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舊水泥混凝土路面再生利用之共振碎石化
前言
由于我國國力等情況，從上世紀70年代開始，許多道路尤其是南方的許多省際干線公路都建成了造價相對便宜的水泥混凝土路面。在社會經濟大發展帶來的重交通負荷沖擊下，幾乎都出現了斷板、錯板、裂縫、剝落、坑洞等損害，難以承擔路網中的高等級公路之重任，大修改造已在所難免。在目前的舊水泥混凝土路面改造中，加鋪瀝青面層（白加黑）是比較常用的方法。但是，由于原水泥混凝土板接、裂縫處在荷載和溫度、濕度變化下會產生相對位移，總是無法避免出現反射裂縫。而碎石化，是最徹底的解決了反射裂縫問題的方法之一，它是從反射裂縫產生的機理和源頭出發，將水泥混凝土面板破碎后再加鋪面層。
碎石化技術是一種重要的水泥混凝土路面原位破碎利用技術。它一般適用于水泥混凝土路面出現較大范圍破損的情況?，F場碎石化處理（Rubblization）是水泥混凝土路面重建的一種方法，是過去10年到15年期間發展起來的一項新技術。美國瀝青學會將碎石化定義為：“一種將水泥混凝土路面破碎成為小碎塊的加工過程”。這些碎塊的粒徑范圍從沙粒的尺寸到20 cm左右。細顆粒集中在路面上部，粗顆粒集中在路面下部。
一、國內外研究現狀
碎石化技術最初是為了便于清除水泥混凝土路面和分離路面中的鋼筋，第一次真正用于熱拌瀝青罩面的水泥混凝土路面破碎項目在1986年完成于美國。該技術在美國從開始使用以來，已在35個州進行施工，效果理想，已被列入美國瀝青協會的技術規范。該方法最早為美國亞拉巴馬州交通局用來處理損害較重的混凝土路面。迄今為止該州已有3000余km混凝土路面經由現場碎石化處理。目前美國有26個州的交通局制訂了混凝土路面碎石化的規范。阿肯色州計劃在未來5年內用該方法處理大約600km四車道的混凝土路面。加拿大安大略省則從2000年開始逐步采用該項技術處理混凝土路面。當年就在牛津郡做了兩條長度分別為26.4 km和14.2 km的路面。美國全國迄今為止作了總共大約200個碎石化處理的項目。目前仍在不斷研究和總結經驗中。例如愛荷華州政府就建立了為期三年的到2004年9月結束的碎石化研究項目。美國也有因為工程前期評估不足，不當的使用了這一技術，或因為加鋪層設計不當或施工不當而造成的問題。例如密執安州對所作的碎石化處理項目進行了評估總結：有大約47％~67％的5年新的碎石化處理瀝青加鋪層路面需要維修，有大約67％~87％的5年新的水泥混凝土加鋪層需要維修。伊利諾斯州的國道有12個項目使用了碎石化的辦法，其中有8個被密切監測，到目前為止，所有的碎石化工程都或多或少的比控制路段表現要好。
我國的舊水泥混凝土路面破碎技術起步較晚，1995年首次從南非引入了藍派沖擊壓實設備。此后我國路面破碎技術相繼出現了打裂壓穩和打碎壓穩。直到2002年才從美國引入MHB（多錘頭破碎機）型路面破碎設備，該設備對水泥混凝土路面的破碎則屬于典型的碎石化工藝。國外的大量研究表明，打裂壓穩并不能完全消除反射裂縫，只能延緩其出現的時間。而碎石化則由于其優異的破碎效果，能很好的防止反射裂縫的出現。我國使用多錘頭碎石化技術從2002年開始，由山東省公路養護工程有限公司從美國引進Badger州立公路設備公司生產的多錘頭破碎設備?，F在這項碎石化技術已開始逐步應用，諸如合寧高速公路改建工程、泰化路老路改建工程、湖州104國道改建工程埭溪段、浙江35省道改建工程臨石線等建設項目都采用過這一技術。
二、舊水泥混凝土路面改造的方法
舊水泥混凝土路面的改建方法自這種路面出現之后便有。在多年的摸索和發展中，形成了很多種的方式方法。但追根究底，這些方法主要可以分成三大類：
（1）先修復舊水泥混凝土板塊，然后在其上加鋪瀝青混凝土面層。該方法適用于路面破損不嚴重，斷板率較低，且沒有脫空、錯臺等路基缺陷的情況。應該注意的是，修復不是重新修筑，它并不能完全消除水泥混凝土板塊間的差異性沉降，這種不均勻沉降容易導致瀝青面層的早期破壞，如反射裂縫。另一方面，修復后的原水泥混凝土板塊中可能存在未修補完全的區域，這些區域使得加鋪的瀝青面層的結構安全有很大隱患。除此之外，對舊水泥混凝土板塊進行修復也要花費大量的人力、物力。
（2）移除舊水泥混凝土板塊，然后加鋪新面層。該方法適用于路面破壞過于嚴重或高程受限的情況，我國過去由于受施工機械性能的限制，混凝土板塊破碎后得到的顆粒粒徑不適合用作加鋪面層的基層或底基層。3種方法中，該法是最為徹底的方法，但其初期投入過大，移除的舊水泥混凝土又很難再加以利用，造成很大的浪費，并會造成嚴重的環境污染，社會影響較為強烈。
（3）先破碎舊水泥混凝土板塊，然后在其上加鋪瀝青混凝土面層。該方法適用于路面破損比較嚴重，且有明顯的唧泥、板底脫空、錯臺的情況。該法將舊水泥混凝土板塊破碎后作為新建瀝青混凝土路面的基層或底基層，其初期資金投入較第2種方法要少，且不存在廢棄舊混凝土板塊的處置問題。另一方面，破碎后的舊水泥混凝土板塊類似于級配碎石，又有利于防止反射裂縫的產生。是最有應用前景的一種處置方法。
破碎工藝按破壞特性的不同分為3種：破裂壓穩、打裂壓穩和碎石化。三者的目的都是縮小舊水泥板的尺寸，但處理后的板（碎）塊尺寸不同[8]。其中，碎石化將板的長度減小到極小值。根據國外的研究成果，經破裂壓穩和打裂壓穩技術處理后加鋪的瀝青混凝土面層也會產生反射裂縫，不過與不進行破碎的類似結構相比，其反射裂縫出現的時間要比不進行破碎時推遲2~3年，同時反射裂縫的數目相對減少20%左右。與碎石化工藝相比，破裂壓穩和打裂壓穩技術對水泥混凝土路面的結構性破碎得不夠徹底。
1、打裂壓穩
理想狀況下，打裂壓穩處理后，板塊長度應在30~100 mm，這就可以將板塊水平方向**移的積累減小到瀝青面層可以承受的程度，從而消除反射裂縫的產生。打裂可以在板塊中形成緊密的裂紋，從而以部分結構性的損失來換取傳荷能力的增強；另一方面，壓穩則消除板下的脫空，恢復了基層對水泥混凝土板塊的支承作用。打裂壓穩技術已經成功地用于改造結構完好，僅存在功能性破壞的普通水泥混凝土路面。使用打裂壓穩時必須考慮到板塊整體性的損失。
2、破碎壓穩
破碎壓穩技術與打裂壓穩類似，不同點在于前者用于鋼筋混凝土路面。該技術要求破壞混凝土和鋼筋之間的聯結，從而減小工作縫和裂縫之間的差異性位移到最低限度。由于要破壞混凝土和鋼筋之間的聯結，破碎壓穩要求比打裂壓穩有更高的破碎功。同時，在瀝青面層設計時也應考慮到這種破壞造成的結構性的損失。如果路面破損情況較嚴重，路面破碎后不能保持板塊的完整性，則應考慮采用碎石化或直接移除板塊。
3、碎石化
碎石化是通過完全破壞已有板塊來消除瀝青上覆層中的反射裂縫。碎石化后水泥混凝土顆粒的粒徑不大于40 cm，且75%以上的顆粒在深度方向的分布滿足：表面最大尺寸不超過7.5 cm，中間不超過22.5 cm，底部不超過37.5 cm。碎石化可用于板塊完整性和結構性較差的鋼筋水泥混凝土路面，它在其他類型的水泥混凝土路面的改建中也得到成功的應用。該技術將水泥混凝土板塊破碎成“高強粒料基層”，然后在上面加鋪瀝青面層補強。
三、碎石化技術的適用范圍
為了達到預期的技術和經濟效果，要對任何候選的舊有路面進行工程的前期評估以確定是否適合碎石化處理。水泥混凝土路面的修復有三大方法，即修繕復原，重新鋪面和重建。碎石化處理是重建的一種。舊混凝土路面首先應該考慮前面兩種修復方法。如果混凝土路面具有良好的結構承載力，不應該首先考慮采用碎石化處理，因為碎石化畢竟是將混凝土路面整個結構毀壞。經過查閱大量資料，本文總結當水泥混凝土路面出現下列情況時可以采用碎石化改造技術：
（1）出現大量的接縫缺陷，如：錯臺、翻漿和角隅破壞等導致超過20%的接縫需要修補；
（2）超過20%的板出現開裂；
（3）超過20%的路面已被修補或需要修補；
（4）當50%以上的建設成本用于混凝土路面修復；
（5）修復的道路使用壽命在15年以上；
（6）鋼筋混凝土路面；
（7）路面失去結構承載力。
此外，當舊水泥混凝土路面有下面一種或幾種類型的損壞時，也可以考慮采用碎石化改造技術：
（1）水泥混凝土面板有嚴重的D形裂縫。D形裂縫是水泥混凝土路面的伸縮縫兩側在一定范圍內產生的多道裂縫，呈D字形，且呈不斷擴展趨勢，嚴重時裂縫產生的小塊可能脫落或錯位移動。D型裂縫是典型的耐久性裂縫；
（2）水泥混凝土路面有嚴重的堿骨料反應的情形。堿骨料反應中有膠體產生，吸收水份造成膨脹（堿脹），進而開裂而降低混凝土的耐久性；
（3）受嚴重凍融破壞的混凝土路面。凍融破壞一般發生在沒有加氣的混凝土中。如果氣孔體積或者氣孔間距不適當，混凝土在受凍時會膨脹開裂。這一過程可持續幾年會使混凝土路面破壞嚴重。
但是，并不是所有的路面出現以上損壞時都可以考慮使用碎石化技術。碎石化技術的運用除了有以上路面的充分條件外，還有對其的必要條件。
美國公路科研部門在研究碎石化工藝時發現，當公路基層與面層之和少于15cm時，不能采用碎石化技術；當路基承載比CBR低于1.5%時，也不能采用碎石化技術；在基層與面層之和為15~33 cm之間，路基承載比CBR為1.5%~7%之間內不太適合碎石化技術。
另外，在地勢較低、地下水位較高、路基積水或者含有較濕的粘土和混入泥沙的粘土地區以及當路基材料損壞太厲害，不能承受破碎路面負荷的地區均不宜采用碎石化處理。對于碎石化改造技術的適用范圍，一般采用圖1-1所示的判定方法。一般來說，只要原路基CBR值大于7，且水泥混凝土路面基層與面層總厚度超過33cm，便可以采用碎石化技術。
四、碎石化技術的優點
碎石化工藝的首要控制標準就是破碎后碎塊的尺寸一定要非常小。正因為如此，碎石化具有和打裂壓穩、打碎壓穩等破碎方式完全不一樣的效果。當然，破碎后碎塊的尺寸并不是越細越好，需要在結構性降低和反射裂縫風險增高之間尋求平衡。
適宜的破碎后有效模量應使出現反射裂縫的可能性降低到一定程度。在此情況下盡量保證原混凝土板塊的結構性。破碎后有效模量是與破碎后顆粒粒徑密切相關的，所以存在一個合理的破碎后粒徑區間，它能使有效模量達到適宜范圍。
通過在國內外應用碎石化技術對嚴重病害的水泥路面加以改造，與其他方法相比較，實踐證明該技術具有以下特點：
（1）碎石化技術防止反射裂縫的效果比同樣應用于混凝土路面改造項目中的震裂壓穩、破裂壓穩及增加應力緩沖層等技術更為有效。
（2）破碎并壓實的混凝土路面是由破碎混凝土塊組成的緊密結合、內部嵌擠、高密度的材料層。
（3）破碎材料具有較強的抗剪強度，但其抗彎拉強度并不大。
（4）碎石化的混凝土路面不是一般的粒料基層，也并不是處于無應力狀態，與一般的密級配粒料相比，碎石化混凝土路面可以為HMA（熱拌瀝青混合料）罩面提供更高的結構強度。
由于碎石化破碎后碎塊的尺寸特性，破碎的水泥板塊具有良好的強度均勻性。因為沒有了預留接縫、裂縫等應力集中點，同時也消除了坑洞、脫邊、板底空洞等病害，在上面加鋪瀝青面層后，不會再有反射裂縫出現，這是碎石化技術的最主要優點，也是其標志性成果。其他處理方法，如打裂壓穩、破碎壓穩等雖然也能減輕反射裂縫，但是由于原板塊仍比較大，板體性依然非常明顯，故仍有出現反射裂縫的可能性。
碎石化技術還具有施工速度快的優點。由于不需要加鋪半剛性基層，只需要進行破碎。而無論是沖擊破碎還是共振破碎，設備的工作速度都很快。如果用其他的處理方法的話，由于要加鋪半剛性基層，工程持續時間長，施工期間嚴重影響交通通行。因此如果考慮到社會效益，或者要求在短期內完成道路改造，采用碎石化技術是更可行的方案。
不需加鋪半剛性基層，還有一個好處就是可以不顯著增加路面標高。由此對沿線的居民、對路基寬度、道路邊坡影響都不大，因而特別適合于經過城鎮的道路改造。
還有，碎石化設備的錘頭重量僅幾百公斤，錘擊板塊所產生的沖擊震動和噪聲較小，沿途居民一般可以承受。如果是采用共振破碎，則更加沒有噪音。相反打裂壓穩和破碎壓穩，則在施工時所產生的震動比較強烈，影響附近建筑物的安全，這有可能給施工帶來意外的麻煩。
另外，碎石化充分利用了原有水泥混凝土路面破碎后的碎塊，不但減少了白色污染，還節省了廢料運輸成本，具有經濟環保的雙重功效，響應了國家關于建立節約型社會的號召。
通過以上分析，可以總結出碎石化具有以下的優點：
（1）徹底解決板塊的反射裂縫問題；
（2）施工速度快；
（3）不顯著提高路面標高；
（4）施工時擾民少；
（5）經濟環保。
五、共振破碎原理
共振破碎是真正的碎石化：共振破碎設備振動工作錘頭與路面接觸，調節錘頭的振動頻率，通過專用激振器激發水泥混凝土產生共振，使其接近水泥面板的固有頻率，激發其共振，即可將水泥混凝土面板擊碎。工作錘頭上裝有專用傳感器，感應路面的振動反饋。由電腦自動調節振動頻率，搜尋被擊物的自有頻率，并引起水泥面板在錘頭下局部范圍內產生共振，使混凝土內部顆粒間的內摩擦阻力迅速減小而崩潰。
通過浮動式共振破碎，使舊水泥混凝土面板碎裂，形成上部嵌擠密實的碎石層，下部嵌鎖咬合的塊石層。 碎石化后水泥混凝土顆粒的粒徑不大于40 cm，且75%以上的顆粒在深度方向的分布滿足：表面最大尺寸不超過7.5 cm，中間不超過22.5 cm，底部不超過37.5 cm。
共振碎石化與重錘工藝（多錘頭破碎）原理比較
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