共振碎石化、改性瀝青罩面“白改黑”改造設計方案探討

文／陳竹婷 湖南大學設計研究院有限公司 湖南長沙 410002

1.項目概況

本項目位于天心經開區工業園區內，道路兩廂企業、居民房林立，改造施工干擾因素多，如何快速施工，采用環保工藝，最大限度的降低施工對園區生產及居民生活的影響是本項目的重難點。

本次設計范圍包括伊萊克斯大道、暮云大道、南湖大道、南二線、南三線、北環中路、東環二路7 條城市道路，總里程約8.1km。其中，伊萊克斯大道、暮云大道為城市主干道，南湖大道為城市次干道，其他道路均為城市支路。原道路均為水泥混凝土路面，路面結構層厚20 ～25cm，通車年限在15年以上，路面已出現不同程度的損壞。

2.傳統道路改造方式的特點分析

改造范圍內的道路建成年代久遠，修建標準不高，路面的結構層整體較薄，且老路兩廂居住用地、工業用地已成型，地下管網分布復雜，改造后路面不可以太過高于現狀路面標高。在以往的改造中是通常是將原有路面結構層徹底挖除，再將全新的路面結構層鋪筑在原來的路基之上。結合現場實際情況，該方案存在諸多不足：

第一，項目所在片區屬于工業園區，交通壓力大，車輛行人密集，必須要重視道路改造對交通造成的影響。而將現狀道路結構層挖除重建的方式施工工期過長，對現狀片區交通干擾過大。

第二，地下管線以及路面公共設施維護難度大，改造過程應該認真考慮地下管線工程，片區已建成道路地下管網布置復雜，有弱電、雨水、污水、給水、交通信號燈管線以及路燈管線等等，且因建成年代久遠，缺乏相關管線的準確資料。整體破除開挖將對現狀管線造成不可預估的破壞，耽誤施工進度，影響居民生活，甚至造成重大損失。

第三，改造道路均處于成熟的片區內部，施工過程將對環境造成嚴重污染，不符合環保要求。

第四，路基臨時排水難度較大。在原有路段施工，開挖深度大，遇到下雨天，無法迅速排出雨水，將導致路基浸水，影響工程質量，耽誤施工周期。

第五，施工材料損耗相當多，浪費大量的資源。挖掉現有路面結構層，運走已經廢棄的材料，再將新材料運進來，鋪設新路通常要花費很多人力以及施工材料。

綜上所述，在本次改造設計中，需要突破以往的設計思路，結合現場情況，采用新的“白改黑”方案。

3.“白改黑”設計方案比較

目前“白改黑”方法大致可分為：破除重建加鋪、水泥板直接加鋪、就地碎石加鋪三大類。其中就地碎石加鋪又分為：“沖擊破碎+基層+瀝青”、“共振碎石直接加鋪”。各自特點比較如下表1：

表1 “白改黑”設計方案比較表

通過以上比較，本項目針對片區各道路特點，選用如下方案：（1）伊萊克斯大道、暮云大道：基于雨污分流，需大面積開挖溝槽的情況，采用“破除重建加鋪”。（2）南湖大道：基于老路病害較多，交通重載量大、周邊建筑和地下管線密集的情況，采用“共振碎石直接加鋪”。（3）其他支路：基于老路病害較少，路面以輕型交通為主的情況，采用“水泥板直接加鋪”。

4.共振碎石化加鋪設計

4.1 共振碎石化原理

共振碎石化技術，簡單來講，是指利用機械共振手段將原有的水泥混凝土路面，破碎成可以在鋪設基層中應用的碎石，通過碾壓成型，讓剛性路面可以成為瀝青混凝土路面的基層，然后實施瀝青混凝土面層加鋪的路面再生施工工藝。

共振碎石化技術在徹底根除反射裂縫的同時最大程度利用了原有面板的剩余強度。一般來說，共振碎石化有很多優勢，其具體表現在以下幾點：

第一，進行破碎后的混凝土碎塊尺寸，自小至大每層均勻分布。混凝土內振動的衰減梯度使得上層的破碎粒徑很小，下層破碎粒徑很大，在完成現場測量后，粒徑往往是3cm 到20cm 之間。此破碎后粒徑分布的有利之處是：頂部破碎粒徑很小的一層作為良好的碎石層可以有效消除反射裂縫，而底部破碎粒徑很大的一層板塊可以承載住原有的混凝土板塊。

第二，破碎深度可以控制，防止對路面基層造成破壞。通常，破碎設備可以利用調節振幅以及振頻等多種方法，對破碎深度進行控制，出現與被破碎物體固有頻率非常接近的振動，在二者共振的一瞬間，工作錘向前面進行移動，使垂直向下不具有較強的沖擊力。并且因為在固有頻率上，原路面水穩層及路基材料與混凝土面板材料有明顯的不同，所以不能出現共振，防止受到破壞。

第三，可以將反射裂縫及時消除。利用共振破碎機來高頻打擊路面，水泥混凝土面板很快變成分散粒料，導致整個混凝土面板都碎石化。由于混凝土面板無預留接縫以及裂縫的應力集中點，所以自然就可以將很多病害消除，比如：脫空以及坑洞等等。

第四，施工效率較高。通常，共振碎石化施工程序不復雜，生產率每天超過2000 ㎡，能夠使路面改造的施工效率得到顯著提升。

第五，對沿線城市環境以及生態環境不會造成很大的影響。因為新路面結構基層是二次利用共振破碎結束后的混凝土廢料，所以整個過程都不會出現任何的建筑垃圾，也不會嚴重污染環境；對破碎過程中無粉塵，不會導致空氣質量下降；共振破碎通常沒有很大的振幅，可以明顯降低施工中產生的噪聲污染。

共振設備將產生的持續低幅高頻的振動能量，通過破碎錘頭傳遞到混凝土塊內部產生共振。當振動頻率與水泥混凝土板自振頻率相同時產生共振。共振破碎的工作錘頭在激發路面共振的同時快速向前移動，從而使振碎的裂紋與路面形成30°～60°的夾角。這種獨特的斜向開裂使得舊水泥混凝土板碎裂成上部為均勻的碎石粒料層、下部為相互嵌鎖的混凝土石料層。上部碎石層可較好地消除路面反射裂縫，同時也利于路面滲水的橫向排除；而下部原位嵌鎖層則使基層的承載能力得到了提高。因此，舊混凝土路面共振碎石化后，無需再增加其他基層結構或應力吸收層，而直接加鋪瀝青面層即可。

4.2 共振碎石化路面結構層設計

設計路面結構如下：原混凝土路面共振破碎+7cm 粗粒式瀝青混凝土（AC-25C）下面層+5cm 中粒式瀝青混凝土（AC-20C）+4cm 瀝青馬蹄脂碎石混合料（SMA-13）上面層。路面結構如圖1。

圖1 碎石化路面結構圖

碎石化層分為兩層：上面層是7cm 的碎石層，碾壓后密實，起到應力吸收和吸排路面滲水的作用。下面層為15cm 斜向嵌鎖承重層。

4.3 共振碎石化施工控制要點

（1）通過控制共振頻率、振幅、最高壓力及移動速度等施工參數，使碎石尺寸在3-20cm 之間，上部均勻的碎石粒料層，下部為緊密的嵌鎖結構。以防止反射裂縫，同時提高路面結構的整體強度。施工參數如圖2 示意。

圖2 碎石化路面施工參數示意圖

（2）采用高頻低幅的振動能量，不破壞周邊結構物和地下管線。

（3）全斷面、全深度、全方位無死角的破碎，確保破碎后沒有成塊的斷層。

（4）破碎頭全浮動與地面恒壓接觸，同步升降，破碎均勻。

（5）破碎頭緊靠路肩車輪外側邊緣施工，可貼邊破碎，無作業盲區。

（6）混凝土與鋼筋有效脫離，清除鋼筋，不致引起局部應力集中。

（7）碎化后，局部坑洼地段可用瀝青碎石或者級配碎石等結構性質相同的材料找平，使路面結構層更連續。

（8）共振破碎后可適當開放交通使碎石面盡早板結形成強基，消除基底隱患。

（9）不同厚度的路面結構的自振頻率不同，鋼筋混凝土與普通混凝土路面破碎所需的震動能也不同，同時應考慮對既有管線及地基的保護，因此正式施工前應進行試驗段施工，以確定共振破碎機施工參數。

（10）施工完成后應進行抽芯，對“粒徑大小”、“是否咬合”、“是否斜向裂縫”等指標進行檢查。

5.改性瀝青罩面加鋪設計

5.1 改性瀝青罩面原理

對局部病害作必要的灌漿，換板、貼縫等修補處理。通過設置應力吸收層防止混凝土剛性基層的反射裂縫，再用改性瀝青混凝土直接罩面，作為為抗滑磨耗層。

改性瀝青罩面是先在舊路面上鋪一層高黏改性乳化瀝青應力吸收黏層，然后再攤鋪改性熱瀝青混合料，經壓路機壓實，一次成型。由于高黏改性乳化瀝青具有優異的粘聚性，從而使加鋪的瀝青罩面與舊混凝土路面結合緊密，避免了結合面推移的風險。

5.2 改性瀝青罩面結構層設計

對原水泥混凝土路面進行病害處理合格后，對舊路面銑刨1cm，再加鋪3cm 厚改性熱瀝青混合料＋1cm 高黏改性乳化瀝青應力吸收層。路面結構如圖3。

圖3 改性瀝青罩面加鋪路面結構圖

5.3 老路病害處理

老路病害處理是否合格直接關系加鋪改造的使用壽命，設計施工應認真對待，病害具體處理措施如下：

（1）裂縫處理

對寬度大于3mm、小于15mm 的中等裂縫，可采取條帶罩面進行補縫。對寬度大于15mm 的嚴重裂縫，可采用切縫加鈀釘法。

（2）破碎板處理

直接挖除，重新澆筑C35 早強水泥混凝土板。當基礎存在強度問題的，需先修補基層。

當基礎存在水穩定性問題的，應挖除原有路面結構，重新修筑基層、底基層。換板過程中對原有傳力桿、拉桿應盡量保留。

（3）舊路接縫處理

接縫中的舊填縫料和雜物，應清除。對縮縫維修時，若縮縫剝落或破損嚴重，則用水溶性環氧樹脂混凝土進行修補。對脹縫維修時，若脹縫無啃邊或破碎，則直接更換填縫料；若接縫板接頭及接縫板與傳力桿之間的間隙，用瀝青等縫料填實抹平，上部嵌入嵌縫條。對縱縫維修時，若無啃邊，則采用清縫、灌料的形式處理；若有啃邊，則采用快凝早強聚合物混凝土修補。

（4）板邊、板角修補

當板邊輕度剝落時，將剝落的表面處理干凈，用瀝青混合料修補平整。當板邊嚴重剝落時，修補方法與中等裂縫的處理方式相同。當板邊全深度破碎時，修補方法與嚴重裂縫的處理方式相同。板角斷裂應按破裂面的大小確定切割范圍，對原有鋼筋不應切斷，重新澆筑C35早強混凝土，與原混凝土面板的接縫處，應涂刷瀝青。

（5）錯臺處理

當面板出現高差不大于10mm 的錯臺，可采用磨碎機磨平或人工鑿平處理。當錯臺高差大于10mm 時，可考慮采用更換混凝土板或注漿的方式處理。

（6）表面裂紋及層狀剝落處理

出現表面裂紋和層狀剝落的板塊，應鑿除表層破損部分，鑿除深度以5cm 為宜，然后應用細石粒式混凝土填平。

（7）坑洞處理

零星坑洞，先清理雜物，再用水泥砂漿回填；較多坑洞連成一片或坑洞嚴重的，采取破除重新澆筑C35 早強水泥混凝土進行處理。

（8）脫空板處理

施工前需對全線的面板進行逐塊檢測，確定脫空和承載力情況。當彎沉超過0.2mm 時，應定義為脫空面板，采用注漿處理。

結語：

共振碎石化“白改黑”符合我國建設資源節約型、環境友好型社會的要求。南湖大道共振碎石化“白改黑”與傳統的“破除重建加鋪”相比節約工程造價約20%，縮短工期30%。

片區支路采用改性瀝青罩面技術避免了傳統薄層罩面存在的易推移風險，提高了路面的適用壽命，竣工通車近3年，路面狀態良好。