水泥路面改造工程中的共振破碎技术

水泥路面改造工程中的共振破碎技术近十余年来，我国公路建设尤其是高等级公路的发展突飞猛进、日新月异。到目前为止，我们仅仅用十几年的时间就使高等级公路的通车里程突破3万公里，稳坐世界第二把交椅。在新建公路的同时，也必然要对占用路网计划的旧的干线公路进行改造。旧路有黑白两种路面（沥青混凝土路面和水泥混凝土路面），沥青路容易破碎、翻修、再生，而水泥路就不同了，水泥面板一旦破坏，就很难对其进行维修或翻修再生。由于我国国力等情况，从上世纪70年代开始，许多城市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，而且由于成本的问题，绝大多数为非钢筋混凝土结构，加之路基等级低或后来按隐藏有先天技术适应性缺陷的高等级半刚性路基设计建造的水泥路，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，旧路大修改造再所难免。即使是近几年修建的高等级水泥路，也不同程度地出现了各种病害，小修小补、中小型修补之后，路病相继出现，不断扩大，所以大修需求正逐步进入公路部门的议事日程。从目前的实际情况来看，水泥路面的翻修改造早已不是什么新鲜事，各地都进行了不同程度的翻新改造工程，各种工艺、方法都有试用，始终没有找到一个理想的办法，这都是效果与成本的矛盾难以调和而使然。省钱不能从根本上解决问题，彻底改造也不能不顾当前的经济情况。我们的尴尬就在于往往由路基缺陷而引起的面层破坏上。把水泥面板打碎搬走，按标准重建基础，无异于修两条路，成本太高，难以承受。而不理路基问题，只管修面，难免埋下祸根。两全其美的办法还需科研力量的继续投入。然而在路基问题不是主要矛盾的情况下，进行水泥路面的翻修改造，技术上已不存在什么问题。国外发达国家几十年的水泥路面发展、翻修、改造史，使得这方面的施工工艺、施工设备已比较成熟，各种方法、各种技术相继出现在国内外的各个实际工程中。1早期不彻底的水泥路面改造方法早期的水泥路面改造工程主要是对旧面面层做一些拉毛处理后，直接加铺一层新的水泥混凝土或加铺沥青混凝土（白改黑），这样做的主要原因还是成本问题。然而，由于旧水泥面板的预留接缝、裂缝、坑洞、脱边、板底空洞造成的不稳定性等病害的存在，使得改造后的路面整体强度大打折扣。新旧面层在车辆载荷的连续冲击下，旧面板病害处的承载力会突然降低，造成应力集中而反射到上面，使加铺的新面出现载荷型反射裂缝；同时由于温度变化，造成两层材料的胀缩效应出现差异，温度应力在下层裂缝处得不到连续，使得上层产生应力集中，造成温度胀缩型反射裂缝。为防止这样的反射裂缝，在加铺工艺上采取了下面的几种方法一是在两层之间设置夹层，就是以土工格栅、土工织物、橡胶沥青等特殊材料设置于新旧层之间，吸收部分应力、延缓裂缝的反射、增强新加铺层的抗拉抗剪强度，使新旧层结合为一体；二是加铺较厚的新层，以提高新层的强度和抗反射裂缝的能力。但成本明显增大，效果却有限；三是在新加铺层上设置胀缩缝，以释放下层反射的应力集中。不管采取什么补救办法防止反射裂缝，这种改造工艺都难以从根本上解决问题。因为旧面板各种病害的存在，必然会慢慢地延伸到加铺层上，且旧面板下存在的空洞、强度不均等情况，尽管可诊断处理，但难以完全消除面板下的隐患，新路通车后，也会慢慢地对整个路面产生影响。所以对破坏不太严重、温差不大、交通载荷较小的路面，采取这种方法尚可，但对损坏较严重的重交通、高速公路，这样的工艺很快就会使改造工程前功尽弃。如何才能使翻修改造后的路面使用寿命达到和新设计路面一样的年限，而又能利用旧的水泥面板材料呢破碎、碾压、加铺工艺是一种较理想的办法。2水泥路面破碎改造工艺为彻底解决旧面板对新加铺层的致命影响，只有将原有的旧水泥面板彻底打碎，完全消除原有路面存在的病害，释放面板下空洞的隐患，将打碎的混凝土碾压后直接作为基层或底基层，再加铺新的面层（水泥或沥青混凝土），才是旧水泥路面翻修改造的理想方法。它不但解决了旧面改造的质量问题，而且大大降低了工程的总费用，节约了路基材料，同时也解决了丢弃水泥碎块垃圾的环保问题。然而，水泥面板的打碎说来容易做起来难。破碎后的碎块太大，会引起更多的反射应力，太小又会降低作为基层的支撑强度。水泥面板的硬度本来就较大，破碎过程中就可能对原路基造成影响，且大面积的破碎工程，施工速度和效率也是问题。所以仅就水泥路面的破碎技术，人们已进行了许多研究。破碎工艺、破碎设备、施工方法等都随着水泥路面的改造历程而发展更新。21早期的破碎工艺和设备及其缺陷为将水泥面板打碎，人们制造出了各种机器设备。最早是利用装在挖掘机臂架上的液压破碎镐进行破碎，但施工速度和效果难以适应大面积工程的要求。后来发展出大型落锤式破碎机，将锤头做成铲刃或窄条板状，重达58吨的重锤提起2米多高，对路面的击打能力很大，可将厚厚的水泥面板一次击开。但它同样存在施工效率低的问题。大型多锤式破碎机（图1）和冲击式压实破碎机（图2）虽可进行大面积的施工，但它的破碎质量和施工质量也被人们所认识。首先是施工质量，由于多锤冲击式的落锤和多棱冲击碾具有很大的质量，对路面的冲击能量非常大，直接破坏了原有路基的平整度和密实度之均匀性。如路基下有管线等设施，也会对其造成直接影响。产生的振动冲击波很大，一般施工点周围20米内不能有振动敏感型建筑物。另外施工噪音非常高，不但工人劳动强度大，而且形成噪音污染。从破碎质量上看，靠重力砸、击路面，很难一次将水泥面板打碎。虽然可反复工作或利用大吨位振动式压路机配合进一步碾碎，但还是难以将水泥面板击碎到理想的尺寸，并存在埋在下面的较大未碎块头难以处理。实践证明，破碎后的碎块尺寸越大、越不均匀，对新加铺层的影响就越大，即越容易引起反射裂缝；破碎后的碎块尺寸越小，引起反射裂缝的几率就越小，但其对路面的支撑强度也会变小，使作为基层使用的破碎压实层的结构失效概率增大。经研究，碎块尺寸与反射裂缝和结构强度之间的关系如图3所示。根据美国RMI公司的实践经验，旧面破碎后的碎块尺寸在38英寸（820厘米）之间时，可取得较为理想的效果。从图3中可看出正是两个曲线的交叉点附近。重锤冲击式破碎方法难以将旧面板打碎到这样的尺寸范围内。如果旧面板是钢筋混凝土结构，破碎后应使钢筋与混凝土碎块彻底脱离，以免钢筋联带的一串碎块对新面层的反射影响。而重锤冲击式破碎方法在实践中是难以使钢筋与混凝土脱离的。所以，拥有水泥路面较多的美国，在其旧路改造过程中，已很少采用这样的方式，有的州已禁止使用重锤冲击式破碎工艺。22共振式破碎设备及施工工艺上世纪末，美国人率先研制出了共振式破碎设备，在长期的实验室及试用改进、换代提高后，由美国共振机器公司（RESONANTMACHINESINC）于2001年前后将这种技术大规模应用于工程施工中并取得了理想的效果。图4为美国RMI公司的RB500系列共振破碎机，它的出现使水泥路面破碎改造工艺实现了新的突破。221共振破碎原理共振式破碎设备是利用振动梁带动工作锤头振动，锤头与路面接触。锤头的振动频率约44HZ左右，振幅为20MM。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，即可轻而易举的将水泥混凝土面板击碎。其原理图如图5所示。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。共振式破碎设备同时还可控制被击碎的碎块粒度和破碎深度。222共振破碎的特点及与重锤冲击式破碎法的比较共振破碎技术克服了重锤冲击式破碎法的不足，并带来了在水泥路面破碎改造工程中意想不到的好处。1破碎后的碎石尺寸理想、均匀。由于共振破碎力发生在整个水泥板块厚度范围内，能使板块较均匀地分裂，通过微调振动频率，改变振动的力度，可使破碎后的碎块尺寸达到38英寸（820CM）的较理想尺寸。2破碎后的粒度上部较小，下部较大。由于振动力是由面板上部向下部传递的，振动锤并不在一个点上连续振动，而是快速向前移动的，所以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，下部的破碎粒度较大。这样的结构带来了很大好处，首先是小粒度可更好地消除反射裂缝，同时下部的较大的粒度提高了路基的承载能力；其次是上部小粒度有利于路面渗水的横向排除，下部的大粒度又可起到阻止渗水向下渗透的作用。3破碎后的碎石纹路规则排列，并与路面形成3540O夹角。共振破碎的工作锤头在激发路面共振的同时快速向前移动，冲击的合力指向前下方，从而使振碎的裂纹与路面形成了一定的夹角。这一夹角可使碎石块之间相互嵌合，经压实后相互啮合得更紧，从而使碎石层起到更好的砾石稳定层的作用。共振破碎机使碎石裂纹走向倾斜的示意图如图6所示，实际效果（截面）如图7所示。而普通重锤冲击式破碎方法的冲击力是垂直向下的，碎石裂纹也只能是大致垂直于路面的，这不利于稳定层的承重与稳定。4破碎深度可控制，不冲击路基，保证路基下的管线设施完好无损。共振式破碎机通过调节振动频率和振幅，即可控制破碎的深度。因为它是在试图以接近混凝土的固有频率而振动，在发生共振的瞬间，锤头就向前运动了，垂直向下的冲击力很小，而且面板下边的材料为非混凝土，不会与之共振，所以避免了对路基的冲击，路基下的其它管线设施自然就不会受到影响了。路基不受冲击，保持了原有路基的平整度和密实度的均匀性。而普通的重锤冲击式破碎方法则不然，它们的冲击力垂直向下，要以路基为依托来打碎面板，所以冲击力通过面板直接传递给路基。为将面板底部击碎，巨大的重锤会使路基受到严重冲击，破坏了原有路基的平整度和密实度之均匀性，并且会使地下管线及其它设施受到影响。共振破碎技术与普通重锤冲击式破碎方法的效果比较如图8、图9所示。5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，钢筋的固有频率与水泥混凝土有异，从而使钢筋很容易与水泥碎块完全剥离。实际效果也证明，共振破碎后的钢筋网确实与原有水泥彻底脱离。图10为共振破碎后钢筋网一提即出的情形。如果钢筋串起了大大小小的混凝土块，就必然引起局部应力集中，造成反射裂缝。普通重锤冲击破碎工艺要想使钢筋网与水泥碎块脱离，难度是非常大的。6振动影响小，施工适应范围大。共振破碎技术是工作头与局部水泥板块之间的振动，高频低幅，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23M外的构件。而重锤冲击式的振动力是非常大的，它可通过路基波及到施工周围的建筑，所以施工前应做一定的防范，一般20M之内不应有振动敏感型建筑物。所以，共振破碎技术的应用范围比较广，市政、机场、港口、重要设施附近的公路等对振动级别有要求的地方，采用共振技术可很好地解决问题。7噪音小，不扰民。共振破碎的振幅较小，锤头与路面共振破碎所产生的噪音还没有机器发动机的噪音大。而低频高幅的重锤冲击式破碎法就不同了，它的振动噪音和振动波一样传递很远，影响较大。8破碎深度大。通过调节振动频率和振幅，共振破碎设备可使破碎深度达到660MM。完全满足一般机场跑道、停机坪和一些港口码头水泥面板的破碎改造任务。9施工效率高。共振破碎机的生产率可达10000平方码/天（即每天8360M2）。由于其工作点很窄，在公路上施工时，可单车道施工，不用断绝交通，每天可完成2KM左右的破碎工作。223共振破碎技术的应用及施工工艺美国是世界公路大国，拥有的水泥路面也是世界最多的，所以对水泥路面的翻修改造技术研究的比较多，技术也最成熟。目前在其旧水泥路面破碎改造工程中已基本淘汰了重锤冲击式破碎方法的应用。美国共振机器公司（RMI）是美国唯一的共振式破碎设备制造商和最大的路面破碎改造工程承包商，承接了美国75的路面破碎改造项目，改造后的路面设计寿命都在15年以上。RMI共振破碎机的主要技术参数为发动机功率350600HP振动梁宽度为457660MM破碎锤头15243048MM振动频率3553HZ振幅约20MM振动梁配重54439070KG总重量2721631753KG最大破碎深度660MM生产率约1000M2/H旧水泥路面破碎改造工艺的一般流程为首先要正确设计和安装路面排水系统；再用共振破碎设备将旧面破碎；采用10T左右的压路机对共振破碎后的路面碾压46次；按设计要求摊铺新的沥青混凝土路面或水泥混凝土路面。如前文所述，共振破碎后的碎石粒度结构为上部4080MM是粒度较小的透水结构，下部160200MM为粒度较大嵌锁紧密的不透水层。这样的基层结构可使面层的渗水沿上边的透水层横向排走，阻止其向