水泥路面多锤头碎石化的设计与施工

水泥路面多锤头碎石化的设计与施工

周海生1 陈建军2

1.上海兰德公路工程咨询设计有限公司，上海200065 2.东南大学建筑设计研究院交通分院，南京210096

摘要：多锤头碎石化技术在水泥路面“白改黑”中，但在设计和施工过程中仍存在一些问题，如不细化，有可能影响工程质量。本文依托具体工程，针对有关细节进行讨论。 关键词：多锤头碎石化；反射裂缝防治；当量回弹模量

Design and Construction of Multi-hammer rubblization of PCC

Zhou Hai-sheng 1 Chen Jian-jun2

1.Shanghai Lander Road Design and Consulting Ltd., Shanghai 200065

2.Architectural Design & Research Institute of Southeast University,Traffic Branch, Nanjing 210096 Abstract: Multi-hammer rubblization(MHR) is a mature technology, but in pavement design and construction, there are still some problems. If not detailed, they may affect the quality of the project. In this paper, the related details of MHR in specific project will be discussed.

Keywords: Multi hammer Rubblization; Anti-cracking; Equivalent resilient modulus

多锤头碎石化技术是水泥混凝土路面“白改黑”的成熟技术，但笔者在一些碎石化工程中常发现工程中的一些细节问题被忽视：设计中有的设计人员对碎石化后的路面并不提强度要求；施工中有的单位对原路面结构层中产生病害的路段不加处理就实施罩面，等等。这些问题如不解决，势必影响碎石化的施工质量以及路面结构设计。为此，依托某水泥砼路面“白改黑”整治工程，围绕水泥路面多锤头碎石化技术的设计、施工要点展开论述，期望对相关工程能有所补益。 1、 道路现状分析

该公路为三级公路，现状路面结构为22cm水泥混凝土板+30cm三渣基层+15cm砾石砂。横断面为双向二车道布置，板块损坏调查见表 1。

表 1 板块损坏现场调查 损坏分类 纵向、横向、斜向裂缝 交叉裂缝和破碎板 板角断裂 沉陷 板块修补损坏 ∑ 板块数 288 16 123 4 94 525 损坏面积所占比例 17.4% 1.0% 7.4% 0.3% 5.7% 31.8% 按照主点弯沉大于0.2mm，主点辅点差异弯沉大于0.06mm的标准判断水泥砼板板底脱空，结果有42.7%的板块存在脱空。

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图 1 完好的芯样 图 2 破碎芯样

通过现场取样调查发现，有些破碎板，是由其下基层破碎所致；有些破碎板，是由板底脱空所致（基层完好）。

因此，该段水泥砼路面已经不适合采用破碎板块修复，脱空板块注浆的中小修整治措施。为此采用多锤头碎石化技术实施“白改黑”。 2、 路面维修设计 2.1路面结构设计

利用原路面结构层实施“白改黑”[1]，改建路面结构设计按照新建路面结构进行设计。以弯沉为路面结构设计的控制指标。2008年交通量统计及累积轴载见表 2。

表 2 2008年交通量及累积轴载

车型 沥青路面轴载换算系数 2008交通量/辆

t小客车 大客车 小货车 中货车 大货车 拖挂车 0.05 3231 0.21 125 0.05 1469 0.62 1313 1.00 432 2.21 261 年累计标准轴载 /次 530691.1 Ne11365N （式 1） 1式中，Ne——设计年限内一车道的累计当量轴次（次/车道）；

t——设计年限（年），三级公路按8年设计， 2010年～2017年；

N1——营运第一年双向日平均当量轴次（次/d），这里以2008年交通量为基础； γ——设计年限内交通量的平均增长率（%），取4%； η——车道系数，双向两车道沥青路面，η取0.7。

根据式1的计算，设计年限内累积交通轴载为5288924.4次。根据式2计算路面设计弯沉。

Ld600Ne0.2AcAsAb （式 2）

式中，Ld，为改建后沥青路面的设计弯沉，单位0.01mm；

Ac，公路等级系数，三级公路取1.2； As，为面层类型系数，取1；

Ab，为路面结构类型系数，取1.3。

经多锤头破碎的水泥路面，材料性质类似于级配碎石，但整体联接紧密，模量较级配碎石高，但较稳定类材料低，保守起见取400MPa。碎石化的路面用作改建路面结构的基层，根据沥青路面设计规范，基层类型系数半刚性基层沥青路面取1.0，柔性基层沥青路面取1.6，“白改黑”后的路面结构基层介于半刚性基层与柔性基层之间，故而在弯沉计算中取值1.3，设计弯沉为42.3（0.01mm)。

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2.2加铺结构设计

国内有些省份在水泥路面“白改黑”设计中，将碎石化的水泥路面用于改建路面结构的下基层。在碎石化的路面上铺筑一层15-20cm半刚性基层后，再加铺沥青面层。采用这种结构需要视道路等级、交通量大小，以及碎石化后路面的强度而定。需要注意的是加铺水泥稳定碎石基层后，新建沥青路面增大了产生反射裂缝的风险，而碎石化的目的主要是为了消除反射裂缝。再则，碎石化层的模量低，水泥稳定碎石基层模量高，水稳基层必然承受较大的弯拉应力，水泥稳定碎石材料是典型的抗压不抗拉的材料，因此该层产生疲劳开裂的可能增大。所以采用水泥稳定碎石基层不如采用厚沥青加铺层更可靠。

沥青加铺层分为两层式和三层式，视道路等级和交通轴载的情况而定。高等级公路或重交通道路多采用三层式加铺结构，低等级道路一般加铺两层沥青面层。综合该路的交通状况和现状路面结构，将加铺结构定为两层式。比较AC-20C和AC-25C，考虑到下面层承受较大的弯拉应力，选择耐疲劳性能较好的AC-20C，最终加铺结构为：4cmAC-13C+8cmAC-20C。

结构计算的各层模量取值见表 3。二灰碎石基层模量取值1300～1700MPa，但考虑到多锤头破碎对基层产生一定影响，以及随使用年限延长（通车14年）而导致模量的折减，按照规范值的70%取值。考虑到上海地下水位较高，路基回弹模量取25MPa。多锤头碎石化碾压完毕后，路面往往会出现0-2cm下沉，在结构计算时，水泥板碎石化后，厚度折减2cm。

表 3 路面结构以及材料取值

结构层 上面层 下面层 基层 下基层 垫层 土基 材料类型 AC-13C AC-20C 砼碎石化 二灰碎石 砾石砂 粉质土 厚度 (cm) 4 8 20 30 15 - 抗压模量 20℃(MPa) 1400 1100 400 900 150 25

改建路面路表弯沉为36.3（1/100mm），弯沉满足设计要求，沥青下面层顶面弯沉41.6（1/100mm），碎石化基层顶面弯沉值：53.9（1/100mm）。

碎石化层顶面弯沉很难通过贝克曼弯沉仪精确测量，为此通常采用碎石化后路面结构的当量回弹模量控制。根据设计的路面结构反算碎石化后结构层的当量回弹模量应不小于300MPa，按照容许弯沉反算求得的当量回弹模量应不小于250MPa。

对于强度不足路段采用翻挖补强进行处理。翻挖修补结构为：铺筑一层15～20cm水泥稳定碎石或C20素砼。

2.3纵断面拉坡设计

老路改造的纵断面拉坡设计不仅要考虑规范的竖曲线、纵坡等规范标准要求外，还需要考虑路面结构摊铺的最小厚度，路面结构强度、以及最小路拱要求，因此纵断面拉坡设计，需要反复调整，而不至于摊铺厚度不足翻挖碎石化的路面结构。通常需要在原加铺结构的基础上考虑一定衬垫。 3、 碎石化施工前的准备

为了保证水泥混凝土路面的破碎能成功实施,实施碎石化前需搜集原有路面资料,以确定破碎实施的具体参数。碎石化前的准备有以下内容： 3.1原有路面调查与评估

调查内容包括现有水泥路面路面结构，路面损坏状况，混凝土路面是否有钢筋或荷载传递装置，路段内隐蔽构造物和设施（包括涵洞、地下水管、窨井、电缆、光缆、煤气管道等情况），附近建筑

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物，上跨构造物的净空。

对现有路况作出评价，确定实施破碎的具体范围，避免破碎对隐蔽构造物和设施，以及附近建筑物造成损坏。

3.2水泥混凝土碎石化前预处理 3.2.1清除存在的HMA面层

对于水泥路面存在部分修补沥青混凝土，直接破碎将影响破碎效果，施工前应清除干净。有些水泥混凝土路面在养护过程中实施过沥青薄层罩面，实施碎石化前应将其铣刨掉。 3.2.2特殊路段的处理

对桥梁、涵洞，以及特殊的结构物做出标记。针对不同情况分别处理：

当桥梁桥接坡为水泥路面时，在桥梁两端预留一块水泥板不实施多锤头碎石化施工。

埋深小于1.5m的涵洞，距离道路两侧8m以内的房屋，地下管线在5m范围内，不宜施工。此时可以采用其它方法进行破碎，以免造成构造物损坏。

该路为郊区道路，远离居民区，工程范围内未发现管线。桥接坡为沥青路面。因此，全线水泥路面可直接实施破碎。 3.2.3修复软弱基层

混凝土板块碎裂并且存在沉陷,以及翻浆路段，说明水泥混凝土路面基层或路基存在病害。实施碎石化前应进行彻底的处理。首先挖除混凝土板，开挖其下结构层至有足够稳定性的深度。

换填材料应为满足规范和本条要求的破碎级配粒料。高度从路基到破碎混凝土板底。剩余的部分,采用水稳回填。

回填料应进行适当的摊铺和压实,最小控制尺寸应不小于全车道宽和1.2m,以保证压实设备的压实效果。

4、 碎石化施工与质量控制 4.1路面破碎要求 4.1.1碎石化要求

在正式施工前确定破碎机施工参数：需要进行试验段试破碎，使之达到下表的破碎要求[2]。

表 4 多锤式碎石化后粒径要求 厚度范围 粒径范围（cm） 板块顶面 <7.5 上部1/2厚度 <22.5 下部1/2厚度 <37.5 注：要求75％面积内的颗粒满足要求。 控制板块破碎粒径大小的目的主要是消除改建路面结构可能出现的反射裂缝问题。在特殊情况下,表面的最大粒径不超过30cm且大部分裂缝应延伸到混凝土路面的全部深度。原来挖补的部分有许多是超厚的,对于这些部分,相应的表面破碎尺寸可增大到22.5cm的要求,且裂缝间距小于45cm时也是合适的。

图 3破碎效果 图 4多锤头破碎现场破碎

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对于局部板厚较大、刚度大的情况，采用多锤头并不一定取得较好的破碎效果，往往是将表面5cm的板打得粉碎，而下面的板块却无法有效破碎。这种情况，可以采用其它方式进行辅助破碎，例如冲击镐破碎。

如破碎粒径满足要求，则确定破碎机施工速度、落锤高度等参数为施工控制参数。根据路面水泥混凝土板块的实际情况,对于强度较小的板块,锤头高确定在90～110cm,行走速度控制在110-130m/h；对于强度较大的板块,锤头高确定在110-130cm,行走速度控制在90-110m/h（具体数值根据试验段情况确定）。

另一方面，盲目要求较小的破碎粒径易产生过度破碎的情况，导致粒径过小，破碎后的结构松散，甚至对三渣基层造成破坏。针对这种情况，需通过碎石化后结构层定面当量回弹模量进行控制。 4.1.2试坑检验与调整

正式破碎施工前,需现行试破碎，并开挖几处试坑, 确保破碎达到规定的尺寸,纪录不同的破碎情况对应的锤头高度和行走速度。在两个独立的位置开挖试坑。试坑不能选择在有横向接缝或工作缝的位置,路面破碎粒径应在全深度内检测。最终,试验段破碎结果应得到监理工程师的认可,确定的程序将用于试验区之外的路面破碎。施工单位需不断地监控破碎操作并在施工过程中不断地进行微调以确保破碎结果满足要求。 4.1.3破碎搭接处理

因多锤头破碎机械与车道宽度存在着差异，在全宽度的破碎过程中，必然存在着相邻车道需搭接的现象,从破碎效果以及破碎机能耗的角度，根据经验通常将搭接宽度定位15cm。 4.1.4碾压

破碎完毕后，采用14t吨Z型压路机振动压实1-2遍。这样不但可以将表面较大的颗粒进一步破碎,可以进一步扩展混凝土的裂缝，并稳固下层块料以增加结构强度,使嵌锁结构更密实,同时消除原水泥混凝土板的脱空。在填方路段实行低速强振。为了增强碾压效果，可以采用25吨轮胎压路机碾压一边，使碎石化的颗粒嵌挤紧密。

之后采用光轮振动压路机二次碾压，吨位不小于16吨，本工程采用18吨压路机。碾压遍数最少三个来回，碾压速度不得大于1.83m/s。碾压用水量根据现场试验确定。通过碾压为下道工序提供一个平滑表面。

碾压是碎石化施工的重要环节，因水泥板块厚度超过20cm，碾压务必采用重型压路机，经验表明采用轻型压路机多次碾压并不能达到重型压路机的压实效果。 4.2碎石化后的刚度不足处理

对于旧水泥砼板破碎并产生沉陷，压路机碾压时出现弹簧现象的路段，以及碾压后路面刚度达不到250MPa的路段，需要进行补强处理。对于达不到该标准的路段，以及需要进行翻挖补强。

强度不足的路段，应全深度翻挖，换填材料应为满足规范和本条要求的级配碎石。高度从路基到原基层底部。剩余的部分,可采用与水稳碎石或C20素砼回填。最小挖补尺寸为车道宽且长不小于l.2m,以便机械压实。

图 5 碎裂且沉陷的水泥板块 图 6碾压后的情况

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4.3凹处回填

多锤头碎石化后，原路面标高会略有下降，沉降通常为0-2cm。为确保面层的平整度，仅对于凹陷大于5cm的路段进行处理。

首先应确定凹地是否存在路基或基层病害造成的,如果存在病害，应按补强方法进行处理。如果凹地强度足够，采用密级配碎石粒料回填，压实后在其上喷洒透层油。 4.4破碎混凝土路面的养护

破碎的水泥路面一般不得开放交通(包括不必要的施工运输)。如果开放交通，应对因开放交通而引起的松散或不稳定进行重新压实。通过管制限制施工车辆通行次数和载重量到最小程度。

做好碎石化基层的排水设施，结合天气情况做好施工组织安排，以确保碎石化基层施工避开雨天。当施工遭遇雨天，需要采用塑料布铺盖，确保碎石化基层不受雨水浸泡。如出现雨水浸泡，应进行翻挖换填处理。

为防止下雨及交通车辆对碎石化路面造成的破坏，最好在12小时内进行下道工序施工。 4.5透层、粘层、防裂问题的处理

碎石化后水泥混凝土面层碾压后，马上洒布透层乳化沥青透层油，将表面混凝土块板结。乳化沥青用量为3.0-3.5kg/m2。根据现场经验判断，多锤头碎石化路面透层油宜选择高限。为方便后续施工，可在施工前撒布0-5mm 石屑，用量为3kg/m2。

以上施工结束后，洒布粘层油，粘层油沥青用量为0.4-0.6kg/m2，施工沥青面层。

在碎石化后的水泥路面与沥青路面拼缝处骑缝铺设2m宽聚酯玻纤布或玻璃纤维格栅，进行防裂处理。此外，对于板块接缝间存在明显弯沉差的地方，也应进行防裂处理。 4.6施工交通组织和施工时间安排

为了不影响区域交通通行，通常老路改造期间不封闭交通。施工采取半幅开放交通，半幅施工。面层摊铺与水泥路面碎石化密切配合，在支路、重要路口处分段施工。

为了避免多锤头破碎机施工的扰民行为，正常的施工时间安排在6：00～22：00，其他时间禁止施工。

4.7施工质量验收

碎石化路面施工质量验收标准主要通过以下三类指标进行控制：

（1）碎石化破碎粒径，通过开挖试坑判断，以表 4中粒径要求验收。

（2）路面结构强度：通过碎石化的路表当量回弹模量控制，以及改建后的路面顶面弯沉检验； （3）其他指标：平整度、压实度、抗滑系数等参照相关规范执行。 5、 结语

本文以水泥砼路面的“白改黑”整治为例，针对水泥混凝土路面“白改黑”中，路面加铺结构设计，纵断面拉坡设计，水泥混凝土路面破碎，碎石化后的碾压，软弱结构层的补强，透层油粘层油的撒布，反射裂缝的防治，工程质量验收等细节问题的讨论，使得设计更加严谨，施工质量更有保证。 参考文献

[1]《水泥混凝土路面再生利用结构设计与施工工艺指南》，人民交通出版社，2008，12 [2]《旧水泥混凝土路面碎石化技术应用指南》王松根等著，人民交通出版社，2007，1

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刊号：ISSN 1004-4655/CN 31-1523/TU

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