混凝土路面多锤头碎石化法强度机理与施工技术研究

叶 君 李 阳 段石金

（浙江交工集团股份有限公司，浙江 杭州 310000）

1 概述

水泥混凝土路面以其刚度高、承载能力强等优点，在我国公路路面形式中占有较大比重。然而，在水泥混凝土路面使用过程中，其受到车辆荷载的重复碾压，将逐渐出现板体开裂、板角断裂等病害[1-2]。在水泥混凝土路面使用末期，路面病害已经非常严重，采用其它道路养护措施已不能满足路面使用性能时，必须对路面进行破碎。破碎后可能的处理方式有两种：一是原位利用，二是从原位移除。多锤头碎石化技术是一种原位利用的路面改造方式，该方法是采用碎石化设备，如门刀式破碎机、共振式破碎机、多锤头式破碎机等，将原水泥混凝土面板进行机械破碎，并经压实后铺筑上层结构，恢复道路承载能力和表面功能[3-4]。在多种破碎方法中，多锤头式破碎方法具有破碎效果好、效率高等优点而被广泛采用[5]。已有研究表明，多锤头碎石化法能有效防止反射裂缝，节约资源，保护环境，降低路面修复成本[6-8]。

对于碎石化技术的研究是工程实际的客观需要。一是水泥混凝土路面发展和生存的需求；二是大量水泥混凝土路面改造和维修的迫切需要。水泥路面出现破坏后如何修复，是公路养护部门需要解决的重要问题，也是我国水泥路面推广和应用所面临的重大挑战。近年来，水泥路面在高等级公路的应用比例中趋于减少，碎石化技术为水泥混凝土路面的维修和改建提供新技术的同时，也解除了广大技术人员建设水泥路面的后顾之忧，为其进一步推广和应用拓展了空间。无论是从路网建设、生态环境保护，还是从经济大动脉的高效运营、资源的循环再生利用上看碎石化技术都有着极为重要的社会和经济意义，具有广阔的应用前景和利用价值。

2 强度形成机理

采用多锤头碎石化法对水泥混凝土路面进行处理时，多锤头破碎机的破碎头对老旧水泥混凝土面板进行冲击破碎，在冲击波的作用下，水泥混凝土面板发生破碎。以有的研究和工程实践都已经表明，老旧水泥混凝土面板经碎石化处治后，其破碎层可以依据颗粒粒径和其嵌挤作用的差异性被划分为三个层位，即表面松散层、上层和下层结构[9-10]。表面松散层收到的冲击作用最大，原混凝土材料通常被破碎为粒径不超过7.5cm的颗粒材料。松散层的材料强度主要来源于破碎混凝土颗粒间的嵌挤作用。由于松散层的水泥混凝土颗粒的针片状颗粒含量较高，虽然能够形成一定的嵌挤作用，但这种嵌挤作用并不足以是破碎后的混凝土路面行车足够的强度和承载能力，因此往往需要采用Z型压路机对其进行进一步压密。

3 碎石化施工工艺

3.1 水泥混凝土面板破碎

首先，多锤头破碎机械在破碎老旧水泥面板前要确定破碎锤的破碎点，一般锤距为50cm左右。路面破碎的形状必须成“锯齿”拼图状，所有的碎粒处于互相啮合，未被打乱的状态，这样可使交通负荷向更大的范围分散；碎粒共同“工作或弯曲”，将负荷分散到更大的范围。破碎的混凝土的固定方法是用重型静碾压路机碾压，以重型轮胎压路机为首选，因为钢轮压路机或振动压路机在碾压时接触面不均匀，尤其是振动压路机会使一些小型碎块下沉，造成破碎块体更加松动而不能起到固定作用。采用50T的重型轮胎式压路机碾压几遍的固定方法对破碎的混凝土碾压。对于一些破碎后产生的混凝土过分剥落、形成缝隙较大的部分，采用砂浆灌浆及封浆处理，以保证加铺结构层以下没有空洞。破碎与固定同步进行：同步进行主要是利用重型轮胎式压路机对水泥板进行碾压，使旧水泥板完全破碎并与下步结构层充分接触，同时保证水泥混凝土板体保留大部分强度。利用压路机本身的重力及工作时的冲击力来完成的，利用大的冲压力将水泥混凝土面板压裂并将板体压实以起固定作用。指标控制一般采用高差控制，高差的控制方法是在施工前，每车道50米确定一点测定其高程，施工时每碾压5遍测一次，当前后两次高差小于5mm时，即认为破碎并碾压密实。

3.2 破碎后层位处理

由于在老旧水泥混凝土面板破碎过程中，不可避免地在表面会产生一些松散混凝土颗粒材料，这些松散的颗粒如不进行清除，在铺筑上层结构后，会在上层结构与碎石化层中间形成松散夹层，易诱发上层结构发生位移，从而影响其耐久性。因此，在铺筑上层结构前，应对碎石化层表面松散颗粒、灰尘等进行清除。此外，虽然破碎后的水泥混凝土面板表面并不平整，但不应对碎石化层表面不应过度修整，这是由于对碎石化层表面过度修整会影响原混凝土颗粒间的嵌挤作用，从而破坏层位稳定性。但对于超过5cm的表层凹陷，可用密集配碎石材料进行回填，并进行压实。除此之外，对于非全幅破碎的水泥混凝土路面而只对一个车道宽度进行破碎时，破碎宽度应宽于一个车道，以宽于一个车道不少于15cm为宜。最后，在进行上层结构摊铺时，应注意减少施工车辆的通行次数和载重量，避免通行的施工车辆对破碎层形成过渡扰动，继而破坏原有破碎层的稳定性。如施工车辆已经对原碎石层产生了明显扰动，应对该区域进行二次压实，以保障其稳定性。

4 多锤头碎石化机械特点及适用性分析

4.1 多锤头碎石化机械特点

多锤头碎石化机械一般简称MHB（Multiple Hearl Breaker 的英文缩写），其主要由定量泵、插装阀、单作用液压缸、工作锤头架和锤头组成[10]，并且一般采用柴油驱动。对老旧水泥混凝土面板进行破碎主要依靠锤头对面板的锤子作用产生。在MHB 后排一般设置有两排工作锤头，不同型号的MHB 的锤头质量有所差异，一般在400kg 以上。在工作时，锤头被液压系统提升至一定高度后释放，并借助自身重量对面板进行锤击，每次锤击可产生约1.38-11.1kJ 冲击能量。锤头的提升高度一般可以通过试验确定，依据机械型号、施工路段的混凝土面板厚度、强度确定适宜高度，以达到预期的破碎效果。此外，为防止击起的水泥混凝土碎屑飞溅，一些MHB 设备还在下部设置有遮挡装置。当前，MHB 的破碎宽度均能完全覆盖一个车道宽度。相对于单锤头破碎设备，MHB 由于配备了多个锤头，在破碎作业中，多个锤头可以连续、均匀地对混凝土板进行破碎，具有更为高效、平稳的优点。相对于其他种类的破碎设备，MHB 的优势主表表现在以下几个方面：首先，MHB 的冲击功相对较小，能够减小对面板下层结构造成破坏；其次，其对混凝土面板的覆盖面广、作用力较为均匀，能够保障不同位置的面板收到相近的锤击力，继而使破碎后的混凝土颗粒具有更为稳定的粒径；再次，MHB 施工过程中噪音相对较小，能够减小对周围环境造成噪声污染；最后，通过调整破碎参数，可以有效调整MHB 的破碎深度，达到更理想的破碎效果。

4.2 多锤头碎石化法适用性

由于采用多锤头碎石化法进行老旧水泥混凝土面板破碎是将原有水泥混凝土面板的强度进行破坏，并由破碎后的不同粒径的混凝土颗粒间的嵌挤作用形成新的强度。因此，虽然多锤头碎石化方法具有一系列优点，但也应注意其适用性。总结已有的研究和工程实践，可知多锤头碎石化法主要适用于以下情况：

1、原水泥混凝土面板已经产生了大量网裂、龟裂病害，其板体间的连续性已经产生不可逆的破坏。此时，由于原有的水泥混凝土面板的连续性已经被破坏，通过碎石化方法可以使面板被破碎成均匀颗粒，从而形成嵌挤而重新获得强度。

2、水泥混凝土出现碱-骨料反应，其他方法已经难以对其进行处治。出现碱-骨料反应后，骨料与水泥之间产生不可逆的反应，继而造成混凝土松散，水泥丧失胶结能力。此时，采用碎石化法进行处治后，其强度主要来源于颗粒之间的嵌挤作用，从而减小对水泥胶结能力的需求。

3、出现较大面积的断板、错台、翻浆等病害，面板与面板之间，或面板与下层结构之间连续性遭到破坏。

4、原水泥混凝土面板面临较大范围的维修需求，一般超过20%。由于此种情况下，面板之间连续性差，采用注浆等方法已经难以对已有病害产生有效处治，或处治成本高昂，则可采用碎石化方法减小处治成本。

5 结论

本文取得的主要结论包括：

（1）水泥混凝土面板经碎石化处理后将分为表面松散层、上层和下层结构。

（2）表面松散层强度较低，多需采用Z 型压路机进行进一步压密；上层结构上层结构的颗粒间具有较大的移动阻力，从而有效形成了该层位的强度；下层结构中，破碎后的块体之间产生了“连锁咬合”作用，该作用能够将上层荷载传递的压力转变为水平方向的推挤力，从而使整个路面结构保持稳定。

（3）在铺筑上层结构前，应对碎石化层表面松散颗粒、灰尘等进行清除，并对超过5cm的表层凹陷用密集配碎石材料进行回填后压实；对于非全幅破碎的水泥混凝土路面而只对一个车道宽度进行破碎时，破碎宽度应宽于一个车道，以宽于一个车道不少于15cm为宜；在进行上层结构摊铺时，应注意减少施工车辆的通行次数和载重量，避免通行的施工车辆对破碎层形成过渡扰动，继而破坏原有破碎层的稳定性。如施工车辆已经对原碎石层产生了明显扰动，应对该区域进行二次压实，以保障其稳定性。

（4）多锤头碎石化设备具有破碎效率高、工作稳定、破碎渗透可控等优点。

（5）归纳总结了多锤头碎石化法的适用条件。