高速公路舊水泥混凝土路面共振碎石化技術的應用分析

鄒劍

摘要 文章以共振碎石化技術應用作為研究重點，結合案例高速公路舊水泥混凝土路面改造工程，提出了共振碎石化技術的應用方法。研究表明，當前傳統的水泥混凝土路面改造技術已經難以滿足實際的工程改造要求，應用共振碎石化技術能夠有效解決道路改造時諸多問題，為公路事業長期穩健發展具有促進作用。

關鍵詞 高速公路;水泥混凝土;路面施工;共振碎石化

中圖分類號 U416.216 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）07-0166-03

0 前言

共振破碎石化技技術原理是將板塊破碎，作為基層改建，通過降低加鋪路面的承載結構水平，以及碎塊與碎塊之間的嵌鎖力學特征，可有效規避反射裂縫的變形影響，使得改建后的基層趨于柔性狀態，相比于普通品質合格密集配碎石，前者將抗變形的性能水平提升至原先的1.5～3倍，在眾多的公路改建工程中被大力推廣。

1 共振碎石化技術的基本原理

共振碎石化技術強調振動擊打的頻率，所借助的振動錘頭與水泥混凝土撞擊之后，除了需要掌握舊路面板的固有頻率，還需要妥善應用好錘頭的振動頻率，要求在實際工程應用時，要充分了解共振碎石化技術的基本原理。

1.1 相關機械的性能參數

共振碎石化所使用的機械設備，在性能參數方面是否合格關系到碎石化是否能夠達到預期的效果。性能的優越性與共振碎石機的基本構造息息相關。下面案例工程所使用的共振碎石機為GZL型，該型號的共振碎石機主要包括駕駛系統、動力系統、車輛系統、配重系統、液壓系統、振動系統和散熱系統等，主要應用工程為公路水泥混凝土路面改造工程和機場道面水泥混凝土路面改造工程，主要的性能參數如表1所示：

1.2 基本原理

水泥混凝土路面板所受到的持續機械能，是共振破碎機通過振動錘頭的不斷沖擊，從撞擊的局部區域往周圍傳遞，除了極少的部分應力波輸送至路面板內部，其余的應力波以來回反射的形式，使得能量滯留于路面板內部，材料所保持的平衡被打破，當路面板內部超出極限狀態的應力承受范圍，彈性系統就會逐漸趨于崩潰邊緣，最終產生縱橫交錯的裂縫，形成大小不一的碎塊，如圖1。

在應用共振碎石化技術時，對于直接作用于地面的振動錘頭，在規定的撞擊時間內，要把握好振動的頻率，在產生表面裂紋之后，才能夠將能量有效傳輸至面板之內，并通過裂紋往材料邊界擴展，同時確保不會損壞基層結構的穩定[1]。根據施工經驗總結，共振的碎石裂紋，與路面呈35～40°角，如圖1所示，這種裂紋既能夠保證碎塊之間互相嵌鎖，還可以有效避免沖擊基層。由此可見，對高頻低幅的斜向受力控制，是保證共振碎石化承載能力的關鍵。

2 案例工程的共振碎石化技術應用

根據以上共振碎石化技術的基本原理，在案例工程中利用GZL型的共振碎石機并應用共振碎石化技術如下：

2.1 工程概況

該工程屬于三級高速公路，修建于2001年，設計速度為60～80 km/h，路面和路基的寬度分別為10 m、12 m，設計了雙向四車道，路面面層為C30水泥混凝土，厚度20 cm，結構層25 cm，其下的水泥穩定砂礫厚度30 cm，路面板尺寸為3.5 m×2.5 m，目前已經累計投入使用了21年，待施工路線總長度為6.97 km。

考慮到路面改造工程與施工路段的交通量情況息息相關，因此在施工之前，對近7年的歷史交通量進行調查統計，具體如圖2所示。

根據以上調查結果，公路施工區域范圍內，近年來交通量都在逐步增大，尤其是大型車和特大型車，說明當地經濟發展正在增長，對高速公路的交通提出了更高的交通要求，亟須將已經出現病害的路段進行改造。在施工時，根據該路段交通量情況，無法將施工路段進行全面封閉，只能采取局部封閉和交通引導的方式，為施工提供便利條件。

2.2 共振碎石化施工技術的實際應用

2.2.1 確定路面板固有頻率

在施工之前，對施工水泥混凝土路面板的固有頻率的計算確定，需要依次獲取路面板的厚度、路面板的彈性模量、地基反應模量和其他參數，其中路面板的厚度和彈性模量獲取采用鉆芯取樣和抗壓強度試驗的方法，高度測量選取的芯樣。鉆芯取樣的施工標準，主要參照《公路水泥混凝土路面設計規范》，根據芯樣的彎拉強度和抗壓強度，計算出舊水泥混凝土路面的彎拉彈性模量。至于地基反應模量，該模量無法直接獲取，需要根據待施工區域的路基及路基之間的參數，換算出地基頂面的當量回彈模量[2]。由于施工現場的條件限制，需要將破碎的路面板移除，然后借助貝克曼測量彎沉，或者借助剛性承載板測量得出。最后是其他參數的確定，在實測出路面板彈性模量和地基的反應模量之后，用鋼尺測量出路面板的長度和寬度，再根據路面結構的變化，確定相對穩定的密度和泊松比，分別為2 400 kg/m3和0.15。

通過測試和測量，選取四個代表性的位置，計算出舊路面板的固有頻率見表2。

2.2.2 共振碎石化施工

共振碎石化施工之前，做好一系列的準備工作，除了通過試振和開挖試坑檢驗，以此得出以上的相關參數，還要布設好公路周邊的排水系統。排水系統的鋪設，選擇排水管和集水管，均采用UPVC材質，且直徑均為10 cm，其中排水管采用橫向布置模式，集水管采用縱向布置模式，最下層是原礫石砂層，布設了防滲土工具，其內的濾布透水管裹有Φ80鋼圈，再將級配碎石覆蓋其上，屬于原三渣層[3]。主體多孔塑料排水管在碎石化層和原三渣層之間，鋪設大量碎石作為墊層，再往其上澆筑C15水泥混凝土。

做好一系列的準備工作后，使用GZL型-600共振碎石機進行共振碎石施工，共振碎石機使用時，通過對振動錘頭激勵頻率、前進速度和錘擊橫向凈距的控制，根據上面所采取的施工參數，組合完成破碎作業。為保證施工的可操作性，將施工路段按照樁號區分，布設好施工參數，如表3。

該路面改造工程選擇從外側車道外緣區域向路中破碎的作業方式，沿縱縫切割的臨近車道區域，從中間到邊緣方向進行破碎處理。錘破碎的寬度參數為20 cm，共進行兩次破碎工作，同時對破碎區域間隔進行嚴格控制，采用隔行破碎方式。橋臺區域、擋墻區域以及構筑物區域密切聯系的碎石化施工路段中，為規避因共振施工而產生的破壞風險，將產生連接作用的混凝土板塊切割寬度參數為20 cm的應力釋放槽。厚度參數過高的舊路面破碎區段，加大振動頻率參數，展開路面預裂處理工作。在碎石化路段、橋梁板涵路段以及橋涵搭板路段等的接縫區域沒有設置應力釋放切割渠，要在接縫處設置厚度為2 mm、寬度為1 m、抗拉強度參數不低于600 N/50 mm、延伸率至少30%、黏附性不小于4 N/mm的防裂貼[4]。

2.2.3 碎石化層保護

在完成舊路面共振碎石化施工后，根據《公路水泥混凝土路面再生利用技術細則》（JTG/T F31—2014）、《舊水泥混凝土路面共振碎石化技術規范》（DB51T 2430—2017）中的規范要求，需要在碎石化完成面上，進行乳化瀝青的封層操作，瀝青為乳化狀，使用量控制在2.55～3.5 kg/m2之間，粒徑參數范圍在4.75～9.5 mm之間，集料含量不低于3%。舊路面共振碎石化處理后，在試振區檢查坑開挖工作，獲取試樣后展開碎石篩分試驗以及路基底層舊水泥混凝土顆粒級配分析試驗，其中舊路面表面承載力彎沉檢測滿足設計需求，相關內容如表4所示：

按照以上的設計要求，做好碎石層的保護工作，期間在未破碎時做好水泥混凝土路面面板的強化檢測工作，將共振機工作參數控制在合理范圍內，在完成破碎處理后，有效進行回彈模量參數與彎沉值參數的檢測活動。破碎后沒有通過檢測的路段，若路基不具備較強的承載力，在挖出路基后摻加5%的石灰成分，拌和均勻后進行回填與壓實處理;若符合路基承載力標準，在破碎料中摻入含量2%～3%的水泥，并拌和均勻后回填基層與壓實。

2.3 共振碎石化效果檢驗與評價

共振碎石化效果的檢驗標準，是施工后路面板的板體結構的完整性，以及整體結構剛度的均勻程度。檢驗依據主要參照破碎粒徑的大小判斷碎石化的程度，如果破碎顆粒太大，說明整體強度不均勻，在加鋪瀝青層后，有導致發散裂縫出現的可能性;反之則在公路投入使用后，就造成路面板的強度損失，對瀝青層的加鋪要求會有所提高。至于碎石粒徑大小的把控，對于該工程來說，試坑法是比較適用的檢測方式，按照50 cm×50 cm的尺寸標準，根據現場實際情況，控制好開挖的深度，原則上必須大于舊路面板的厚度，每50 cm用直尺檢查一處，其中頂面最大粒徑不小于5 cm，上部最大粒徑不小于10 cm，下部最大粒徑不小于18 cm。按照這種檢測方法，對案例工程施工路段的共振碎石化情況，根據上文提到的路面板固有頻率，對右幅K3+083、右幅K3+535、左幅K3+563、左幅K3+115檢驗記錄，并對合格率進行估算，具體見表5：

通過表5，得出以下幾點結論：舊路面板固有頻率偏高，需要調節共振破碎機的施工參數，譬如降低機械的前進速度、縮短錘跡的橫向凈距等方法，才能夠達到較好的施工效果。

3 結束語

高速公路舊水泥混凝土路面施工中，共振碎石化技術具有施工周期短、低碳環保等優點，是案例工程舊水泥混凝土路面改造工程的優選方案。文章通過研究，基本明確了共振碎石化施工在案例工程中的應用方法，可作為相關工程參考借鑒的依據，同時需要在實際工程中歸納和總結出更多有用的施工經驗，作為該文研究的補充和完善。

參考文獻

[1]匡靜波.共振碎石化技術的應用研究[J].湖南交通科技， 2019（4）： 50-52.

[2]滿新耀. 水泥路面碎石化技術在桂柳高速公路中的應用[J]. 中外公路， 2019（5）： 247-249.

[3]涂欣華， 姜旭榮. 共振碎石化技術在水泥混凝土路面施工中的應用[J]. 交通世界， 2019（26）： 63-64.

[4]郭科科. 共振碎石化技術在舊混凝土路面改造中的應用[J]. 中國科技投資， 2018（18）： 33.