养护修复水泥路面的高频低振幅共振破碎技术研究.pdf

交通世界TRANSPOWORLD0 引言水泥混凝土路面凭借强度高、变形小、施工简便、耐久性好、造价低等优势，逐步成为我国国省道路施工的主要结构形式。但随着近年来交通运输业的飞速发展，公路交通压力倍增，重载交通造成现役水泥路面出现了一系列质量病害，严重影响行车安全。传统的“白改黑”处理技术尽管能够消除道路先期影响，但就道路实际运营状况来看，其耐久性并不理想。鉴于此，本文提出高频低振幅共振破碎处理技术，对水泥混凝土道路修复具有显著效果，有效弥补了传统修复技术存在的不足，具有广阔的应用前景。1 碎石化技术发展现状1.1 国内外碎石化技术现状碎石化技术主要包括 MHB 多锤头碎石化技术和RPB碎石化技术。MHB技术是由美国 Antigo机械制造公司研发，于1955年投入使用。1986年，美国工程师JohnBrizzell对该技术进行了优化，研制出了更加先进的RPB共振破碎机，是目前国际上应用最广泛的破碎技术，其型号由传统的PB400型升级为PB500型。参考大量国外先进技术，我国中铁科研人员通过长期不懈的研究，自主研发了GZL-600全浮动式共振机，有效推动了我国破碎技术的发展。该机器紧贴水泥路面传输共振能量，功能更先进，破碎效果更明显。1.2 共振破碎技术对周围环境影响共振破碎技术主要利用对破碎机振动频率的调整，使其与水泥混凝土自振频率保持相同，从而完成对路面的破碎化处理。破碎施工时，为全面探究振动波对地基和周边设施造成的影响，通过地震检测仪进行监测。1）检测时，在距振源0.3 m及5 m位置分别布设检测点，设置检测仪监控设备。破碎施工时，检测设备会自动采集道路纵向（X向）、横向（Y向）、竖向（Z向）三者的振幅变化数值。根据振动速度及主频值变化情况对振动造成影响的具体情况进行综合评估。其中距振源0.3 m处测振数据如表1所示：表1 距振源0.3 m处测振数据通道号010203通道名称道路纵向X道路横向Y道路竖向Z最大值/（cm/s）-23.8-24.9-22.1主频/Hz0.891.371.99时刻/s1.403451.462311.27816量程/（cm/s）39.943.233.6灵敏度24.50022.50030.000通过表1能够看出：距离振源0.3 m时，水平方向通道X和通道Y振幅最大为25.538 cm，而地面下方部位最大振幅则为23 cm。虽未准确检测到振源部位各方向的振幅，但测点靠近振源，其振幅相差无几，可等同于振源部位的变化情况；通过数据能够看出，振动造成的水平方向的破坏，明显高于建筑结构安全规程规定的安全标准值，但就我国城市路网规划现状来看，道路与两侧建筑结构之间的距离均超过5 m。而对于道路结构下部，是否会影响道路基层，能否对埋深大于80 cm的地下管线造成破坏，仍需进行开挖检测。根据现场振动破碎实际情况来看，水平方向及道路结构下部振动强度完全能够将水泥板彻底破碎。收稿日期：2023-03-15作者简介：刘兴（1985），男，河北行唐人，工程师，从事公路桥梁施工工作。养护修复水泥路面的高频低振幅共振破碎技术研究刘兴（石家庄市公路桥梁建设集团有限公司，河北 石家庄 050051）摘要：高频低幅共振破碎技术是对原混凝土路面进行破碎化处理，使传统的刚性水泥路面转变为柔性路面，在一定程度上克服了“白改黑”路面改造技术中反射裂缝的难题。基于此，首先对养护修复水泥路面的高频低振幅共振破碎技术进行研究。然后结合碎石化技术发展现状，分析了共振破碎技术的工艺原理及特点，最后提出了相关技术要点。总之该技术无需进行防裂处理，且机械化施工速度快，可在水泥路面改造工程中广泛应用。关键词：水泥混凝土；共振破碎；柔性路面；反射裂缝；机械化中图分类号：U445.4文献标识码：B97总651期2023年第21期（7月 下）2）在确保破碎机各性能指标不变的条件下，将监控设备布设于距振源5 m位置处，采用与0.3 m位置相同的检测方式，其检测结果如表2所示：表2 距振源5 m处测振数据通道号010203通道名称道路纵向X道路横向Y道路竖向Z最大值/（cm/s）-0.1-0.2-0.2主频/Hz18.6594.6216.24时刻/s1.608 450.835 351.662 00量程/（cm/s）39.943.233.6灵明度24.50022.50030.000通过表2能够看出：该位置振动状况出现了显著变化。其振幅在水平方向最大值低于0.2 cm，在地面结构以下则小于 0.3 cm。根据我国建筑结构抗震设计规范，建筑结构抗震等级均不低于6级，表明此类振动不会对道路两侧建筑结构造成任何破坏；和振源部位相比，此种远距离共振无法实现对混凝土板的破碎。根据综合试验检测结果能够看出，共振破碎技术不会对周边建筑结构造成破坏，可放心使用。2 共振破碎技术的工艺原理及特点2.1 破碎工艺介绍在对共振破碎工艺的破碎机施工参数的研究过程中发现，共振破碎仅把混凝土表层以下810 cm范围内的混凝土板块碎石化，通过室内的筛分发现颗粒粒径小于5 cm的在一半以上，破碎程度较好，防止反射裂缝的能力较好。下部虽然也被振裂，但仍保持良好的嵌挤性，检测坑可以看见下部呈咬合状态，且裂纹在 2050之间，绝大多数成45，因此保证了上部碎石柔性化，下部碎而不散，使基层具有良好的承载能力。2.2 破碎的强度形成机理混凝土板破碎后，其粒径大小应满足基层级配要求，确保碾压成型后，其承载力满足要求，保证基层整体稳定性。因此，本文进一步选取19、20、21 MPa三种激振力及 2.5、3、3.5 km/h 三种行走速度进行探究。并根据各种激振力及行走速度条件下，对混凝土破碎位置进行挖坑检测。影响破碎层上面层承载性能的因素较多，具体包括旧水泥混凝土面层模量、破碎层粒径与形状、细粒层与咬合层厚度等。其中最关键因素为各颗粒间的抗剪强度，通过材料具有的黏聚力、内摩擦阻力能够反映出来，研究发现，破碎层各颗粒之间的黏聚力较小，因此其上面层承载性能是由颗粒之间的摩阻力决定的。而颗粒间摩阻力大小主要取决于如下三个方面：破碎层内部各种颗粒之间的滑动摩擦；颗粒体积增大导致横向位移需克服的摩擦阻力；破碎层颗粒在外部荷载作用下，重组时遇到的阻力作用。此外，原水泥混凝土板振动破碎过程中，混凝土体积急剧增大，从而产生横向位移，混凝土颗粒越小，其体积增长越迅速，所形成的内部预压力就越大，使得上面层承载性能越大。破碎层下面层强度来源。经振动破碎处理后，下面层出现裂而不碎的状态，各部位咬合完整，形成不同的块状结构，存在强烈的拱效应，可以平衡外部竖向作用力，将其转化成水平推力，以此消除竖向压力，保持优良的承载性能。此外，此类块体结构具有较强的自稳能力，且咬合嵌挤能力突出。加之破碎层下面层具有良好的整体性，破碎形成的裂缝均为45斜向裂缝，并未完全贯穿下面层，因此下面层内的混凝土块体咬合度良好，随着收敛位移的不断蔓延，逐渐呈现出交错咬合排布，使下面层形成整体咬合状态，最终形成咬合梁、拱结构。同时，由于外界荷载作用，使相邻混凝土块之间形成嵌挤咬合状态，与常规嵌挤作用相比，其产生的作用力更大，强度更高，承载性能更加显著。2.3 破碎后颗粒的级配特点水泥混凝土板经破碎处理后，选择具有相同振动频率（44 Hz）的三处破碎试验段，从每个试验段中随机选择位置设置试验坑，并对破碎料进行标准筛分试验，其试验结果如下：1）试验坑 1：激振力为 21 MPa，运行速度为 3.5km/h。此种情形下，共振破碎机施加的激振力较大，但其运行速度较快，造成水泥混凝土破碎效果较差，颗粒粒径较大。2）试验坑 2：激振力为 19 MPa，运行速度为 3.0km/h。此种条件下的，水泥混凝土破碎粒径较小。此外，为最大限度确保试验结果准确性，将激振力增加至 20 MPa，运行速度控制在 2.5 km/h，因运行速度最小，此种状况下混凝土颗粒粒径最小。充分表明：当振动频率相同时，破碎效果与破碎机运行速度及施加激振力大小有关。3）借鉴各国碎石化技术成功应用的工程实践，为有效避免产生反射裂缝，且最大限度提升基层承载性能，混凝土板下部8 cm范围内破碎，破碎混凝土粒径不得超过5 cm，而混凝土板下部超过8 cm的部分碎而不散、相互咬合是最佳破碎状态。主要是由于碎石化过度会使结构层失去整体性，严重降低其荷载传递能力，降低承载性能。4）根据破碎机工作性能，对筛分结果及挖坑情况进行综合探究。分析可知，激振力与运行速度对碎石效果具有不同的影响，通过对比能够发现，激振力对破碎效果的影响程度小于运行速度。通过分析试验可知，当激振力处于 2021 MPa，运行速度为 3.03.5km/h时，其破碎效果最为理想，不仅能有效实现水泥路面最佳破碎目标，还能确保达到最佳生产效率。98交通世界TRANSPOWORLD3 共振破碎技术的施工要点3.1 施工阶段注意事项城区道路因交通量较大，应提前做好交通导行方案，合理规划交通，施工路段应封闭交通，严禁车辆在破碎层上部通行，防止破碎层表面出现坑洞、离散现象，降低压实效果。此外，碎石化处理后，若遭遇降雨天气，雨水会侵蚀基层，造成基层承载力下降。因此，施工前应加强与气象站联系，及时掌握天气状况，合理安排施工作业，并建立科学有效的防、排水措施。为有效确保压实质量，应对破碎层采取必要的处理措施，具体如下：水泥路面破碎完成后，应将旧水泥混凝土板面接缝部位的松散填料及破碎层表面粒径较大的颗粒清理干净，并使用密集配碎石进行回填；当破碎层出现露筋时，应将外露钢筋割除，确保略低于破碎层；将破碎层表面存在的垃圾、树叶等杂物清除干净。如此，方可有效确保后期压实作业的顺利进行。3.2 沿线遇桥台、挡墙或大型建筑物的处理措施通过具体试验可知，共振破碎施工对周边建筑结构几乎不会造成影响，但为保证施工安全性、可靠性，破碎作业时，若现场距离桥台、挡墙或大型建筑结构较近时，应提前做好必要的保护措施，最大限度降低对其产生的不利影响，保证破碎施工的顺利进行。目前最常用的处理方法有两种，具体如下：在施工道路边缘接近建筑结构位置处开挖深度不小于1 m的隔离沟；在水泥路面上切割宽度大于20 cm且与水泥路面厚度相同的应力释放槽。通过设置隔离沟和应力槽，能有效切断激振力传递路径，降低对周边建筑结构的影响，确保结构安全。3.3 软弱路段的处理方法针对含水量较大的软土区域，应适当降低激振力，加快运行速度，降低振幅。而针对破碎化处理后，弯沉值为 70200（0.01 mm）且差异性较大的区域，应使用20水泥砂浆进行灌缝处理；碎石化层弯沉值超过 200（0.01 mm）的区域，需查明原因，特殊状况下应进行换填处理。3.4 碎石化过度和不足路段的处理因各路段路况存在一定差异，破碎施工时需不断调节破碎机性能参数。势必会造成部分路段碎石化过度或不足的情况，因此必须及时安排后续修整工作。过度破碎会导致破碎层表面产生大量粉尘，造成基层产生“弹簧土”现象，从而降低封层材料黏结性能，使道路路面产生质量病害。因此，施工中遇到此种状况，应将局部区域内的“弹簧土”及碎石层材料彻底铲除，并采用2%3%水泥稳定碎石材料进行换填处理。而破碎化不足，则会造成破碎颗粒较大，导致路基压实度质量达不到要求，其处理方式与上述处理方式相同。3.5 破碎后局部下陷的处理水泥路面破碎后，存在局部下陷情况，当下陷深度不超过10 cm时，采用2%3%水泥稳定粒料进行回填处理。当深度超过10 cm时，则应彻底铲除下陷部位碎石层，超出部位采用早强水稳碎石进行补强处理，其强度不得低于 C10，而 10 cm 范围内区域采用 2%3%水稳碎石回填。若碎石层铲除后，下部为软土路基，则应将软土全部铲除，再用级配碎石或铲除掉的碎石化材料填筑至原始路基标高，然后重复上述操作，将其回填至碎石化层。4 结束语综上所述，共振碎石化技术是一种新型旧水泥路面改造技术，具有效率高、影响小、成本低、节能、安全、环保等优点。采用共振碎石化技术，科学高效地处理了旧路面改造存在的质量缺陷，可保证施工工期，实现了材料的重复利用，节约了工程建设成本，并有效解决了破碎垃圾的处理问题。该技术的应用与推广，对今后路面质量的提升具有重要意义。参考文献：1 李文凯，李雪萍.水泥混凝土路面高频低振幅共振破碎技术研究J.科技视界，2017（20）：94-95.2 员建斌.水泥混凝土路面高频低振幅共振破碎技术参数研究J.山西建筑，2014，40（35）：174-176.3 王学营.基于高频低振幅共振破碎技术的路面结构力学行为研究D.重庆：重庆交通大学，2013.4 夏红余.共振碎石化技术与沥青层加铺工艺的应用研究D.重庆：重庆交通大学，2013.5 王青海.共振破碎改造旧水泥混凝土路面机理及效应研究D.重庆：重庆交通大学，2011.6 胡伟锋，李国梁，张蕾，等.旧水泥路面共振碎石化处理改造沥青路面施工技术探究J.中国公路，2022（11）：172-175.7 靳朝炜.公路水泥混凝土路面共振破碎施工技术分析J.交通世界，2022（10）：48-49.8 高璇，宋志，杨维国.旧水泥混凝土路面破碎技术的调查与评价J.筑路机械与施工机械化，2018，35（5）：171-174.99