（材料学专业论文）旧路面材料在基层中的再利用研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 中文摘要 当水泥稳定碎石道路因受到破坏而不能继续使用时，加铺沥青面层是种 常用的方法，其中对旧路面材料的处治问题十分重要。本文结合实际工程项目， 研究旧水泥稳定碎石路面材料在基层中的再利用技术，即首先击碎旧水泥稳定 碎石面板，然后在破碎后的路面撒布石屑后采用重型压路机碾压稳固，待路面 结构整体稳定后将其重新利用作为柔性基层，并在其上铺筑沥青混凝土加铺层。 该技术在破碎与稳固旧面板、提高路基强度与稳定性及缓解加铺层反射裂缝等 方面，较之传统方法能有很大改善效果，并且能够产生巨大的经济效益和社会 效益。 本文首先分析了旧路面材料处置技术，比较不同旧水泥稳定碎石路面处治 技术对i 口路面的影响，以及对国内外碎石化技术的使用调奁研究。经过分析， 原路面板块经过碎石化技术破碎后依然具有一定的整体结构强度且强度分布均 匀，能够满足路面承载要求，另外碎石化技术能够很好地消除路面原来裂缝对 沥青加铺结构的影响，有效地抑止反射裂缝的产生与扩展。山区公路i 于其强 度较低，宜采用小型冲击破碎设备对旧水泥稳定碎石路面进行破碎稳同处理， 减少专用破碎设备对基层和附属构造物的破坏。 第- 二，通过对旧水泥稳定碎石破碎后结构层强度损失和抵抗反射裂缝能力 的分析，以及结合国内外研究资料，提出破碎层颗粒粒径范围。采j j 贝克曼梁 法测定工程试验段的弯沉值，并进行回弹模量值的换算可知：旧水泥稳定碎石 路面经过破碎后路面结构的回弹模量值绝大部分在4 0 0 8 0 0 m p a ，基本上满足 了沥青路面技术规范中作为柔性基层的强度要求。 第三，通过c b r 值、抗压强度、回弹模量、永久变形等指标，研究了再生 水泥稳定碎石材料的物理和力学性能。结果表明，再生水泥稳定碎石材料在强 度上有一定程度的降低，且碎石外仍包裹有水泥砂浆。c b r 值、抗压强度、回 弹模鼍比新鲜级配碎石混合料低，回弹模量在i o o m p a 以下，最大永久变形李在 1 左右。 最后，结合实际工程应用，提出再生柔性基层施工工艺与质篷控制标准， 为该技术的推广应用提供理论基础。 关键词：粒状材料，柔性基层，再生，碎石化 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w h e nt h ec e m e n ts t a b i l i z e ds t o n ep a v e m e n tc o n tc o n t i n u et ou s ed u et ot h e d a m a g e ，o v e r l a yt h ea s p h a l tl a y e ri so n eo ft h em o s tp o p u l a rm e t h o d s ，o n eo ft h em o s t k e yp r o b l e mi st r e a t m e n to ft h eo l dp a v e m e n tm a t e r i a l s c o r r e s p o n d i n gt ot h ea c t u a l p r o j e c t ，t h i sp a p e ri n v e s t i g a t et h er e u s eo fo l dp a v e m e n tm a t e r i a l si nt h eb a s e ，b r e a k u pt h e o l dp a v e m e n t ，m a k ef u l lu s eo fp r i m a r ym a t e r i a l s ，t h e ns p r a yw a t e ra n ds p r e a d s t o n ec r u m b s w h e nt h el a y e ri ss t e a d y , s p r e a db i t u m e ns u r f a c eo nt h eb a s e t h i s t e c h n o l o g yh a ss e v e r a la d v a n t a g e ss u c ha sm a k et h eo l dp a v e m e n ts t e a d y , i m p r o v e t h eb a s es t r e n g t ha n dd e l a yr e f l e c t i o nc r a c ki nt h ef a c el a y e r ，a n db r i n gh u g ee c o n o m y a n ds o c i e t yb e n e f i t f i r s t l y , t r e a t m e n t so fo l dm a t e r i a l sw e r ea n a l y z e d ，d i f f e r e n tk i n d so ft r e a t m e n t w e r ec o m p a r e d ，a n dt h er u b b l i z a t i o nt e c h n o l o g i e su s e di na n da b r o a dw e r es u r v e y e d a f t e ra n a l y s i s ，t h eo l dp a v e m e n ts t i l lh a sac e r t a i nd e g r e eo fs t r e n g t h ，a n dt h es t r e n g t h i su n i f o r m ，i tc a nm e e tn e wl a y e r sb e a r i n gr e q u e s t ，f u r t h e r m o r e ，r u b b l i z a t i o nc a n a v o i dr e f l e c t i o nc r a c ki nt h en e wl a y e rp a v e m e n ti nt h em o u n t a i n sd u et oi t sl o w e r s t r e n g t h ，t h em o n o t y p ei m p a c tb r e a k e ri ss u i t a b l e ，w h i c hc a nd e c r e a s et h ed a m a g et o b a s ea n da f f i l i a t ec o n s t r u c t i o n sb ym a j o rb r e a k e r s e c o n d l y , b ya n a l y z i n gt h el o s so fs t r e n g t hi n t h eb a s ea n dr e f l e c t i o nc r a c k o c c u r s ，c o m b i n i n gr e s e a r c h d a t ai na n da b r o a d ，t h es i z eo fb r o k e ns t o n e sw a s p r o p o s e d b e n k e l m a nb e a mt e s tw a su s e dt od e t e c tp a v e m e n td e f l e c t i o n ，a n dr e b o u n d m o d u l u sw a sc a l c u l a t e d ，t h em o d u l u so fb r o k e nl a y e ri si nt h es i z e4 0 0 - 8 0 0 m p a ， w h i c hi ss a t i s f i e dt ob ef l e x i b l eb a s e t h i r d l y , t h ep e r f o r m a n c eo fb r o k e ns t o n em a t e r i a l sw a si n v e s t i g a t e db yc b r v a l u e ，u n c o n f i n e dc o m p r e s ss t r e n g t h ，r e b o u n dm o d u l u s ，p e r m a n e n td e f o r m a t i o n r e s u l t ss h o wt h a tt h ei n t e n s i t yo fr e u s e dm a t e r i a l sd e c r e a s e dt os o m ed e g r e e ，a n d p a c k e dw i t hc e m e n ts l u r r y cb rv a l u e ，s t r e n g t ha n dm o d u l u sa r el o w e rt h a nf r e s h m a t e r i a l s ，r e b o u n dm o d u l u si sn om o r et h a n 10 0 m p a ，a n dt h er a t eo fp e r m a n e n t d e f o r m a t i o ni sa b o u tl f i n a l l y , a c c o r d i n gt ot h ea c t u a lp r o j e c ta p p l i c a t i o n ，c o n s t r u c tt e c h n i c so fr e b u i l d b a s ew a s p r o p o s e d ，w h i c hw i l lh e l pt h et e c h n i c a le x t e n di na c t u a la p p l i c a t i o n k e y w o r d s ：u n b o u n dg r a n u l a rm a t e r i a l ，f l e x i b l eb a s e ，r e u s e ，r u b b l i z a t i o n 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 学位论文使用授权书 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 研究生c 矧：r 旃轧毒则签名，密日期m ，王z ，7 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景和意义 第1 章前言 水泥稳定碎石路面是过去交通建设的主要形式。该路面结构属于水泥混凝 土路面刚性结构向沥青路面柔性结构过渡的半刚性、半柔性结构，具有以下优 点：承载能力和分布荷载能力较强；稳定性好。半刚性结构路面具有较 高的水稳定性能和冰冻稳定性，在水的作用以及多次冻融反复作用下，不会影 响路面结构的承载能力；路面板体性较好，利于机械化施工且工程造价低。 然而，随着使用年限的增加以及交通量的增长，该种道路出现了不同程度的破 坏，当水泥稳定碎彳i 路面病害超过初始阶段，出现快速增长趋势，或通过历年 的调查资料分析表明，局部修补已不能有效阻止病害发展时，可考虑的措施是 破碎后加铺新的结构。加铺结构可采用水泥混凝土路面，也可采用沥青路面。 采用水泥混凝土路面时，新i u 路面的结合性质是需要考虑的关键因素。根据原 路面状况好坏可分别采用结合式双层板和分离式双层板的结构形式。结合式双 层板在工艺上的要求较高，对原板块表面处理是成败关键，国内采用这种加铺 方式的i ：程实例不多。加铺沥青路面时，反射裂缝隐患成为最主要的考虑因素。 无论是加铺水泥混凝土路面还是沥青混凝土路而，对旧路面材料的处治问 题十分重要。日前主要采用的处治方式包括三种：破碎后移除。此方法容易 造成环境污染、资源浪费，属最初级的处治方式，目前正逐步被淘汰；对原 路面面板进行压浆稳定后加铺基层，随后加铺沥青面层，该处治方式的缺陷主 要表现在i r 水泥混凝l 哳板虽然经过压浆稳定，但仍容易产生反射裂缝；采 用冲击压实机械原位破碎后加铺基层和沥青面层。利用冲击压实设备原位破碎 后加铺的板块尺寸相当于打裂压稳工艺处理后的板块尺寸，板块往往在纵向 3 0 5 0 c m 间距处出现横向贯穿板厚的裂缝，因板块尺寸较大，对基层薄弱坏节 的消除作用并不明显，小尺寸板块下仍有可能出现脱空情况，在加铺路面结构 后，依然存在f 现反射裂缝的可能性。因此，积极想办法在综合利用旧路面材 料的基础上，又能够最大程度的阻止反射裂缝的产生，对我国可持续发展建设 具有重大意义。 武汉理工大学硕士学位论文 通过分析旧水泥稳定碎石路面破坏的主要类型及病害产生的原因有助于对 旧路面材料再生利用的决策。破坏的主要类型包括：板面裂缝、唧泥、坑洞、 接缝破坏等忆如图卜l 所示。 图i i 旧水泥混凝土路面破损情况 ( 1 ) 板面裂缝。水泥稳定碎石路商板内应力超过面板强度时会出现横向、 纵向、斜向或角隅断裂裂缝。造成的原因有多种：面板太薄、轮载过大、地基 的不均匀沉降或过量塑性变形使板底脱空失去支承等。严重时裂缝交叉使面板 破碎成碎块，裂缝的出现，破坏了面板的整体性，使其丧失大部分乃至全部的 承载能力。 ( 2 ) 唧泥。唧泥是在车辆埔过面板接缝时，出接缝内喷溅出稀泥浆的现 象。唧泥常发生在雨天或雨后，在地下水丰富的山体阴面表现更加明显。在行 车荷载的重复作用下，板边缘或角隅f 的基层出于塑性变形累积而与原有水泥 稳定碎石面板脱离，或者基层的细颗粒在水的作用下强度降低，当水份沿缝隙 下渗而积聚在脱空的f j 隙内或吸收在细颗粒土中，在车辆荷载作用下。积水或 吸水后的细颗粒土有动水压力作用，使水和细颗粒土逐步形成泥浆而从缝隙中 喷溅出来。唧泥的出现，使面板边缘部分，逐渐形成脱空区，并随荷载作用次 数的增加，脱空区逐渐增大，最终使板出现断裂，由唧泥引起的断裂一般为横 向断裂和板角断裂。 ( 3 ) 坑洞。路面呈现孔洞状的破损现象。施工质量差或混凝土材料中央 彗爹 武汉理工大学硕士学位论文 带有纸张、朽木或泥块等杂物，导致水泥稳定碎石强度不足，在行车荷载的不 断作用下，形成坑洞。 ( 4 ) 接缝损坏。接缝损坏是指邻近横向和纵向两侧的数十厘米宽度内，路 面面板因热胀时受到阻碍，产生较高的热压应力而挤压成碎块。这主要是由于 胀缝内的传力杆设计或施工不当，或者接缝内落入坚硬的杂物，板在膨胀时产 生了超应力，边缘被硬物挤碎。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 旧路面材料再生处治技术的研究 国外在进行旧路面材料再生利用的过程中，很重要的一点就是控制破碎后 颗粒的粒径。在破碎的前提条件方面，强调了排水设施的完备性，保证破碎后 结构层彳i 被水的因素所影响。对原路面状况，国外一般要求破碎前路基没有被 水侵蚀或出现含水量过高的情况，并对路基c b r 提出一定的要求，保证施工过 程中路基的稳定。从欧美等发达国家对旧路面材料再生利用技术的研究发展状 况来看，这些国家都特别重视再生实用性的研究，在实际工程应用中的各种挖 掘、铣刨、破碎等机械设备的研制方面取得了很大成就1 2 6 j 。 美国自上世纪7 0 年代木期逐步发展起旧路面破碎工艺，并随着设备的不断 发展和改进，破碎后结构层效果不断得到提升。图1 2 为美圈科罗拉多州在2 0 0 0 年进行碎石化施工的照片。美国至少还有其他十几个州都进行了碎石化施工。 大多工程的效果较满意，极少数失败原因是由于加铺层厚度太薄或者路基强度 太低1 6 引。 美困密歇根大学的研究人员针对使用性能的影响因素进行了大量研究，他 们提出破碎后颗粒的粒径应控制在1 5 c m 左右l 引。2 0 0 2 年1 1 月美国密苏旱州的 路面养护手册( m i s s o u r ig u i d ef o rp a v e m e n tr e h a b i l i t a t i o n ) 中详细的叙述了碎石 化技术的实践结论：碎石化是一种将水泥混凝土( p o r t l a n dc e m e n tc o n c r e t e ) 或 水泥稳定碎石( c e m e n ts t a b i l i z e ds t o n e ) 路面面板离散化的施一e i 艺，破碎后的加 铺层可以是沥青混凝土也可以是水泥混凝士。这种施工工艺将水泥混凝土板块 破碎成粒径约7 5 c m 一3 0 c m 的颗粒，但不会扰动颗粒问的嵌挤结构，所形成的结 构层的刚度大约是普通碎石基层的三倍。应陔注意的问题足必须避免破碎后的 武汉理工大学硕士学位论文 颗粒被压入士基。这样，破碎层便形成了曜硬的粒料基层【9 l 图1 - 2 美国科罗拉多州碎石化施工 国内于2 0 0 2 年从美国日进碎石化技术，并在山东京沪高速泰安至化马湾段 进行了试验段的施工，该段共计2 4 h 1 ，原设计为2 4 鲫混凝土扳，3 0 c m 水泥稳 定砂掺碎石基层。醉石化改造后沥青面层结构为15 1 8 c m ，于2 0 0 2 年至2 0 0 3 年实旖碎石化再生技术改造。通过试骑路段的实际应用，可以发现碎石化技术 具有以下特点：缓解了混凝土路面加铺沥青混凝土蚵层后反射裂缝的产生。 从改造费用上看，泼技术比其他处理方法每平方米节省投资 1 6 元。旎 上j = 期短，不需要仝封闭交通。破碎的旧路面材料原地利用，节省能源，保 护坪境。 壬松根等从辞石化层的成型丌始，通过外观界定，分析碎石化后水泥凝土 板块各粒径分布层的强度形成原理，提出了咬合嵌挤理论。对碎石化后水泥混 凝土层的路面结构功能定位提出了对比分析结论，认为碎石化层可以直接作为 新加铺沥青混凝土路面结构的基层或底基层，能满足新加铺路面结构的要求】。 广东清连公路发展有限公司结台清连一级公路高速化改造项目，通过开挖 试坑及筛分试验，检验了多锤头碎石化形成的松散层、碎石化层上部的实际效 果。同时，结台试验路丌展了弯沉试验和c b r 试验。在此基础上提出了多锤 头计；石化施工工艺参数和旋工控制要求。 ， 重庆交通大学花艳丽对碎石化后踏面的质量控制进行研究，对碎石化后的 原路面作为新沥青混凝士路面的基层，提出了其当量回弹模量的计算方法。并采 用粒径和回弹模量控制碎石化后路面的质量和效果i l ”。 武汉理工大学硕士学位论文 东南大学于清泉研究多锤头破碎技术施工产生的波动冲击力对周围建筑物 的破坏作用。基于波动理论，提出了一种预估振动影响范围的实用计算方法， 并结合实际工程，利用o p e n s e e s 有限元软件进行了分析和验证，为m h b 碎石 化技术的安全施工提供了理论依据1 1 3 】。 河北省石太高速公路旧水泥混凝土路面改造工程中，使用共振碎石化新技 术对旧路面板进行碎石化处理后作为新路面结构层的基层，既有效利用了工程 废料，又解决了原路面板带来的反射裂缝问趔。4 l 。 在上海公路改建过程中，选取了沪青平公路和金山大道作为试验路，对原 有水泥混凝土板块实施共振破碎。通过不同f w d 测试、不同层位承载板测试和 破碎板粒径分析等研究，较全面地掌握了共振破碎工艺以及破碎后旧水泥路面 碎石化层的物理、力学性能和参刻”j 。 1 2 2 粒状材料基层性能研究 在国外无粘结材料的柔性基层足一种极为普遍的结构形式，针对级配碎石 材料性质的研究比较多。在美国、澳大利亚及南非有将级配碎石层作为减小沥 青面层反射裂缝的隔离层，效果良好l l6 。国外研究考虑的级配碎石材料的设计 参数主要体现在两个方面：( 1 ) 加州承载比c b r ( c a l i f o r n i ab e a t i n gr a t i o ) 。加 州承载比c b r 值是美国加州福利亚州提出的一种评定基层材料承载能力的试 验方法，是衡量无粘结粒料强度及抗永久变形能力的重要指标【1 7 l 。c b r 值在一 定程度上可以反映了材料的强度，但是将c b r 值作为级配碎石材料的评价标准 扔具有局限性。在试验过程中，它所施加的倚载是一种静荷载。这与车轮作用 在路面结构上的动荷载足不同的；并且c b r 值反映的是材料在荷载作用下变形 的一个点的特性，反应不出变形的发展过程，无法预测材料在使用过程中的变 形发展情况。级配碎石材料由于没有粘结材料，塑性变形大，回弹模量小，用 它作为基层，破坏情况往往是沥青路面在行车荷载的反复作用下，由于基层发 生过大的累积塑性变形而发生剪切破坏或疲劳破坏，c b r 试验不能分离出材料 在一定荷载作用下的弹性变形和塑性变形，也不能反映出累积塑性总变形。( 2 ) 回弹模量。回弹模量是表征级配碎石刚度的重要指标及设计参数i l 引。国外研究 人员从1 9 6 0 年丌始，对粒状材料的回弹特性进行研究，粒状材料在交通荷载 作用下表现出非线性和依赖于时问的弹塑性特性，为了表述这种非线性，通常 武汉理工大学硕士学位论文 用回弹模量来表征级配碎石的回弹反应。将级配碎石的回弹模量模型和泊松比 代入道路结构设计的层状弹性计算体系或者有限元分析软件中可以计算出级配 碎石层合理的厚度1 1 9 j 。 目前，粒状粒料的室内弹性模量的测定方法主要是三轴试验、室内重复加 载试验等 2 0 , 2 1 】。其中动三轴试验能够同时模拟级配碎石三向受压状态和反复动荷 载作用，是研究粒状材料回弹模量最为有效的方法。但目前的试件的成型方法 为捣实法，即不同于重型击实成型也不同于振动成型，因此，试件的物理状态 与实际有很大区别。室内静态回弹模量测定法是采用击实或振动成型试件在刚 性的模具内进行，特点是粒料的物理状态与实际相符，但应力状态有所差别。 室外承载板法也常常采用，即通过测定粒料层下层的综合模量和粒料层不同应 力下的弹性变形，反算出该层的弹性模量值【2 2 ，2 引。 级配碎石柔性基层在我国的使用一直处于试验阶段1 2 4 l ，例如河北正定试验 路进行级配碎石基层与改性沥青应力吸收膜中间层防止反射裂缝产生的对比研 究【2 引，沪宁高速公路无锡试验路级配碎石基层防裂对比研究，西安试验路级配 碎石基层防裂对比研究，宁连一级公路淮阴试验路土工格栅夹层与级配碎石基 层防裂的对比研究。通过对这些试验路的系统观测与分析，初步证实l o - - 2 0 c m 厚级配碎石柔性基层的加入对于防止、减少或延迟反射裂缝的发生有较好的效 果。但这些研究几乎全部停留在试验路的观测上，并未作深入的研究与探讨。 另外，级酉己碎石柔性基层在我国并没有得到大范围的推广应用，既有认识上的 问题，又有技术七的问题。主要原因足级配碎石的弹性模最较低( 规范推荐值 为3 0 0 - - - 3 5 0 m p a ) ，会使沥青面层底承受较大的拉应力，导致沥青面层容易出现 疲劳破坏；而且级配碎石柔性基层对原材料的生产技术与施工技术都有较高的 要求1 2 6 2 7 1 。 综合分析国内外研究现状，目前针对旧路面材料在基层中的再利用研究大 都照搬国外的工程技术，而针对我国实际情况采取的研究较少，而针对再生旧 路面材料作柔性基层的研究更是没有，所以本文的研究可以弥补国内外在此方 面研究上的一些不足，有一定的实际意义。 6 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 主要研究内容及技术路线 本论文结合湖北省交通厅科技项目“柔性基层在山区公路路面大中修工程 中的应用研究”，通过实际应用研究，辅之以室内试验和理论分析，研究旧水 泥稳定碎石路面破碎技术以及再生碎石材料性能，为碎石化技术在公路路面大 修工程中的应用奠定基础。 主要研究内容及技术路线： ( 1 ) 旧路面材料再生利用技术研究 通过比较不同旧水泥稳定碎石路面处治技术的特点，并对国内外碎石化技 术的使用进行调查研究，选取适用于山区的1 日水泥稳定碎石路面破碎技术。 ( 2 ) 旧路面破碎结构层特性研究 分析旧水泥稳定碎石路面破碎尺寸与抵抗反射裂缝能力的关系；并通过对 试验段弯沉值的测定，研究破蹄后碾压过程与破碎层回弹模量的关系。 ( 3 ) 旧路面材料再牛性能试验研究 通过压碎值、洛杉矾磨耗值等物理指标的研究，研究旧路面材料再生后物 理性能的变化；并通过c b r 试验和瞥轴压缩试验等，研究再生碎石混合料的力 学性能。 ( 4 ) i l l 路面材料再生利用工艺与质量控制 根据论文的研究内容，采用理论分析，室内试验的方法，通过与实际工程 应用相结合，提出级配碎石的施工工艺以及质量控制标准。 7 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章旧路面材料再生利用技术研究 在水泥稳定碎石路面使用木期( 即病害严重阶段) ，采用其它养护措施已经 不能保证路面使用性能，必须进行大规模重建。对旧路面材料可能的处理方式 有两种：一是破碎后移除，二是原位利用。移除的成本高，而且会造成环境污 染以及资源的浪费。旧路面材料的原位利用可解决以上问题。对旧路面材料原 位利用的方式主要方式包括：压浆稳固和破碎压稳。压浆稳固处治后的旧路面 具有较高的强度和整体性，但是根据工程实践应用的结果表明，该种处治方式 难以消除或防止加铺层结构反射裂缝的产生和扩展。破碎后利用的优点表现为 在破碎后结构层上进行加铺可有效消除差异沉降、防止反射裂缝的发生。在国 外，针对旧路面材料再生利用技术，主要包括打裂瓜稳、打碎压稳和碎石化。 打裂压稳1 2 8 i 是指在旧路面面板上施加高能量低频冲击力，使路面面板丌裂而丧 失板体性，随后用压实机械进行碾压，从而形成均匀稳定的结构层。高能量低 频冲击力的作用使旧水泥混凝土路面板裂缝不规则且较细微，因此，丌裂的旧 水泥混凝土路面层仍有较高的整体刚性，f e i 均匀性稍差，如果直接加铺沥青混 凝士面层，仍可能出现反射裂缝。打碎艇稳是指采用落锤的低频振动等方式使 l 【j 路面面板碎裂，然后用专用压实机械碾瓜形成下料 上细的碎石结构层。打碎 压稳工艺形成的结构层整体刚度明显低于打裂爪稳，其均匀性优于后者且能有 效防止反射裂缝的产生与扩展。碎石化技术1 2 9 j 是一种最彻底的重建手段，是将 旧路面材料再生为集料，然后再用于修筑基层、底基层或挚层。 2 1 旧路面材料打碎压稳技术 打碲并稳固旧路面材料的目的，一方面是消除原有水泥混凝土面板由于脱 空所产生的额外竖向变形或差异沉降，使面板与基层结合的更紧密，另一方面， 压稳过程能够在一定程度上消除旧路面面板内的各种裂缝，提高破碎稳固后路 面结构层的整体性和均一性【3 们。打碎压稳技术一般采用的机械为冲击式压实设 备( 图2 1 ) ，尤其在旧路面面板下基层或土基含水量较合适的情况下，使用该 设备的综合处理效果更佳。 8 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - i 冲击压实设备 冲击压实设备在我田应用初期主要对特殊路基压实与浅层地摹进行处治， 以后逐步推广到旧水泥混凝土路面的破碎，目前是旧水泥淀凝土路面原位破醉 的主要设备之一。经过多年的工程实践与研究目前已经形成相应的路基、路 面冲击压宴的指南文件，用于指导旆工。 冲击压实设备是由曲线为边构成的正多边形冲击轮压路机，通过冲 t 轮位 能落差与行驶过程巾的动能对旧水泥混凝土路面面板进彳亍破醉与压实，将稳吲 后的1 日路面作为加铺层的基层或底基层。冲击压实功来自两个方面，一足冲j i ； 机的自重；_ 二是冲击压路机以定速度行驶时冲压轮山滚动产生的f 大冲- l t 力。 冲击i e 实过程是冲i 日压路机岛振幅、低频率地冲击碾压，产生一大冲_ j ，埘旧 水泥混凝土路面板块( 包括半刚性基崖) 进行破碎，形成尺寸大小不相互嵌 锁的柱状体，同时消除面板底部脱空，形成密贴结构。随着冲压遍数增jr i ，冲 ，聃8 量通过柱状体传递到路基提高七基的窬实度，消除十基存在的隐忠。 冲击压实工艺的特点主要有：对旧水泥混凝土路面面板的处治较彻底， 冲压1 5 2 0 遍可符合上筑罩面的要求：可以较好地消除脱空产生的竖向变形， 冲压后的路面总沉降显著：当面板f 基础的天然禽水量接近虽佳禽水量， 般在最佳含水量的上下2 范围内时，冲压后基层的压实度会有显著提高；冲 压稳固后，不仅使l h 板砰块的水平化移减小，基本可消除产g 二反射裂缝的温度 应力，例时还能使碎块之问形成集料嵌锁碎石结构层的整体性明显提高。 武汉理工大学硕士学位论文 旧水泥混凝土路面板冲击压实后，破碎板的尺寸减小，水平位移相对降低； 基层和路基稳固后，垂直位移也相应减小，从而降低了沥青面层反射裂缝产生 的可能性。随着冲压能量的增加，板块尺寸随之减小，结构层整体性下降，导 致其承载能力降低。因此，选用冲击压实技术对旧路面处治时，必须合理控制 破碎后板块的当量尺寸，在降低沥青加铺层反射裂缝产生机率的同时，保证冲 击后的旧路面有足够的承载力，或者通过补强进行结构组合设计以提高承载力。 目前冲击压实技术应用时采用碎石板块的合理当量尺寸一般为4 0 - - 1 0 0 c m 。此 外，旧路面经冲击压实后，可以提高土基的密实度，减少土基和路面在行车荷 载作用下的竖向变形，降低土的渗透性和毛细作用，增强了土基的水稳性和强 度稳定性p 1 1 。 2 2 旧路面材料碎石化技术 碲石化技术是目前目内外对旧路面材料再生利用重要方式，通过利用专用 设备对l 【j 水泥混凝土路面进行冲击、破碎、压实，在损失一部分结构强度和整 体性的情况下，将混凝士路面在温度、湿度变化和荷载作用下的位移降低到新 铺路面可以允许的范围内，从而可以减少甚至消除旧路面板块对沥青加铺层的 反射裂缝i l0 。近几年，随着我困旧水泥路面重建需求的增长，碎石化技术得到 了很快的发展，多种先进设备被引入，其中较常见的碎石化设备有多锤头冲击 破碎机( m u l t i p l e h e a db r e a k e r , m h b ) 、共振式破碎机( r e s o n a n tp a v e m e n tb r e a k e r , r p b ) 等。 2 2 1 多锤头碎石化方法及适用性 m h b ( m u l t i p l e h e a db r e a k e r , m h b ) 是一种多锤头破碎设备( 见图2 2 ) ， 以柴油机作为动力源，采用橡胶轮胎，破碎机尾部携带有8 对约5 0 0 k g 的重锤， 分两排成对呈品字形( 后排重锤对应地装配在前排重锤问隙中心) 装配在整台 机械的尾部，另外还具有两对可选装配的翼锤，在不装和装配翼锤的情况下， m h b 分别可破碎2 4 米和4 米两种宽度的路面。每对重锤单独地以一套液压提 升系统为动力，在破碎时按一定规律下落1 3 2 j 。 1 0 武汉理工大学硬士学位论文 图2 - 2 m h b 碎石化设备 图2 - 3 z 型压路机 多锤头碎石化技术的工作原理是利用多个锤头的口重交叉起落对路面进行 冲击，在牵引车的缓慢行进中，使混凝 板破碎成碎块；根据地基与而板强度 来调整行车速度和重锤下落的高度，以控制板块破碎程度。然后用z 形压路机 ( 图2 3 ) 进行噩实。z 形眶路机类似十一般的光轮膻路机，j l 是在铡轮上加了 斜向波纹状凸出备纹这种条纹县有两方面的作用： 一是保旺轮下颗粒不至于 向外挤出；是对表面颗粒有更好的压碎效果，有利1 。表面平祭。 多锤头碎石化技术的实质是在牺牲部分面扳强度和社体性的情况下，将 差异沉降减低到沥青面层可以允许的范围内，从而彻底解决反射裂缝，为沥青 面层提供t 甓实、稳定的基础i 。多锤头破碎机是通过重锤f 落产生的低频高幅 武汉理工大学碗士学位论文 波动冲击力来进行破碎，破碎时的能量会传播到较大的深度范围。同时，由于 水泥路面扳块吸收能量遵循从近到远递减的规律，多锤头破碎机破碎后其颗粒 粒径在不同深度处是不同的。碎石化层项层颗粒吸收的能量最充足，水泥砼板 块震裂成片状颗粒f ，j 、于75 e r a ) 且由于其与重锤锤刃直接接触，受到的扰动很 大，砼颗粒无法形成嵌镇，因而在表面形戚一个松散层；破碎层f 层吸收的能量 少，裂纹数量少且大部分都存在于混凝土颗粒内部，在预压应力的作用下无 法继续扩张，战颗粒粒径较大( 3 0 c r n 左右) ，并且能够形成相互嵌挤、咬合的效 果。多锤头破碎机可以整幅车道宽度单次多点破碎，破碎效率高，破碎后颗粒 组成特性较好，破碎后的表面平整度高，施丁周期短，可以半幅施工半幅通车， 对人口j 的通行影响小。破碎后和z 型压路机碾压3 遍后的路面效果如图2 - 4 至图 2 5 所示。 图2 - 4 破碎后效果图2 - 5 碾压3 遍后效果 m h b 重锤f 落形成的是低频高幅振动，这种振动对旧水泥混撮土板块的破 碎作用非常明显当采用的重锤下落高度大于一定值后，对特定厚度的旧水泥 路面板块的破碎可以一次完成。需要注意的是采用m h b 方法若第一次破砰后未 选到i ：程要求，则进行第一二次破碎也不会带来更好的效果，因为次破碎定会 破坏第一次破碎后形成的嵌挤构造，从而降低破碎层的强度和结构性。使用m h b 破辞后的旧路面材料靠近表面的颗粒较小而底部的颗粒尺寸较大，如果施加的 冲击能量a 小，则破碎后的颗 t 粒径过大，不利于消除旧水泥混凝土极块层对 武汉理工大学硕士学位论文 上层沥青层的反射裂缝，难以保证加铺沥青结构层的长期使用性能；若采用的 冲击能力过大，则会使旧路面面板“粉末化 ，虽然能提高强度的均匀性但会 明显降低碎石化后的强度值。因此，要使旧路面材料破碎后的颗粒粒径分布合 理，必须选择合适的锤击功( 重锤下落高度、锤击频率) 和机械行进速度【3 3 】。 m h b 碎石化技术的缺点主要表现为：使用m h b 进行碎石化时，会产生 一些细碲的颗粒，而破碎层颗粒之间没有粘结力，在这种情况下，如果有水渗 入该层，将会带来很大的安全隐患。m h b 在破碎过程中产生的低频高幅振动 可以传递到路面结构的较大深度范围内，土基和基层在破碎过程中也会受到一 定程度影响。原土基和基层是否具有较好的稳定性至关重要。不稳定的土基或 基层在破碎重锤下落时受到冲击力作用会产生破坏，局部强度会降低，特别是 地下水位较高时，这种情况发生的可能性更大。m h b 通过落锤来进行破碎， 破碎过程中，重锤下落的位置在板顶平面上的分布不是均匀的，这与机械行进 速度、重锤下落频率和次序等有关，另一方面，板块上某些位置直接受到重锤 冲击，其它位置则否。以上两个原因导致板块在破碎后的颗粒分布难以保持均 一性并产生一定的强度离散性。强度的离散性一方面影响路面结构设计时对该 层设计参数的取值，另外不均匀的强度分布有可能产生应力集中，导致新加铺 的路面结构产生早期破坏。 2 2 2 共振碎石化方法及适用性 r p b ( r e s o n a n tp a v e m e n tb r e a k e r , r p b ) 共振破碎机由美国共振机械公司 ( r e s o n a n tm a c h i n e sl n c o f t u l s a ，o k l a h o m a ) 生产，设备图见图2 - 6 。r h b 碎石 化机械发动机功率约为4 0 0 k w ，总重达2 7 - - 3 2 t ，锤头宽2 0 3 2 m m ，重2 3 k g ， 破碎机械将水压能鼍通过一根宽4 6 6 6 c m 的方形钢梁传递给锤头，在偏心轴力 的驱动下可以产生4 5 h z 频率的振动谐波，振幅为l 2 m m l 3 引。共振式破碎机利 用振动梁带动工作锤头振动，锤头与路面接触。通过调节锤头的振动频率，使 其接近水泥面板的固有频率，激发其共振，将路面面板击碎。工作锤头上装有 专用传感器，感应路面的振动反馈，由电脑自动调节振动频率，搜寻被击物的 自有频率，并引起水泥面板在锤头下局部范围内产生共振，使混凝土内部颗粒 间的内摩擦阻力迅速减小而崩溃。由于共振型碎石化机械的破碎功大部分被水 泥混凝土板块所吸收，所以碎石化后产生的颗粒粒径相对于m h b 型设备要小， 武汉理工大学硕士学位论文 同时这种破碎机械产生的冲击能量传播范围较小，对旧水泥混凝土路面附近构 造物的影响和破坏较小。低幅、高频共振破碎的混凝土产生的穿透裂纹消除了 路面的运动并防止出现反射裂纹，由于裂纹相互日j 保持“锯齿”状嵌锁，每个 碎粒将部分负荷分散给f 一个碎粒，将负荷分散到路基上。 酬 氛。 霁萼鳓 圈2 u 6 共振破碎设备 共振破碎力发生在整个水泥板块范同之内，板破碎后颗粒尺寸均匀。通过 微调振动频率，改变振动的力度，可使破碎后的碎块rd 接近日标区范围。由 于振动力从上向下1 竽在衰减梯度，同时锤头快速向前移动着，并使冲击的合力 指向前下方，从而使上部的破许颗粒较小，下部的破砰颗粒较大，并使振碲的 裂纹与路面形成3 5 。4 0 0 夹角，使碎石块之蝴相互啮合。这样表层小的颗粒有 利于消除反射裂缝和路面渗水的横向排出：f 部较人的颗粒可以提高路基的承 载能力和阻止渗水向下渗透。粒料经压实后相互啮台的更紧，形成稳定的基层。 高频低幅共振产生的裂纹在穿透路面时就已消敞，不会破坏原路基层的强 度和均匀性，对地f 设施也不会产生影响，井能使钢筋很容易吁混凝土颗粒有 效分离。施工振动小、噪音低、时制短、效率高，肘环境影响小。可半幅施工， 不影响车辆通行，并能够将混凝上面板破碎成高强粒料层，是目前最能有效解 武汉理工大学硕士学位论文 决反射裂缝的破碎技术l 巧j 。 共振碎石化适用于路基结构保持较好、面板比较完整的路段，可以破碎后 用压路机压实，上铺沥青混凝土罩面。自2 0 0 2 年以来，美国绝大多数碎石化项 目都采用热拌沥青混凝土进行罩面，再加上设计合理的排水系统，一般可使重 建后的公路寿命大大提高【3 4 1 。对于混凝土面板或路基材料损坏严重，地下水位 较高路基积水的旧混凝土路面，以及路基含有较湿的粘土和混入泥沙的粘土的 地区，不适合采用共振碎石化进行旧混凝土路面的改造。 2 3 山区公路l b 路面材料处治方式 旧水泥稳定碎石路面的破碎，可以根据不同的病害程度、交通量状况和设 计使用寿命，选用不同的方式。通过对国内外打碎压稳技术和碎石化技术的应 用现状和效果分析发现，扣碎压稳技术( 冲击破碎) 对原路面破碎后得到的粒 径较大，虽然原路面结构的强度损失小于碎石化技术，但消除强度不均匀的效 果也稍差，适用于原路面病害较轻时采用。而碎石化技术( 多锤头破碎技术和 共振破碎技术) 则具有较明显的优势，原路面板块破碎后依然具有一定的整体 结构强度且强度分布均匀，能够满足路面承载要求，另外碎石化技术能够很好 地消除路而原来裂缝对沥青加铺结构的影响，有效地抑止反射裂缝的产生与扩 展。但是，结合恩施州地区公路建设投资和囤、省道路面状况来看，碎石化技 术并不适合在本地区进 j | 推广应用。首先，由于碎石化技术的应用需采用专业 的国外进口破碎设备和施工操作人员，且能够配合该技术应用的设备和人员数 量有限，因此采用碎石化技术的工程投资较大，目前调查的情况来看平均单价 在3 0 元m 2 左右；其次，由于山区公路现有路面结构大多采用水泥稳定碎石路 面，而目前幽内外碎石化技术的应用都是针对旧水泥混凝土路面的改造工程， 水泥稳定碎石路面结构的强度远低于水泥混凝土路面，对其破碎处治时功率强 大的专业碎石化设备可能并不适用，而且强大的破碎功率可能会对原路面结构 的基层和附属构造物产生过度破坏。因此，山区公路宜采用小型冲击破碎设备 ( 图2 7 ) 对旧水泥稳定碎石路面进行破碎稳固处理，将其作为柔性基层在其上 加铺沥青混凝土结构。 武汉理工大学硕士学位论文 i 0 寒u 图2 7 小型冲击式破碎设备 2 4 再生柔性基层防反射裂缝机理 反射裂缝的产生是由温度变化产生的应力以及交通荷载的共同作用i ”】，如 图2 8 所示。温度变化导致水泥板接、裂缝l 沥青层出现拉应力集中。而交通荷 载使水泥板接、裂缝上沥青层承受剪切应力。通常认为：温度应力引起反射裂 缝的产生并参+ j 最初的发展，而荷载应力加速r 裂缝的进步发胜。凼此，欲 控制反射裂缝，必须从温度俯载和交通付载阿个方面考虑。通过破碎稳同技术 将路面材料充分破醉再q 啪柔性基崖，材料尺寸的减小人大降低了温度变化 时的收缩位移，从而降低了沥青层底 t 应力，防止或抑制温度型反射裂缝底产 生，而经过重型压路机碾压后，水泥板块与基层紧密接触，避免了脱空出现， 故最大程度地消除了板块问的弯沉莠，从而降低了沥青层垂直剪应力，降低了 荷载型反射裂缝产生的可能性。特别是经过碎石化处理后的r 路面材料，其力 学行为类似于级配碎打，具冉很高的剪切强度和抗车辙能力，其荷载传递性能 是一般级配碎石的l5 3 倍。因此，在其上直接加铺沥青混凝土面层，类似于 国外经常采用的柔性基层沥青路面，这样u r 以从根本上解决旧水泥混凝土路面 沥青加铺崖的反裂缝问题。 武汉理工大学硕士学位论文 沥青层 查銎竺苎垦 二二亚巫囝匪三二亟互 ( a ) 温度引起的开裂 底基层 2 5 小结 ( b ) 交通荷载疲劳开裂 底基层 图2 10 反射裂缝产! l 机理 ( 1 ) 旧水泥稳定碎石路面材料再生利用可以采用扣。裂压稳、打碎压稳和碎 石化技术，破碎处治后一方面能够消除原有路用的缺陷，同时可以在一定程度 上延缓沥青加铺结构中反射裂缝的产生与扩展。 ( 2 ) 打碎压稳技术工艺成熟，施工方便，但是破碎后l 口路面板块尺寸较大， 延缓反射裂缝产生和扩展的效果较差；碎石化技术能很好的解决反射裂缝问题， 但是工程投资较大，且破碎过程中强大的破碎功率有可能对山区公路的原有路 面结构及附属构造物产生过度破坏。山区公路宜选择小型冲击式破碎设备对i e l 路面进行破碎稳固处治。 ( 4 ) 通过对旧水泥混凝土路面加铺沥青层反射裂缝产生机理分析，温度荷 载和交通荷载是反射裂缝产生的原因。经过破碎和稳固的旧路面材料，其力学 行为接近级配碎石，传递倚载能力较强，具有较强的抵抗反射裂缝产生的能力。 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章旧路面破碎结构层特性研究 本文结合湖北省恩施州境内31 8 国道大修工程，研究旧水泥稳定碎石路面 破碎层的特性。山区公路中的水泥稳定碎石路面结构的整体强度和板块性一般 而言远低于普通水泥混凝土路面结构