基于彎沉檢測變異系數的碎石化施工質量控制研究

摘要：針對目前水泥混凝土路面“白改黑”過程中反射裂縫頻發等問題，文章依托西部陸海新通道路面服務能力提升工程項目，通過對舊水泥混凝土路面碎石化施工進行質量控制，研究前期病害調查與路況評定確定碎石化加鋪方案，結合現場碎石化施工過程相關數據及分析，提出了基于彎沉檢測變異系數的碎石化施工質量控制方法。結果表明：在舊水泥混凝土路面“白改黑”碎石化加鋪施工中，通過對碎石化后的彎沉檢測結果進行變異系數分析，并將其控制在要求范圍內，可有效控制后期加鋪層反射裂縫的出現。

關鍵詞：水泥混凝土路面；碎石化施工；白改黑；變異系數；評價方法

U416.216A160494

0 引言

隨著廣西經濟的不斷發展，近年來內陸開放戰略的實施加快了與東盟國家的經貿往來，隨著使用年限的增加和交通負荷的加重，大量車輛頻繁行駛加劇了水泥混凝土路面的磨損和老化，尤其是貨運車輛和重型車輛對路面的損壞更為嚴重。水泥混凝土路面會出現裂縫、坑洼和表面磨損等問題，而廣西氣候濕熱，高溫多雨，這種氣候條件會加速水泥混凝土路面的老化速度，導致裂縫、坑洼和表面磨損等問題［1-2］。

為解決上述病害頻發問題，通常采用舊水泥混凝土路面原位修補或加鋪瀝青混凝土面層的方法。上述施工改造方法中的質量控制要點，主要是加鋪后瀝青混凝土面層反射裂縫的頻繁出現［3］。如果不在鋪設前進行舊路處理，在荷載和溫度變化的作用下，原有的水泥混凝土板縫相對位移、裂縫，就不可避免地會出現反射裂縫。目前，在綜合考慮施工效率、施工成本以及施工工藝等多方面要求下，解決反射裂縫問題最有效的方法之一是碎石化施工方法。從反射裂縫的機理和產生來源進行分析，作為下承層的舊水泥混凝土路面，在行車荷載作用下，應當使得車輛荷載均勻分布并且無應力集中現象（見圖1）。

舊水泥混凝土路面碎石化加鋪施工中的碎石化工藝不僅僅是簡單的破碎。目前碎石化施工的質量控制和測試主要集中在兩個關鍵方面：舊水泥混凝土板塊碎石化后，荷載分布的均勻性以及碎石層的承載能力評估。荷載分布均勻性主要通過碎石化后的粒徑測試進行評估［4］。此外，必須確保碎石層的承載能力符合碎石后的設計要求。如果不能達到均勻的荷載分布要求以及足夠的承載能力，極大可能會導致反射裂縫的形成。過大的碎石化顆粒仍會引發反射裂縫，而過小的碎石化顆粒或互鎖性不足則會導致整個水泥混凝土碾壓層因強度不足而失效。理想情況下，碎石粒徑應為3～20 cm。舊水泥混凝土路面碎石化施工的質量控制和反射裂縫的預防是一項全面而系統的工作。

1 碎石化施工工藝對比及質量評價方法

1.1 碎石化施工工藝對比

多錘頭破碎工藝與共振碎石化破碎工藝在舊水泥混凝土路面的改造中都有廣泛的應用，但在破碎效果、施工影響等方面存在一些顯著的差異。

從破碎效果來看，多錘頭破碎機打碎壓實后，水泥路面顆粒由上而下逐漸增大，碎塊粒徑一般lt;37.5 cm，經碾壓后，上部顆粒形成平整面，下部顆粒間形成嵌擠結構，這有助于強化路基。而多錘頭破碎機的破碎效果較于共振破碎機相對較差，對施工過程質量控制要求更高。相比之下，共振碎石化破碎機破碎后的碎石形狀相鄰互補，粒徑較小，形成互相嵌擠的穩定結構，這有助于減少反射裂縫的產生［5］。

從施工影響來看，多錘頭破碎機由于振動力大，可能對地下結構物及周邊建筑產生影響，同時其噪音和振動也可能對居民造成一定的干擾。而共振碎石化破碎機雖然也會引起共振，但由于其工作原理的特性，影響相對較小。

從成本方面考慮，多錘頭破碎機通常價格較為低廉，而共振碎石化破碎機由于技術更為先進，施工價格相對較高。多錘頭破碎機和共振碎石化破碎機各有其優缺點，選擇哪種設備取決于具體的工程需求、施工條件以及預算等因素。在實際應用中，應根據具體情況進行綜合評估，選擇最適合的破碎設備［6］。

1.2 碎石化施工質量評價方法

目前已發布的相關“白改黑”規范中，均指出加鋪層結構設計應按現行瀝青路面與混凝土路面規范進行。而根據規范《JTG-D40》的規定，應確定變異水平等級和相應的變異系數，二級公路的變異水平等級應不大于中級，具體要求如表1所示。

由此可見，采用碎石化的路面設計中，依照規范要求要進行基頂回彈模量的變異性測試，但當前廣西區內在舊水泥混凝土路面碎石化加鋪設計過程中對該過程重視程度不足，僅關注彎沉檢測結果以及破碎粒徑滿足規范要求，而導致實際施工過程中發現基頂回彈模量與彎沉等數據存在較大的離散性且沒有相應的處置措施。

在現場實際施工中，即使在嚴格按照試驗段參數施工后，也可能出現破碎不均勻現象。因基層頂面回彈模量不均勻易引起剪切變形，碎石化施工后出現彎沉檢測結果離散型較大、變異水平大問題。變異系數偏大，一方面意味著通過碎石化技術后，即使破碎粒徑滿足要求，也不能夠使原水泥混凝土板塊在平面上使得車輛荷載分布均勻，存在應力集中問題；另一方面還可能存在局部實測回彈模量不足，與預測回彈模量相差較大，原有設計加鋪方案結構層厚度不滿足要求，瀝青層底彎拉應力驗算不通過，最終導致疲勞開裂，反射裂縫出現。

目前已經發布相關地標的省份中，河北省地標中對碎石化質量驗收標準與當前廣西碎石化驗收標準一致，主要為粒徑要求以及承載能力要求，未對基層頂面當量回彈模量與彎沉變異系數、強度均勻性提出要求，同時針對破碎后的局部調平與補強未提出明確要求。因此，針對目前采用碎石化施工的整體路段碎石化層出現的彎沉等數據存在較大的離散性問題，本文提出采用控制彎沉值變異系數來使碎石化層的整體強度均勻性滿足要求。

2 項目概況

本項目為西部陸海新通道廣西普通國省干線公路服務能力提升工程（養護工程項目）公路路面服務能力提升工程G321線羊額至交州K692+000～K703+100段。項目自通車以來，道路病害不斷產生，路況日益惡化，原面層已出現了嚴重的破碎板病害，部分路段出現唧泥以及少量的板角斷裂、裂縫、坑洞病害，影響公路的安全運營，給行車帶來了不適，也造成公路養護和社會車輛運營成本不斷增加。

為詳細了解舊路路面技術狀況、結構組成和結構強度，提高本次路面服務能力提升方案的可靠性、合理性和準確性，在開展大中修工作前期，對該養護路段開展舊路病害檢測。相應調查結果見表2。

根據現行《公路技術狀況評定標準》《JTG-H20》有關規定，對于本項目舊水泥混凝土路面病害路段現場勘測結果總體被評為“次”及以下。根據評定標準中的規定，需對該養護路段采取全路段修復方式。同時，根據智能檢測車檢測結果可知，該養護路段斷板率高達63.02%，對于板塊完好的板體可不做碎石化處理，但需先對已破碎面板路面板進行碎石化處理，最后加鋪新結構層進行修復。

3 碎石化施工質量影響因素分析與質量控制

3.1 破碎粒徑質量檢驗與影響因素分析

3.1.1 質量檢驗

本工程中的分項分部工程檢查驗收實測項目檢查方法和頻率依據相關養護規范進行，具體指標要求見表3。相應碎石化施工試驗段開挖檢驗結果見表4，由表4可見，經過現場開挖以及鉆取芯樣驗證，G321線K692+000～K703+100路段上行線與下行線經過多錘頭碎石化施工后，頂部粒徑、中部粒徑、下部粒徑均能夠滿足施工質量檢驗標準要求，碎石化效果良好。同時還可以發現，在碎石化路段上行線檢驗合格率略高于下行線檢驗結果。

3.1.2 影響因素分析

就舊水泥混凝土碎石化施工質量要求而言，如果破碎粒徑過大或不均勻，反射裂縫可能會持續存在。同樣，粒徑過小或互鎖性不足也會導致整個碎石水泥混凝土層因強度不足而失效。通過使用碎石化施工工藝，舊水泥混凝土路面既能在一定程度上保持其結構強度，滿足交通荷載設計要求，同時又能防止反射裂縫的形成，取得了較好的平衡。

在進行碎石化施工前，對舊水泥混凝土路面板的基層狀況進行評估是非常必要的，對于損壞較嚴重的舊水泥混凝土路面，同一路段碾壓后的粒徑變化較大。顆粒大小在決定路面結構完整性方面起著至關重要的作用。嚴重的基層損壞會導致碾壓后顆粒間嵌入不良，導致模量降低，增加瀝青面層疲勞損壞的風險。在這種情況下，應用碎石化施工時必須注意加強上層路面結構設計的安全性。

3.2 破碎參數影響分析

碎石化施工過程中，多錘頭通過錘擊動能，將原有舊路面錘擊碎裂，使之成為級配較好、允許變形、類似于大粒徑的路基層。但在現場施工管理過程中，多錘頭等碎石化施工為隱蔽工程，施工方具有偷工減料的動機，表現為調快多錘頭行車速度、降低錘擊高度、部分路段故意漏錘等，并通過蒙蔽驗收來達到偷工減料的目的，從而為后續上面層瀝青開裂埋下質量隱患。因此，開展了不同落錘高度、不同錘頭間距對破碎效果影響研究，通過彎沉檢測對混凝土破碎板的回彈模量以及相應變異系數進行評價。

由表5和表6可知，隨著錘頭間距增大，模量逐漸增大，隨著落錘高度增加，模量逐漸減小。同時還可以發現，相較于錘頭間距的增加，模量變化對落錘高度的增加更為敏感。這是由于隨著落錘間距的增加，在落錘高度不變基礎上，相同勢能作用于更大面積的混凝土板塊區域，破碎效果減弱，而在落錘間距不變基礎上，隨著落錘高度的增加，勢能顯著增大，錘擊作用于相同區域時破碎效果更加徹底，混凝土破碎板剩余模量下降更為顯著，并且落錘高度變化對勢能的改變作用較于錘頭間距變化影響更為顯著。在模量變異系數方面，隨著錘頭間距增大，變異系數逐漸增大，隨著落錘高度增加，變異系數先減小后增大，在一定的錘頭間距與落錘高度組合范圍內，能夠使得變異系數保持在較低水平。因此在試驗段試振確定參數時，在能夠滿足破碎要求的基礎上，應當選取合理參數，而不應采取過大參數。

3.3 碎石化混凝土板強度均勻性分析

由本文1.2節可知，采用碎石化的路面設計中，依照規范要求要進行基層頂面回彈模量的變異性測試，但當前廣西區內在舊水泥混凝土路面碎石化加鋪設計過程中對該過程重視程度不足，因此應當進行基層頂面回彈模量的變異性測試。而根據《公路路面基層施工規范》附錄A中提供的回彈彎沉值的計算和檢驗公式（1）可知，基層頂面回彈模量與彎沉檢測值可通過回歸方程進行換算。因此，在實際施工過程中，為了考慮加快施工進度，提升施工效率，本路段強度均勻性評價方法通過彎沉檢測進行，使用彎沉檢測變異系數替代基層頂面回彈模量變異系數進行評價。根據工地試驗室所提供的現場彎沉檢測數據進行變異系數分析，彎沉檢測變異系數要求范圍同規范中對基層頂面回彈模量要求范圍保持一致。

l0=9 308E-0.938O（1）

式中：l0——回彈彎沉值；

EO——回彈模量值。

使用彎沉檢測變異系數替代基層頂面回彈模量變異系數進行評價，變異系數CV計算公式按式（2）進行。

CV=SL（2）

式中：S——碎石化后破碎板彎沉標準差；

L——碎石化后破碎板彎沉平均值。

通過上述方法對碎石化混凝土板強度均勻性進行控制，當彎沉值變異系數滿足要求時即可進行下一步工序施工，進行封層與面層等加鋪工作。若出現彎沉值變異系數超出范圍要求時，應當控制測試路段內整體彎沉值變異性，將彎沉值變異系數約束到規定范圍內，具體控制方法可通過挖除換填或注漿補強等方式進行。

根據項目工地試驗室所提供彎沉數據（見圖2）進行分析，上行線平均彎沉值為17.84，標準差為6.08，對應的彎沉值變異系數為0.34，根據《公路水泥混凝土路面設計規范》（JTGD40）的規定可知，上行線彎沉值處于中等變異水平，能夠滿足強度均勻性要求。下行線平均彎沉值為27.42，標準差為17.31，對應的彎沉值變異系數為0.63，查表可知，下行線彎沉值gt;0.35，處于高變異水平，不能夠滿足強度均勻性要求，需將彎沉值變異系數約束到0.35范圍內。通過數據分析可知，下行線4、14、15、16等測試點位不滿足其測點值減去平均值大于2兩倍標準差的要求。因此需要進行局部補強處理。

后續經過局部注漿處理，重新進行不合格測點彎沉檢測，根據現場復測數據（圖3）結果可知，下行線4、14、15、16等不合格點位彎沉值分別降低至20、18、26、21，下行線補強后平均彎沉值為21.35，標準差為6.65，對應的彎沉值變異系數為0.31，最終滿足中等變異水平要求。經后續施工質量跟蹤與現場勘察可知，一年后該路段路況保持良好，無反射裂縫等病害發生。

4 結語

（1）針對當前舊水泥混凝土路面白改黑過程中存在的反射裂縫問題，分析了當前碎石化施工中質量檢驗方法的不足，依托于實際工程項目，開展了碎石化施工質量控制研究。

（2）碎石化施工中，在破碎粒徑方面，受車道不同交通量影響，破碎前期已出現較多病害車道，破碎粒徑波動較大，合格率相對較低。

（3）在破碎參數方面，碎石化后混凝土板所剩余回彈模量隨著沖擊勢能的增大而減小，在變異系數方面，隨著錘頭間距增大，變異系數逐漸增大，隨著落錘高度增加，變異系數先減小后增大，在一定的錘頭間距與落錘高度組合范圍內，能夠使得變異系數保持在較低水平。

（4）在碎石化混凝土板強度均勻性方面，通過使用彎沉值變異系數替代基層頂面回彈模量變異系數進行評價，可有效減少現場工作量，通過數據分析可發現不合格測點，經過相應處治后能夠有效解決反射裂縫等問題。

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