基于共振碎石化的旧水泥混凝土路面再生技术研究
摘要：旧水泥混凝土路面共振碎石化具有施工便捷,控制反射裂缝效果显著，减少废弃工程的特点，在水泥混凝土路面改建中工程有广泛的应用前景。本文旧水泥混凝土路面改造的方法，碎石化技术的适用范围，共振碎石化的技术原理及施工特点进行了研究，为旧水泥混凝土路面改建提供一种新的工艺。
关键词：旧水泥混凝土路面，共振碎石化，适用范围，技术原理
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。
碎石化法(简称共振碎石化法)是美国RMI公司研发的技术,主要用于板块完整性与结构性较差的各种混凝土路面改建。该方法是将混凝土板碎石化成高强粒料层，对板下各层影响相对于其他碎石化方法要小，是目前最能有效防止反射裂缝的碎石化技术且是一项重要的水泥混凝土路面原位破碎利用技术。现场碎石化处理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20cm左右。细颗粒集中在路面上部，粗颗粒集中在路面下部。
1.旧水泥混凝土路面改造的方法
1.1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。
1.2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。
1.3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。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。
（1）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。
（2）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。
（3）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40cm，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7.5cm，中间不超过22.5cm，底部不超过37.5cm。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。
2.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。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。
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。不适合的情况如下。
有研究发现，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15～33cm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。
3.共振破碎原理及施工特点
3.1共振破碎原理
共振破碎设备振动工作锤头与路面接触，调节锤头的振动频率，通过专用激振器激发水泥混凝土产生共振，使其接近水泥面板的固有频率，激发其共振，即可将水泥混凝土面板击碎。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。
通过浮动式共振破碎，使旧水泥混凝土面板碎裂，形成上部嵌挤密实的碎石层，下部嵌锁咬合的块石层。碎石化后水泥混凝土颗粒的粒径不大于40cm，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22.5cm，底部不超过37.5cm。
共振破碎设备GZL600型全浮动式共振破碎机是利用共振原理将旧水泥路面的刚性面层神奇地变为沥青路面的柔性基层，达到优化路面结构层的目的，是旧水泥路面改造的重大突破。全浮动式共振机的振动头产生的频率为44HZ、振幅为2cm的机械波完全紧贴路面水泥板传递能量，使水泥板产生共振，达到碎石化旧水泥路面的目的。
3.2共振破碎施工特点
碎化上面层为0～8cm左右的碎化层，起缓冲、减振作用，还具有吸放路面渗水和层间冷凝水作用；碎化下面层为斜向嵌锁承重层，是路面结构中最特殊的柔性基层，既具有柔性层特性又具有较强的承载能力。破碎后的碎化面与旧水泥板面等高度，所以碎化层的密实度接近100%，后期碾压非常简单。破碎后面层上抛洒少量石屑，以不完全覆盖碎石块为宜，碾压后即可正常开放交通，只需洒水保湿就行了。开放交通期一般不超过一个月。旧水泥路面采用共振碎化石后，可直接加铺沥青层，不需要做任何的封层和粘层。
共振破碎是交通影响最小的施工工法，特殊地段可在24小时内完成改造路段从破碎到完成沥青层摊铺并重新开放交通的施工过程，在大交通流量及交通敏感路段施工具有交通影响最小的特殊优势。共振破碎施工的震动、噪音和粉尘远远小于其它施工方法，是环境影响最小的破碎工法。这项技术是防止出现反射裂纹最有效的工法，白改黑道路预期使用寿命可达到15-22年，可极大的节省后期维修工作和费用。
4.结论
(1)碎石化改造是一种新型技术，同时也是一种工艺性很强的技术，中间质量控制环节比较多。任何一个小的差错，都有可能对整个工程的质量产生影响。所以在施工过程中，必须严格遵循相关的施工手册。我国目前还没有碎石化施工的相关规范，现阶段主要借鉴国外技术规范和国内已有的碎石化施工项目所积累的经验。
(2)该技术有两项重大突破：一是旧水泥路面板的合理利用，变废为宝，实现了环境保护。二是在路面技术上实现了沥青面层配柔性基层（碎化层）道路的长寿命，节约了全寿命期的总体造价，是经济效益的体现。
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