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国外水泥混凝土路面碎石化技术简介张玉宏1 , 王松根1 , 李昶2(11 山东省交通厅公路局 济南市 250002; 21 东南大学 南京市 210096)摘 要: 水泥混凝土路面在其使用年限末期, 不能再承担服务功能时, 需要对其进行处理以建构新的路面结 构国内在旧水泥混凝土路面处理方面方法不够完善, 这与我国机械设备制造工艺相对落后有关国外 (主要指美 国) 在处理旧水泥混凝土板块的过程中积累了丰富经验, 形成了在旧水泥混凝土路面破损状况相对严重时的原位 利用水泥混凝土路面的碎石化工艺 这一工艺能将水泥混凝土路面破碎成小粒径嵌挤颗粒, 从而为新的沥青混凝 土加铺层提供理想的基层主要介绍国外水泥混凝土路面碎石化工艺状况及其设计方法水泥混凝土路面碎石化 的成套技术已经由山东省交通厅公路局倡导引进并开始进行试验段铺筑 关键词: 水泥混凝土路面; 碎石化工艺; 设计水泥混凝土路面是目前道路工程中所广泛使用的路面结构类型中的一种, 分布极为广泛 水泥混凝 土有其自身的优点, 如: 材料来源广泛、 施工工艺及 设备相对简单、 建成初期养护管理费用较低等。

水泥混凝土路面虽然有不少优点, 但是在我国较高等级 道路上新建路面采用刚性路面结构的越来越少, 对 水泥混凝土路面人们存在着一个看法, 认为其破坏 后很难修复或重建 而沥青混凝土路面则在出现破 损或要承担未来更大的交通量时, 可以通过加铺来方便地解决 水泥混凝土路面被认为出现损害后难以处理有 以下原因: ( 1) 水泥混凝土路面刚度较大, 处理起来 比较麻烦; ( 2) 水泥混凝土路面的修补工艺复杂且 耗费巨大; ( 3) 水泥混凝土路面上加铺沥青混凝土 层时, 如果处理不当会产生反射裂缝; ( 4) 水泥混凝土路面在损害发生前较难发现其潜在隐患 基于以上原因, 水泥混凝土路面在新建高等级 公路中所占比例越来越小 然而, 刚性路面作为路面 结构主要形式中的一种, 有着其不可替代的作用 只 要能妥善处理损害发生前的防治工作, 并对已发生病害的板块进行及时而合理的修补, 水泥混凝土路 面仍有其特殊的优势 根据路面破损的不同程度及路基、 土基状况可 以采用不同的路面修复方法 这些方法包括: 局部修 补、 功能性沥青罩面 ( 较薄、 用于改善行驶性能的加铺层)、 结合式双层板、 分离式双层板等。

在水泥混凝土路面的整个使用周期内, 其路面 状况与修复方法有如图 1 关系图 1 使用年限与修复方法的关系水泥混凝土路面的碎石化是一种原位利用原水泥混凝土路面的手段, 在原水泥混凝土路面使用末 期, 其他方法不能起到好的效果时可以采用 碎石化 方法、 震裂压稳和破裂压稳技术都能很好地消除反射裂缝 确定碎石化适用条件是合理使用这种方法的前 提, 根据资料, 进行碎石化应具备以下条件:(1) 功能性罩面上出现大量反射裂缝; (2) 大量错台、 翻浆和角隅破坏;收稿日期: 2003- 07- 102003 年 第 9 期张玉宏等: 国外水泥混凝土路面碎石化技术简介— 95 —(3) 超过 25% 的板开裂, 超过 20% 的路面已经修补或需要修补, 超过 10% 的路面需要开挖修补; (4) 出现严重冻胀开裂或碱集料反映;( 5) 在进行碎石化前要与其它方案进行技术经济评价破碎工艺按破坏特性的不同分为 3 种: 震裂压稳、 碎裂压稳和碎石化 震裂压稳和碎裂压稳都是通 过特殊设备将水泥混凝土板块纵向破碎成较短长 度, 然后用较大的 (50 t) 胶轮压路机碾压大于 3 次,使其牢固嵌挤在基层顶面上, 然后再进行加铺。

震裂 压稳和碎裂压稳的主要区别是震裂压稳破碎后的裂 缝不明显, 这与破碎时机械的冲击作用不同有关 根 据国外的研究成果, 震裂压稳和碎裂压稳技术处理的旧水泥混凝土路面上的沥青混凝土加铺层也会产 生反射裂缝, 不过与不进行破碎的类似结构相比, 其 反射裂缝出现的时间和反射裂缝出现的数目有所改 善 反射裂缝开始出现的时间要比不进行破碎时推 迟 2～ 3 年, 同时反射裂缝的数目相对减少 20% 左右 与碎石化工艺相比, 震裂压稳和碎裂压稳技术对 水泥混凝土路面的结构性破碎得不够彻底 碎石化工艺是水泥混凝土路面破碎工艺中较为 常用、 对消除加铺层反射裂缝也更有效的一种施工 工艺 碎石化有 2 种设备可供使用 一种是通过重锤下落进行破碎, 一种是通过振动来破碎2 种工艺 的相应设备如图 2、31 水泥混凝土路面碎石化设备及工艺简介水泥混凝土路面碎石化以后必须加铺才能达到 使用要求, 水泥混凝土路面破碎后的结构层作为新 加铺路面结构的基层继续发挥作用 加铺层可以是沥青混凝土层也可以是水泥混凝土层 我国也有不少在旧水泥混凝土路面上直接加铺 沥青混凝土结构层的实践 但是这些加铺层往往很 快出现反射裂缝。

引起这种反射裂缝的主要原因有2 点: 一是水泥混凝土板块在荷载作用下, 接缝和裂 缝处的不协调的沉降; 二是水泥混凝土板块在温度 变化时容易产生接缝和裂缝宽度的变化 这 2 种效 应分别在接缝或裂缝上的加铺层内部产生剪切力和拉力 从对路面加铺层的威胁程度来说, 荷载所产生 的接缝或裂缝处的竖向不均匀沉降是导致加铺层容 易在接缝或裂缝顶部出现与其形状相同的裂缝的主 要原因 水泥混凝土破碎工艺是在路面状况较差时可以 采用的一种旧水泥混凝土路面处治方法 国内在水 泥混凝土路面破损情况严重时一般采用柴油动力小 型单锤门架式破碎机进行破碎和移除 必须移除的 原因是板块破碎后形成的是厚度等于水泥板的大粒 径碎块, 一般大于 30 cm , 这样的碎块因其非均匀性 且难压稳, 很难作为加铺后路面结构的一个结构层 也正是这个原因, 使公路工程技术人员在考虑路面 结构时担心水泥混凝土路面后期养护和重建费用 高, 从而倾向于使用沥青混凝土路面国外特别是美国在最近二十多年来也遇到了我 国同样的旧水泥混凝土路面改造问题 破损情况严重的水泥混凝土路面如何处治是一个非常棘手的问 题, 而破碎工艺正是在这种情况下逐渐产生和发展 起来的。

破碎工艺的原理是通过对旧水泥混凝土路面进 行破碎而减少甚至消除水泥混凝土板块对加铺层的反射裂缝 破碎工艺的过程就是将水泥混凝土板块 破碎成较小的片断或颗粒, 这些片断和颗粒因为尺 寸减小, 相对于车辆荷载来说是更加均匀的结构层, 在压实后进行加铺就能有效控制反射裂缝的产生图 2 M HB 型重锤破碎机械图 3 共振型破碎机械 M HB (M u lt ip le H ead B reak e r) 型破碎设备在其 后部有 2 排重锤M HB 具有橡胶轮胎, 以柴油机作为 动 力 源, 该 机 械 所 携 带 的 重 锤 的 重 量 为 454～54418 k g , 分 2 排成对装配在整台机械的尾部 ( 后排重— 96 —公路2003 年 第 9 期锤对角地装配在前排重锤间隙中心) , 每对重锤单独地 以一套液压提升系统为动力, 在破碎时按一定规律下 落 重锤下落时可产生 1138～ 1111 kJ 的冲击能量 这 种机械的典型工作效率是每台班约2 km (1 个车道) 配套的还有 Z 形 (Z- g r id ) 压路机, 如图 4 采用的是一种等代的算法, 即将加铺结构与全厚度的新建沥青混凝土路面结构相对照, 将不同材 料的结构层按一定的系数折算成沥青混凝土厚度,在基层 ( 底基层) 的厚度确定的情况下, 通过将全厚 度沥青混凝土层厚度减去实际结构折算成沥青混凝 土层的厚度, 就可以计算其上所需铺筑的沥青混凝 土结构层厚度。

考虑到碎石化后水泥混凝土层结构 性大大降低, 为了保证未来加铺后路面结构具有良 好的抗车辙和抗纵向裂缝能力, A I 方法划分了不同 温度区域 ( 按最大、 最小温度及最大温差区分) 内加 铺沥青混凝土层的最小厚度, 其最小值为 125 mm 这种设计方法理论上简单且使用方便, 是一种经验 设计方法3 碎石化方法中的关键因素311排水要求 碎石化过程中会产生一些细碎的颗粒, 而混凝 土破碎后的颗粒之间没有粘结力, 在这种情况下, 如果有水渗入该层, 将会带来很大的安全隐患 所以在 正式进行碎石化施工前, 要先建成和完善排水设施 排水可采用碎石盲沟的形式 在排水层设置好之后 才可以进行正式的碎石化施工, 提前建成排水设施 的目的是为了路基在完善的排水条件下更充分地稳定下来, 土基和基层可能因此而更加可靠 如果不能 在碎石化之前设置和完善排水通道, 也要在碎石化 过后尽量短的时间内完成 排水设施关系到碎石化以后, 原水泥混凝土板 块破碎层的长期稳定, 是必须加以重视和采取的配 套工程312对土基和基层的要求 破碎过程中产生的低频高幅振动可以传递到路 面结构的较大深度范围内, 也就是说, 土基和基层在 破碎过程中也会受到影响。

原土基和基层是否具有 较好的稳定性至关重要 不稳定的土基或基层在破碎重锤下落时受到冲击力作用会产生一定程度的破 坏, 局部强度会降低, 特别是地下水位较高时, 这种 情况发生的可能性更大 对某路段进行碎石化前, 先要了解该路段土基 和基层的含水量情况, 最好能通过取样测试的方式来确定 通过测试的含水量能推测土基和基层在碎 石化过程中的稳定性 如果含水量较高, 则该路段在 碎石化并加铺上面层后仍容易产生局部强度不足造 成的破坏, 如: 车辙等 这时, 水泥混凝土破碎后己失图 4 Z 形压路机照片这种压路机在破碎后进行压实 该压路机类似于一般的钢轮压路机, 只是在钢轮上加了斜向波纹 状凸出条纹, 这种条纹有以下 2 方面的作用: ( 1) 保 证轮下颗粒不至于向外挤出; (2) 对表面颗粒有更好 的压碎效果, 有利于表面平整M HB 型破碎机械破碎后的颗粒尺寸是可控制 的, 根 据 国 外 的 研 究, 规 定 其 颗 粒 范 围 在 715～30 cm 之间能取得良好的使用效果 控制破碎后颗 粒尺寸可通过控制重锤下落高度来实现 共振型碎石化机械是由凸轮转动产生的偏心力 在机械与水泥混凝土路面接触处产生高频低幅的振 动进行破碎的, 这种碎石化工艺其破碎能力大部分 被水泥混凝土板块所吸收, 所以碎石化后产生的颗 粒粒径相对于 M HB 型设备要小, 其破碎时的影响 范围也较小。

因为破碎功的传递规律, 碎石化后水泥混凝土 板块碎裂成的颗粒粒径随深度变化是不同的, 上面 部分粒径较小, 下面部分较大 破碎后颗粒之间有着 良好的嵌挤作用, 在通过压路机压实后, 形成了坚实 稳定的沥青混凝土加铺层的基层2水泥混凝土路面碎石化加铺层厚度设计方法 国外的旧水泥混凝土路面碎石化技术已有二十 年左右的历史, 特别是碎石化后加铺沥青混凝土层 的旧水泥混凝土路面处治方法更是得到了广泛应 用 与此相配套的设计方法也日趋成熟A I 在进行碎石化后沥青混凝土加铺层设计时 所采用的思路与柔性路面结构加铺层设计思路是相2003 年 第 9 期张玉宏等: 国外水泥混凝土路面碎石化技术简介— 97 —去整体性, 会随其下沉陷的土基和基层一起变形, 这 对加铺层就很不利了国外一般要求土基层的 CB R值大于 7313 破碎后颗粒组成特性 破碎机械不同, 所产生的冲击能量形式也有区 别M HB 是通过重锤下落产生的低频高幅的波动 冲击力来进行破碎的 相对于高频低幅的波动冲击 力, M HB 破碎时的能量会传递到较大的深度范围 内, 同时, 离重锤作用位置较近处吸收的能量占总能 量的比例相对较小, 因此 M HB 相对。