舊水泥路面共振碎石化處理改造瀝青路面施工技術探究

胡偉鋒 李國梁 張蕾 文良東 申艷軍

（1.中交基礎設施養護集團有限公司，北京 100011；2.西安科技大學地質與環境學院，陜西 西安 710054）

一、引言

20世紀80年代初，我國水泥混凝土路面迅速發展[1]。然而，隨著載貨汽車日趨重型化、交通量顯著增長導致早期水泥混凝土路面產生了嚴重的車轍、錯臺等病害[2]。鑒于病害的修復難度大、施工工期長，既影響交通運輸，又造成了巨大經濟損失，因此，亟需通過新技術對路面實施升級改造。

目前，舊水泥混凝土路面結構缺陷主要包括以下幾類：由于基層熱脹冷縮、路基沉降等原因產生收縮、板角及結構裂縫等病害[3，4]；由于混凝土骨料配合比及緩凝劑級配不合理等原因，導致混凝土路面強度不足，通車后在車輛疲勞荷載作用下使得路面出現麻面、露骨、磨光等表面破損現象[5]；由于路面橫、縱縫填縫料破損未及時修補，表面雨水滲入基層，導致基礎強度不足產生路面錯臺等變形損壞[6]。

因此，我國引入“白改黑”方法進行路面改造[7]，其主要原理是將破壞的碎石層作為基層，再次鋪筑瀝青混凝土[8]。這種方法具有施工便捷、節約材料的優點[9]。對此，相關學者也開展了大量相關研究，徐柱杰[10]結合室內試驗及理論分析等方法評價了碎石化影響；李建法[11]闡述了共振碎石化施工工藝和施工質量控制要點，研究均表明這種方法已成為國內外最常用的路面改造方案，同時，也是應用前景最為廣泛的一種工藝[12]。

綜上所述，現階段利用共振碎石化技術實現舊水泥路面“白改黑”的工程案例較多，但多側重于介紹施工流程及施工效果，缺乏對施工原理、方法、關鍵控制流程及綠色節能效果評價的系統化梳理，導致后期相關工程的直接借鑒作用有限。鑒于這一原因，本文以四川省道436線巡場至玉和二級公路升級改造工程項目為依托，詳細探究出一套系統化施工流程及技術評價指標，旨在為我國類似舊水泥路面就地升級改造提供系統化技術借鑒，也為舊水泥路面的綠色低碳改造提出了新的途徑。

二、共振碎石化原理

共振碎石化原理是在共振設備中采用破碎錘對水泥板施加持續的高頻、低振幅振動能量，使水泥板內部均勻破碎[13]，如圖1所示。水泥板產生的裂縫與路面呈20°～60°角，共振碎石化后，碎塊間相互嵌鎖，大大提高了破碎后結構的承載力。由于共振技術產生的沖擊力很小，基層仍可保持完整性，因此該工藝對水泥混凝土基層沒有任何損害。舊水泥混凝土路面共振破碎后的作用與碎石相似，可用作路面的柔性基層，在其上鋪設瀝青面層。

圖1 舊路面共振碎石化施工機理

三、舊水泥路面共振碎石化處理改造瀝青路面施工技術及流程

（一）工程案例概述

圖2 項目位置圖

四川省道436線巡場至玉和二級公路位于四川省宜賓市珙縣境內。近年來，該公路路面出現縱橫向裂縫、斷板、破碎、沉降錯臺、唧泥等病害，部分路段排水系統淤塞，路基排水不良，進一步加速了道路破壞。現有交通網絡已不能滿足珙縣發展要求，亟需開展路面結構優化設計。經現場調研踏勘發現，巡玉二級公路于2003年左右施行混凝土路面加鋪改造，選取了將軍坡至黑燈坳段k6+725～k7+525段（長度800m）作為水泥混凝土路面結構共振碎石“白改黑”技術施工試驗段。

（二）施工流程

1.施工前準備

（1）施工前需調查舊路基礎資料、氣候條件、交通量、舊路技術狀況、沿線設施等，并處治原有路面。

（2）施工前需清除原有老舊水泥混凝土路面上的瀝青銑刨料和修補料，并將路面清洗干凈。針對原水泥板塊脫空、斷板的情況，用風鎬破碎并移除水泥板中間的瀝青補塊。水泥板塊中間坑槽深度大于10cm的，用級配碎石回填，級配碎石回填區域將不再做共振碎石化處理。

（3）路面排水系統可能因步驟（2）發生堵塞現象，施工前需檢查水泥混凝土路面表面及中央隔斷的排水系統，對其疏通恢復，并重新按照設計要求砌筑路基邊緣碎石盲溝排水系統。

2.碎石化施工

（1）為保證破碎效果，利用共振設備對路面破碎兩遍，每一遍錘頭破碎寬度約0.2m～0.3m，按照先外側車道及路肩，后內側車道的順序開展破碎施工，為保護路側水溝，道路兩側預留30cm～50cm的距離，不進行碎化處理。

（2）針對連續配筋混凝土或基層為素水泥混凝土等水泥面板強度過高或板塊過厚的路段，可適當增大振動頻率、增加激振力、降低行進速度等施工參數，在破碎前采用打裂等其他手段對舊水泥混凝土面板實施預裂處理。

（3）施工后需及時對碎石化層質量檢查驗收，對局部彎沉檢測不合格的部位，采用水穩碎石或貧混凝土換填處理，確保基層綜合指標符合規范要求。

四、舊水泥路面共振碎石化處理改造瀝青路面施工控制要點

（一）振動力選取

利用國產GZL-600共振碎石機開展“白改黑”共振碎石化施工，在大規模碎石化施工前，按照規定的基本施工技術參數規范在試驗路段試振。開挖試坑檢査，并利用取芯方式檢測破碎情況，通過顆粒篩分檢測碎石顆粒級配發現，破碎后顆粒均在碎石級配規范上下限內，最終確定共振碎石機的施工參數為：共振碎石化施工頻率43Hz、振幅10mm。面板破碎效果較好，路面彎沉代表值在30左右（0.01mm），如圖3所示。

圖3 共振破碎層碎石級配圖

圖4 共振破碎層碎石取樣現場

（二）“白改黑”路面結構設計方案

破碎后的水泥混凝土路面強度降低，需加鋪結構層。碎石化層驗收合格后，根據水泥混凝土路面結構設計原則及破碎施工關鍵技術要點，對珙縣二級公路將黑段展開路面結構設計，設計方案如表1所示。

表1 路面結構方案

五、舊水泥路面共振碎石化處理改造瀝青路面施工質量檢測方法

（一）共振碎石施工質量檢驗方法

共振施工后的路面結構力學特性對路面整體性能具有重要意義，因此，在共振碎石施工后要檢驗施工質量。以往研究多基于道路結構力學分析路面材料和結構，經過不斷優化，將路面力學行為與彈性理論相結合，使路面設計更具可靠性[14]。

瀝青面層的永久變形在路面車轍量計算中占重要地位[15]，特別是半剛性基層的瀝青路面，其瀝青路面的永久變形值往往占總車轍量的90%以上。經過對國外幾種方法和國內多種模型的比較，決定采用彈性層狀體系理論方法計算，按照多層彈性層狀體系理論編制的專用設計程序檢驗設計結構，包括瀝青混合料永久變形量驗算、無機結合料層疲勞開裂驗算等。

（二）路面結構層質量檢驗

1.瀝青混合料永久變形量驗算

調研沿線氣候資料，查得項目區Tξ（基準等效溫度）為21.5℃，計算得到對應的瀝青混合料層永久變形等效溫度TPEF=24.4℃?？煽慷认禂禐?.65。通車至首次針對車轍維修的期限內設計車道上的當量設計軸載累計作用次數為1.260383×107；瀝青混合料層永久變形驗算分層數N=7。利用彈性層狀體系理論，分別計算設計荷載作用下各分層永久變形量，結果如表2所示。

表2 瀝青混合料分層數及永久變形量

累加表2內各層變形量，得到Ra=11.91mm（瀝青混合料層總永久變形量），規范中規定瀝青層容許永久變形為20mm，因此試驗路面結構滿足規范要求。

2.無機結合料層疲勞開裂驗算

根據彈性層狀體系理論，基層層底拉應力為0.105MPa。通過計算得到無機結合料層層底拉應力為0.199MPa。整理所搜集的氣候資料發現，工程所在區域的凍結指數F為0℃·日，季節性凍土地區調整系數Ka取1，溫度調整系數為0.883，現場綜合修正系數為-1.286。根據以上參數，通過專用設計程序計算得到無機結合料層底疲勞壽命為2.183074×109，當量設計軸載累計作用次數為1.68955×109，路面結構滿足規范要求。

六、結語

根據四川省道436線巡場至玉和段二級公路改造工程的實際經驗，選擇“白改黑”工藝對路面結構開展優化設計，有以下幾點優勢：

基于共振碎石施工的“白改黑”技術，其關鍵在于共振破碎機參數優化調整，通過正交試振、開挖探坑檢查、篩分試驗等現場檢測手段，最終發現當施工頻率為43Hz、振幅10mm時面板破碎效果最好；通過多層彈性層狀體系檢驗路面結構層質量發現，“白改黑”施工工藝在滿足路面結構的設計彎沉值和容許永久變形要求的同時，還能改善路面性能指標；建立一套系統化施工流程及技術評價指標，可為我國類似舊水泥路面就地升級改造提供系統化技術借鑒，也為舊水泥路面的綠色低碳改造開辟了新途徑。