新一代碎石化技术进行旧水泥路面改造

作者：浏览量：1404 发布时间：2019-08-10

　　由于我国国力等情况，从上世纪70年代开始，许多道路尤其是南方的许多省际干线公路都建成了造价相对便宜的水泥混凝土路面。在社会经济大发展带来的重交通负荷冲击下，几乎都出现了断板、错板、裂缝、剥落、坑洞等损害，难以承担路网中的高等级公路之重任，大修改造已在所难免。在目前的旧水泥混凝土路面改造中，加铺沥青面层（白加黑）是比较常用的方法。但是，由于原水泥混凝土板接、裂缝处在荷载和温度、湿度变化下会产生相对位移，总是无法避免出现反射裂缝。而碎石化，是最彻底的解决了反射裂缝问题的方法之一，它是从反射裂缝产生的机理和源头出发，将水泥混凝土面板破碎后再加铺面层。

　　碎石化技术是一种重要的水泥混凝土路面原位破碎利用技术。它一般适用于水泥混凝土路面出现较大范围破损的情况。现场碎石化处理（Rubblization）是水泥混凝土路面重建的一种方法，是过去10年到15年期间发展起来的一项新技术。美国沥青学会将碎石化定义为：“一种将水泥混凝土路面破碎成为小碎块的加工过程”。这些碎块的粒径范围从沙粒的尺寸到20 cm左右。细颗粒集中在路面上部，粗颗粒集中在路面下部。

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　　国内外研究现状

　　碎石化技术最初是为了便于清除水泥混凝土路面和分离路面中的钢筋，第一次真正用于热拌沥青罩面的水泥混凝土路面破碎项目在1986年完成于美国。该技术在美国从开始使用以来，已在35个州进行施工，效果理想，已被列入美国沥青协会的技术规范。该方法最早为美国亚拉巴马州交通局用来处理损害较重的混凝土路面。迄今为止该州已有3000余km混凝土路面经由现场碎石化处理。目前美国有26个州的交通局制订了混凝土路面碎石化的规范。阿肯色州计划在未来5年内用该方法处理大约600km四车道的混凝土路面。加拿大安大略省则从2000年开始逐步采用该项技术处理混凝土路面。当年就在牛津郡做了两条长度分别为26.4 km和14.2 km的路面。美国全国迄今为止作了总共大约200个碎石化处理的项目。目前仍在不断研究和总结经验中。例如爱荷华州政府就建立了为期三年的到2004年9月结束的碎石化研究项目。美国也有因为工程前期评估不足，不当的使用了这一技术，或因为加铺层设计不当或施工不当而造成的问题。例如密执安州对所作的碎石化处理项目进行了评估总结：有大约47％~67％的5年新的碎石化处理沥青加铺层路面需要维修，有大约67％~87％的5年新的水泥混凝土加铺层需要维修。伊利诺斯州的国道有12个项目使用了碎石化的办法，其中有8个被密切监测，到目前为止，所有的碎石化工程都或多或少的比控制路段表现要好。

　　我国的旧水泥混凝土路面破碎技术起步较晚，1995年首次从南非引入了蓝派冲击压实设备。此后我国路面破碎技术相继出现了打裂压稳和打碎压稳。直到2002年才从美国引入MHB（多锤头破碎机）型路面破碎设备，该设备对水泥混凝土路面的破碎则属于典型的碎石化工艺。国外的大量研究表明，打裂压稳并不能完全消除反射裂缝，只能延缓其出现的时间。而碎石化则由于其优异的破碎效果，能很好的防止反射裂缝的出现。我国使用多锤头碎石化技术从2002年开始，由山东省公路养护工程有限公司从美国引进Badger州立公路设备公司生产的多锤头破碎设备。现在这项碎石化技术已开始逐步应用，诸如合宁高速公路改建工程、泰化路老路改建工程、湖州104国道改建工程埭溪段、浙江35省道改建工程临石线等建设项目都采用过这一技术。

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　　旧水泥混凝土路面改造的方法

　　旧水泥混凝土路面的改建方法自这种路面出现之后便有。在多年的摸索和发展中，形成了很多种的方式方法。但追根究底，这些方法主要可以分成三大类：

　　（1）先修复旧水泥混凝土板块，然后在其上加铺沥青混凝土面层。该方法适用于路面破损不严重，断板率较低，且没有脱空、错台等路基缺陷的情况。应该注意的是，修复不是重新修筑，它并不能完全消除水泥混凝土板块间的差异性沉降，这种不均匀沉降容易导致沥青面层的早期破坏，如反射裂缝。另一方面，修复后的原水泥混凝土板块中可能存在未修补完全的区域，这些区域使得加铺的沥青面层的结构安全有很大隐患。除此之外，对旧水泥混凝土板块进行修复也要花费大量的人力、物力。

　　（2）移除旧水泥混凝土板块，然后加铺新面层。该方法适用于路面破坏过于严重或高程受限的情况，我国过去由于受施工机械性能的限制，混凝土板块破碎后得到的颗粒粒径不适合用作加铺面层的基层或底基层。3种方法中，该法是最为彻底的方法，但其初期投入过大，移除的旧水泥混凝土又很难再加以利用，造成很大的浪费，并会造成严重的环境污染，社会影响较为强烈。

　　（3）先破碎旧水泥混凝土板块，然后在其上加铺沥青混凝土面层。该方法适用于路面破损比较严重，且有明显的唧泥、板底脱空、错台的情况。该法将旧水泥混凝土板块破碎后作为新建沥青混凝土路面的基层或底基层，其初期资金投入较第2种方法要少，且不存在废弃旧混凝土板块的处置问题。另一方面，破碎后的旧水泥混凝土板块类似于级配碎石，又有利于防止反射裂缝的产生。是最有应用前景的一种处置方法。

　　破碎工艺按破坏特性的不同分为3种：破裂压稳、打裂压稳和碎石化。三者的目的都是缩小旧水泥板的尺寸，但处理后的板（碎）块尺寸不同[8]。其中，碎石化将板的长度减小到极小值。根据国外的研究成果，经破裂压稳和打裂压稳技术处理后加铺的沥青混凝土面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，破裂压稳和打裂压稳技术对水泥混凝土路面的结构性破碎得不够彻底。

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　　打裂压稳

　　理想状况下，打裂压稳处理后，板块长度应在30~100 mm，这就可以将板块水平方向上位移的积累减小到沥青面层可以承受的程度，从而消除反射裂缝的产生。打裂可以在板块中形成紧密的裂纹，从而以部分结构性的损失来换取传荷能力的增强；另一方面，压稳则消除板下的脱空，恢复了基层对水泥混凝土板块的支承作用。打裂压稳技术已经成功地用于改造结构完好，仅存在功能性破坏的普通水泥混凝土路面。使用打裂压稳时必须考虑到板块整体性的损失。

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　　破碎压稳

　　破碎压稳技术与打裂压稳类似，不同点在于前者用于钢筋混凝土路面。该技术要求破坏混凝土和钢筋之间的联结，从而减小工作缝和裂缝之间的差异性位移到最低限度。由于要破坏混凝土和钢筋之间的联结，破碎压稳要求比打裂压稳有更高的破碎功。同时，在沥青面层设计时也应考虑到这种破坏造成的结构性的损失。如果路面破损情况较严重，路面破碎后不能保持板块的完整性，则应考虑采用碎石化或直接移除板块。

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　　碎石化

　　碎石化是通过完全破坏已有板块来消除沥青上覆层中的反射裂缝。碎石化后水泥混凝土颗粒的粒径不大于40 cm，且75%以上的颗粒在深度方向的分布满足：表面最大尺寸不超过7.5 cm，中间不超过22.5 cm，底部不超过37.5 cm。碎石化可用于板块完整性和结构性较差的钢筋水泥混凝土路面，它在其他类型的水泥混凝土路面的改建中也得到成功的应用。该技术将水泥混凝土板块破碎成“高强粒料基层”，然后在上面加铺沥青面层补强。

新一代碎石化技术进行旧水泥路面改造

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　　碎石化技术的适用范围

　　为了达到预期的技术和经济效果，要对任何候选的旧有路面进行工程的前期评估以确定是否适合碎石化处理。水泥混凝土路面的修复有三大方法，即修缮复原，重新铺面和重建。碎石化处理是重建的一种。旧混凝土路面首先应该考虑前面两种修复方法。如果混凝土路面具有良好的结构承载力，不应该首先考虑采用碎石化处理，因为碎石化毕竟是将混凝土路面整个结构毁坏。经过查阅大量资料，本文总结当水泥混凝土路面出现下列情况时可以采用碎石化改造技术：

　　（1）出现大量的接缝缺陷，如：错台、翻浆和角隅破坏等导致超过20%的接缝需要修补；

　　（2）超过20%的板出现开裂；

　　（3）超过20%的路面已被修补或需要修补；

　　（4）当50%以上的建设成本用于混凝土路面修复；

　　（5）修复的道路使用寿命在15年以上；

　　（6）钢筋混凝土路面；

　　（7）路面失去结构承载力。

　　此外，当旧水泥混凝土路面有下面一种或几种类型的损坏时，也可以考虑采用碎石化改造技术：

　　（1）水泥混凝土面板有严重的D形裂缝。D形裂缝是水泥混凝土路面的伸缩缝两侧在一定范围内产生的多道裂缝，呈D字形，且呈不断扩展趋势，严重时裂缝产生的小块可能脱落或错位移动。D型裂缝是典型的耐久性裂缝；

　　（2）水泥混凝土路面有严重的碱骨料反应的情形。碱骨料反应中有胶体产生，吸收水份造成膨胀（碱胀），进而开裂而降低混凝土的耐久性；

　　（3）受严重冻融破坏的混凝土路面。冻融破坏一般发生在没有加气的混凝土中。如果气孔体积或者气孔间距不适当，混凝土在受冻时会膨胀开裂。这一过程可持续几年会使混凝土路面破坏严重。

　　但是，并不是所有的路面出现以上损坏时都可以考虑使用碎石化技术。碎石化技术的运用除了有以上路面的充分条件外，还有对其的必要条件。

　　美国公路科研部门在研究碎石化工艺时发现，当公路基层与面层之和少于15cm时，不能采用碎石化技术；当路基承载比CBR低于1.5%时，也不能采用碎石化技术；在基层与面层之和为15~33 cm之间，路基承载比CBR为1.5%~7%之间内不太适合碎石化技术。

　　另外，在地势较低、地下水位较高、路基积水或者含有较湿的粘土和混入泥沙的粘土地区以及当路基材料损坏太厉害，不能承受破碎路面负荷的地区均不宜采用碎石化处理。对于碎石化改造技术的适用范围，一般采用图1-1所示的判定方法。一般来说，只要原路基CBR值大于7，且水泥混凝土路面基层与面层总厚度超过33cm，便可以采用碎石化技术。

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