摘要

水泥路面碎石化是将旧水泥路面进行离散化处置的施工工艺。目前常用的路面破碎工艺有多锤头冲击破碎和共振破碎两种。为了探讨两种工艺的差异性及适用条件，本文对两种破碎工艺采用的设备、原理以及破碎层性质进行了分析和比较。其中，对采用高幅低频的冲击力来进行板块破碎的多锤头破碎过程应用波动理论来分析，对使破碎设备产生与旧水泥混凝土面板自身的固有频率一致的振动频率而使两者共振，从而使路面破碎的共振碎石化则是采用共振理论来分析;以上两种工艺的破碎层性质的统计结果表明，共振破碎的各层平均粒径远小于多锤头破碎;而其平均弯沉值和顶面回弹模量均大于多锤头破碎。

关键词

道路工程

水泥路面碎石化

多锤头冲击破碎

共振破碎

随着交通量的激增以及超载重载车辆的出现，早期建造的水泥混凝土路面出现了大量的断板、裂缝、唧呢等病害。关于水泥混凝土路面破坏的原因以及养护维修方式，国内外大量学者对此进行了深入的研究。但是当采用传统的养护维修方式无法满足水泥路面使用性能的要求时，就需要对其进行破碎化处置后改建或者加铺新的面层。

美国密苏里州在路面养护手册中，将旧水泥路面碎石化定义为:一种将旧水泥混凝土路面离散化的处置工艺。这种离散化处置方法将旧水泥混凝土面板破碎为直径在7cm至30cm之间的棱角性明显的颗粒。一般来讲，当水泥混凝土路面基层的加州承载比＞7，基层与面层总厚度超过33cm，水泥面层有超过20%的接缝出现错台、翻浆等破坏导致，超过20%的板块出现开裂或20%的路面需要修补的情况下，可对原水泥路面进行碎石化施工。破碎化过程产生的路面集料形成良好的嵌挤结构，而嵌挤结构的存在使得碎石化层的强度远大于普通碎石基层，其刚度约为普通碎石基层的三倍以上。美国在对旧水泥混凝土路面破碎层以及加铺层使用性能及耐久性进行了大量深入的研究和观测后，认为碎石化后影响加铺层使用性能和耐久性的主要因素是破碎颗粒的粒径、破碎层加州承载比及其表面平整度。在美国，旧水泥路面碎石化处理被公认为是最终的有效的处置手段。通过碎石化技术在、和国道旧水泥路面的处置中的应用，我国的道路工作者也对碎石化技术进行了深入的研究。

董元帅、冯永飞、高璇等认为，破碎后的旧水泥路面可根据各层颗粒粒径以及强度形成原理分为2~5cm的碎石化表面层、分别为10cm的碎石化上部和碎石化下部。表层的强度和和稳定性来源于薄层集料间的嵌挤作用以及由于撒布透层油而形成的沥青-集料及沥青-沥青的粘结力。碎石化层上部的强度则来源于混凝土面板破碎时侧向体积膨胀而导致的预压应力和内摩阻力。破碎层下部则“裂而不碎、契合良好、联合咬合”，整个破碎层表现出“拱效应”，在荷载的传递过程中，将竖向荷载变为水平的推力。

目前常用的水泥路面破碎技术主要有多锤头冲击破碎技术(MHB)和共振式破碎技术(RPB)。本文将从两种技术的设备特点、技术原理、破碎效果等多个方面比较两种技术的综合性能，归纳总结旧水泥路面破碎的优选方案，为提升旧水泥混凝土路面破碎效果提供理论依据和科学指导。

MHB和RPB碎石化设备

MHB型破碎机具有两排成对装配在设备尾部的重量约为kg的重锤，重锤下落时产生约11kJ的冲击能量，通过调整重锤下落高度控制破碎层颗粒粒径，一般要求颗粒粒径＜37.5cm。MHB型破碎机工作中需配置Z型钢轮压路机，进一步压碎表面颗粒，并确保破碎后路面的碎石颗粒不会被挤出路面外侧和集料间嵌挤结构的形成。

RPB型共振破碎机的共振作用来源于凸轮转动产生的偏心力，该偏心力在设备与路面接触处产生高频低幅的振动，持续振动的存在使得原水泥路面破碎。由于共振破碎过程中的设备产生的破坏大部分被原路面板块吸收，因此其破碎颗粒粒径更小。

MHB和RPB技术原理

(1)多锤头冲击破碎技术原理

多锤头破碎过程是一个能量的转换过程，重锤在自由落体中将势能转化为动能，在重锤与水泥路面接触后，动能转化为接触点的动能和势能。因此，多锤头破碎过程常采用波动理论来分析。即重锤与水泥路面接触点在冲击力作用下发生振动，振动向相邻质点传播，带动相邻质点按顺序依次振动，从而产生能量的传播。

根据波在介质中的传播，可将多锤头破碎在工作过程中所产生的冲击波分为压缩波、剪切波、瑞利波和乐夫波。为了表征波的强度，将单位时间内穿过单位面积上的波的能量定义为能量流I。

于冲击波在传播过程中受到阻尼作用，冲击波的波阵随着传播距离的增加而增大，单位面积上的能量则随传播距离增大则减小，冲击波的强度随着转播距离的增大而减小，直至传播乏力而终止。

假如某一质量为m，底面半径为r的夯锤从高为h处自由落体，与地面接触后在地基半空间做自由振动，当采用单自由度振动系统描述这一过程时，最大振幅A，振动的阻尼γ和固有频率f(有阻尼)，f(无阻尼)可采用下式计算:

由此可见，从破碎设备的角度出发，多锤头破碎冲击波的振幅和频率与重锤底面半径、锤高度以及质量相关。结合冲击波的初始能量流密度计算公式，可以看出其与落锤高度成正比、频率不变、而振幅则随传播距离增大。从水泥路面材料本身性能出发，冲击波的频率、振幅与路面剪切模量和泊松比相关，由于泊松比变化非常小，由此，频率和振幅由路面的剪切模量决定。路面的剪切模量越大，要使面板破碎所需要的落锤高度越高，反之则需减小落锤高度。多锤头破碎设备在破碎过程中产生的冲击波可以看做是以半球波阵面向外传播。

从以上的分析可以看出，多锤头破碎过程是采用高幅低频的冲击力来进行板块破碎，破碎时能量可以在路面深度较大范围内传播。由于冲击产生的能量在面板与重锤接触点最大，而后随着面板厚度的增加逐渐减小，因此多锤头破碎时路表面吸收的能量最多，破碎最彻底，导致颗粒之间无法形成嵌锁结构而形成松散层，而碎石化层上部和下部的颗粒粒径逐层增大且嵌挤作用显著。

(2)共振破碎技术原理

共振碎石化技术的原理可以简单的表述为:通过使破碎设备产生与旧水泥混凝土面板自身的固有频率一致的振动频率而使两者之间产生共振，在共振作用下将旧水路面破碎成集料颗粒。水泥混凝土面板在受到垂直的作用力后产生挠度，作用力卸载后，作用点围绕其平衡位置作周期性微小振动，即为水泥混凝土面板的自由振动。水泥混凝土面板的自由振动频率对确定其共振条件具有重要意义，自由振动频率是振动破碎前振动设备参数调整的主要依据。

考虑水泥混合图板的自由振动的微分方程可表示为:

采用无数个简谐波振动的叠加来表示矩形混凝土面板上每一个点的挠度w，ωmn表示每个简谐振动的频率;t时刻的挠度采用无数振动的挠度之和表示，Wmn则表示每一种振形的自由振动函数。

将振型函数Wmn带入自由振动求解方程(6)可得振动微分方程:

继而得到水泥混凝面板的固有频率ω:

在振动破碎过程中，振动破碎机根据路面板的自由振动频率，输出频率在42~45Hz，振幅为10~20mm，振动力大约为9kN的高频低幅振动作用力。由于振动能量随着路面深度的增加逐渐下降，因此，破碎后的集料颗粒也呈现上细下粗的状。由于共振作用产生的水泥路面裂缝与水平面约呈45度角，水泥面板沿着最大剪切面破碎，进而获得比垂直破碎更大的模量。且采用共振碎石化后的集料颗粒之间相互咬合嵌挤结构具有更好的荷载传递作用，能将竖向扩散到更大的区域内。

MHB和RPB破碎效果分析

使用破碎粒径、路面回弹模量以及弯沉为指标，对分别采用了多锤头破碎技术和共振破碎技术的36段旧水泥路面破碎层状况进行分析，结果如表1和表2所示。表1和表2的分析结果表表明，多锤头破碎表面、上部和下部最大粒径分别为7.5cm，22.5cm和37.5cm，而共振破碎表面、上部、下部最大粒径分别为5cm，10cm和18cm。多锤头破碎表面小于7.5cm粒径的颗粒约为83%，而共振破碎的表面层小于5cm粒径的颗粒占69%;多锤头破碎上部小于22.5cm粒径的颗粒约为86%，而共振破碎的上部小于10cm粒径的颗粒占73%;多锤头破碎下部小于37.5cm粒径的颗粒约为89%，而共振破碎的下部小于18cm粒径的颗粒占84%。由此可见，采用共振破碎的各破碎层平均粒径远小于多锤头破碎，但两种破碎方式产生的集料粒径均满足《旧水泥混凝土路面碎石化施工》(DB32/T-)和《公路水泥混凝土路面再生利用技术细则》(JTG/TF31-)的要求。

路面弯沉值的统计结果表明，采用多锤头破碎的旧水泥混凝土破碎层中，44%的路面弯沉值在10~35之间，35%的路面弯沉值在36~65之间，21%路面的弯沉值在66~之间。而采用共振破碎的旧水泥路面破碎层中，56%的路面弯沉在51~80之间，26%的弯沉值在81~之间，18%的路面弯沉值在20~50之间。采用共振破碎的碎石化层平均弯沉值大于多锤头共振，说明多锤头破碎层的强度大于共振破碎层。

顶面回弹模量的统计结果表明，多锤头破碎层的顶面回弹模量有56%集中在~MPa之间，24%集中在0~MPa之间，20%集中在~MPa之间;共振破碎层的顶面回弹有69%集中在~MPa之间，22%集中在~0MPa之间，而有19%集中在~MPa之间。采用共振破碎的碎石化层顶面回弹模量大于多锤头破碎的碎石化层，说明在垂直荷载作用下，共振破碎层的垂直位移较小，抵抗竖向变形能力较强。

结语

多锤头破碎过程采用波动理论来分析，多锤头破碎过程采用高幅低频的冲击力来进行板块破碎，冲击波的振幅和频率与重锤底面半径、锤高度以及质量相关。冲击波的初始能量流密度与落锤高度成正比;路面的剪切模量越大，要使面板破碎所需要的落锤高度越高。

共振碎石化则是使破碎设备产生与旧水泥混凝土面板自身的固有频率一致的振动频率而使两者产生共振，在共振作用下使旧水路面破碎成集料颗粒，破碎后的集料颗粒也呈现上细下粗的状;由于共振作用产生的水泥路面裂缝与水平面约呈45度角且集料颗粒之间相互咬合嵌挤，碎石化路面具有更好的荷载传递作用。

采用共振破碎的各破碎层平均粒径远小于多锤头破碎;共振破碎的碎石化层平均弯沉值大于多锤头破碎，多锤头破碎层的强度大于共振破碎层;共振破碎的碎石化层顶面回弹模量大于多锤头破碎的碎石化层，在垂直荷载作用下，共振破碎层的垂直位移较小，抵抗竖向变形能力较强。

全文完。首发于《公路交通技术》技应用技术版9年6期。添加主编

转载请注明:http://www.aideyishus.com/lktp/177.html