水泥混凝土多锤头碎石化路面质量控制评价研究

Evaluation Study on Quality Control of Cement Concrete Multi-Hammer Crushed Pavement

摘要: 多锤头碎石化技术适用于旧水泥路面原位利用，但缺乏快速、高效的破碎评价方法。本文提出了当量破碎度和当量能量耗散指数双控指标来评价破碎质量，利用落锤式弯沉仪，在试验段确定了破碎参数后，界定了试验段当量破碎度和当量能量耗散指数范围，并增加了基层和土基对应的辅助指标范围，评价方法可为采用多锤头碎石化工艺破碎后的水泥路面提供参考和借鉴。

Abstract: Multi-hammer crushing technology is suitable for in-situ utilization of old cement pavement, but it lacks a fast and efficient crushing evaluation method. In this paper, a dual control index of equivalent crushing degree and equivalent energy dissipation index is proposed to evaluate the crushing quality. By using the existing testing equipment FWD, the range of equivalent crushing degree and equivalent energy dissipation index of the test section is defined after the crushing parameters are determined in the test section, and the auxiliary index range corresponding to the base and soil foundation is increased. The evaluation method can provide reference for the cement pavement broken by the multi-hammer crushing process.

1. 引言

多锤头碎石化技术将旧水泥路面由整体板块破碎成满足一定尺寸要求的嵌挤块体，用作道路基层或底基层，具有一定承载能力和消散应力、减缓裂缝反射的作用，应用较多。然而，《公路水泥混凝土路面再生利用技术细则》(JTG/T F31-2014) [1]关于多锤头碎石化技术，仅简单说明了多锤头破碎机的主要性能；而关于多锤头碎石化施工质量检验标准，只给予了尺寸的要求(顶面最大粒径 ≤ 7.5 cm，中部最大粒径 ≤ 22.5 cm)，现行规范的相关规定无法指导施工和施工质量检验。

一般基层的检测指标为弯沉、压实度。若按照常规方法来开展检测，仍面临以下问题：1) 采用多锤头碎石化技术后的旧路面，顶部松散呈颗粒状，直接测试弯沉数据波动性较大；2) 测试压实度需要钻取芯样，因破碎后的路面裂缝贯穿，取芯时钻头常被卡死而无法取出芯样，同时，取出的芯样为破碎体，也不满足压实度的芯样测试条件；3) 采用挖掘设备开挖来验证破碎后尺寸是否满足要求，但开挖过程因挖掘设备挖掘力过大，会破坏水泥混凝土块完整性，造成尺寸度量不准。在现有条件下开展碎石化技术，因缺乏准确评价碎石化后旧路面破碎质量的方法，造成欠破碎或过度破碎，加铺沥青路面后，会存在工程质量安全隐患。

针对此问题，张嘉伟[2]利用有限元分析结果，对多锤头碎石化落锤间距、高度等施工参数进行了确定和优化；蔡广聪[3]通过FWD作用下水泥混凝土路面面板变形特性的数值分析，利用弯沉–荷载曲线斜率判定板底脱空的建议值以及碎石化技术的适用条件；张景臣[4]对多锤头破碎机械在费用、效率、深度、振幅、频率、加铺面层、效果等方面对其进行了客观的分析；杨凯[5]对其混凝土路面维修过程中多锤头碎石化处理标准化施工技术进行分析，提出标准化施工中需要注意的各项要点。

综上所述，多锤头碎石化技术已经在较多工程项目中开展应用，但却未提出快速、高效评价破碎质量的方法。本文依托实体工程项目，仍采用落锤式弯沉仪FWD进行检测，在此基础上提出当量破碎度和当量能量耗散指数双控指标来评价破碎质量，评价方法可为采用多锤头碎石化工艺破碎后的水泥路面提供参考和借鉴。

2. 质量评价思路

技术思路是仍采用现有检测设备落锤式弯沉仪FWD，利用水泥路面破碎前后的弯沉盆曲线进行深入挖掘，拟提出新的指标来评价破碎质量是否满足要求。

落锤式弯沉仪FWD具有加载装置和变形测试装置，变形测试装置包括8个传感器，其功能为测试FWD荷载作用时，变形测试装置监测各传感器对应位置的路表总垂直变形值或垂直回弹变形值，路表总垂直变形值或垂直回弹变形值也称之为弯沉，为FWD荷载作用下不同传感器采集到的路表瞬时回弹变形值。

弯沉盆曲线为FWD荷载作用在路面上时，测试沿指定一条直线上相距不同距离8个点产生的路表总垂直变形值，绘制横坐标为距离、纵坐标为弯沉的折线图；弯沉盆曲线上8个点分别记为点1、点2~点8，8个点距离FWD加载中心的距离分别为0、0.2 m、0.305 m、0.61 m、0.914 m、1.219 m、1.524 m、1.829 m，8个点在一条直线上。对于我国最常见的水泥混凝土板 + 水稳基层 + 土基的典型路面结构型式而言，第1个点表征路面结构整体刚度情况，第2~4个点的弯沉情况可表征水泥混凝土板的刚度情况，中间5~6个点的弯沉情况可表征基层的刚度情况，后7~8个点的弯沉情况可表征土基的刚度情况。

不同水泥路面厚度、材料、使用年限等不同，总体表现为整体强度不同，在对不同强度的水泥路面进行破碎时，破碎后的水泥路面强度也不同；整体强度的差异直接造成弯沉盆曲线也不同。两种不同强度的路面，即使都达到了理想破碎状态，其弯沉盆曲线也不同。因此，不能直接通过弯沉盆来进行破碎程度的判读。

有效的思路是：1) 根据自身前后弯沉盆的比对，来判断破碎程度；2) 根据自身弯沉盆的比对仍不能消除破碎前路面强度的影响，因此提出当量弯沉盆曲线。前四点当量弯沉为前4个点的弯沉值同时除以前4个弯沉值平均值后的比值，当量弯沉盆曲线为所绘制的横坐标为距离、纵坐标为当量弯沉的折线图。

然而，多锤头碎石化施工过程中，由于锤击力较大，在打碎水泥板后，过大的锤击力可能对水泥板下面的基层或土基造成一定破坏。因此，在评价水泥板破碎质量的同时，应综合考虑锤击作用对基层和土基的影响。此时后四点当量弯沉为后4个点的弯沉值同时除以后4个弯沉值平均值后的比值。

3. 评价指标

当量破碎度P_i为前4个点的破碎前与破碎后当量弯沉比值：

$P_i=\frac{L_{a,i}}{L_{b,i}}$

其中，L_a,i为破碎后的第i点的当量弯沉，L_b,i为破碎前完好路面第i点的当量弯沉。当量破碎度大越小，表明破碎程度越大。

当量能量耗散指数Q_(i,i+1)为破碎前后当量弯沉盆曲线与坐标轴包络的面积：

$Q_{\left(i,i+1\right)}\frac{S_{a\left(i,i+1\right)}}{S_{b\left(i,i+1\right)}}$

其中，S_a(i,i+1)为破碎后第i点与第i + 1点的当量弯沉盆曲线与坐标轴包络的面积，S_b(i,i+1)为破碎前第i点与第i + 1点的当量弯沉盆曲线与坐标轴包络的面积。

所述破碎前当量包络曲线与坐标轴包络面积S_a(i,i+1)的计算方法为：

$S_{b\left(i,i+1\right)}=\frac{L_{b,i}+L_{b,i+1}}{2}\ast H$

其中，H为第i个传感器与第i + 1个传感器的距离。

所述破碎后当量包络曲线与坐标轴包络面积S_a(i,i+1)的计算方法为：

$S_{a\left(i,i+1\right)}=\frac{L_{a,i}+L_{a,i+1}}{2}\ast H$

其中，H为第i个传感器与第i + 1个传感器的距离。

综上所述，当量破碎度是破碎前后弯沉的对比值，其目的在于通过对破碎前后弯沉盆的分析，在评价水泥板破碎质量的同时，充分考虑锤击作用对基层和土基的影响。而当量能量耗散指数则是破碎前后当量弯沉盆曲线与坐标轴包络面积的指标，其旨在通过多锤头碎石化的能量损耗，来评估水泥路面的破碎质量。因此，提出将当量破碎度和当量能量耗散指数共同作为评价水泥路面破碎质量的指标。这种方法仅作为现行规范《公路水泥混凝土路面再生利用技术细则》中破碎质量评价指标的补充，而不能替代《公路路基路面现场测试规程》压实度或密度的检测。

4. 试验方案设计

4.1. 工程概况

广东省某二级公路改建工程原路面为水泥混凝土路面，结构形式为22 cm水泥砼面层 + 15 cm水泥稳定石屑基层 + 20 cm水泥稳定石屑底基层，路面结构层厚度57 cm，设计结构为将原水泥路面采用多锤头碎石化工艺破碎后做底基层。

4.2. 破碎机参数

采用德工PSJ400多锤头破碎机进行破碎，破碎机技术参数如表1所示。多锤头破碎机可调的参数为行驶速度、锤头间距、破碎频率、锤头高度。

Table 1. Technical parameters of multi-hammer crusher

表1. 多锤头破碎机技术参数

类别	单位	数值
额定功率	kw	298
工作速度	min/m	0~200
行驶速度	km/h	0~10
中间工作锤数量	个	12
侧翼锤数量	个	4
最大破碎再生宽度	m	4
最小破碎再生宽度	m	0.8
破碎再生影响深度	m	0.3
破碎频率	次/分	20~50
整机质量	kg	3300

4.3. 试验流程设计

为简化破碎参数确定流程，参照以往工程实践案例，固定行驶速度和破碎频率对50~100 m试验段进行破碎。对比分析锤头间距、破碎频率、锤头高度等因素对粒径分布的影响，确定破碎参数；对经处理后满足测试条件的路表，采用落锤式弯沉仪FWD进行测试，比对满足规范要求尺寸的破碎参数和当量破碎度、当量能量耗散指数的关系，界定当量破碎度、当量能量耗散指数的范围；按照当量破碎度、当量能量耗散指数的界定范围，评价整个路段多锤头碎石化破碎质量。

5. 试验结果分析

5.1. 破碎参数确定

固定行驶速度4 km/h和破碎频率20次/分不变，落锤高度以0.05 m的级差从1.20 m变化到1.00 m，然后固定落锤高度，落锤间距以3 cm的级差从6 cm变化到12 cm。

当固定落锤高度为1 m时，改变落锤间距，不同间距下表面松散层厚度相差不大；随着间距增加，裂纹分布形态及裂纹宽度由细而密布单向裂纹发展为向多交叉粗裂纹。

结合现场开挖后的颗粒粒径分布形态，确定落锤间距为10 cm。

如表2所示，固定落锤间距10 cm，随着落锤高度的增加，碎石化层顶面回弹模量总体保持逐渐增加趋势，但变化不大；但随着落锤高度增加，变异系数下降。结合现场开挖后的颗粒粒径分布形态，确定落锤高度为120 cm。

Table 2. Top rebound modulus at different hammer heights

表2. 不同落锤高度下顶面回弹模量

落锤高度/cm	100	105	110	115	120
回弹模量/MPa	177	193	182	203	205
变异系数/%	75	73	70	65	58

采用行驶速度4 km/h、破碎频率20次/分、落锤间距10 cm、落锤高度为120 cm时，对水泥混凝土板表层、中上层和中下层开挖取样，测量其粒径，水泥混凝土板表层最大粒径 ≤ 7.5 cm，中部最大粒径 ≤ 22.5 cm，下部最大粒径 ≤ 37.5 cm。

5.2. 破碎质量技术指标

采用行驶速度4 km/h、破碎频率20次/分、落锤间距10 cm、落锤高度为120 cm进行破碎，破碎完撒布乳化沥青粘层，并采用钢轮压路机碾压，使分散的路表平整，采用FWD进行弯沉测试。

采用当量破碎度和当量能量耗散指数双控指标来评价破碎质量。当量破碎度P₁表征整个水泥混凝土路面结构(包括水泥混凝土板 + 水稳基层 + 土基)整体破碎情况，当量破碎度P₂、P₃表征水泥混泥土板上中部破碎程度，取P₂、P₃的平均值P_2,3表征水泥混泥土板上中部破碎程度，所述当量破碎度P₄表征水泥混泥土板中下部破碎程度。

当量能量耗散指数Q_(1,2)表征整个水泥混凝土路面结构(包括水泥混凝土板 + 水稳基层 + 土基)整体破碎后能量耗散情况，当量能量耗散指数Q_(2,3)表征水泥混泥土板上中部破碎后能量耗散情况，当量能量耗散指数Q_(3,4)表征水泥混泥土板中下部破碎后能量耗散情况。

采用行驶速度4 km/h、落锤间距10 cm、落锤高度为120 cm进行破碎后，破碎质量良好的当量破碎度P₁、P_2,3、P₄及当量能量耗散指数Q_(1,2)、Q_(2,3)、Q_(3,4)取值范围如表3所示。

Table 3. Requirements for technical indicators of crushing quality

表3. 破碎质量技术指标要求

指标	破碎质量
	整体	上中部	中下部
当量破碎度P	1.70 ≥ P1 ≥ 1.50	0.9 ≥ P2,3 ≥ 0.8	0.75 ≥ P4 ≥ 0.65
当量能量耗散指数Q	1.50 ≥ Q(1,2) ≥ 1.20	0.9 ≥ Q(2,3) ≥ 0.8	0.80 ≥ Q(3,4) ≥ 0.70

不满足良好破碎状态的，有以下几种情况：

1) 当量破碎度P₁ ≤ 1.5、当量能量耗散指数Q_(1,2) ≤ 1.2，表明破碎程度不足，处于欠破碎状态，此时，应提升锤头高度，加密锤击间距，增加锤击频率；

2) 当量破碎度P₁ ≥ 1.7、当量能量耗散指数Q_(1,2) ≥ 1.5，表明已达到过破碎程度，此时，应减小锤头高度，增大锤击间距，降低锤击频率；

3) 当整体破碎质量满足1.70 ≥ P₁ ≥ 1.50，1.50 ≥ Q_(1,2) ≥ 1.20时，但上中部P_2,3 ≤ 0.8、Q_(2,3) ≤ 0.8时，表明上中部过度破碎，造成中上部尺寸偏小，导致破碎度偏小、能量耗散偏小，此时说明锤头高度合适，但锤击间距偏小或锤击频率过大，此时应稍增加锤击间距或降低锤击频率；当满足1.70 ≥ P₁ ≥ 1.50，1.50 ≥ Q_(1,2) ≥ 1.20时，P_2,3 ≥ 0.9、Q_(2,3) ≥ 0.9时，表明上中部欠破碎，造成中上部尺寸偏大，导致破碎度偏大、能量耗散偏大，此时说明锤头高度合适，但锤击间距偏大或锤击频率偏小，此时应稍减小锤击间距或增大锤击频率；P₁、Q_(1,2)满足要求，P_2,3、Q_(2,3)不满足要求时，对应地，P₄、Q_(3,4)也不可能满足要求。

4) 当整体破碎质量满足1.70 ≥ P₁ ≥ 1.50、1.50 ≥ Q_(1,2) ≥ 1.20，上中部破碎质量满足0.9 ≥ P_2,3 ≥ 0.8、0.9 ≥ Q_(2,3) ≥ 0.8时，但P₄ ≤ 0.65、Q_(3,4) ≤ 0.7时，表明中下部过度破碎，造成中下部尺寸偏小，导致破碎度偏小、能量耗散偏小，此时说明锤头高度、锤击频率合适，但锤击间距偏下，此时应稍增加锤击间距；当P₄ ≥ 0.75、Q_(3,4) ≥ 0.80时，表明中下部欠破碎，造成中下部尺寸偏大，导致破碎度偏大、能量耗散偏大，此时说明锤头高度、锤击频率合适，但锤击间距偏大，此时应减小锤击间距。

破碎质量良好的当量破碎度P₁、P_2,3、P₄及当量能量耗散指数Q_(1,2)、Q_(2,3)、Q_(3,4)取值范围满足表1要求的同时，应增加考虑P₅、P₆、P₇、P₈及Q_(4,5)、Q_(5,6)、Q_(6,7)、Q_(7,8)的变化情况，考虑到水泥板破碎后吸收了绝大部分能量，锤击对基层和土基的作用有限，故取P₅、P₆、P₇、P₈的平均值P_5~8及Q_(4,5)、Q_(5,6)、Q_(6,7)、Q_(7,8)的平均值Q_5~8进行基层和土基破碎检验，经现场检测，P_5~8及Q_5~8应满足表4的要求，认为破碎质量良好的情况下，对基层及土基同时无影响。

Table 4. Technical index requirements for grassroots and soil foundations

表4. 基层及土基技术指标要求

技术指标	当量破碎度	当量能量耗散指数
取值	1.0 ≥ P5~8 ≥ 0.95	1.0 ≥ Q5~8 ≥ 0.95

6. 结论

针对多锤头碎石化水泥路面缺乏破碎质量评价快速、准确评价方法的问题，提出采用当量破碎度和当量能量耗散指数双控指标来评价破碎质量。利用现有检测设备FWD，在试验段确定了破碎参数后，界定了试验段当量破碎度和当量能量耗散指数，并增加了基层和土基对应的辅助指标范围，作为整个工程项目的评价方法。

1) 确定了适用于本工程项目的破碎参数：行驶速度4 km/h、破碎频率20次/分、落锤间距10 cm、落锤高度为120 cm。

2) 针对破碎完碎石化顶面粗糙不平的问题，提出对表面层撒布乳化沥青粘层后采用钢轮压路机碾压使路表平整的工前处置要求。

3) 提出了采用当量破碎度和当量能量耗散指数双控指标来评价破碎质量的方法，结合现场试验段数据标定，给出了破碎板不同破碎状态下的技术指标范围。

4) 为保证破碎后基层和土基处于良好工作状态，增加了基层和土基对应的辅助指标范围。

NOTES

^*通讯作者。