共振碎石化技術在城市主干道改造中的應用

中煤科工集團武漢設計研究院有限公司，湖北 武漢 430064

1 共振碎石化技術概述

水泥砼路面具有造價低、壽命長、耐水侵、承載力強等眾多優點，在路面改造中得到了廣泛的應用。國內早期建設的水泥路面都面臨提質改造，一般改造成瀝青砼路面，俗稱“白改黑”。其方法大致可以分為直接加鋪和破除重建兩大類。直接加鋪是對舊路面采取措施處理后直接加鋪瀝青面層，適用于交通量不大且水泥面板及路基狀態良好的城市道路。破除重建是將舊路面破碎移走后重新做基層，再加鋪瀝青面層，該方法費用昂貴，破壞環境，目前很少采用該方法改造路面。鑒于上述方法存在的缺點和局限性，共振碎石化技術應運而生。

共振碎石化技術是將持續產生的高頻低幅振動能量，通過破碎錘頭傳遞到水泥板塊內，使水泥板與之產生共振后發生破碎，破碎裂紋與路表呈30°～60°夾角分布。其優勢包括地層碎塊粒徑稍大且互相嵌鎖，有利于破碎后的結構能保持較好的承載力；表層碎塊粒徑略小，力學模式更趨向于級配碎石。

2 城市主干道概況

該項目位于廣西某市城北區火車站片區，道路南起八達西路，北至黃田鎮國土資源所附近（X991縣道），擬改造道路路線全長約為2.8km。既有道路路面寬為15m，屬于一幅路形式，路面為水泥砼路面，路面狀況良好，機非混行。規劃紅線40m外均已建成3～7層不等的樓房，樓房前與既有道路之間均用于停車，無人行道。根據地質資料，既有機動車道路面自上而下為C30砼面板厚20～30cm；水泥穩定碎石層厚20～90cm；素填土層。

該道路所處區域為巖溶地區，溶洞較為發育，但其上大多有2.5～4m厚的黃土層覆蓋形成“保護殼”，按當地經驗，道路施工在“保護殼”上完成即可，無需對下臥溶洞進行處理，只有局部溶洞埋設較淺段需要采用必要的措施。此外，該道路前幾年經過多次局部整修，發現部分區域既有砼面板薄且水穩層厚度僅有20cm，這樣的路面構造是難以達到主干道改造設計指標，也對后期共振碎石化技術提出了更高的要求。

3 路面結構設計方案的選擇

3.1 砼路面直接瀝青罩面

按常規思路，該主干道改造路面狀況良好，通常對路面完整區域進行直接瀝青罩面處理，并根據不同路損情況采取不同的處理方案。破損程度輕：即現有砼板塊上存在少量路面裂縫，無沉陷、坑槽、錯臺等嚴重病害時，進行灌縫處理。破損程度中：即局部破碎、橫向裂縫、斷角等病害的路段，進行局部切除然后恢復。破損程度重：即板塊出現大面積嚴重的破碎，縱、橫向貫通斷裂、沉陷、錯臺、脫空等病害，則將整塊板破損并清理，然后再行恢復。

機動車道砼路面罩面采用三層瀝青砼，分別為表面層，細粒式瀝青砼（AC-13C）4cm；中面層，中粒式瀝青砼（AC-20C）6cm；調平層，粗粒式瀝青砼（AC-25C）7～20cm。

該方案是在缺少路面檢測資料，基于節省投資的設計理念的前提下考慮的，后期道路運營中可能局部出現病害需要處理（前期未發現砼面板錯臺、脫空等病害處）。但在項目設計進展中，了解到既有道路前后經過數次局部改造，由于原有面板基層厚度不一，改造效果均差強人意，耐久性差，從而使用共振碎石化技術工藝進行比較。

3.2 共振碎石化處理既有砼路面

該方案在路面碎石化過程中能夠有效發現地質不良區域（砼面板下軟弱層吸收共振波能量，砼面板不能碎化完整，呈大顆粒狀），從而能夠完全避免不良地質區段遺漏，確保道路使用期間不發生沉降變形。該改造道路技術標準定位為城市主干道（交通流量大），對應瀝青面層下部的基層需要采用剛性基層（水泥砼）或半剛性基層（水穩碎石），這樣才能確保瀝青面層的正常使用壽命和功能。采用共振碎石化既有砼面板，經碾壓后能夠達到半剛性基層要求，而后再直接加鋪瀝青面層。路面結構層如下：表面層，細粒式瀝青砼（AC-13C）4cm；中面層，中粒式瀝青砼（AC-20C）6cm；下面層，粗粒式瀝青砼（AC-25C）7cm；下封層，改性乳化瀝青0.6cm；基層，既有砼面板碎石基層。

3.3 方案比較及推薦

（1）局部修復后直接加鋪瀝青面層方案。優點是前期投資省。缺點是僅對目前局部明顯破損的砼面板進行破除重鋪，后期存在砼斷板隱患，維護費用較多；不能及時發現既有砼面板下地質不良區域，存在隱患。

（2）共振碎石化直接加鋪瀝青面層方案。優點是將既有砼面板全部破碎，消除了后期斷板隱患，后期維護費用較少；發現地質不良區域能及時處理，消除后期隱患。缺點是砼路面碎石化施工期間噪聲較大，前期投資高。

綜合考慮，推薦采用共振碎石化后直接加鋪瀝青面層方案。

4 路面結構技術參數

經過比選和必要的專家論證，最終既有砼路面改造采用共振碎石化技術，水泥砼路面再生后頂面當量回彈模量預估值為100～180MPa，實測抗壓強度代表值≤30MPa；而如果其預估值為140～220MPa，則實測抗壓強度代表值＞30MPa。其他施工技術要求按《公路水泥砼路面再生利用技術細則》（JTG/T F31—2014）執行。

5 軟基及不規范地段的方案處理

既有主干道前期有部分區域路面結構層較不規范，不僅砼面板厚度偏小，其下水穩層厚度最薄也僅有20cm，遠達不到最低標準，這樣不規范及部分因巖溶地層而形成的軟基地段，需要及時進行處理。結合共振碎石化的技術特點，經過多次試驗驗證，最終現場采用如下方案：對實測彎沉大于1mm的路段，開挖1.45m，從頂到底按15cm廠拌改善（2.5%水泥替代石粉）級配碎石（壓實度不小于98%，彎沉值不大于0.5mm）+20cm C20素水泥砼+30cm級配碎石回填（分兩層壓實，壓實度不小于96%，彎沉值不大于1mm）+約30cm經共振碎石化砼面板材料（上路床，壓實度不小于95%，彎沉值不大于2.5mm）+50cm的片石（下路床，現場分層壓實無車轍印）進行換填。

其中，在實施之前的專家評審會上，參會專家對設計提出的處理方案表示認可，同時提出將頂部35cm中的15cm廠拌改善（2.5%水泥替代石粉）級配碎石+20cm C20水泥砼替換為兩層18cm水泥穩定碎石（4%+6%）的比較方案，最終比較及推薦表如表1所示（僅對換填頂部兩層進行比較）。

表1 頂部兩層處理方案比較及推薦表

6 超低填方段的方案處理

局部地段道路瀝青鋪筑厚度＜9cm，考慮原有砼路面采用共振碎化工藝及原有砼面板下為20～25cm厚級配碎石的情況，再結合共振碎石化技術工藝的特點，現場采用處理措施如下：開挖至原有砼面板下級配碎石頂面，而后由上而下鋪筑4cm厚SBS改性AC-13C細粒式瀝青砼+6cm厚AC-20C中粒式瀝青砼+AC-20C中粒式瀝青砼調平（瀝青鋪筑厚度＞5cm段）+10cm廠拌改善（2.5%水泥替代石粉）級配碎石（壓實度不小于98%，彎沉值不大于0.5mm）+20cm厚C20素水泥砼。

7 共振碎石化應用效果評價

共振碎石化技術在該市還是首次運用，無論是建設單位、施工單位，還是監理單位都是首次接觸該技術，對該道路各個工序的檢測指標都是通過參建四方共同簽字認可后方可繼續，對于部分因原路面結構偏薄及軟基地段而采取的處理方案也經過反復論證后才能實施。截至目前，該道路竣工通車近3年，路面各項技術指標均滿足要求。同時，該技術極大節省道路施工時間，減小對社會的影響，為該技術后期在該市其他道路的改造應用中打下了良好基礎。

8 結束語

國內城市道路前期建設時大多采用砼路面，運營時帶來的噪聲、粉塵污染均極大影響了市容市貌，絕大部分城市都在推進“白改黑”進程，相對于傳統的修補后罩面工藝，共振碎石化技術有其獨特的優勢，具有較高的推廣和應用價值。