1、 - 1 - 高速公路水泥路面改造工程共振机械碎石化 施工 技术与应用 摘要： 共振机械碎石化技术原理通过对水泥混凝土路面进行均匀地冲击、破碎、压实，在损失一部分结构强度和整体性的情况下，把水泥混凝土路面在温度、湿度变化和荷载作用下的位移降低到沥青混凝土面层可以允许的范围内，从而彻底解决反射裂缝，为加铺沥青混凝土路面提供坚实、安全的基础。 本文以石太高速公路旧水泥混凝土路面改造为依托，对 共振 碎石化施工工艺和施工质量控制要点进行阐述 。在进行正式破碎之前，进行了试验段及承载板试验，以确保水泥碎石化顶面的回弹模量满足要求。 Abstract: The working principal of
2、rubblization through resonant technology is to break and compact the concrete pavement uniformly, to reduce the displacements of the broken PCC caused by the temperature or moisture change, or by traffic loads within a tolerable range for the asphalt overlay under the condition of loss of certain st
3、ructural strength and the total integrity of the pavement, thus to eliminate the reflective cracks completely and to create a sound and safe base layer for further asphalt paving. This article describes the key points for the process and construction control of rubblization based on the practice of
4、concrete pavement rehabilitation of Shi-Tai Expressway. Testing section followed by bearing load test have been carried out before breaking, in order to guarantee that the elastic modulus of the top layer of the broken PCC meet the demands. 关键词： 道路工程（ road engineering） 水泥路面改造 (concrete pavement reha
5、bilitation) 试验及检测 (experiment and testing) 共振机械破碎 (resonant breaking) 施工 (construction) 1 共振机械碎石化技术简介 共振机械 （ RPB） 碎石化技术主要用在板块完整性及结构性较差的旧水泥混凝土路面破除中。共振碎石化机产生高频低幅的振动能量，振动能量传递到水泥混凝土板并被水泥板吸收。共振碎石机上装配有传感器，可以 通过机载电脑自动调节碎石化锤头的振动频率，使锤头与水泥板产生共振，并使旧路水泥板迅速产生破裂。 破碎后的旧水泥混凝土结构层用来作为新路面结构层的基层，该层的力学特性接近于柔性基层，其抗变形能力优于
6、一般高品质的密级配级配碎石 1。经过共振碎石化破碎以后，水泥板块表层粒径较小，且松散；下层粒径较大，嵌锁良好 2。碎石化表面层 50mm 颗粒较小，透水性好，有助于路面渗水的横向排出，并有利于消除反射裂缝；下部较大的颗粒在碎石化过程中体积并未发生膨胀，这种特点有助于提高路基的承载能力，阻止渗水向下渗透 3， 4。 共振碎石化技术在国外如美国、加拿大、乌克兰、智利、俄罗斯等国家均有应用。在美国，包括密歇根和伊利诺伊州在内的许多州都使用这种技术，一些州的州交通部还制定了共振碎石化的规范。这种技术在美国不仅用于旧水泥路面板的破碎，还广泛应用于水泥混凝土机场道面的破碎 5。在中国，这种技术尚未得到大规
7、模的应用。已有的应用包括上海市沪青公路和金山大道， 104 国道及 35 省道临石线，新卫公路，沈砖公路，浙江省 21 省道龙葛线等。 2 共振破碎的特点 - 2 - （ 1）破碎后的碎石尺寸理想、均匀 振动在混凝土中存在衰减梯度，从而使上部的破碎 粒度较小，下部破碎粒度较大。破碎后的碎石块在 2-32cm 之间。这种破碎的好处是：上部 4-6cm 的碎石层 可更好的消除反射裂缝，并有利于路面渗水的横向排除；下部较大的 碎石板块保留了旧混凝土板 的承载能力，同时可以阻止渗水向下渗透。破碎后的碎石纹路规则排列，并与路面形成 35-40夹角。这一夹角可使碎石块之间相互嵌合，经压实后相互咬合的更紧，
8、从而使碎石层起到更好的砾石稳定层的作用。 （ 2）破碎深度可控制，避免冲击 路面基层 共振式破碎机可以通过调节振动频率和振幅来控制破碎深度。破碎机以接近混凝土的固有频率振动，在发 生共振的瞬间，锤头向前移动，因此垂直向下的冲击力很小。此外，由于路基材料和混凝土面板材料存在较大差异，所以路基不会与混凝土面板产生共振，这就避免了对路基的冲击，保持了原有路基的平整度和密实度 (如图 1 所示 )。 路面基层 不受冲击，路基下的管线设施也就不会受到影响。 图 1 共振碎石化过程示意图 （ 3）可使钢筋混凝土中的钢筋完全与混凝土剥离 共振破碎技术使振动发生在水泥板块内部，对钢筋混凝土而言， 由于 钢筋的
9、固有频率与水泥混凝土有异，从而使钢筋混凝土很容易与水泥碎块完全剥离。 （ 4）振动影响小，施工适应范围大 共振破碎设备产生高频低幅的振动，设备的工作头与局部水泥板块之间产生共振，振动波衰减很快，传递范围很小，一般不会影响到施工点附近 2-3 米外的构件。 （ 5）施工效率高 共振碎石化施工程序简单，生产率可达 8360m2/天，每天可完成 2km 左右长度的路面破碎，可大大提高 路面维修 效率。 （ 6）具有良好的经济与环境效益 共振破碎后的水泥板用作新路面结构的基层，因此不产生建筑废料，且对反射裂缝的减缓作用在一定程度上延长了路面的使用寿命，提高了路面在寿命周期内的服务水平。此外，共振破碎的
10、振幅较小，因此锤头与路面共振破碎产生 的噪音较低， 由于其工作点窄，可单车道施工，不用完全封闭交通，对交通干扰小， 是一种环境友好型的破碎技术。 3 施工工艺流程 石太高速公路旧路路面结构为： 25cm 水泥混凝土面板 +18 cm 二灰碎石 +15cm 石灰土，- 3 - 其路面主要病害包括交叉破裂、破碎板、横向和纵向裂缝、唧泥和底板脱空、沉陷等。使用美国共振机器公司（ Resonant Machines Inc）的 RB500 系列共振破碎机进行路面碎石化处理并加铺沥青路面结构。施工工艺流程如下图所示： 图 2 路面碎石化施工工艺流程图 4 路面碎石化前预处 理 交通管制及分流 在碎石化施
11、工前制定交通管制及分流方案，以满足通车及施工要求。破碎实施过程中及完成后，碎石化层顶面不允许任何车辆通行。应实行严格的交通管制，以防止车轮推挤破坏碎石化效果。 铣刨旧路面微表处，清除沥青混合料贴补材料 构造物标记 设置排水设施、挖除土路肩 严重病害部位的处理 清除沥青混合料贴补材料、 铣刨旧水泥混凝土微表处 设置测量控制点 顺接过渡段铣刨混凝土面板处置 透层或防水封层施工 废弃材料清除 顺接过渡段挖除混凝土面板处置 挖补破碎过程中发现的深陷、松散基层、底基层 破碎水泥混凝土路面 破碎后水泥混凝土碾压 检测路面弯沉 摊铺面层沥青混合料 顺接过渡段底层沥青混合料摊铺 碎石化后加铺沥青面层前表面整平
12、 交通管制 - 4 - 路面碎石化施工前，应对旧水泥混凝土板块上的沥青表面修补材料进行清除，否则会直接影响碎石化质量。 本项目旧水泥板面板上有一层 沥青微表处， 碎石化前用铣刨机进行了铣刨 。 排水系统设置 路面碎石化处理前，应将土路肩挖除至混凝土路面 底层 同一高度或以下，以使 渗入碎石化结构层的 水能 从 侧向 排出。 严重病害部位的处理 在路面破碎之前应对出现软弱沉陷、松散基层等严重病害的部位进行修复处理。在修复时，首先对出现病害处的混凝土路面进行清除，之后对基层或路基 进行检查处理 ，最后用贫混凝土材料对开挖处进行 浇注 。 构造物的标记和保护 施工前，应调查核实现有结构物情况，并在现
13、场做出明确标记，必须在确保这些构造物不会因施工造成损坏的前提下，方可进行施工。 设置高程控制点 在有代表性路段设置高程控制点，以便在施工中监测高程的变化。开工前，应对路面高程及设计高程进行复核，必要时，应根据高程变化情况 对路面设计高程进行调整。 5 试验段及承载板试验 试振 为了确保共振破碎的质量，保证破碎后的水泥混凝土颗粒的粒径和强度符合要求，实施共振破碎以前必须进行破碎试振。试振后开挖试坑，检查破碎粒径的分布情况及均匀程度，并确定设备参数。 试验段：在路面碎石化施工正式开始之前，应根据路况，在有代表性的路段选择宽4m（或一个车道）的路面作为试验段。根据经验逐级调整破碎参数对路面进行破碎。
14、目测破碎效果，当碎石化后的路表呈鳞片状时，表明碎石化的效果能满足规定要求，记录此时采用的破碎参数。本次施工的试验路段长度为 20-30m，宽度为 1 个车道。试验位置为现场确认的有代表性的路段，包括桥头搭板以外、微表处完好处以及面板完好与破损共同存在处。 试坑：为了确保路面被破碎成规定的尺寸，在试验段内随机选取 2 个独立的位置开挖 1m2 的试坑，试坑的选择应避开有横向接缝或工作缝的位置。试坑应开挖至基层，以在全深度范围内检查碎石化后的颗粒是否在规定的粒径范围内。如果破碎的混凝土路面粒径没有达到要求，那么应高速设备控制参数，并相应增加试验段。循环上一过程，直至混凝土路面粒径满足要求，并记录此
15、时的碎石化参数备查。在正常碎石化施工过程中， 应根据路面实际状况对破碎参数不断做出微小调整。当需要对参数作出较大调整时，应通知监理工程师。 应当特别注意的是，试验段开始破碎的前 10m 和结束破碎前 5m，指标的检测不能安排在这一区域进行。试验完成以后，使用 C40 水泥混凝土对试验段进行回填。 试验过程 石太高速水泥混凝土路面破碎 实验段一：不清除沥青微表处，直接对水泥混凝土路面进行破碎。 现场确定有代表性的三块水泥混凝土面板，分别为面板完好、轻度破损和破损严重的三块板进行破碎试验。 用美国 RMI 公司的 RB500 系列共振破碎机进行破碎，此次破碎的振动频率为 44HZ，振幅为 20mm
16、。由于锤头中心距共振机车轮外缘为 100cm，并且锤头不能做水平移动，因此路面边缘有 90cm 的面板无法破碎。 面板破碎后，微表处与面板剥离，板块顶面约 3-5cm 被破碎成碎石屑。用吹风机吹除表面层后浇水，以判断破碎后路面是否有裂缝及渗水情况。为了检验破碎效果，使用风镐凿挖试坑来检验破碎粒径范围。检验结果表明水并不下渗，且破碎后的路面硬度很大，使用风镐无法进行凿挖。这说明破碎后的路面仍基本为一个整体，达不到规定的破碎效果。 人工清除破碎后的表层微表处后，再以相同的步骤进行第二次破碎。破碎后 ，板块顶面3 5cm 是粒度较小的碎石屑透水结构，用吹风机吹除顶面层后，再浇水检验裂缝渗水情况，-
17、5 - 并凿挖 12 的试坑检验其破碎效果。检验结果表明，在 5-25cm 深度范围内，粒径多为 15-25 cm 粒度较大的碎石块嵌锁紧密不透水层，底下 3-5cm 厚的混凝土并没有被破碎。破碎后的碎石纹路规排列则，并与路面形成 35-40夹角。二灰基层整体性完好。 石太高速水泥混凝土路面破碎 实验段二：铣刨沥青微表处并清表后，再对水泥混凝土路面进行破碎。 此试验段对水泥混凝土路面一次性破碎，试验过程 同实验段一。破碎后，板块顶面 3-5cm是粒度较小的碎石屑透水结构，用吹风机吹除顶面层后，再浇水检验裂缝渗水情况，并凿挖12 的试坑检验其破碎效果。检验结果表明，在 5-25cm 深度范围内，
18、粒径大都是约 5-25 cm粒度较大的碎石块嵌锁紧密不透水层。破碎后的碎石纹路排列规则，并与路面形成 35-40夹角。二灰基层整体性完好。 承载板试验 在试验段破碎完之后，对该路段水泥混凝土板进行承载板试验，以分析破碎后碎石化 层顶面 的回弹模量。在该路段选择 7 个测点，每点测 3 次，测试结果如表 2 所示。 表 1 承载板测定结果表 路线和编号：石太高速 路面结构：旧水泥混凝土路面 测定层位：碎石化表层 测定用汽车型号：东风，轴载： 100kN 承载板直径 (cm)： 30 测定日期： 2007 年 10 月 6 日 碎石层顶面当量回弹模量 (MPa) 承载板压力 (MPa) 计算回弹变
19、形 (0.01mm) 287.5 0.1 8 306.9 0.2 15 345.3 0.3 20 287.8 0.5 40 306.9 0.6 45 322.3 0.7 50 306.9 0.8 60 将承载板测试结果根据公式 （ 1） 计算出回弹模量。 E0=D(1-02) pi /(4li) (1) 式中， pi 为第 i 级承载板压力（ MPa） ,D 为承载板直径（ m）； 0 为 碎石层 的泊松比 ，计算中 0 取 值为 0.15； li 为对应于 pi 的计算回弹变形值。计算可得破碎后的水泥碎石层顶面的当量回弹模量 E0 309.2MPa。 6 碎石化施工过程及应注意的问题 路面破
20、碎 按照先 外侧车道及路肩、后内侧车道的顺序进行破碎施工。两幅破碎一般要保证 20cm左右的搭接破碎宽度。机械施工过程中要灵活调整行进速度、频率等，尽量达到破碎均匀。 因锤头不能做水平移动，路面两侧边缘 50-75cm 无法进行 破碎，解决方案是使可共振机械与边缘成 30 50的角度破碎。 - 6 - 破碎后的压实 破碎后的路面采用钢轮压路机（ 9T） 振动压实，压实 3-5 遍，使表面混凝土块均匀密实。压实速度控制在 5km/h 以内 。压实的主要作用是将破碎的路面表面的扁平颗粒进一步破碎，同时稳固下层块料，为新铺沥青面层提供一个平整的表面。 压实过程中应注意，共振碎石化施工是使旧水泥混凝土
21、路面被共振破碎而不是粉碎。因此，将表面压平和“压稳”即可，不可能也不必要达到一般意义上的压实 8。尤其是在在路面综合强度过高或过低的路段，应避免过度压实，以免造成表面粒径过小或将碎石化层压入基层。 乳化沥青透层 为使表面较松散的粒料有一定的结合力，使用慢裂乳化沥青做透层，用量控制在 2.5 L-3.0L/m2。乳化沥青透层表面再撒布一层洁净的粒径为 3-5mm 的石屑，石屑用量以不粘轮为标准。用钢轮压路机以较慢的速度碾压 1-2 遍； 表面整平 在加铺沥青面 层前，必须利用沥青混和料对路面碎石化后的表面凹处进行找平，以保证加铺沥青面层的平整度及路面使用性能。 摊铺沥青面层及碾压。 对于在碎石化
22、施工过程中发现的部分软弱沉陷、松散基层，应及时换填贫混凝土材料。此外，在铺筑沥青混合料以前所有松散的填缝料、胀缝材料、切割移除暴露的钢筋或其它类似物应进行清除，如需要，应填充以沥青混合料。 根据路面碎石化工艺施工特点，在施工过程中应注意以下环节： 排水设施的设置及施工过程中的防水、排水。 在进行破碎前应设置好排水设施，使破碎后的旧路面层、基层和路基处于较好的排水状态 ，以保持路基干燥，避免土基变软，为加铺层提供足够的支承强度。并防止沥青混凝土面层产生水损害。 旧水泥混凝土板块在破碎后很容易受到雨水侵入，所以破碎完成后，加铺新路面结构前要做好防水工作。要求后续的摊铺工序在碎石化完成后尽快开始，最
23、好做到当天破碎，当天碾压，当天摊铺。如果不能及时摊铺，则应采取临时防水措施（如加盖塑料薄膜等）以减少雨水侵入。 试验段施工及正式施工过程中对破碎情况的监控。 粒径与破碎层的强度特性直接相关，因此控制破碎粒径是施工工艺中的重要环节。在进行大面积施工前，应安排试验路段进行试破碎，详 细了解破碎后的粒径分布情况、强度及均匀性，找出能够满足破碎要求的设备控制参数，指导全路段施工。 进行大面积施工时，应密切关注混凝土板表面破碎状况。当某一施工路段表面粒径发生显著变化时，应通过开挖试坑的方法检查板体内部粒径分布情况，如不满足要求，应及时调整设备控制参数，直至满足要求。 7 路面碎石化的施工质量控制方法 碎
24、石化工艺试验段设备参数推荐 RB500 系列共振破碎机械，施工过程中主要控制的指标是振动频率（ 42-46Hz）和振幅(1-2.5cm)这两项指标。根据经验，一般采用 频率 44Hz 振幅 2cm 的破碎方式。 需要指出的是，不同地段的水泥混凝土路面状况差异较大，上述推荐的施工参数只供试验段调试设备运行参数时参考，具体施工设备运行参数需根据试验段得出的结果来进行调整。 施工质量控制的一般过程 施工质量控制应在碎石化大面积施工开始前、施工过程中和施工后分别加以控制，其一般过程如下。 选择具有代表性路段作为试验段，其长度最小 100m，在该试验段中安排不同振动频率（ 42-46Hz）和振幅 (1-
25、2.5cm)的子区段，每子区段长度不少于 50 m，其分界要标记清楚。 试验段施工结束后，对不同振动频率（ 42-46Hz）和振幅 (1-2.2cm)的子区段粒径进- 7 - 行检测，选择对应的设备控制指标。 进行大面积施工过程中，要注意单幅路面长度破碎超过 1km 时，应在破碎粒径发生突变处挖试坑抽检，验证粒径是否满足要求，如果不满足需进行小幅调整。 对于下卧层强度差异较大的不同路段要作不同的设备参数控制，可在其中一段控制参数的基础上，做小幅调整以满足其他段的破碎要求。 对粒径的确认应通过开挖试坑后用卡尺量或过筛并结合目测的方式进行（试坑面积为 1m2，深度要求达到基层）。试坑位置的选取应有
26、随机性。 试验段子区段安 排过程中应包含开始破碎的前 10m 和结束破碎前 5m， 但 指标的检测不能安排在这一区域进行。 回弹弯沉检测应在乳化沥青洒布、表面整平后进行。 碎石化施工质量检验指标与测试频度如表 2 所示。 表 2 碎石化施工质量检验指标与测试频度 项次 检查内容 标准 保证率 检查方法和频率 1 板块顶面上粒径 3 75% 卡尺 ,20m 一处 2 上部 1/2 厚度范围粒径 8 75% 卡尺 ,试验段 50m一处 ;正常施工时抽检 5% 3 下部 1/2 厚度范围粒径 21 75% 卡尺 ,试验段 50m一处 ;正常施工时 抽检 5% 4 回弹弯沉值 58（ 0.01mm）
27、全段，每 20m 一点，每一评定段不少于 20 点。 5 顶面当量回弹模 量 280MPa 回弹弯沉值不满足时，采用承载板 , 每评定段不少于 9 点 6 平整度 2 75% 3m 直尺 ,200m 两处 7 纵断高程 2 75% 水准仪 ,200m 两处 8 横坡 0.5 75% 水准仪 ,200m 两处 由于承载板试验占压路面时间长，每个测点耗时半个小时左右，影响后续工序的施工，因此在实际操作中，碎石层质量是采用如下方法控制的，在测试承载板的点位用弯沉仪 进行测试，对两组测试数据进行统计分析后建立回归公式，本试验路的实验结果为承载板试验数据为 280MPa 时对应的弯沉值为 58，因此在施
28、工过程中就用弯沉来进行施工控制，因为弯沉检测方便快捷，不影响后续工序的开展。 碎石化层作为基层直接加铺沥青路面 ,目前我国技术规范中没有相应规定 ,本技术要点提出的技术指标要求 ,是在参考我国现行技术规范标准的基础上，结合类似工程经验提出的，具体实施中可以根据实际情况进行确定。 8 结论 共振碎石化技术用于旧水泥混凝土路面破碎，其优势十分明显。本文通过介绍石太高速公路共振碎石化技术 的应用，对该技术的施工工艺及质量控制进行了探讨。通过进行试验段，保证了共振碎石的质量。基于承载板检测结果的回弹模量计算表明，水泥碎石顶面的当量回弹模量可以满足承载力要求。 参考文献： 1 黄琴龙，陈达豪，凌建明等
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30、on Research Circular, 2006 5 Mark Buncher, Gary Fitts, et al. Airfield Asphalt Pavement Technology Program Project 04-01R. Asphalt Institute 2696 Research Park Dr. Lexington, KY 40511-8480, 2008 6 徐柱杰，凌建明，黄琴龙 .旧水泥混凝土路面共振碎石化效果研究 J.中国公路学报，2008， 21（ 5）： 26-32 7 徐柱杰，凌建明，黄琴龙等 .旧水泥混凝土共振碎石化模量分析 J.同济大学学报（自然科学版）， 2008， 36（ 9）： 1195-1198;1209 8 黄湖锋，张洪举，郑云清 . 共振碎石化技术在水泥路面改造中的应用 J.路基工程，2007（ 5）： 104-105 9 李 昶 ，张玉宏 ，张 健冲击压实与 MHB类设备对水泥混凝土路面破碎效果的对比公路交通科技文章编号： 1002-f268(2004)11-0017-03 10 张玉宏，王松根，李昶国外水泥混凝土路面碎石化技术简介 公路 文章编号：0451-0712（ 2003） 09-0092-04
