行業(yè)資訊
基于共振碎石化的舊水泥混凝土路面再生技術(shù)研究
前言
目前的舊水泥混凝土路面改造中，加鋪瀝青面層（白加黑）是比較常用的方法。但是，由于原水泥混凝土板接、裂縫處在荷載和溫度、濕度變化下會(huì)產(chǎn)生相對(duì)位移，總是無(wú)法避免出現(xiàn)反射裂縫。而碎石化，是最徹底的解決了反射裂縫問題的方法之一，它是從反射裂縫產(chǎn)生的機(jī)理和源頭出發(fā)，將水泥混凝土面板破碎后再加鋪面層。
碎石化法(簡(jiǎn)稱共振碎石化法)是美國(guó)RMI公司研發(fā)的技術(shù),主要用于板塊完整性與結(jié)構(gòu)性較差的各種混凝土路面改建。該方法是將混凝土板碎石化成高強(qiáng)粒料層，對(duì)板下各層影響相對(duì)于其他碎石化方法要小，是目前最能有效防止反射裂縫的碎石化技術(shù)且是一項(xiàng)重要的水泥混凝土路面原位破碎利用技術(shù)?，F(xiàn)場(chǎng)碎石化處理是水泥混凝土路面重建的一種方法，是過去10年到15年期間發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù)。美國(guó)瀝青學(xué)會(huì)將碎石化定義為：“一種將水泥混凝土路面破碎成為小碎塊的加工過程”。這些碎塊的粒徑范圍從沙粒的尺寸到20cm左右。細(xì)顆粒集中在路面上部，粗顆粒集中在路面下部。
一、舊水泥混凝土路面改造的方法
1.1先修復(fù)舊水泥混凝土板塊，然后在其上加鋪瀝青混凝土面層。
該方法適用于路面破損不嚴(yán)重，斷板率較低，且沒有脫空、錯(cuò)臺(tái)等路基缺陷的情況。應(yīng)該注意的是，修復(fù)不是重新修筑，它并不能完全消除水泥混凝土板塊間的差異性沉降，這種不均勻沉降容易導(dǎo)致瀝青面層的早期破壞，如反射裂縫。另一方面，修復(fù)后的原水泥混凝土板塊中可能存在未修補(bǔ)完全的區(qū)域，這些區(qū)域使得加鋪的瀝青面層的結(jié)構(gòu)安全有很大隱患。除此之外，對(duì)舊水泥混凝土板塊進(jìn)行修復(fù)也要花費(fèi)大量的人力、物力。
1.2移除舊水泥混凝土板塊，然后加鋪新面層。
該方法適用于路面破壞過于嚴(yán)重或高程受限的情況，我國(guó)過去由于受施工機(jī)械性能的限制，混凝土板塊破碎后得到的顆粒粒徑不適合用作加鋪面層的基層或底基層。3種方法中，該法是最為徹底的方法，但其初期投入過大，移除的舊水泥混凝土又很難再加以利用，造成很大的浪費(fèi)，并會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，社會(huì)影響較為強(qiáng)烈。
1.3先破碎舊水泥混凝土板塊，然后在其上加鋪瀝青混凝土面層。
該破碎工藝按破壞特性的不同分為3種：破裂壓穩(wěn)、打裂壓穩(wěn)和碎石化。三者的目的都是縮小舊水泥板的尺寸，但處理后的板（碎）塊尺寸不同。其中，碎石化將板的長(zhǎng)度減小到極小值。根據(jù)國(guó)外的研究成果，經(jīng)破裂壓穩(wěn)和打裂壓穩(wěn)技術(shù)處理后加鋪的瀝青混凝土面層也會(huì)產(chǎn)生反射裂縫，不過與不進(jìn)行破碎的類似結(jié)構(gòu)相比，其反射裂縫出現(xiàn)的時(shí)間要比不進(jìn)行破碎時(shí)推遲2～3年，同時(shí)反射裂縫的數(shù)目相對(duì)減少20%左右。與碎石化工藝相比，破裂壓穩(wěn)和打裂壓穩(wěn)技術(shù)對(duì)水泥混凝土路面的結(jié)構(gòu)性破碎得不夠徹底。
（1）打裂壓穩(wěn)
理想狀況下，打裂壓穩(wěn)處理后，板塊長(zhǎng)度應(yīng)在30～100 mm，這就可以將板塊水平方向上位移的積累減小到瀝青面層可以承受的程度，從而消除反射裂縫的產(chǎn)生。打裂可以在板塊中形成緊密的裂紋，從而以部分結(jié)構(gòu)性的損失來?yè)Q取傳荷能力的增強(qiáng)；另一方面，壓穩(wěn)則消除板下的脫空，恢復(fù)了基層對(duì)水泥混凝土板塊的支承作用。打裂壓穩(wěn)技術(shù)已經(jīng)成功地用于改造結(jié)構(gòu)完好，僅存在功能性破壞的普通水泥混凝土路面。使用打裂壓穩(wěn)時(shí)必須考慮到板塊整體性的損失。
（2）破碎壓穩(wěn)
破碎壓穩(wěn)技術(shù)與打裂壓穩(wěn)類似，不同點(diǎn)在于前者用于鋼筋混凝土路面。該技術(shù)要求破壞混凝土和鋼筋之間的聯(lián)結(jié)，從而減小工作縫和裂縫之間的差異性位移到最低限度。由于要破壞混凝土和鋼筋之間的聯(lián)結(jié)，破碎壓穩(wěn)要求比打裂壓穩(wěn)有更高的破碎功。同時(shí)，在瀝青面層設(shè)計(jì)時(shí)也應(yīng)考慮到這種破壞造成的結(jié)構(gòu)性的損失。如果路面破損情況較嚴(yán)重，路面破碎后不能保持板塊的完整性，則應(yīng)考慮采用碎石化或直接移除板塊。
（3）碎石化
碎石化是通過完全破壞已有板塊來消除瀝青上覆層中的反射裂縫。碎石化后水泥混凝土顆粒的粒徑不大于40cm，且75%以上的顆粒在深度方向的分布滿足：表面最大尺寸不超過7.5cm，中間不超過22.5cm，底部不超過37.5cm。碎石化可用于板塊完整性和結(jié)構(gòu)性較差的鋼筋水泥混凝土路面，它在其他類型的水泥混凝土路面的改建中也得到成功的應(yīng)用。該技術(shù)將水泥混凝土板塊破碎成“高強(qiáng)粒料基層”，然后在上面加鋪瀝青面層補(bǔ)強(qiáng)。
二、碎石化技術(shù)的適用范圍
為了達(dá)到預(yù)期的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效果，要對(duì)任何候選的舊有路面進(jìn)行工程的前期評(píng)估以確定是否適合碎石化處理。如果混凝土路面具有良好的結(jié)構(gòu)承載力，不應(yīng)該首先考慮采用碎石化處理，因?yàn)樗槭吘故菍⒒炷谅访嬲麄€(gè)結(jié)構(gòu)毀壞。經(jīng)總結(jié)當(dāng)水泥混凝土路面出現(xiàn)下列情況時(shí)可以采用碎石化改造技術(shù)：
（1）出現(xiàn)大量的接縫缺陷，如：錯(cuò)臺(tái)、翻漿和角隅破壞等導(dǎo)致超過20%的接縫需要修補(bǔ)；（2）超過20%的板出現(xiàn)開裂；（3）超過20%的路面已被修補(bǔ)或需要修補(bǔ)；（4）當(dāng)50%以上的建設(shè)成本用于混凝土路面修復(fù)；（5）修復(fù)的道路使用壽命在15年以上；（6）鋼筋混凝土路面；（7）路面失去結(jié)構(gòu)承載力。
但是，并不是所有的路面出現(xiàn)以上損壞時(shí)都可以考慮使用碎石化技術(shù)。不適合的情況如下。
有研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)公路基層與面層之和少于15cm時(shí)，不能采用碎石化技術(shù)；當(dāng)路基承載比CBR低于1.5%時(shí)，也不能采用碎石化技術(shù)；在基層與面層之和為15～33cm之間，路基承載比CBR為1.5%～7%之間內(nèi)不太適合碎石化技術(shù)。另外，在地勢(shì)較低、地下水位較高、路基積水或者含有較濕的粘土和混入泥沙的粘土地區(qū)以及當(dāng)路基材料損壞太厲害，不能承受破碎路面負(fù)荷的地區(qū)均不宜采用碎石化處理。
三、共振破碎原理及施工特點(diǎn)
3.1共振破碎原理
共振破碎設(shè)備振動(dòng)工作錘頭與路面接觸，調(diào)節(jié)錘頭的振動(dòng)頻率，通過專用激振器激發(fā)水泥混凝土產(chǎn)生共振，使其接近水泥面板的固有頻率，激發(fā)其共振，即可將水泥混凝土面板擊碎。工作錘頭上裝有專用傳感器，感應(yīng)路面的振動(dòng)反饋。由電腦自動(dòng)調(diào)節(jié)振動(dòng)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(nèi)產(chǎn)生共振，使混凝土內(nèi)部顆粒間的內(nèi)摩擦阻力迅速減小而崩潰。
通過浮動(dòng)式共振破碎，使舊水泥混凝土面板碎裂，形成上部嵌擠密實(shí)的碎石層，下部嵌鎖咬合的塊石層。碎石化后水泥混凝土顆粒的粒徑不大于40cm，且75%以上的顆粒在深度方向的分布滿足：表面最大尺寸不超過7.5 cm，中間不超過22.5cm，底部不超過37.5cm。
共振破碎設(shè)備GZL600型全浮動(dòng)式共振破碎機(jī)是利用共振原理將舊水泥路面的剛性面層神奇地變?yōu)闉r青路面的柔性基層，達(dá)到優(yōu)化路面結(jié)構(gòu)層的目的，是舊水泥路面改造的重大突破。全浮動(dòng)式共振機(jī)的振動(dòng)頭產(chǎn)生的頻率為44HZ、振幅為2cm的機(jī)械波完全緊貼路面水泥板傳遞能量，使水泥板產(chǎn)生共振，達(dá)到碎石化舊水泥路面的目的。
3.2共振破碎施工特點(diǎn)
碎化上面層為0～8cm左右的碎化層，起緩沖、減振作用，還具有吸放路面滲水和層間冷凝水作用；碎化下面層為斜向嵌鎖承重層，是路面結(jié)構(gòu)中最特殊的柔性基層，既具有柔性層特性又具有較強(qiáng)的承載能力。破碎后的碎化面與舊水泥板面等高度，所以碎化層的密實(shí)度接近100%，后期碾壓非常簡(jiǎn)單。破碎后面層上拋灑少量石屑，以不完全覆蓋碎石塊為宜，碾壓后即可正常開放交通，只需灑水保濕就行了。開放交通期一般不超過一個(gè)月。舊水泥路面采用共振碎化石后，可直接加鋪瀝青層，不需要做任何的封層和粘層。
共振破碎是交通影響最小的施工工法，特殊地段可在24小時(shí)內(nèi)完成改造路段從破碎到完成瀝青層攤鋪并重新開放交通的施工過程，在大交通流量及交通敏感路段施工具有交通影響最小的特殊優(yōu)勢(shì)。共振破碎施工的震動(dòng)、噪音和粉塵遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其它施工方法，是環(huán)境影響最小的破碎工法。這項(xiàng)技術(shù)是防止出現(xiàn)反射裂紋最有效的工法，白改黑道路預(yù)期使用壽命可達(dá)到15-22年，可極大的節(jié)省后期維修工作和費(fèi)用。
四、結(jié)論
(1)碎石化改造是一種新型技術(shù)，同時(shí)也是一種工藝性很強(qiáng)的技術(shù)，中間質(zhì)量控制環(huán)節(jié)比較多。任何一個(gè)小的差錯(cuò)，都有可能對(duì)整個(gè)工程的質(zhì)量產(chǎn)生影響。所以在施工過程中，必須嚴(yán)格遵循相關(guān)的施工手冊(cè)。我國(guó)目前還沒有碎石化施工的相關(guān)規(guī)范，現(xiàn)階段主要借鑒國(guó)外技術(shù)規(guī)范和國(guó)內(nèi)已有的碎石化施工項(xiàng)目所積累的經(jīng)驗(yàn)。
(2)該技術(shù)有兩項(xiàng)重大突破：一是舊水泥路面板的合理利用，變廢為寶，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境保護(hù)。二是在路面技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了瀝青面層配柔性基層（碎化層）道路的長(zhǎng)壽命，節(jié)約了全壽命期的總體造價(jià)，是經(jīng)濟(jì)效益的體現(xiàn)。
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