共振碎石化混凝土路面改造介绍.doc

采用共振碎石化工法改造混凝土道路
一、什么是共振碎石化
碎石化技术是一种重要的水泥混凝土路面原位破碎利用技术。它一般适用于水泥混凝土路面出现较大范围破损的情况。现场碎石化处理（Rubblization）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20 cm左右。细颗粒集中在路面上部，粗颗粒集中在路面下部。
共振碎石化是一种路面破碎加覆盖技术，就是将原有的水泥混凝土路面破碎成小颗粒碾压后直接作为基层或底基层，再在其表面直接加铺沥青混凝土面层的工艺。碎石化不仅是一种破碎路面的工艺，更是一种混凝土路面修复方法。它由共振破碎混凝土路面、正确设计和安装路边缘和地下排水系统、正确设计沥青罩面三个主要部分组成。
共振破碎原理
共振破碎设备通过激振器及共振梁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40 cm，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22.5 cm，底部不超过37.5 cm。

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。水泥混凝土路面的修复有三大方法，即修缮复原，重新铺面和重建。碎石化处理是重建的一种。旧混凝土路面首先应该考虑前面两种修复方法。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。经过查阅大量资料，本文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。
此外，当旧水泥混凝土路面有下面一种或几种类型的损坏时，也可以考虑采用碎石化改造技术：
1. 水泥混凝土面板有严重的D形裂缝。D形裂缝是水泥混凝土路面的伸缩缝两侧在一定范围内产生的多道裂缝，呈D字形，且呈不断扩展趋势，严重时裂缝产生的小块可能脱落或错位移动。D型裂缝是典型的耐久性裂缝；
2. 水泥混凝土路面有严重的碱骨料反应的情形。碱骨料反应中有胶体产生，吸收水份造成膨胀（碱胀），进而开裂而降低混凝土的耐久性；
3. 受严重冻融破坏的混凝土路面。冻融破坏一般发生在没有加气的混凝土中。如果气孔体积或者气孔间距不适当，混凝土在受冻时会膨胀开裂。这一过程可持续几年会使混凝土路面破坏严重。

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。碎石化技术的运用除了有以上路面的充分条件外，还有对其的必要条件。
美国公路科研部门在研究碎石化工艺时发现，当道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15~33 cm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。对于碎石化改造技术的适用范围，一般采用表1所示的标准。按上海市地方标准DB31/T 828-2014，只要原路基CBR值大于4，且水泥混凝土路面基层与面层总厚度超过50cm，便可以采用碎石化技术。
表 1 适用共振碎石化的路面损坏标准
评定等级
路面状况指数 PCI
断板率
平均错台量
接缝传荷系数
次
54～40
11%～20%
11 mm～15 mm
31%～55%
差
<40
＞20%
＞15 mm
<31%

共振碎石化技术的优点
共振碎石化工艺的首要控制标准就是破碎后上部碎块的尺寸一定要非常小。正因为如此，碎石化具有和打裂压稳、打碎压稳等破碎方式完全不一样的效果。当然，破碎后碎块的尺寸并不是越细越好，需要在结构性降低和反射裂缝风险增高之间寻求平衡。
适宜的破碎应该在破碎后有效模量应使出现反射裂缝的可能性为零。在此情况下尽量保证原混凝土板块的结构性。破碎后有效模量是与破碎后颗粒粒径密切相关的，所以存在一个合理的破碎后粒径区间，它能使有效模量达到适宜范围。
通过在国内外应用碎石化技术对严重病害的水泥路面加以改造，与其他方法相比较，实践证明共振碎石化技术具有以下特点：
1. 共振碎石化技术防止反射裂缝的效果比同样应用于混凝土路面改造项目中的震裂压稳、破裂压稳及增加应力缓冲层等技术更为有效。
2. 共振破碎并压实的混凝土路面是由破碎混凝土块组成的紧密结合、内部嵌挤、高密度的材料层。
3. 共振破碎后的材料具有较强的抗剪强度，但其抗弯拉强度并不大。
4. 共振碎石化的混凝土路面不是一般的粒料基层，也并不是处于无应力状态，与一般的密级配粒料相比，碎石化混凝土路面可以为HMA（热拌沥青混合料）罩面提供更高的结构强度。
由于共振碎石化破碎后碎块的尺寸特性，破碎的水泥板块具有良好的强度均匀性。因为没有了预留接缝、裂缝等应力集中点，同时也消除了坑洞、脱边、板底空洞等病害，在上面加铺沥青面层后，不会再有反射裂缝出现，这是碎石化技术的最主要优点，也是其标志性成果。其他处理方法，如打裂压稳、破碎压稳等虽然也能减轻反射裂缝，但是由于破碎后表面板块仍比较大，板体性依然非常明显，故仍有出现大量反射裂缝的可能性。
共振碎石化技术还具有施工速度快的优点。由于不需要加铺半刚性基层，只需要进行破碎。如果用其他的处理方法的话，由于要加铺半刚性基层，工程持续时间长，施工期间严重影响交通通行。因此如果考虑到社会效益，或者要求在短期内完成道路改造，采用共振碎石化技术是更可行的方案。
不需加铺半刚性基层，还有一个好处就是可以不显著增加路面标高。由此对沿线的居民、对路基宽度、道路边坡影响都不大，因而特别适合于经过城镇的道路改造。
还有，采用共振破碎，则几乎没有噪音，对沿途居民、企业没有任何影响。相反打裂压稳和多锤头打击破碎，则在施工时所产生的震动比较强烈，影响附近建筑物的安全，还有可能给施工带来意外的麻烦，沿途居民很难承受。
另外，共振碎石化充分利用了原有水泥混凝土路面破碎后的碎块，不但减少了白色污染，还节省了废料运输成本，具有经济环保的双重功效，响应了国家关于建立节约型社会的号召。
通过以上分析，可以总结出碎石化具有以下的优点：
1. 彻底解决板块的反射裂缝问题；
2. 施工速度快；
3. 不显著提高路面标高；
4. 施工时扰民少；
5. 经济环保。

梁式共振设备破碎混凝土路面技术特点
破碎层（上部）充分的碎石化
共振破碎利用共振梁设备锤头对路面进行高频接触打击，振动频率在44-55Hz范围，通过调节锤头的振动频率，使其接近水泥面板的固有振动频率，激发水泥路面形成共振，从而使水泥面板迅速崩溃并轻而易举实现水泥面板上部约5-10cm范围的完全碎石化及整体板块碎裂，做为道路基层该碎石层形成良好的应力吸收层，可有效防止反射裂纹的产生。

破碎后形成理想的上部小、下部大的碎块层间分布
由于振动能量由上向下发散性传递、振动能量在面板中存在明显的衰减梯度，从而形成上部完全碎石化（碎块规格3-8cm） ，下部呈现网状裂纹的特殊破碎结构（碎块规格8-20cm）。这样的型态带来路基结构上的很大好处，做为道路基层上部的碎石层可有效吸收反射裂纹产生的应力，而下部网状裂纹破碎层结构极其稳定，可提供非常强的稳定承载能力；所以，共振破碎的水泥面板可作为理想的道路基层使用。

破碎面板下部形成稳定嵌锁结构
破碎机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，从而使破碎面板下层裂纹与路面形成约35～45°的规则夹角，这一夹角在结构上带来突出的益处，这一夹角可使碎石块之间相互嵌合紧密并达到分散荷载作用，从而使该破碎层起到极佳的路基稳定层作用。

原道路基层及其它预埋管线设施不受冲击损伤
共振破碎采用低振幅、高频率振动，通过激发水泥板共振做功，水泥板几乎吸收了全部振动能量，从而被快速破碎；而原道路基层、预埋管线等设施的固有频率与该工作频率相距甚远，因而振动冲击就地衰减，影响也最小，是振动、噪音和粉尘等环境影响最小的破碎工法。

降低水侵病害并延长道路最终使用寿命
破碎面板结构的上部为松散碎石结构，所以其上部为排水效果良好的碎石透水层，而下部为致密不透水的嵌锁结构，配合设计良好的排水设施可保证良好排水并有效防止水侵产生的对面层及底基层的水侵病害，充分延长道路最终使用寿命。

可充分实现与钢筋的分离
由于共振频率不同，共振破碎可充分实现混凝土碎块和内部钢筋的分离。

可进行道路全幅面施工
梁式共振破碎机振动体可进行上下、左右位置移动和调整，可沿设备走行轮边沿进行破碎施工，可实现道路全幅面破碎施工。

技术经济优势
1. 经美国和我国上海、浙江及四川等地区的对比应用表明，共振破碎后水泥面板可直接做为摊铺沥青层的理想道路基层使用，实现资源的最有效利用，不产生建筑垃圾，表面亦无需任何敷料处理；在上海，采用共振破碎方法施工道路已占所有破碎改造道路的75%以上。
2. 共振破碎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，是道路寿命周期内总体投资和使用费用最低的工法。

3. 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。

4. 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。

共振碎石化视频资料
梁式共振碎石化视频1
梁式共振碎石化视频2