共振碎石化技術在城市道路改造中的應用

郭秋金

(福州市規劃設計研究院 福建福州 350108)

引 言

隨著早期修建的水泥混凝土路面逐步達到使用周期，城市道路面臨著大量水泥混凝土路面改造，常規的白改黑工藝修復原路面周期長，且薄層加鋪長期受到反射裂縫的困擾，共振碎石化作為一種新的改造技術具有防治反射裂縫效果明顯、對交通與環境影響較小等特點，在目前的水泥混凝土路面改造中得到了初步應用。共振碎石化法(Resonant Rubblizing Method)是美國 RMI公司(Resonant Machines Inc.)于2001年提出的一種用于板塊完整性與結構性較差的混凝土路面改造工程的技術。其工作原理是在偏心軸力的驅動下產生共振簡諧波，通過錘頭的振動傳遞給混凝土板，引起共振并迅速開裂，將混凝土板破碎成粒料層[1]。2004年3月，共振碎石化技術由 RMI公司在我國公路第二屆科技創新高層論壇上進行了首次介紹[2]。2005年，共振碎石化技術被應用在上海市滬青平公路和金山大道改造試驗路段，這是共振碎石化技術首次在我國使用[3]。與其他碎石化方法相比，共振碎石化法對水泥混凝土板塊破碎均勻，對板下各層影響較小，能夠較好的解決“白改黑”路面的反射裂縫問題[4]，此外還具有施工速度快等特點，在技術應用上表現出一定的優勢[5]。

目前，共振碎石化技術在市政行業中應用時間不長，在我國仍處于嘗試階段，施工工藝、質量控制未形成統一標準[6]，只有針對一些試驗段形成的地方性技術指南。本文在總結共振碎石化技術的作用機理、適用條件和國內使用情況的基礎上，依托福州市東二環路改造工程，探討共振碎石化技術的主要施工控制和工藝流程，總結提出了共振碎石化技術應用于城市道路改造的一整套實踐方法。

1 共振碎石化技術及應用現狀

1.1 作用機理

不同結構和構件具有各自不同的固有頻率，共振碎石化所采用的共振破碎設備RPB(Resonant Pavement Breaker)的工作錘頭通過振動梁帶動產生振動，并通過錘頭安裝的專用傳感器接收路面的振動反饋，錘頭與路面接觸，通過電腦自動調節自身激振頻率(一般情況下錘頭的振動頻率為42～45Hz)去接近結構的固有頻率(一般為0.7ω0≤θ≤1)，從而產生共振響應，使結構的振幅接近最大并產生最佳激振力，使混凝土的內部顆粒因相互間內摩擦阻力迅速減小而產生破碎[5]，使混凝土板形成碎石如(圖1)。

圖1 共振破碎原理

文獻[3]及實踐證明，經過共振破碎化方法得到的破碎混凝土，其級配與一般級配碎石比較接近(如圖2所示)。其模量介于級配碎石與半剛性基層之間，約為級配碎石的2.5倍，半剛性基層的0.3倍，是良好的路面墊層或基礎結構材料。

圖2 碎石化層與級配礫石級配對比圖

1.2 適用條件

由于共振碎石化技術是使混凝土板達到共振頻率而實現破碎，并將破碎后的混凝土作為結構層應用在舊路改造中，所以對于橋涵、軟弱地基、地下管線豐富路段及舊路路況較好的路段，共振碎石化技術并不適用。此外，要引起待破碎構筑物的共振，共振破碎設備的工作頻率需要與構筑物的頻率接近。為實現最佳共振頻率，需要充分考慮地基強度、板塊尺寸、板塊破壞程度、碎石化設備的激振力、激振頻率、輪胎觸地壓力和設備行進速度等因素。所以，施工前應做好施工方案的合理組合。因為重復破碎很難達到理想的碎石化效果，所以共振碎石化的第一遍碎石化非常關鍵，應盡量一次就碎石化成功，避免重復。因此，共振碎石化技術在施工工藝上也有比較苛刻的要求。

由于不同構筑物具有不同的共振頻率，所以除了引起待破碎結構物的共振外，一般情況下共振碎石化設備不會引起周邊構筑物的共振破壞，而且，共振碎石化的施工期短，施工后能迅速恢復現狀交通，此外，原路面碎石化后作為改造道路的結構層可有效地減少工程廢棄物的產生，更加環保，因此共振碎石化技術更適合在對交通、環境有更高要求的項目中運用，對市政道路改造工程具有良好的適用性。

目前共振碎石化技術適用的典型路面結構形式如(圖3)所示，碎石化前的舊水泥混凝土面層經過共振碎石化和整備處理后用作新路面結構的墊層，在其上再行加鋪柔性基層及瀝青混凝土面層。

圖3 共振碎石化技術改造前后的典型路面結構

1.3 應用現狀

自2004年RMI公司首次向我國介紹共振碎石化技術開始，國內也對共振碎石化技術進行研究，并有了一定數量的工程應用。2005年，共振碎石化技術被應用在上海市滬青平公路和金山大道改造試驗路段，這是國內首次在實踐上采用共振碎石化技術[3]，隨后在江蘇、福建、浙江等地區也得到了實踐應用。同時，共振碎石化技術的強度形成機理、設計方法、施工技術特征、工藝要求等也有了一定的研究。但由于技術引進實踐較短，對共振碎石化技術研究不夠全面。此外，國內已有關于共振碎石化技術的研究多基于工程實例，而這些工程多處于試驗性階段，所以已有研究具有一定的局限性。

2 在市政道路改造工程中的應用研究

2.1 依托項目工程概況

本文依托福州市東二環路改造工程是福州市第一個采用共振碎石化工藝的市政道路改造項目。工程起于三八路，止于排尾路，全長約6.0km，改造路段包括主路(局部高架橋)和地面輔路。改造后的東二環路為城市主干道，設計車速為主路60km/h，輔路40km/h。東二環現有機動車道路面以C35水泥混凝土路面為主，寬度在21～26m之間，兩側非機動車道主要為瀝青混凝土路面，寬度約5.5～10m。2004年，經過提升改造后，東二環路使用至今，出現了接縫類破損、斷裂類破損、改造修補、橋面鋪裝層及橋頭搭板破損和路面平整度較低等病害，整體路面病害較為嚴重。

圖4 福州市東二環路病害情況

根據東二環現狀路面病害調查結果，若采用普通“白改黑”工藝進行改造，加鋪瀝青路面前需要對現狀路面病害進行修補的工程量較大，而且東二環作為福州市的重要干道無法長期圍擋施工，項目組經深入研究論證，綜合比選后認為:本次改造工程難度最大的為現狀水泥混凝土主車道，考慮到其與兩側建筑距離較遠，具備共振碎石化技術應用的環境條件，且利用該技術能夠滿足節省工程投資，縮短施工周期，減少交通影響等多方面需求，取得經濟、社會效益的最優化，因此，本次改造工程在主車道上采用共振碎石化技術。

2.2 路面結構設計

路面結構選用“原路面半剛性基層+碎石化緩沖層+柔性面層”的倒裝式結構。根據國內外研究成果及實踐表明，碎石化層控制厚度為水泥混凝土厚度的1/3為宜，東二環改造工程取8cm，結果表明，共振碎石化后0～8cm的顆粒篩分后級配滿足表1的要求，通過37.5mm篩孔的顆粒級配與級配碎石相當，保證破碎后碎石層至少能達到級配碎石的性能;碎石化層左幅實測彎沉代表值為65(0.01mm)，右幅為62(0.01mm)，靜態模量均值為160.3MPa。分析結果表明，碎石化層的路用性能介于級配碎石與水泥穩定碎石層之間，更接近與級配碎石層，可替代其發揮結構層作用。通過計算確定各層厚度，本項目采用的具體路面結構如下:

主車道水泥混凝土路面加鋪方案:將舊水泥板進行碎石化碾壓處理后，灑布1cm稀漿封層、再加鋪0.6～1.0kg/m2改性乳化瀝青+12cm密級配瀝青碎石ATB-25+改性乳化瀝青0.3～0.5kg/m2+6cm改性瀝青AC-20C+改性乳化瀝青0.3～0.5kg/m2+4cm改性瀝青SMA-13，鋪裝總厚度22cm。

表1 碎石化層的顆粒篩分級配要求

2.3 施工工藝

通過項目總結，共振碎石化技術主要施工流程包括施工前調查準備工作、排水系統設置、試振和試坑檢查、破碎施工、破碎層補料、碾壓、封層施工和瀝青層加鋪等。

圖5 共振碎石化工藝流程圖

(1)施工前調查準備工作

進行共振碎石化施工之前的主要準備工作包括路況調查評定及路表彎沉值測定。

路況調查內容應包括:

①道路修建歷史資料:結構類型，結構組成，建設年底、養護維修歷史;

②路面損壞狀況:損壞類型，輕重程度，損壞范圍;

③沿線環境條件:地下水位以及路基路面排水狀況，涵洞、橋臺、地下管線(含給排水管、電力管道)、檢查井、擋土墻等地面建筑物、地下構造物及其附屬的位置、分布情況;

④交通需求:已承受的交通作用次數，現狀交通量、歷年交通增長率及預測值、軸載譜等;

⑤路面結構性能:現狀彎沉值，混凝土強度，基層承載能力，接縫傳荷能力，板底脫空判定。

路表彎沉值檢測按縱向20m、橫向5m布點，對于彎沉值超過100的路段先進行注漿處理，以得到相對均勻的施工基面。

(2)施工前應設置能有效工作的路面邊緣排水系統，待疏干碎石化層、舊路基層中的水分后方才可進行后續工序或瀝青面層攤鋪。

(3)在進行正式施工前，應參考(表2)的工藝參數建議值，通過試驗段對實際施工的破碎參數進行重新標定。碎石化層0～8cm內的顆粒篩分級配應滿足(表1)的要求。原則上8cm以內被破碎小于5cm的粒徑占到50%即可。距路表8cm厚度以下范圍內應保持板塊裂而不碎。過分破碎會使整個結構層變得松散，不利于承載和荷載傳遞。碎石化層承載板實測模量(靜態)應介于100MPa～1000MPa之間，否則應調整共振破碎工藝參數。

表2 共振碎石化工藝參數

(4)破碎施工、補料、碾壓

共振破碎一般從邊向路中逐步進行，不留死角，碎石化層施工面達到一定面積時碾壓緊跟上。碾壓應按如下順序進行:初碾用鋼輪壓路機碾壓，碾壓一遍后，對坑洼部位和打裂開口部位用3～15mm的碎石填補，邊填補，邊灑水，邊碾壓。含水量按4～5%控制。碾壓過程中對被打裂浮于表面大于5cm的松散碎塊應人工清除，清除后留下的坑槽用碎石填補。

用于填補的碎石應干凈無泥土，用碎石填補的厚度不宜大于3cm。當填補厚度普遍大于3cm～8cm范圍時，宜直接由ATB瀝青混合料填補。當填補厚度普遍大于8cm以上時，為節約成本，宜用2～3%水泥穩定級配碎石混合料填補。

被碎石化層的碾壓方式按(表3)推薦方案執行。碾壓過程中可根據實際情況結合壓實度調整。

表3 被碎石化層推薦碾壓方案

被碎石化層的密實性采用智能壓實度儀監測，密實性用CMV值控制。施工單位管理人員應隨機跟蹤，碾壓過程中根據CMV的變化指導工人進行補料。當CMV值曲線基本平滑，并達到規定值90%以上時，可請監理確認后停止碾壓。

(5)封層施工

封層施工前必須清掃干凈碎石化層上的泥土及污染物，然后灑布透層油，透層油施工技術要求與常規瀝青路面施工相同。

(6)瀝青面層加鋪

瀝青面層加鋪前，應對碎石化路段與其它路段的交界處進行防治差異沉降處置，在交界段頂面鋪設一層玻璃纖維格柵網后再加鋪瀝青層，交接段長度以2～4m為宜。

瀝青加鋪層的技術要求與常規瀝青路面施工相同，參照現行規范執行。

2.4 施工效果

自本項目2013年2月完工至今已投入使用兩年多，路面使用狀況良好，未發現明顯裂縫、車轍等明顯病害，共振碎石化技術在本項目應用中收到了預期效果。

3 結語

國內開始共振碎石化技術研究和實踐的時間并不長，目前僅在福建、上海、浙江和廣西等地方的公路及少量市政工程有運用，尚未形成統一的技術標準和規范，在市政道路改造中的應用更是處于起步階段，缺乏一整套指導設計、施工的方法。

(1)本文在總結共振碎石化技術的作用機理、適用條件和目前國內應用情況的基礎上，從技術可行性、經濟效益、社會效益等方面充分論證了碎石化技術在市政道路改造中具有良好的前景。

(2)依托福州市東二環路面改造工程，提出了共振碎石化技術在市政道路改造中從設計到施工的工藝流程，結合項目實際情況對共振碎石化設備的工藝參數、破碎后的級配要求、密實度檢測及碎石化層回彈模量等主要指標提出了建議值，為類似水泥混凝土路面改造工程提供參考。

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