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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。

2．1 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5～8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3～8英寸（8～20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。

2．2 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（Resonant Machines Inc.）于2019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。

2．2．1 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。

2．2．2 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3～8英寸（8～20cm）的较理想尺寸。