强夯至裂和碎石化技术在旧水泥混凝土路面大修中的应用与研究

2012-02-28欧锡忠

湖南交通科技 2012年2期

欧锡忠

(广东肇庆市公路勘察设计院，广东肇庆526040)

1 应用背景

在旧水泥混凝土路面大修工程中，为了消除旧水泥混凝土板块可能存在的反射裂缝，对旧路进行强夯至裂处治后加铺水泥稳定碎石基层和面层是路面结构的主要形式，强夯至裂处治实施较为便利，效果较好，费用较低，但该旧路处治方式震动很大，噪音污染大，靠近公路两侧居民反应强烈，具有一定的局限性。S272(肇珠)线局部路段穿过城镇，两侧建筑物较为密集，距离公路较近(一般为6～11 m)，如果采用强夯至裂技术对旧水泥混凝土路面进行处治，则严重影响两侧居民的正常生活，甚至可能导致建筑物受损，受到附近居民的强烈反对，施工实施难度很大。由于多锤头碎石化技术对旧路应力较为集中，锤击时产生的振动不大，对沿线的民房等建筑物没有太大的影响，能较好地消除旧水泥混凝土板块可能存在的反射裂缝，因此特别适合通过城镇道路的混凝土路面改造。所以，S272(肇珠)线路面维修局部困难路段旧路处治引进了多锤头碎石化技术。

2 工作原理

强夯至裂设备作用机理是通过5边形(或3边形)轮的滚动对水泥混凝土板块形成间歇而有周期的冲击作用，从而使其破裂。强夯至裂设备需在水泥混凝土路面行驶多次，以达到对其进行均匀冲击的效果，强夯至裂后水泥混凝土面出现竖向贯穿板厚的裂缝，相当于将水泥板破碎成多个小的水泥岩块。将旧混凝土路面板进行强夯至裂处理作为底基层，通过强夯至裂达到断裂稳固原水泥混凝土路面的目的;强夯至裂不仅可以消除混凝土面板下脱空，同时使碎块之间形成集料嵌锁，使旧混凝土面板及土基的整体性和强度明显提高，有效地减少和缓解反射裂缝。

多锤头碎石化是利用多个锤头的自重交叉起落均匀冲击路面，在牵引车的缓慢行进中，使混凝土板破碎成碎块，根据地基与面板强度来调整行车速度，从而调整锤头落距，以控制板块破碎程度，然后用Z形压路机进行压实。多锤头破碎机是通过重锤下落产生的低频高幅波动冲击力来进行破碎，其能量会传播到较大的深度范围。同时，由于水泥混凝土板块吸收能量满足从近到远递减的规律，因此多锤头破碎机破碎后其颗粒粒径在不同深度处是不同的。碎石化层顶层颗粒吸收的能量最充足，水泥混凝土板块振裂成片状颗粒(小于7.5 cm)，且由于其与重锤锤刃直接接触，受到的扰动很大，混凝土颗粒无法形成嵌锁，因而在表面形成一个松散层。碎石化层下层吸收的能量少，裂纹数量少，且大部分都存在于混凝土颗粒内部，在预压应力的作用下无法继续扩张，故颗粒粒径较大(30 cm左右)，并且形成相互嵌挤、咬合的效果，使得碎石化后旧路顶面强度趋于均匀，缩小强度上的差异，进而缓解或消除反射裂缝。

3 适用性分析

强夯至裂和多锤头碎石化基本方法都是通过重力冲击起作用，强夯至裂设备的作用间距较长，冲击能量分布较为分散，震动大，噪音也大，对环境影响较大，所以，原则上距离公路15 m以内有建筑物的路段不宜采用强夯至裂技术对旧水泥混凝土路面进行处治。实际上，在对S272线施工过程中，民房距离公路50 m以内的，居民都存在不同程度的反应，所以，随着公路两侧日益严重的城镇化给该旧路处治方式提了更高的要求，同时，强夯后旧水泥混凝土路面作底基层用，需加铺基层和面层，对于旧路标高受限的路段也阻碍了该技术的使用，某种程度上也限制了其应用空间。

多锤头碎石化设备的破碎作用点分布均匀而密集，冲击能量较为集中，相对而言，其震动较小，对周边建筑物影响有限，适用于道路结构物或建筑物大于5 m的路段，但该处治方式费用高，处治后不能马上开放交通，在广东地区大部分路面维修中，一般采用对旧水泥混凝土路面进行强夯至裂后加铺基、面层结构。

4 回弹模量与弯沉关系

由于对旧水泥混凝土板进行强夯至裂或多锤头碎石化处治后，旧路面呈破碎嵌固的碎块或片状松散颗粒，用贝克曼梁检测弯沉时，无法准确反映处治后旧混凝土路面的整体强度;而承载板法检测弯沉虽然较准确，但其操作复杂、测试速度慢，费用高，难以满足全线施工时的弯沉检测要求。所以，实际施工中应利用承载板与贝克曼梁进行弯沉检测对比试验，获取弯沉测试数据，建立相关关系，以指导处治后旧路面的弯沉检测是否满足强度的要求，便于在施工中的质量控制。

4.1 强夯至裂

通过对S272线k18+200～k18+600右幅强夯路段进行利用承载板与贝克曼梁弯沉检测对比试验，实测弯沉与回弹模量的部分数据如表1，其关系拟合见图1。

经对试验数据进行回归分析，建立相关关系，得出强夯至裂后的旧混凝土路面顶面当量回弹模量与弯沉值的关系式如下:

式中:L为以后轴重100 kN的车辆进行弯沉检定，得到的路面计算弯沉值，0.01 mm;P为标准轴载车型轮胎接地压强，MPa，取0.70;δ为标准轴载单轮传压面当量圆半径，cm，取21.30;m1为轮板对比值，取0.64;m2为原路面当量回弹模量扩大系数，取1.0。

表1 强夯至裂后实测弯沉与回弹模量数据表

图1 强夯至裂后弯沉与回弹模量关系拟合图

根据式(1)与式(2)得出的强夯至裂后的旧混凝土路面顶面当量回弹模量取其平均值作为设计依据进行调坡。

由于旧路面在多年的行车作用下，路面平整度较差，对处治后旧路面进行加铺基、面层时，基层厚度不能小于某个值(根据路面计算得出，S272线为19 cm)，但实际上其厚度是有变化的，所对应的旧路面顶面当量回弹模量应随基层厚度的变化而变化，通过计算基层厚度与旧路面顶面回弹模量的对应关系，根据式(1)和式(2)反算出对应点所要求的弯沉值，从而建立基层加铺厚度和贝克曼梁弯沉检测的一一对应关系，以此作为处治后旧路面强度是否满足要求的标准。在对S272线的路面大修施工中，要求施工单位对强夯处治后的每块水泥混凝土板进行弯沉检测，根据加铺层厚度检查检测后弯沉是否满足要求。这种灵活设计方法很大程度上减少了对旧路进行换填处治的数量，节约工程造价，也保证了路面大修质量。

4.2 多锤头碎石化

对S272线k27+000～k27+200段左幅进行多锤头碎石化后，无法直接在其表面进行贝克曼梁弯沉检测，需在其表面撒布2 cm厚石屑并用压路机进行压实，用传统的贝克曼梁进行弯沉检测，检测的部分数据如表2所示，其关系拟合见图2。

表2 多锤头碎石化实测弯沉与回弹模量数据表

图2 多锤头碎石化弯沉与回弹模量关系拟合图

经对试验数据进行回归分析，建立相关关系，得出碎石化后的旧混凝土路面顶面当量回弹模量与弯沉值的关系式如下:

根据式(3)将实测弯沉值转化为回弹模量E，再根据经验公式转化为实际的弯沉值，以此作为碎石化后旧路强度是否满足要求的标准，也是路面质量控制的关键环节之一。

4.3 处治后强度对比分析

通过试验路段检测数据得出，与强夯至裂相比，碎石化后平面位置上强度变异性较低，层顶弯沉、回弹模量标准差均较小。强夯至裂随冲击碾压遍数的增加，破碎层强度逐渐下降，标准差也逐步缩小，但其强度变异性有增加。碎石化后层顶强度与落锤高度密切相关，高度越小，对原水泥混凝土板块的破碎程度越低，从而表现出较高的强度，但标准差增大，变异性增加，这表明单纯用弯沉或回弹模量作为评价破碎效果的指标是不合理的，需要结合标准差，即平面上的强度变异性综合评定。