水泥路面高頻共振碎石化轉換瀝青路面柔性基層可行性研究

祁 亮

中煤科工集團武漢設計研究院有限公司（430064）

水泥混凝土路面雖然有許多優點，但是在道路通車不久便會產生裂縫、斷板、錯臺等病害，使混凝土路面的使用壽命減少20%～70%， 導致路面完好率和耐久性受到嚴重影響。 同時，水泥混凝土路面接縫多，接縫處顛簸跳車，行車舒適性較差，且一旦損壞，修復比較困難和復雜。 高頻共振碎石作為現代改造舊水泥公路的重要施工技術之一，在施工中發揮著不可替代的作用，不僅可以有效地解決舊公路水泥路面的各類病害問題，而且施工周期短，還可以減少資源、材料的浪費，降低公路再施工的成本。

1 高頻共振碎石化技術

1.1 技術簡介

Rubblization (碎石化)是指利用共振碎石機，通過低振幅(高度為2 cm 左右)、高頻率(44 Hz 左右)的振動錘對水泥路面進行破碎，將原水泥混凝土路面破碎成直徑為3～20 cm 并相互緊密嵌鎖的小塊，這樣既能夠使破碎后的水泥混凝土路面有足夠的承載力，可直接作為瀝青加罩層的下臥基層，又從根本上消除將來瀝青加罩層的反射裂縫現象。在原水泥混凝土路面上直接加鋪瀝青混凝土的工藝，只是“延緩”了反射裂紋的產生，而無法減少或者“根除”反射裂紋，3～5 年內仍需重復改造。其原理如圖1 和圖2 所示。

圖1 直接加鋪和破碎比較

1.2 共振碎石設備的工作特點

水泥板塊產生的裂紋是斜向的，與路面呈35°～40°角。這種獨特的斜向嵌緊的結構有效地保持了破碎后板塊的承載力，可防止車轍的出現。

圖2 反射裂紋成因

作用于水泥板塊內部的高頻振動力使得板塊整體碎裂均勻，碎塊大小和方向極其規律，而且板塊里面的鋼筋也與混凝土完全剝離。

共振設備只是將裂紋擴展到板塊的邊緣，所以對板塊周邊的結構設施不會造成任何損壞。

水泥混凝土路面破碎后作為基層使用時，除了消除反射裂縫的影響外，還需保證其具有足夠的承載強度，破碎的粒徑尺寸直接影響到道路改造的效果。 破碎后的粒度大小與引起反射裂縫的傾向成正比，而與破碎后該層的結構失效率成反比。即碎塊粒徑越大，作為基層使用的該層在結構上越不容易失效，承載能力越強，但引起反射裂縫的概率也越大；粒徑越小，反射裂縫形成的傾向越小，而且整體承載能力也越小。 理想的碎石化要求碎石尺寸為3～20 cm，既可避免出現反射裂紋、又可以防止結構失效；均勻的破碎尺寸、緊密的嵌鎖結構，可以有效排水，防止水害；不破壞基層和周邊結構物；鋼筋和混凝土塊有效地分離； 無需加鋪碎石或水穩等應力吸收層。通過彈性層狀體系理論可以得知，路基路面各層彈性模量要上強下弱，方可避免反射裂紋的產生[1]。

由圖3～圖7 可知，懸浮式碎石化共振技術的應用完全不損壞公路的基層。 與其他方法不同，高頻共振碎石化技術使混凝土中的裂縫與水平方向呈35°～45°角，且板塊被整體破碎，可以在不傷害路基外形或路基材料的情況下剝離所有的鋼筋。 低頻高幅的共振碎石化的能量被水泥混凝土板塊吸收，且不會把破碎石塊砸入路基[2]。

圖3 普通高壓沖擊錘

圖4 普通高壓重錘與共振碎石比較

圖5 理想的共振碎石尺寸范圍

圖6 碎石化層最佳粒徑及模量的確定

圖7 共振碎石路面結構層典型厚度及模量

2 工程概況

本工程位于南方某市城區主干道，起訖樁號為K427+750～K433+265，全長 5.515 km。 原設計舊混凝土路面為挖補處理， 因舊板斷板率不斷擴大，挖補率由原來的32.75%提高到62.23%。 道路兩旁有各種批發市場、長途車站、物流集散地，來往重載車輛多，交通流量大，交通疏導壓力大。 屬于原有國道改線前穿越市區的道路，周邊房屋商鋪較多，地下管線錯綜復雜，且沒有相關管線圖紙可參照。

為探索水泥路面提質改造的建設方案，在原有多錘頭破碎加鋪水穩半剛性基層的經驗基礎上，結合南方省市白改黑工程的經驗，經多方論證和綜合比選， 最終確定采用高頻共振碎石技術將原有25 cm 厚水泥混凝土面板共振碎石后做為柔性粒料基層，直接加鋪三層瀝青混凝土面層，路面結構層具體情況見表1。

3 原有水泥路面狀況調查

3.1 沒有錯臺、開裂并且平整的路段

該路段全長為5.5 km，原有水泥路面大部分相對完整，板塊上有不規則裂紋，很大一部分是因為水泥板自身強度不夠，在外力作用下斷裂的，沒有下陷和錯臺，說明基礎牢固，沒有脫空[3]。

3.2 瀝青填補后相對穩定的路段

K429+500～K431+500 路段有很大面積的瀝青修補路段，有一部分瀝青修補段經過多年的通車行駛，基礎穩定，瀝青表面完整，沒有新的病害產生。

3.3 瀝青填補后仍不穩定的路段

在十字路口、綠化帶開口、市場出入口位置，由于大車來回碾壓、起步停車等因素，造成面板破損嚴重、錯臺、路面下陷甚至翻漿、路面坑槽高差大于10 cm。 說明下臥基礎軟弱（甚至沒有水穩基層）。

4 共振碎石施工中的主要技術措施

4.1 本工程采用的共振破碎施工工藝流程

圖8 為本工程的施工工藝流程。

表1 瀝青混凝土路面結構層

圖8 水泥混凝土路面共振碎石化施工流程圖

4.2 瀝青混凝土修補塊的銑刨及共振碎石化效果

將原有路面上所有填補的瀝青混凝土全部銑刨，露出舊水泥混凝土面板，水泥混凝土面板直接用高頻共振設備碎石化施工，然后灑水壓實，形成合格的柔性基層[4]。

正常混凝土面板共振破碎后，會形成表面合格的級配碎石（天然應力吸收層），下部裂而不碎的原位嵌鎖結構總體成為合格的半柔性粒料基層（介于柔性與半剛性之間，具體如圖9 所示）。

4.3 路面結構防排水處理

因道路兩側綠化帶及路緣石不能擾動，無法設置縱向排水盲溝，所以采取了封水措施:1 cm 同步碎石分兩層灑布、壓實。 面層之間也布設改性乳化瀝青粘層。 中面層AC-16 粒徑略微偏細，為增強其承載力和抗剪性能，避免疲勞損傷和車轍，添加玄武巖纖維。

4.4 采用級配碎石層調平

原有路面缺角、斷板、下沉、瀝青修補的路段，共振后只要表面碎石均勻，沒有繼續下陷，就可認定下部基層穩定，局部撒級配碎石找平即可，具體如圖10 所示。

圖9 表面合格的級配碎石

圖10 局部撒級配碎石

4.5 軟基處理

軟基或脫空處共振碎石，表面極易產生大塊，且有下沉；對大面積軟基和脫空，必須進行換填補強處理。 K432+480 食品批發市場門口，以下分別為在共振前、共振時、共振后、開挖后的圖片，共振表面產生大塊，且有下沉；挖開以后，下面沒有水穩基層，直接就是土基。 對這種軟基的處理可挖除到實底 （一般將原有基層挖除）， 換填低標號水泥混凝土，上余10 cm 換填瀝青碎石或級配碎石，與周邊共振碎石共同形成柔性基層如圖11 所示。

圖11 柔性基層

4.6 壓實質量控制

壓路機采用具有高頻、低幅振動鋼輪且不小于10 t 壓路機，碾壓速度不得大于1.83 m/s，碾壓遍數按最少3 個來回控制。 碾壓時為增強壓實效果，可先灑水，然后壓實。 碾壓時應將表面細碎粒壓入表面裂縫，進一步提高破碎混凝土的模量，使破碎混凝土嵌入路基空隙中，并壓出一致平滑的表面用于攤鋪瀝青。 壓實后，任何垂直移動超過2 cm 的局部都要考慮開挖移除，并用級配碎石粒料回填。

在地勢較低、路面積水較多的路段存在路面壓得太實或者實度不夠的問題，影響共振碎石化的均勻度。 針對以上問題，在正式破碎之前，先進行試振及開挖試坑檢查，通過開挖，檢查破碎粒徑分布情況及均勻程度，確定破碎機械施工參數及施工組織措施。 破碎后要進行碾壓，壓實采用高頻低振幅的方式，壓路機噸位不能太大，碾壓遍數也不要太多，注意不要過量壓實。

5 共振碎石檢測及質量監控

5.1 共振碎石后的質量檢測

根據規范要求，主要檢測兩大質量指標:①回彈模量或彎沉的測定，確保承載力；②試坑開挖測量粒徑，觀察斜向裂縫，確保共振碎石均勻。 共振碎石的粒徑與模量值是一對矛盾體:破的越碎，模量越低。 共振碎石是將水泥剛性面板轉化為碎石柔性基層，徹底根除了反射裂縫，但必須確保承載力符合設計要求，避免日后疲勞裂縫的產生。 所以在承載力滿足的前提下，應盡量保證粒徑大小符合規范要求[5]。

5.2 共振碎石承載力檢測

傳統的承載板法只適合土基回彈模量的測定，對于粒料層表面和舊路表面應采用貝克曼梁法測定回彈模量， 即用彎沉儀測試各測點的回彈彎沉值，然后通過計算求得回彈模量值。 根據本工程設計和道路的實際狀況， 測得回彈模量＞300 MPa、彎沉值＜65（0.01 mm），符合設計及規范要求。

5.3 共振碎石試坑檢測

共振碎石面開挖試坑的主要目的是觀察碎石后斜向裂縫是否貫穿混凝土面板，以確保水泥混凝土板內部應力釋放，避免翹板效應，根除反射裂縫。本工程碎石后分為上下兩層，上層粒徑＜9 cm，下層粒徑＜23 cm。 共振碎石后的水泥板內部實際上充斥著微裂紋，挖出的每一塊石頭摔裂后還會進一步分解。 不同的水泥混凝土破裂的形式不一樣，挖掘機能很輕松地將其挖開，但有時側面裂縫并不明顯。

5.4 共振碎石過程監控

碎石過程中，通過測量上部松散碎石的深度來監控破碎的程度，并隨時調整設備，以確保碎石后的混凝土板的承載力仍然符合設計要求。 經過總結，本工程上部碎石層深度在3～7 cm 較為適宜[6]。

6 舊水泥路面改瀝青路面采用不同施工工藝的費用對比分析

結合湖北省現有公路舊水泥路面改瀝青路面的不同施工工藝，以及湖北省高速公路主要材料預算價格進行對比分析，具體情況見表2。

7 高頻共振碎石化技術對我國公路改造的積極意義

共振碎石以其獨特的“上部（不超過1/2 板厚）碎石化，下部嵌鎖化”結構，優化了路面結構，使其既保持了彈性，又具有極高的承載力；既能排掉瀝青層滲水，又能保證水不滲至基層，避免路基二次病害；徹底消除板塊效應，根除反射裂紋，保證改造完工后的瀝青路面的長壽命[7]。

便利的“碎完即壓，壓后即鋪，鋪完即放”的施工組織方式，特殊情況下甚至可采取“碎完即放，放后再鋪”的方式，保證改造施工用時最短、對交通干擾最小、社會成本最低。

舊水泥板就地破碎、再生利用，變廢為寶，完全符合我國建設資源節約型、環境友好型社會的戰略方針。

表2 舊水泥路面的施工工藝及材料價格

美國作為水泥公路大國，從1986 年起已應用本工藝完成數千公里高速公路改造，使用時間最長的已超過二十年，無一失敗案例；我國從2004 年開始引進、使用該工藝，在上海、浙江、四川、福建、湖北、湖南、陜西、江蘇、廣西、廣東等地一、二級國省干道及城市主干道進行推廣應用，全部獲得成功。