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碎石化技术在旧水泥路面改造加铺沥青路面中的应用

第2 5卷第 5期2 0 0 5年 1 0月文章编号： 1 6 7 1—2 5 7 9 ( 2 0 0 5 ) 0 5—0 0 4 1—0 4

中外公

路

4 1

碎石化技术在旧水泥路面改造加铺沥青路面中的应用侯利国，洪秀敏，马建青，徐建伟，曹卫东，孙大权，吕伟民( 1 .浙江省公路管理局，浙江杭州 3 1 0 0 0 9; 2 .同济大学 )

摘要：控制和防止反射裂缝是旧水泥路面沥青加铺层设计的关键。碎石化技术采用

专用破碎设备对旧水泥路面进行比较彻底的破碎，从而有效地减少混凝土板的有效尺寸，充分降低水泥混凝土板接缝、裂缝处在荷载、温度、湿度变化时的位移，因此可以有效地防止反

射裂缝的发生。该文简要介绍了碎石化技术的原理和工艺，重点讨论了碎石化技术的适用条件、碎石化关键技术和沥青罩面层的设计方法，为碎石化技术在我国的应用提供技术参考。 关键词：水泥混凝土路面；碎石化：沥青罩面层

的修复措施。但对于沥青罩面后的复合结构，在行车

1 前言近几年来，随着经济的迅速发展，交通量不断增加，轴载逐渐加重，对路面结构的损坏日益加剧，大量

荷载和温度的作用下，往往在修复后的一年内 .罩面层在旧路面板接缝的位置出现裂缝，即反射裂缝。反射裂缝本身对罩面层的使用性能影响不大，但当雨水进入裂缝后，就会加速沥青罩面层的损坏，缩短罩面层的

的水泥混凝土路面面临着修复工作。我国传统的修复方法是对旧水泥混凝土路面实施压浆、灌缝等措施后加铺沥青混凝土面层，该法在短期内是一种简单有效

使用寿命。其带来的后果是不断的进行修复，既造成经济上的浪费，也给社会带来不良影响。因此，防治反射裂缝是旧水泥混凝土路面修复中的一大难题。

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国外特别是美国在最近 2 0多年来也遇到了我国

与该机配套的还有 z型钢轮压路机，如图 2所示：该

同样的旧水泥混凝土路面修复问题。针对损坏严重的旧水泥路面，美国开发应用了破裂压稳、打裂压稳和碎石化技术，其中碎石化技术在美国

已有 2 0年左右的应用历史。从各州的使用情况看，绝大多数修复工程是成功的，个别使用性能不良的事例主要是由于路基不良造成的。而我国刚刚引入了该项技术，并在山东、浙江等地铺筑了试验路，其初期使用性能是良好的，长期性能尚待观测。对于新技术，必须结合现有旧水泥路面的路况，通过技术、经济上的比较后灵活应用，不可盲目跟从。本文基于这一背景，重点讨论了碎石化技

压路机的钢轮上有凸出的斜向条纹，其主要作用是保证轮下的碎石颗粒不向外挤出，对表面颗粒进一步压碎，且有利于表面平整。另一种破碎设备为共振型破碎机 ( R M),如图 3。R M型破碎机是由凸轮转动产生

的偏心力在机械与水泥路面接触处产生高频低幅的振动进行破碎的，这种碎石化工艺其破坏能力大部分被

水泥混凝土板块所吸收，所以碎石化后产生的颗粒粒径相对于 MHB型要小，其破碎时的影响范围Ⅱ土较小。

术的适用条件、沥青罩面层的设计方法及碎石化技术应用中的关键问题，为该项技术在我国的推广应用提

供参考。

2 碎石化技术的原理、工艺和设备简介反射裂缝一般出现在与旧水泥混凝土板的裂缝和接缝相对应的位置，其产生和发展的原因主要是由于旧水泥路面板的移动所造成，而这些移动又主要来源圈 1 M HB型破碎机

于温度变化、行驶车辆及两者的综合作用。碎石化技术的原理就是采用特定的设备将旧水泥混凝土板破碎成尺寸极小的碎石块，即相当于将旧水泥板转化成碎石基层，从根本上阻止了旧水泥混凝土板的移动，因而

该技术可彻底解决反射裂缝这一难题。破碎二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，碎石化将板的长度减小到极小值。根据国外的研究成果，破裂压稳和打裂压稳技术处理的旧水泥混凝土路面上的沥青混凝

: ‘譬图 2 型压路机

土加铺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

现的时问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 2 0%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。 碎石化技术采用的设备主要有两种类型。一种为多锤头简称 MH B )型破碎机 (图 1 )。 MHB型破碎机圈 3 RM型破碎机

具有橡皎轮胎，所携带的重锤的质量为 4 5 4~5 4 4 . 8,

分两排成对装配在整台机械的尾部。重锤下落时

3 碎石化技术的适用条件和关键问题3 . 1 适用条件

可产生 1 . 3 8~1 1 . 1 k J的冲击能。该机械的破碎宽度

为4 n l,典型的工作效率是每台班 1 . 6~2 k m。这取决于基层或底基层的材料类型。破碎后的颗粒尺寸一般

碎石化技术是将旧水泥混凝土板破碎成小碎块的一

要求小于 3 7 . 5 c m,可通过调整重锤下落高度来实现。

种破坏性的方法，它破坏了路面结构的整体性。因而

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降低了承载能力。多数情况下，采用在旧水泥混凝土板上进行局部修复或罩面的做法是比较适合和经济的

边缘排水系统的设计有多种方法，最常见的是在路面结构的外缘设置纵向集水沟和集水管，如图 4:

方法。究竟采用何种修复方式主要取决于旧水泥混凝土路面的损坏类型、程度和原因。例如，有些水泥混凝土路面损坏是由较差的基层或路基支撑造成的。在这种路面上采用碎石化技术反而破坏了原有混凝土板承担和分散荷载的能力，势必造成沥青罩面层的早期病害。美国第 8 5号州际公路 (南加利福尼亚州内)的修

渗入碎石层的水分，先沿某一透水层流入由透水性材料组成的纵向集水沟，并汇流入沟中的带孔集水管内，

再由问隔一定距离布设的横向出水管排引出路基集水沟一般深 4 5~6 0 c n l,宽3 0 c n l,内衬油毡或过滤网，

沟内的透水性材料一般由级配碎石或粗砂组盛：集水管外裹覆土工织物以防孔堵塞。沥青% t t E f i i l 透水』 :

复工程中采用了碎石化技术，沥青罩面层的设计厚度为 2 0 c m,于 1 9 9 8年

施工。施工过程中，在正常的交

通条件下沥青罩面层产生了严重的车辙。后经调查发现，是由于下卧层失去了混凝土板承担和分散荷载的作用，因而造成碎石化后的土基强度变得更弱所引起：

确定碎石化适用条件是合理使用这种方法的前

提，根据国外资料，进行碎石化应具备以下条件： ( 1 )现有水泥混凝土路面出现了严重的损坏，如大量错台、翻浆和角隅破坏；超过 2 5%的板断裂、超过 2 0%的路面已经修补或需要修补，超过 1 0%的路面需要开挖修补；出现严重的水泥碱化反应或冻胀开裂。 ( 2 )路基材料损坏太厉害，不能承受破碎路面的图 4边缘排水系统

安装了排水系统后，路基和基层的积水就可排出

路外。水分的排出使路基变得更干，强度更高，即模量更高，而且能避免破碎的混凝土块侵入路基。路基被侵入的地方就是潜在积水的地方且不易排到边缘排水系统中。在这些水坑上破碎混凝土的移动会对路基和沥青罩面造成损坏。

负荷地区不宜采用。( 3 )地下水位较高，路基积水的路面，以及路基含有较湿的粘土和混入泥砂的粘土地区不宜采用。

3 . 2 . 3控制破碎后的颗粒组成破碎机施加于水泥混凝土板上的能量随深度逐渐

( 4 )与其他修复方案进行技术经济评价或寿命一周期费用分析后采用。 3 . 2碎石化技术应用的关键问题

减小，因此破碎后的水泥路面碎石粒径自上而下逐渐增大，上部小颗粒 (粒径要求不超过 5 0~7 0 n l n 1 )经压实后形成平整表面易于摊铺，下部大颗粒 (一般粒径 2 2 5~3 0 0 n l n 1 )之问形成嵌挤结构，强度比一 -一般的粒料抠层高：

3 . 2 . 1 正确评估土基和基层的特性 MHB强有力的重锤冲击和 R M的低频高幅振动都会对路基或基层产生破坏并引起变化，最终路基承担路面传递的荷载，因此路基和基层的强度和稳定性至关重要。碎石化的一个主要不足是在施： _[前难以预

破碎的颗粒大小均匀是十分重要的 .这可形成一定的级配和密实度，因而使基层承担的路面荷均匀

测

路基的状况由于混凝土板的支撑作用掩盖 r路基

地分散到路丛上。施工过程中应注意积累资料，建立机械运行参数与路面材料参数问的经验关系，以控制破碎颗粒的大小：吃如，根据路面材料强发来胴整

的真实强度，混凝土板顶面的测试不能保证路基特性的正确性。最好通过取样测试的方式来确定路基和基层的含水量及强度，或调查旧水泥路面性能恶化的原因，如是由较差的路基引起，则碎石化后也会引起病害

MHB的重锤下落高度或 R M的振幅或频率。既不能过于破碎以免颗粒太纲 .影响级配和强度，同【 I寸可能对

问题。国外一般要求土基层的 C B R值大于 7。3、 2 . 2设计完善的排水设施碎石化过程中如遇到雨水渗入基层和路基中，会

结构造成破坏；也不能欠破碎使颗粒太大 .可能产生反射裂缝：破碎颗粒的质量应全深度检查，可采用随 f J【 挖坑或开槽检验

给将来的路面带来安全隐患。凶此在碎石化应正确设计和安装排水设施。适当的排水设施呵使支撑破碎的水泥混凝土路面的路基材料保持干燥，则路基模量

- I 沥青罩面层厚度设计沥青罩丽层的厚俊是保证碎石化后路面质量的一

高。通过设计安装边缘排水系统可以达到此目的。

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项重要因素，它直接影响路面的性能和造价。美国各州共同认可的沥青罩面层厚度设计方法是 A AS H T O 路面结构设计指南。A AS H TO路面结构设计指南指出，碎石化后沥青罩面层设计是利用路面结构数 ( S N) 和结构层系数 ( a)的概念来确定罩面层的厚度。计算沥青罩面层厚度的基本公式如下：n一—

沥青加铺层厚度的关键是确定碎石化层模量。由于原水泥路面碎石化后的模量很难预估，必须根据施工后的现场测试结果确定。考虑到测试方法的简单、快速

和实用性，可以通过测试碎石化层顶面弯沉来反算碎石化层的回弹模量，具体方法如下： ( 1 )在碎石化层洒布乳化沥青以稳定表面松动的细小水泥颗粒。

S No t—

SN[- S N￣—

f

a。

a。

、 /

1、

( 2 )测试碎石化层顶面回弹

弯沉，并计算代表弯沉。

式中： D。 为沥青罩面层厚度； S N。￡为所需的罩面层结构数，它代表路面结构的强弱； a。 为沥青罩面层的结构层系数； S N,为承担未来交通所需要的路面结构数； SⅣ为碎石化后路面的有效结构数。S N e f a 2 D2 m2十a 3 D3/ 7/ 3 t 2 )

( 3 )根据下式反算碎石化层回弹模量：一 )D

Ef=1 0 0 0等t0

l 2

( 3 )

式中： P为标准轴载轮胎接地压力，取0 . 7 MP a; 为标准轴载轮胎单轮传压面当量半径，取为 1 0、 6 5 C n l,

式中： D2、 D3分别为碎石化层和基层厚度；口 2、 a 3为

碎石化层和基层的结构层系数； 7 t l 2、 7 t l为碎石化层和基层的排水系数。 A As H T O设计法的关键是确定碎石化层的有关参数。结构层系数代表该层对整个路面结构性能的贡

为系数，通过试验确定，无试验资料时取 1 . 1; 2为系数，取 1 . 0。

5 结语碎石化技术能够较彻底地解决反射裂缝问题，具

献大小，主要取决于该层的模量。模量值一般通过弯沉资料反算得到，而旧水泥混凝土板碎石化前后的弯沉值相差甚远，因此在碎石化施工前难以确定碎石化有施工速度快、交通干扰小等优点。同时碎石化技术

层的模量。实际上，由于碎石化材料的不均匀性，碎石化层表面的弯沉变异性较大，反算的模量值变异系数大都在 4 0%左右。设计中一般取低的模量值，因此计算的罩面层厚度是偏安全的。碎石化层施工完成后， 在获得较多的现场性能和资料后须对设计厚度进行验

可以原位利用旧水泥板，具有环保意义。但碎石化是一

种对原路面结构破坏性的处理方式，因此在应用此

项技术前必须明确其适用条件，结合具体工程的实际情况灵活采用。 参考文献：[ 1] 张玉宏，等 .国外水泥混凝土路面碎石化技术简介[ J] 公路， 2 0 0 3 ( 9 ) . [ 2] A me r i c a n C o n c r e t e P a v e me n t As s o c i a t i o

n . Te c h n i c a l I n f o r—ma t i o n. Co nc r e t e Pa ve me nt Eng i n e er i n g a n d Re s e a r c h, 1 9 98.

证和修改。A A S HT O推荐的结构层系数如下：①新沥青混凝土层为 0 . 2 0~0 . 4 4;②碎石化层为 0 . 1 4~ 0 . 3 0;③基层为 O~0 . 1 4。结构层系数取值不同，将严重影响沥青加铺层计算厚度。考虑到沥青罩面层的厚

度应同时满足功能性和结构性要求，沥青层厚度一般不小于 1 5 c m。

[ 3] B e ma n i a n S, S e b a a l y P . . C o s t— E f f e c t i v e R e h a b i l i t a t i o n o fPo r t l a nd Ce me nt Co nc r e t e Pa v e m en t i n Ne v a d a TT B .1 99 9.

我国沥青路面厚度设计是根据多层弹性理论，以

满足设计弯沉的要求计算得到的。对于碎石化后沥青罩面层厚度的设计可借鉴该法，即把碎石化层当作基层或底基层来处理。A s p h a l t I n s t i t u t i o n ( AI )也建议将碎石化层当作同等厚度的粒料层。NA P A研究表明碎

[ 4] Ni e d e r q u e l l,M . G.,C h a i t t i,K.c Ru b b l i z a t i o n o f: C o n—c r e t e Pa v e me n t s Fi e l d I nv st e i g at i on, TRB, 2 0 00.

[ 5] Gu i d e: f o r D e s i g n o f P a v e me n t S t r u c t u r e S c i o n .A AS H T O,1 99 3.

石化层材料的性能要优越于一般的密级配碎石材料， 其荷载传递能力是级配碎石的 1 . 5~3 . 0倍。因此将碎石化层当作基层或底基层来处理是偏安全的。按照

[ 6] Th o mp s o n M. R.H o t—mi x A s p h a l t O v e r l a y De s i g n C o n—c e p t s: f o r Ru b b l i z e d P o r t l a n d Ce n me n t C o n c r e t e

P a v e me n t,TTB. 1 9 9 9

我国多层弹性连续理论解的专用设计程序计算碎石化

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