水泥混凝土路面碎石化技术研究

张水芬

云南云路工程检测有限公司, 云南 昆明 650200

摘要：作为旧水泥混凝土路面改造的常用方法之一，水泥混凝土路面碎石化技术对于防止沥青加铺层的反射裂缝上具有显著效果，这一技术自问世以来，经历了三十多年的发展，已经渐渐成熟。碎石化利用破碎设备将旧水泥路面破碎成直径小于38cm的碎石，进行压实稳定后直接加铺沥青混凝土面层的施工方式，不仅可以有效防止加铺层的发射裂缝，还能最大程度上实现工期缩减和经济实用等目的。本文以红河州秀河线现场K1193-K1208施工为背景，对水泥混凝土路面碎石化技术进行了系统研究，以期为云南省的旧水泥路面碎石化设计和施工提供参考。

关键词：路面工程; 水泥混凝土路面; 碎石化; 耐久性能

引言

水泥路面以其刚度大、承载能力强、稳定性好、经济实用等特点著称，尤其是在重载道路、机场跑道以及其他高等级公路建设领域得到了较为广泛的应用。我国自上世纪50年代起开始大规模修建水泥混凝土路面，七十年代中后期，石油危机造成沥青价格升高和沥青供应量不足的时代背景进一步提高了水泥混凝土路面在我国道路领域中的占有比例。近年来，随着交通量的增加和交通荷载的提高，尤其是我国严重的超载现象，大规模断板、错台现象开始出现，造成道路服务水平下降，严重的还造成了交通安全隐患。由于水泥混凝土路面维修相对较为繁琐，且其养护周期较长，对交通造成了较大影响，国家公路建设和养护管理部门开始进行沥青路面的建设，并由此出现了众多“白改黑”情况。

水泥混凝土路面白改黑主要有四种方式，分别是：

（1）直接加铺沥青层；

（2）对水泥混凝土路面接缝进行补强后加铺沥青层；

（3）对旧水泥混凝土路面进行全面挖除，再加铺沥青层；

（4）水泥混凝土路面碎石化后加铺沥青层。

在最先采用的第一种方式中，由于就水泥路面温度接缝的存在，造成了沥青加铺层大面积的反射裂缝现象，由此产生了第二种预先补强再进行加铺的方式，但由于接缝补强作用效果不明显，且工作量较大，实际生产中没有得到大面积推广。第三种方式可以较好的解决反射裂缝问题，但是挖除旧水泥路面造成了较大的材料浪费和废弃材料占地问题，不符合当前绿色可持续发展的建设理念，因此在实际工程中并未广泛应用。水泥混凝土路面碎石化技术不仅可以有效解决反射裂缝问题，还实现了原路面材料100%的利用，同时其无污染、施工便捷等优点也使其在“白改黑”工程中得到了广泛应用。

然而，随着半刚性基层的大量应用，其反映出不少生产实际问题，尤其是裂缝问题日益突出，当前并没有相应的较好的解决方案。国内已建高速公路使用调查表明[3,4]，通车后一年左右均出现大量裂缝，裂缝率最高达640m/1000m。就目前研究现状看，半刚性基层开裂的主要原因包括以下几个方面：材料性能方面，基层结构类型方面，施工工艺方面，外部环境方面等。其中材料、结构类型和养生方式是半刚性基层开裂的主要矛盾，为研究结构类型及养生方式对半刚性基层开裂问题的影响，文中开展不同级配类型在不同养生方式下的强度衰减和干缩效果评价，以期探索出半刚性基层开裂控制方法。

1碎石化改造技术的特点

（一）防止反射裂缝

作为目前水泥混凝土路面“白改黑”的诸多手段之一，除对水泥路面进行挖除的方法外，碎石化改造技术是唯一可以以最小的代价，有效解决沥青混凝土加铺层反射裂缝的有效办法。

（二）充当高强基层

破碎的水泥路面经碾压成型后，骨料间容易形成嵌挤结构，从而形成一层高密度、高强度的材料层，为沥青罩面层的加铺提供一个具有高结构强度的基层。

（三）绿色环保

碎石化施工工艺实现了旧水泥路面100%的就地再生。从废弃物再利用角度看，符合我国可持续发展的要求；从环境保护角度看，解决了路面废弃物堆放对场地的占用问题，符合我国绿色发展的要求。

（四）经济实用

从经济方面考虑，水泥混凝土路面碎石化施工再利用的经济性主要体现在避免了传统旧路改造中废弃物挖除和运输的费用，大大降低了材料成本和运输成本。此外，碎石化改造还加快了施工进度，从了降低了工期成本，而机械化施工对人力的要求也大大降低，省去了劳动力方面的开支。

2破碎和碾压设备

碎石化施工工艺在国外地区已经得到了较大范围的推广和应用，在国内东部沿海地区如浙江、江苏、山东等地也进行过大规模施工应用。碎石化的原理在于通过对水泥混凝土路面输出足够的机械能，从而在整个路面范围和深度内实现水泥混凝土板的破碎，并且要达到切断板块与板块之间的联系，同时，还要控制破碎能的大小在特定范围，从而保证碾压设备可以将碎石化的混凝土面层进行彻底的压实稳定，从而为上层的沥青铺面提供较为平整的底基层。

（一）破碎机

多锤头破碎机作为路面碎石化的主要施工机械，是一个专门为水泥呢混凝土路面破碎设计的，具有多锤头和自牵引能力的独立设备。本工程项目中采用的多锤头破碎机是山东公路机械厂生产的PS360型自行式破碎机。采用轮胎自行式结构，再用1000～1200磅重的破碎击锤，总重量达28吨。击锤的分部方式为：半数击锤分布在前排，其余半数击锤在后排进行交错排放，从而达到对水泥混凝土板重复多次敲击破碎的目的。击锤动力由液压提升缸负责提供，每个液压提升缸可以实现一对击锤的驱动，并产生1000～8000磅的冲击力。通过对击锤提升高速的设定以实现对输出破碎能的控制。敲击速度最快可达30～35次/分钟，破碎宽度在800mm～3750mm范围内分级调控。

图1多锤头破碎机

通过“品”字型排布的击锤和控制系统，在保证破碎横向纵向连续性的前提下，可以将水泥混凝土板破碎成表面尺寸小于7.5cm，中间尺寸小于22.5cm和底部尺寸不超过37.5cm的间断不连续混凝土板。同时，该型号破碎机配备了安全挡板，防止破碎过程中混凝土碎石屑的飞溅，保证了施工人员和相邻车道的车辆行驶安全。多锤头破碎机的主要技术参数如下表1所示。

表1 多PS360型锤头破碎机主要技术参数

项目	单位	数值
工作速度	m/h	120
行驶速度	Km/h	8
工作锤数量	个	12
额定功率/转速	Kw.r.p.m	268/2100
最大破碎宽度	m	4
最小破碎宽度	m	0.8
破碎频度	次/分钟	30-35

（二）Z纹振动压路机

Z纹压路机采用振动式钢轮，并且钢轮表面携带有专门加工的钢箍，钢箍通过螺栓固定在钢轮表面形成Z字型纹理，在振动压实过程中，既可以对破碎后的水泥混凝土路面表层进行补充破碎，又能对其进行压实稳定。

（三）光轮压路机

光轮压路机的作用在于平整碎石化后的路面，其振动模式下的压实毛重大于10吨，可以为沥青混凝土面层提供一个较为平整的基层平面。

3碎石化化施工前处理

（一）交通组织和交通安全

碎石化施工应遵循道路施工对交通管制的要求，严格制定交通管制和交通分流方案，最大程度上满足施工和通车的双方面要求。根据《公路养护安全作业规程》（JTJH30-2004）的相关要求，在沥青面层铺筑和开放交通之前，应进行一次性封闭施工。若通车要求条件不允许，可进行半封闭施工，但应注意设置施工警示牌和车辆引导设施，防止车轮对碎石化车道的影响。

（二）旧路面处理

水泥混凝土路面碎石化施工前，应对原路面进行清理，移除沥青替补材料，并对破碎路面和不破碎路面进行切缝处理，尤其应注意切断路面和桥头搭板出的联系，防治破碎施工对桥梁产生不利影响。

（三）设置排水设施

在破碎化施工开始之前，应妥善设置路面排水设施，保证破碎后的路面和基层以及路基处于排水良好状态。在路肩上应每隔50m设置横向盲沟排水，弯道超低段应每隔20m设置横向盲沟排水，盲沟开挖深度控制在旧路面底下20cm，开挖宽度在60cm左右，以保证为沥青加铺层提供较好的结构支撑。

由于旧路面破碎后容易受到雨水的侵蚀，因此在破碎施工结束后和沥青层铺筑之前要做好排水工作，并且尽快完成沥青混凝土层的加铺。

（四）病害处置

对旧水泥路面出现的病害如软弱地基沉陷、错台、唧浆等位置应进行修复处理，主要修复手段有：清除混凝土路面、挖除破坏基层、换填级配碎石等方法。

（五）构造物标记和保护

碎石化施工前，应对现有构造物进行调查核实，并在施工现场做明标记以保证施工过程中构造物不受损坏。

对于埋深在1m以下的构造物（管线）可不进行特殊处理，对于埋深0.5～1m的构造物或管线以及桥梁等，应注树立“禁止破碎”等标识。对于距离路肩10m以外的建筑物，由于击锤能力传播的有限性，受到影响较小，可不做处理。对于距离路肩5～10m之间的建筑物，应降低击锤高度以减小破碎能，避免对建筑物造成不利影响，而对于距离路肩5m范围内有建筑物的路段，应禁止破碎，采用人工或其他小型机械的方法进行单独破碎。

（六）设置高程控制点

施工中为了方便检测高程的变化，应该在具有代表性的路段设置高程控制点，并且在正式开工之前对高程控制点进行复核，必要时可根据路面高程变化对路面设计高程进行适当调整。

4碎石化施工工艺及过程

多锤头破碎机作为水泥混凝土破碎施工的主要施工机械，其击锤的重量是恒定的，因此对破碎能的调节主要通过以下几个方面进行：

（1）击锤的提升高度；

（2）锤击的频率；

（3）破碎机行进速度。

根据实际破碎情况，对三项指标进行调整，可以实现对路面规定深度的破碎，同时也能保证水泥混凝土破碎板的粒径在设计范围，水泥混凝土路面碎石化施工工艺流程如下图所示：

图2 水泥混凝土路面碎石化施工工艺流程图

（一）试验段试破碎

设置试验段的目的在于调整设备参数以适应路况。在正式施工之前，应该根据路况调查资料，选取至少200米长的道路作为试验段，在试验段进行试破碎，以调整机械参数达到规定的粒径和强度。

本项目施工过程中，根据施工经验，首先选取1.2米的落锤高度和10米的落锤间距，对路面逐级调整参数进行破碎。长度为200米的试验段宜设置长度不小于50米的子区段，将分界标记清楚后，在各区段安排不同锤迹间距，各区段锤迹间距级差保持在2cm为宜。试验段进行试破碎时，目测破碎效果，碎石化的水泥混凝土表面应呈鳞片状，深层范围碎块尺寸均匀，板块间联系完全切断，当破碎效果满足以上要求时，记录破碎机各项参数。

（二）试坑检查

为了确保路面破碎尺寸子在规定范围，需要在试验段选取试坑进行破碎效果检验。本项目中，在试验段内选取了4个具有代表性的位置，分别开挖成1平方米的试坑。选取试坑位置时，要尽量避免横向接缝位置。试坑开挖深度以挖至基层为准，在全深度范围内检查破碎板的粒径，同时要注意观察破碎施工队基层有无影响。如果破碎板粒径过大，超出了设计范围，要调整破碎机参数，提高击锤提升高度，或者降低破碎机行进速度，以实现充分破碎。如果破碎能过大，对基层造成过度损伤，则应该适当减轻击锤提升高度，避免对基层的过度破坏。破碎效果不满足要求的，在调整破碎机参数后，需要相应的增加新的试验段，并进行上一过程的循环，直到破碎效果满足要求为止。试验段选择、试坑检测、参数设置和调整的过程需要对相关参数进行记录，以备随时查阅和积累施工经验。除此之外，在正常碎石化施工过程中，应该根据路面的实际状况，对破碎机的相关参数随时进行微调。当破碎板粒径出现较大变异和需要大幅度调整破碎参数时，应该通知监理工程师。

在本项目中，根据试验段试破碎结果，当落锤高度为120cm，锤距为12cm时，破碎板的粒径可以控制在5～37cm之间，可以满足设计和施工要求，被选为最终施工方案。

（三）钻芯取样

钻芯取样的主要目的在于检测破碎效果，尤其是破碎施工对基层的影响。

（四）破碎

根据试验段试破碎确定的落锤高度和锤距以及破碎机行进速度，分别拟定几种施工方案。以最小程度影响交通为原则，采取半幅破碎，半幅通车的施工方案，根据现场记录和调整，最终确定：对于损坏较严重，强度较小的路段，控制落锤高度在100～110cm和160m/h的行进速度；对于水泥板状况良好，强度较大的路段，控制落锤高度为120cm和150m/h的星级速度，既可以达到较好的破碎效果，有能最大程度上减小施工周期。

路面破碎顺序以保证破碎效果为原则，先对道路两侧车道进行破碎，由于两侧车道水泥路面横向约束较小，因此破碎较为容易。在路肩破碎过程中，适当调整参数，减小破碎能，避免碎石化过度。破碎过程中通过控制破碎机横杆以保证破碎位置，对于先行破碎的车道，适当加宽破碎宽度到相邻车道，从而避免后续车道破碎过程中对已破碎车道的干扰。

（五）压实

破碎结束后，先采用“Z”字型压路机对路面进行碾压，碾压遍数以2～3遍为宜，一方面Z字型压路机对路面较大颗粒起到补充破碎功能，另一方面通过振动压实作用可以有效增加上下层骨料的嵌挤和密实程度，从而增加结构强度，对旧路面水泥混凝土板的脱空病害也起到一定程度上的治理。“Z”字型压路机压实后，在进行光轮压路机的补充压实，压实遍数控制在1～2遍为宜。光轮压路机一方面可以对表层的细颗粒进一步破碎；另一方面也可以进一步提高下层快料的稳定性。最重要的是可以将表层压实，为沥青混凝土层提供一个较为平整和光滑的表面。压实过程中要注意含水量和湿度的控制，避免碎石化的水泥混凝土块料压入基层，尤其是路基稳定性较差的地方，需要控制压实遍数。

（六）强度检测

本项目中，对破碎效果和压实效果的强度检测主要以现场的回弹模量和路面弯沉值两个参数为控制指标，以确定路面层类型和厚度。

5结语

多年来的施工实践表明，碎石化改造技术相对于传统水泥路面改造技术具有施工周期短、开放交通快等特点，碎石化后的路面材料可以实现百分百的再利用，既节省了传统方法中开挖运输的费用，更节省了大量的材料和人工费用开支，符合我国制定的绿色环保、低碳可持续发展战略，具有巨大的经济效益和社会效益。

参考文献：

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