共振碎石化技術(shù)在水泥混凝土路面改造中的應(yīng)用

■姚 銳

（福建省宇浩建設(shè)工程有限公司，福州 350100）

0 引言

如果在水泥板上直接鋪筑瀝青路面，由于溫度變化及車(chē)輛荷載等作用會(huì)引起反射裂縫。因此把舊混凝土路面改建成瀝青路面，需要解決的最大問(wèn)題是克服舊混凝土板的反射裂縫，消除反射裂縫產(chǎn)生的條件。目前常見(jiàn)的做法有以下兩種。

（1）挖除舊混凝土結(jié)構(gòu)層，從而使舊面板產(chǎn)生反射裂縫的問(wèn)題得以根除。這種方法工藝簡(jiǎn)單、成熟，設(shè)備要求低。但施工期較長(zhǎng)，交通封閉時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)于大交通量的公路容易引起堵車(chē)，從而增加社會(huì)成本；同時(shí)廢棄舊混凝土板需要占用大量場(chǎng)地而帶來(lái)環(huán)保問(wèn)題。

（2）舊混凝土路面上加鋪防裂貼、纖維材料層等，然后加鋪進(jìn)行面層施工。這種方法施工期較短，不產(chǎn)生廢棄挖除物，無(wú)噪音、無(wú)振動(dòng)。缺點(diǎn)是他必須對(duì)病害板塊進(jìn)行處理，比如對(duì)脫空板塊進(jìn)行注漿等，處理也比較復(fù)雜。最主要的缺點(diǎn)是其只能延緩反射裂縫產(chǎn)生的時(shí)間，而不能徹底消除，導(dǎo)致使用壽命比較短；另外后期養(yǎng)護(hù)較為復(fù)雜，養(yǎng)護(hù)成本高。

綜合以上，采用舊混凝土路面破碎后加鋪技術(shù)是一項(xiàng)有效解決上述問(wèn)題的路面施工措施。它是指在舊水泥混凝土路面改造過(guò)程中，利用特殊的水泥面板破碎設(shè)備將舊水泥混凝土路面打碎、壓穩(wěn)后加鋪路面結(jié)構(gòu)層的一種施工方法。由于水泥板破碎成為較小的碎塊之后，能夠大大降低溫度變化時(shí)水泥板的熱脹冷縮；然后經(jīng)過(guò)壓路機(jī)碾壓消除板塊間彎沉差，從而降低反射裂縫產(chǎn)生的可能性。

破碎技術(shù)一般又分三種：沖擊壓實(shí)技術(shù)、打裂壓穩(wěn)技術(shù)及碎石化技術(shù)。前兩種方式包括碎石化技術(shù)中的多錘頭技術(shù)可以達(dá)到抑制反射裂縫產(chǎn)生的作用，但是由于水泥板粉碎不夠徹底，這幾種技術(shù)也不能完全消除反射裂縫。同時(shí)由于施工時(shí)的沖擊力比較大，對(duì)周邊的房屋、擋土墻等建筑物和隱蔽工程會(huì)產(chǎn)生影響。對(duì)舊路面結(jié)構(gòu)層擾動(dòng)、破壞比較嚴(yán)重，可能造成老路承載力不足而需要補(bǔ)強(qiáng)。

1 共振碎石化技術(shù)簡(jiǎn)介

水泥路面共振碎石化技術(shù)由美國(guó)率先開(kāi)發(fā)使用，2004年由美國(guó)的安邁（RMI）公司把這項(xiàng)技術(shù)引入我國(guó)。共振碎石化技術(shù)是通過(guò)共振原理，使舊水泥板與破碎機(jī)械產(chǎn)生共振，將舊水泥混凝土板碎裂成上層相互嵌擠、下層相互嵌鎖水泥混凝土碎石粒料層，破碎后的碎石形狀相鄰互補(bǔ)、粒徑較小，形成相互嵌擠的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，解決了原水泥板在接縫處的水平及豎向位移，消除了原有板塊接縫向上反射的動(dòng)力，該層的強(qiáng)度和剛度高于級(jí)配碎石，同時(shí)對(duì)舊路地基的影響也較小，是目前最能有效解決加鋪路面反射裂縫問(wèn)題的技術(shù)。

與其他碎石化工藝做個(gè)比較，共振碎石化技術(shù)有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

（1）對(duì)舊板各層擾動(dòng)、破壞很小且能夠保持原有公路的承載力。由于它采用的是共振原理，它的能量被水泥混凝土吸收，不會(huì)把破碎的石塊砸入原有基層，因此維持了原有基層的承載力。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工的情況，通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，共振施工的震動(dòng)感小于其他碎石化工藝。

（2）對(duì)舊板破碎更加徹底，結(jié)構(gòu)更加合理，破碎后它的上層粒徑絕大多數(shù)不超過(guò)4cm，能有效防止反射裂縫；下層絕大多數(shù)不超過(guò)15cm，為板體性較好但有許多裂縫的碎化層。它的裂縫是成一定的角度從混凝土頂部斜向開(kāi)裂至底部，形成了一種嵌鎖結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)與其它碎石化方式形成的垂直破裂結(jié)構(gòu)相比，有更大的承載力。也就是說(shuō)既能保證碎石化層仍有一定的強(qiáng)度，又能起到防止反射裂縫的作用。這種結(jié)構(gòu)是目前其他方法無(wú)法做到的。

（3）這種方法施工工期短，每天最大破碎量在4000～5000m2之間，破碎后即可鋪筑路面，交通封閉時(shí)間比挖除原有混凝土結(jié)構(gòu)層重新鋪筑路面的方式減少3～5倍以上。

（4）基本不需要廢方，有利環(huán)保。

（5）從價(jià)格上比較，與挖除原有混凝土結(jié)構(gòu)層重新鋪筑路面方式的造價(jià)基本相同甚至略低。相對(duì)于其他共振技術(shù)，由于反射裂縫控制合理，使用壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他共振技術(shù)。

2 共振碎石化工作原理及碎石粒徑

2.1 工作原理

共振破碎的工作原理是通過(guò)方形鋼梁傳遞給錘頭，在偏心軸力的驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生一定頻率的振動(dòng)諧波，其振動(dòng)能量傳遞到水泥混凝土板，引起板的共振并迅速破碎開(kāi)裂，如圖1所示。

圖1 共振碎石化工作原理（本圖來(lái)源：美國(guó)RMI研究資料）

水泥砼的彈性模量應(yīng)該大于瀝青層，因此在攤鋪瀝青前，需要將原來(lái)的水泥砼碎化，使其變?yōu)槿嵝曰鶎樱娇杀苊馍厦娴臑r青層產(chǎn)生反射裂紋。碎石化的目的就是通過(guò)破碎，將水泥砼由剛性面層轉(zhuǎn)化為柔性基層。碎石化技術(shù)采用柔性底基理論，即路面各層彈性模量（E）應(yīng)該上強(qiáng)下弱，才能避免反射裂紋的產(chǎn)生，如圖2所示。

圖2 柔性基底結(jié)構(gòu)

2.2 碎石粒徑

合格的碎石粒徑影響改造路面的路用性能。如果碎石尺寸過(guò)大，反射裂紋仍會(huì)產(chǎn)生；如果碎石的尺寸過(guò)小，或者相互之間沒(méi)有嵌鎖，整個(gè)破碎的水泥砼層就會(huì)因缺乏強(qiáng)度而失效。不同的碎石尺寸對(duì)失效概率的影響如圖3所示。

因此，要取得合格的碎石粒徑是本技術(shù)的難點(diǎn)之一。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，碎石尺寸在3～23cm之間，可避免反射裂紋，又能防止結(jié)構(gòu)失效。合格的碎石化路面效果如圖4所示。

圖3 碎石尺寸和失效概率之間的關(guān)系

圖4 合格的碎石化路面效果圖

3 共振碎石化施工工藝

（1）碎石化施工前調(diào)查及準(zhǔn)備

要對(duì)地質(zhì)情況差的路段事先加以處理。另外為了保證橋涵結(jié)構(gòu)物的安全，構(gòu)造物兩端要留一定的距離不能采用碎石化工藝，按照實(shí)際施工情況來(lái)看，埋到路基50cm以下的圓管涵，基本上不會(huì)產(chǎn)生影響。如果水泥砼內(nèi)有鋼筋，則水泥砼和鋼筋必須完全脫離；另外因?yàn)樗槭?，舊混凝土?xí)蛩闹苡幸欢ǖ臄U(kuò)張，因此對(duì)板體性較強(qiáng)（配筋混凝土等）、較寬或沒(méi)有碎石化伸縮空間的路面，需考慮對(duì)舊水泥混凝土路面進(jìn)行縱向切割。碎石化對(duì)排水系統(tǒng)要求很高，能否提供足夠的承載力、能否防止和消除反射裂縫，與是否安置了排水系統(tǒng)以及是否合理有很大的關(guān)系，舊路面碎石化后，相當(dāng)于一個(gè)基層排水系統(tǒng)，我們要做的就是把碎石層的水排到路基以外，一般來(lái)說(shuō)，可以在路邊緣設(shè)置盲溝或集水管等。

（2）在正式破碎之前，要先進(jìn)行試振及開(kāi)挖試坑檢查，通過(guò)開(kāi)挖，檢查破碎粒徑分布情況以及均勻程度，確定破碎機(jī)械施工參數(shù)以及施工組織措施。

（3）破碎后要進(jìn)行碾壓，碾壓時(shí)壓路機(jī)采用高頻低振幅的方式，噸位不用太大，碾壓邊數(shù)也不要太多，要注意不要過(guò)量壓實(shí)。

（4）瀝青攤鋪工藝與其他瀝青路面工藝是一樣的，但要注意碎石化層碾壓完后（48h）內(nèi)應(yīng)進(jìn)行攤鋪，以減少車(chē)輛交通及雨水對(duì)破碎層的影響。碎石化層碾壓后，一般可不涂灑透層油、也不必設(shè)置應(yīng)力吸收層、應(yīng)力吸收膜、土工織物等材料，可直接進(jìn)行攤鋪并碾壓。也可以參考多錘頭碎石化施工的經(jīng)驗(yàn)，在碎石化壓實(shí)后的表面上灑布乳化瀝青透層油。

4 共振碎石化技術(shù)的適用條件及使用經(jīng)驗(yàn)

從2005年開(kāi)始、在上海、浙江等地區(qū)逐步開(kāi)始應(yīng)用。2015～2016年在福建省G316順昌段、G324福清段、G205永安段、S201福清段的路面改建工程中進(jìn)行了應(yīng)用。根據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)共振碎石化施工面積在以上幾個(gè)地區(qū)累計(jì)約950萬(wàn)m2），無(wú)一出現(xiàn)反射裂紋和路面結(jié)構(gòu)損壞現(xiàn)象。

4.1 共振化技術(shù)的適用條件

（1）不適用于路基承載能力差的路段。如果是由于路基原因造成的承載能力不足而產(chǎn)生的水泥混凝土路面破壞，碎石化工藝本身是沒(méi)有辦法解決這個(gè)問(wèn)題的。除了事先試驗(yàn)確定外，根據(jù)美國(guó)的使用經(jīng)驗(yàn)，在現(xiàn)場(chǎng)時(shí)可以使用以下判斷方法：當(dāng)共振破碎機(jī)施工時(shí)留下5cm或更深的車(chē)轍，就表明這個(gè)地區(qū)不適合共振破碎工藝；如果并未產(chǎn)生很大的車(chē)轍，證明混凝土路面能夠支撐近30t的共振機(jī)器的重量，隨著邊緣排水系統(tǒng)開(kāi)始排掉基層和底基層的水，應(yīng)該足夠堅(jiān)固以支撐交通荷載。由于震動(dòng)功率的原因，雙層或水泥板太厚路段（大于30cm）也不適用或者需要事先進(jìn)行預(yù)破碎。

（2）底下埋有重要管線(xiàn)可能造成危害的路段、橋涵路段不適用這個(gè)工藝。

（3）其他的，比如是由于板底脫空、唧泥、堿集料反應(yīng)、凍融破壞等非路基原因引起的板塊破裂的公路、城市道路、機(jī)場(chǎng)等均可考慮使用，特別是對(duì)高交通量地區(qū)尤其適合。

4.2 共振碎石技術(shù)的使用經(jīng)驗(yàn)

根據(jù)福建省的工程實(shí)踐，得到如下經(jīng)驗(yàn)。

（1）若外側(cè)車(chē)道邊緣有路緣石或其它設(shè)施、內(nèi)側(cè)車(chē)道靠中央分隔帶邊緣阻礙共振機(jī)械的施工，即沿著車(chē)道縱向破碎時(shí)，內(nèi)外側(cè)車(chē)道邊緣會(huì)有50～75cm的路面破碎不到（錘頭不能作水平移動(dòng)），此時(shí)，可讓共振機(jī)械與內(nèi)外側(cè)車(chē)道邊緣成 30°～50°的角度破碎。

（2）在設(shè)計(jì)上要合理的選擇縱坡設(shè)計(jì)參數(shù)。因?yàn)槊鎸邮侵苯釉谒槭瘜由蠞仓?，因此，舊水泥混凝土路面原來(lái)的縱坡及平整度對(duì)施工完成后的影響相當(dāng)大。如果縱坡要求過(guò)高會(huì)造成調(diào)平層太厚，那么在調(diào)平層材料選擇、結(jié)構(gòu)合理性方面會(huì)產(chǎn)生影響，也會(huì)造成造價(jià)過(guò)大。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)以保證行車(chē)舒適性為目的合理選用縱坡標(biāo)準(zhǔn)。

（3）碎石化層結(jié)構(gòu)比較特殊，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有規(guī)范上沒(méi)有明確的計(jì)算設(shè)計(jì)彎沉的方法，按現(xiàn)有理論計(jì)算彎沉和實(shí)際還是有所差別，在一點(diǎn)上還需要加強(qiáng)理論研究

5 結(jié)論

共振碎石作為現(xiàn)代改造舊水泥公路的重要施工技術(shù)之一，其在施工中發(fā)揮著不可替代的作用，合理的應(yīng)用，不僅可以有效的解決舊公路水泥路面的各類(lèi)病害問(wèn)題，而且施工周期也大大減少，給人家生活帶來(lái)了更多的方便，施工中還可以減少資源、材料的浪費(fèi)，降低國(guó)家對(duì)公路再施工的成本。可見(jiàn)，選擇共振碎石技術(shù)來(lái)對(duì)舊公路水泥路面進(jìn)行改造具有較大的優(yōu)勢(shì)。而施工企業(yè)更應(yīng)該在具體施工過(guò)程中，全面掌握共振碎石施工工藝技術(shù)和基本原理，對(duì)共振碎石進(jìn)行規(guī)范化，進(jìn)而提升改造工程的修筑質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)公路事業(yè)給人家和社會(huì)帶來(lái)的各種效益。

[1]張叔林.陜西省舊水泥混凝土路面共振碎石化技術(shù)應(yīng)用研究.西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2015.

[2]史仍超.舊水泥混凝土路面板固有頻率及其在共振碎石化技術(shù)中的應(yīng)用研究.西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2016.

[3]崔國(guó)燕.水泥混凝土路面共振碎石技術(shù)探討[J].工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2016（1）：81-83.

[4]徐柱杰，凌建明，黃琴龍.舊水泥混凝土路面共振碎石化效果研究[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2008 ，21 （5） ：26-32.

[5]黃琴龍，陳達(dá)豪，凌建明，徐柱杰.共振碎石化在上海水泥混凝土路面改建中的成效[J].長(zhǎng)沙理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008，5（2）：103-106.

[6]徐柱杰，凌建明，黃琴龍，謝旗.舊水泥混凝土共振碎石化路面模量分析[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008 ，36 （9） ：1195-1198.

[7]簡(jiǎn)斌，古有軍.共振碎石化技術(shù)在水泥路面改造工程中的應(yīng)用[J].黑龍江交通科技，2012 （9） ：43-44.