表明，當(dāng)老路的底基層和基層承力狀態(tài)較理想時(shí)，在多錘頭沖擊后，其回填模量和碎裂后的混凝土顆粒直徑以及上表面破碎后的深度關(guān)系密切，使用該工藝碎裂后，回彈模量一般在180～210 MPa之間。本路段通過(guò)模量反算，其值分布與文獻(xiàn)相差不大，因此上述方法可以用于指導(dǎo)瀝青面層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

5 反擊式多錘頭碎裂技術(shù)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)

反擊式多錘頭碎裂技術(shù)在G104的應(yīng)用在江蘇省的國(guó)省干線(xiàn)養(yǎng)護(hù)工程中尚屬首次，與傳統(tǒng)工藝相比，在技術(shù)、質(zhì)量和成本以及安全環(huán)保等方面都具有較大的優(yōu)勢(shì)。①質(zhì)量和技術(shù)方面：反擊式多錘頭碎裂技術(shù)與傳統(tǒng)的單錘破碎技術(shù)相比，工藝更加先進(jìn)。傳統(tǒng)的單錘頭工藝雖然簡(jiǎn)單，但是破碎質(zhì)量很難控制，無(wú)法按預(yù)期形成具有一定級(jí)配的碎裂物，破碎的塊體偏大，碎裂影響深度小。而多錘頭碎裂機(jī)的錘頭下落后不僅有錘頭的勢(shì)能轉(zhuǎn)化的能量，還有錘頭引起的共振[8]，影響深度大。②環(huán)保方面：反擊式多錘頭碎裂機(jī)在工作時(shí)噪聲小，由于碎裂物均具有一定的級(jí)配范圍，故粉塵生成量可控。③成本方面：反擊式多錘頭碎裂機(jī)在使用經(jīng)濟(jì)價(jià)值方面更具有優(yōu)勢(shì)，表5為其與傳統(tǒng)單錘頭破碎機(jī)的比較，表中所列為直接成本，由于工期提前所節(jié)省的費(fèi)用未列入。

表5 傳統(tǒng)破碎與多錘頭碎裂技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性比較

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)反擊法多錘頭碎裂工藝的研究，得出以下結(jié)論：

(1)錘頭勢(shì)能高度及車(chē)行速度對(duì)結(jié)構(gòu)碎裂程度影響較大。其中勢(shì)能影響著混凝土面板下部的碎裂粒徑，車(chē)行速度對(duì)表面層的碎裂效果及粉塵量影響較大。

(2)對(duì)后續(xù)施工的參數(shù)調(diào)整，可以參考本研究的結(jié)論，但不能直接引用本研究中的參數(shù)，因?yàn)楦鞣N碎裂機(jī)的錘頭數(shù)量、重量不同，混凝土板的質(zhì)量也不同，參數(shù)調(diào)整需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定。

(3)碎裂前和碎裂后，老路基層模量呈現(xiàn)出衰減趨勢(shì)，經(jīng)過(guò)反推回彈模量，其值與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到的結(jié)果高度吻合，可以作為瀝青加鋪結(jié)構(gòu)層力學(xué)設(shè)計(jì)依據(jù)。

(4)經(jīng)過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，反擊法多錘頭碎裂工藝在技術(shù)層面、質(zhì)量控制層面、環(huán)境保護(hù)層面以及經(jīng)濟(jì)層面均有極大的優(yōu)勢(shì)。