多锤头水泥路面破碎机--碎石化施工工艺专用设备

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日前,在普通干线公路大中修工程推进会上明确要求,在国省干线公路路面大中修工程中,大力推广碎石化和冷再生技术,积极推进“两型”养护。


       针对近年来普通干线公路大中修工程,在原路面上进行加铺罩面,路面材料得不到循环利用,路面越修越高、越修越窄、两侧边沟越来越深、护栏设施越来越矮、安全隐患越来越多的实际,为贯彻“两型交通”理念,按照交通运输部提出“‘十二五’末,国省干线公路废旧沥青路面材料循环利用率达到70%”的要求,提出加快建设“两型”公路,倡导绿色养护,大力推广碎石化和冷再生技术,印发了《普通干线公路路面大中修碎石化、冷再生设计指导意见》,并制定了《碎石化、冷再生施工操作规程(试行)》,明确了水泥路面碎石化、沥青路面冷再生的路面设计原则、路面典型结构、主要技术要求等,切实保证普通干线公路大中修路面工程质量,提高路面使用性能和耐久性。


一、水泥混凝土路面碎石化改造技术及施工方案


1、碎石化改造技术的起源


       碎石化起初是为了方便清除水泥混凝土路面和分离路面中的钢筋而进行的。第一个热拌沥青(hma)罩面的水泥混凝土路面破碎项目是1986年在美国纽约完成的,截至2001年,美国有35个州使用了此技术,项目数量300多个,使用里程达900多公里,1280万平方米,而且美国沥青协会及部分州将该技术列入规范。


2、碎石化改造技术的概念


       所谓碎石化技术,就是将水泥混凝土路面破碎成一般小于38厘米混凝土块,用以限制新铺的热拌沥青(hma)罩面上出现反射裂缝,并产生一个用与hma罩面的均匀基层。


3、碎石化改造技术的几大特点;


      (1)碎石化技术是目前解决反射裂缝问题的最有效办法


   (2)破碎并压实的混凝土路面是由破碎混凝土块组成的紧密结合,内部嵌挤.高密度的材料层为沥青罩面提供更高的结构强度。


   (3)施工简便,改造周期短,综合造价底。


   (4)就地再生,环保无污染,可将破碎后的路面可直接作基层或底基层,在加铺新的面层,是旧水泥路面翻新改造的理想办法。


   (5)将打碎的混凝土面板直接作为基层或底基层,再加铺新的面层,是旧水泥路面翻修改造的理想方法。此种碎石化技术最大的优点是不必把破损的水泥面板打碎搬走,节约了路基材料及运输成本,提高了工程进度,大大降低了工程的总费用。同时也解决了丢弃水泥碎块垃圾的环保问题。


   (6)对交通通行影响较小,在施工期间不需全部封闭交通。


4、施工方案编制依据及范围


   (1)所需改造路段水泥混凝土路面破坏现状


   (2)美国有关水泥混凝土路面碎石化的技术资料


   (3)交通部现行的规范及标准


   (4)国内水泥混凝土路面碎石化项目的实施经验总结


5、 概述


       碎石化是指针对旧水泥混凝土路面大面积破坏已丧失了整体承载能力,并且通过局部的挖除、压浆等处治方式已不能恢复其使用功能,或已不能达到结构强度要求的情况下,为了解决通常情况下的加铺方式存在反射裂缝等问题,而对旧水泥混凝土板块采用的一种最终处理方法。该法一般是利用特殊的施工机械(如多锤头水泥路面破碎机),在对局部破坏严重的基层进行处治后,将旧水泥混凝土板块破碎成较小的粒径(底部不超过37.5cm,中间不超过22.5cm,表面不超过7.5cm),碾压后作为新路面结构,基层或底基层,然后再加铺新的路面结构。


山东省公路局研究员王松根副局长在《山东公路养护技术应用与研究》一书中详细阐述了碎石化技术的特点和应用。下面简略总结一下碎石化改造施工方案。


   6、碎石化技术采用的设备


(1)多锤头水泥路面破碎机


       多锤头水泥路面破碎机是山东公路机械厂生产的自行式破碎设备,设备后部平均配备两排成对锤头,这样在设备全宽范围内可以连续破碎,锤头的提升高度在油缸行程范围内可独立调节,该破碎机具备一次破碎4米车道的能力。


(2)专用振动压路机


       山东公路机械厂生产的YZ18A Z形轮振动压路机携带专门加工的钢箍通过螺栓固定在振动钢轮表面。它用于破碎水泥混凝土路面后的表层补充破碎。


7、碎石化前的准备工作


       (1)清除存在的沥青面层 在碎石化前,应清除水泥混凝土路面上的沥青修复材料,因为这些材料的存在会影响到破碎的效果。


       (2)隐藏构造物的调查与标记 破碎前,结合设计图纸及业主单位提供的有关隐藏构造物,如:暗涵、底下管线等情况进行调查,以确定破碎是否会对这些构造物造成损坏。通常,构造物埋深在1米以下的不会由于破碎带来的损坏,不满足以上条件的可以降低锤头高度对水泥路面进行破碎,或采用监理工程师认为可行的其它方案。


       (3)与桥梁连接段的路面 与桥梁连接段应标明破碎的位置,根据实际情况,可以破碎到桥头搭板的后端,或根据路面设计线的高程破碎到监理指定位置。未破碎的路面应铣刨到可以摊铺同样厚度沥青罩面的程度。


       (4)交通管制 由于碎石化后的路面在没有滩铺完沥青混凝土面层之前原则上不允许开放交通,所以对交通管制的要求比较严格,建议在条件允许时一次性全封闭施工段落;若条件不允许,应至少实行半封闭施工。


       (5)其它要求 任何与施工期间维持交通无关的路面加宽或路肩修复,也应在施工之前修复到混凝土路面的高程


8、破碎试验路段


       在认可水泥路面破碎机破碎程序之前,承包商应完成实验路段并经监理工程师认可。试验路段应为监理工程师在工程项目范围内确定的位置,尺寸为车道全宽,长度为100-200米。承包商应记录不同的破碎情况相对应的水泥路面破碎机设置如锤头高度和地面行使速度等。 为确保路面被破碎成规定的尺寸,根据监理的指令、承包商应开挖试坑。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,试坑应用密级配碎料回填并压实至要求。通过实验段破碎,最终,符合要求的破碎设置应记录备查。试验路段确定的破碎机程序将用于本工程。承包商应不断地监控破碎操作并应该在施工过程中不断地进行调整以确保结果满足要求(成渝高速龙泉段施工现场)


9、 碎石化施工控制和要求


       (1)路面破碎要求 碎石化要把75%的混凝土路面破碎成表面最大尺寸不超过7.5cm,中间不超过22.5cm,底部不超过37.5cm的粒径。


       (2)清除原有填缝料 在铺筑沥青表面前所有松散的填缝料、涨缝材料或其他类似物应进行清除。


       (3)凹处回填 不应修整破碎后混凝土路面或试图平整路面以提高线形,这样将破坏混凝土路面碎石化以后的效果。在压实前发现的5cm的凹地应用密级配碎石料回填并压实到要求。破碎时最好是从混凝土路面的高处向低处破碎,以避免摊铺沥青混凝土后影响排水。


       (4)与相邻车道的连接 破碎一个车道的过程中实际破碎宽度应超过一个车道,与相邻车道搭接一部分,宽度至少是15cm。


       水泥路面碎石化(Rubblization)是对旧水泥混凝土路面大修或改造的重要手段。它的工艺原理是将水泥混凝土路面的面板,通过专用设备一次性破碎为碎块柔性结构,因破碎后其颗粒粒径小,力学模式更趋向于级配碎石,碎石化技术根据破碎原理和施工机械的不同,又分为两类:多锤头碎石化(MHB,Multi-Head Breasker)和共振碎石化法(RPB,Resonant Pavement Breaker)。下面根据多锤头碎石化施工原理,对水泥路面碎石化施工做简要介绍。

二、水泥混凝土路面碎石化施工工艺


1 施工所需的机械设备

       多锤头水泥路面破碎机:它利用设备所带多个重锤的重力下落对水泥混凝土路面板进行锤击。MHB碎石化后要求采用Z形压路机碾压。这种压路机在使用MHB破碎后用于压实,它类似于一般的光轮压路机,只是在钢轮上加了斜向波纹状凸出条纹,这种条纹有以下两方面的作用:①保证轮下颗粒不至于向外挤出:②对表面颗粒有更好的压碎效果,有利于表面平整。

2 工艺流程图

       碎石化有四个目标:第一、保证旧路路基不被破坏;第二、保证旧水泥混凝土层颗粒尺寸均匀,并使整个破碎层颗粒分布均匀;第三、将旧水泥混凝土面板破碎到在接缝和裂缝处的位移不足以让沥青加铺层产生开裂,保证起到良好的防止反射裂缝作用;第四、保证碎石化道路处于良好的排水工况。碎石化施工工艺要围绕这四个目标而进行。


3  碎石化施工工艺


3.1 试验段 


       旧水泥混凝土路面破碎质量主要受破碎机械自身参数设置、破碎顺序、破碎施工方向以及不同基层强度、刚度条件对破碎机械调整要求等的影响,这些因素均对旧水泥混凝土路面的破碎程度、粒径大小排列、形成的破碎面方向、破碎深度等产生影响。因此,在正式的大规模破碎化施工前有必要进行试破碎,即设置试验段,通过试验段的试破碎进行破碎机械参数的调试和施工组织措施,以达到规定的粒径和强度要求。


       在有代表性的路段选择至少长50m、宽4m(或最少一个车道)的路面作为试验段。根据经验,一般取落锤高度为1.1~1.2m,落锤间距为10cm,逐级调整破碎参数对路面进行破碎,目测破碎效果,当碎石化后的路表呈鳞片状时,表明碎石化的效果能够满足规定的要求,记录此时采用的破碎参数。

3.2 试坑

       为了确保路面被破碎成规定的尺寸,在试验段内随机选取2个独立的位置分别开挖1m2的试坑,试坑的选择应避开有横向接缝或工作缝的位置。试坑应开挖至基层,以在全深度范围内检查碎石化后的颗粒是否在规定的粒径范围内。如果破碎的混凝土路面粒径没有达到要求,那么设备控制参数必须进行相应的调整,并相应增加试验段,循环上一个过程,直至要求得到满足,并记录符合要求的MHB碎石化参数以备查,在正常碎石化施工过程中,应根据路面实际状况对破碎参数不断做出微小的调整。当需要对参数作出较大调整时,应及时通知监理工程师和现场技术人员。

3.3 MHB破碎

一般情况下,MHB应先破碎路面两侧的行车道,然后破碎中部的行车道,即破碎的顺序为由两侧向中间逐步进行。

    在破碎路肩时应适当降低锤头高度,减小落锤间距,即保证破碎效果,又不至于破碎功较大而造成碎石化过度。

    两幅破碎一般要保证10cm左右的搭接破碎宽度。

    机械施工过程中要灵活调整速度、落锤高度、频率等,尽量达到破碎均匀,初始参数如表1。 

    表 1 初步选定的设备控制参数范围 

 

项 目

 

原水泥混凝土下卧层强度状况

强度较高

强度一般

强度较低

水泥强度等级

32.5

42.5

32.5

42.5

32.5

42.5

下落高度(m)

1.2

1.2

1.1

1.1

1.0

1.0

锤迹间距(cm)

8~12

6~10

8~12

6~10

8~12

6~10

3.4 预裂要求

    在一些特殊路段,建议采用打裂等其它手段进行混凝土路面的预裂,以确保碎石化能够达到预期的效果。预裂后,根据情况进行试验段施工,重新确定碎石化破碎的施工参数。

    3.5 软弱基层或路基的处理

    对于在碎石化施工过程中发现的部分软弱基层或路基,应对其进行开挖回填处理。首先对全线水泥路面进行碎石化并采用Z型压路机碾压以后,再将存在软弱基层的水泥板块挖除,并对其下软弱基层进行开挖,开挖后基层采用C15素砼回填至水泥板底面高程,然后再采用水稳碎石回填至水泥板顶面标高,进行适当的摊铺和压实,为保证压实效果,最小控制尺寸不小于车道宽和1.2m长。

    3.6 凹处回填

    路面碎石化后表面小面积凹处在压实前可以用密级配碎石回填,要求回填碎石最小粒径为13.2mm,且粒径大于26.5mm的比例不应小于70%。

    3.7 原有填缝料及外露钢筋的清除

    在铺筑之前,所有松散的填缝料、胀缝材料、切割移除暴露在外的加强钢筋或其它类似物应进行清除,如需要,应填充以级配碎石粒料。

    3.8 破碎后的压实要求

    压实的作用主要是将破碎的路面的扁平颗粒进一步的破碎,同时稳固下层块料,为新铺筑的水稳及沥青面层提供一个平整的表面。

    破碎后的路面应采用Z型压路机和单钢轮振动压路机压实,碾压遍数建议1~2遍,压路机进行速度不宜超过5km/h,要求Z型压路机的吨位在16吨及16吨以上。

    在路面综合强度过高或过低的路段应避免过度压实,以防造成表面粒径过小或将碎石化层压入基层。

    3.9 乳化沥青透层

    为使表面较松散的粒料有一定的结合力,同时具有一定的防水性能,建议采用慢裂改性乳化沥青做透层,用量宜控制在2.5~3kg/m2。乳化沥青透层表面再撒布适量石屑后进行光轮静压,石屑用量以不粘轮为标准。

    3.10破碎路段边缘处理

    碎石化和非碎石化混凝土路面接缝应考虑相应的过渡措施,如在接缝处设置高性能聚酯布等。

    3.11雨水的防治。因雨水会严重影响破碎层及其下基层的承载能力,加铺好沥青面层后,滞留的雨水会加速路基路面的损坏,因此,对破碎层,应充分做好防止雨水的工作,如有破碎后不能马上进行碾压摊铺,遇上雨水天气,要注意破碎层的遮盖,同时要保证已安装好的路面边缘排水系统的正常有效地工作。

4、碎石化质量控制

    施工质量控制应在碎石化大面积施工开始前,施工过程中和施工过程后分别加以控制,其一般过程如下:

选择具有代表性路段作为试验段,其长度最小50m,在该试验段中安排不同锤迹间距(2cm左右极差)的子区段,每段长度不少于50m,其分界要标记清楚。

根据选择的设备控制参数,并根据破碎效果进行调整。

    试验段施工结束后,对不同锤迹间距的子区段粒径进行检测,选择对应的设备控制标准。

    检测回弹弯沉(或回弹模量),验证其是否满足变异性要求。推荐采用回弹模量指标,测试的点位随机确定,并应不少于9个。如果不满足,要增加试验段长度并根据增加落锤高度或减小锤迹间距的方式调节,以使其破碎程度增加,变异性减小,直至达到前述质量控制指标要求。

    进行大面积施工过程中,要注意单幅路面长度破碎超过1km时,在破碎粒径产生突变处挖试坑抽检,试验粒径是否满足要求,如果不满足要作小幅调整,在此过程中无需继续检测回弹模量指标,而以试坑粒径状况与试验段有无显著差别作为判断是否合格的依据。

    对于下卧层强度差异较大的不同路段要作不同的设备参数调整,可在其中一段控制参数的基础上,作小幅调整以满足其它段的破碎要求。

    对粒径的确认应通过开挖试坑后用卷尺量结合目测的方式进行(试坑面积为1m2,深度要求达到基层)。试坑位置的选取应具随机性。

    试验段测试的内容除颗粒粒径外还有顶面的当量回弹模量(或增加回弹弯沉测试),检测要在乳化沥青洒布之后,粒径规格的试验子区段内进行。以上测试的试验段测点数至少需要9个。

    试验子区段安排过程中应包含开始破碎的前10m和结束破碎前5m,指标的检测不能安排在这一区域进行。

5、碎石化施工质量验收标准

    5.1路面碎石化后的粒径范围

    水泥混凝土板块的厚度一般在20~26cm之间,破碎后顶面粒径较小,下部粒径较大。从强度角度而言,碎石化后粒径太小会使强度降低很多,这时虽能减少反射裂缝可能,但也会带来了原板块强度的浪费。所以碎石化后颗粒粒径不宜过细,而较大也不利于反射裂缝的消除,所以要对粒径范围作出限制。

参照国外资料和国内研究成果,路面碎石化后的粒径是控制未来加铺结构不出现早期反射裂缝的关键参数,作为控制碎石化工艺的关键指标,应满足表2。

    表 2 碎石化后粒径控制范围

厚度范围

板块顶面上

上部1/2厚度

下部1/2厚度

粒径范围(cm)

﹤7.5

﹤22.5

﹤37.5

5.2 路面碎石化后顶面的当量回弹模量

    水泥混凝土路面碎石化后顶面的当量回弹模量是加铺结构设计的基本参数之一,一般情况下,对于直接加铺沥青混凝土的路面结构,回弹模量平均值控制在150~500MPa之间。 

    5.3 MHB碎石化施工质量标准及检测频率

    为满足直接加铺面层的技术要求,保障加铺层施工质量, MHB碎石化施工质量标准及检测频率如表3。

 

表3  MHB碎石化施工质量指标与检测频率

项次

检测内容

标准

保证率

检查方法和频率

1

顶面粒径

﹤7.5cm

75%

直尺,20m一处

2

上部粒径

﹤22.5cm

75%

直尺,试验段50m一处;

正常施工不均匀时抽检5%

3

下部粒径

﹤37.5cm

75%

直尺,试验段50m一处;

正常施工不均匀时抽检5%

4

顶面当量

回弹模量

150~500MPa

75%

承载板,试验段50m一处

正常施工不均匀时抽检5%

5

平整度

﹤2cm

75%

3m直尺,200m两处

6

纵断面高程

±2cm

75%

水准仪,200m两处

7

横坡

±0.5%

75%

水准仪,200m两处