西南地區舊水泥路面共振碎石化方法與效果評價

呂永剛，張代江，胡偉鋒，譚逢彬，李子健*

（1.中交基礎設施養護集團有限公司，北京；2.西安科技大學，陜西西安）

前言

隨著我國現有道路的交通量與軸載逐年增長，大量舊水泥混凝土路面臨近設計年限，結構性損壞不斷涌現，對行車安全構成嚴重威脅。我國現階段多采用舊水泥路“白改黑”的改造方案，但在加鋪層時常出現反射裂縫[1]。而在路面改建時先采用共振碎石技術，后加筑瀝青混凝土面層的工藝的方案可以很好地控制碎石層粒徑范圍，成為當前“白改黑”中應用前景最廣泛的一種工藝[2]，有必要對舊路面改造碎石化原理及技術進行研究。

在共振碎石化研究中，李豪、張中云等[3]表明共振碎石化技術比多頭碎石化技術有更寬的荷載分布，且路面基層更完好。戰琦琦等[4]通過對反射裂縫防治效果的研究，發現了聚酯玻纖布的實際防裂效果大大優于SBS 改性瀝青防水卷材。劉金福等[5]發現利用承載板試驗對舊水泥砼板進行檢測，可通過計算可得出每一塊舊水泥砼板的固有頻率和水泥穩定層的固有頻率。白洪嶺等[6]指出舊水泥混凝土破碎質量主要受破碎機施工速度、振幅、振動頻率，以及不同基層強度、剛度條件等的影響。同時，滿新耀[7]等在桂- 柳高速公路共振碎石化的研究中發現，與更換水泥路面板相比，就地碎石化通過施工機械將水泥板破碎成塊后用做路面基層或墊層，無需對舊路進行開挖處理，舊水泥板的就地再生利用率一般可達80%以上。在國外學者的研究中，David H.Timm、Robert Boye[8]等人主要介紹了共振碎石化施工工藝，內容涵蓋正式的共振碎石化破碎、碎石化層的穩壓工藝以及軟弱路段的換填處理等方面。Baladi 在2000 年的研究報告[9]中指出，采用碎石化技術改造的工程項目，大部分改造路面的使用性能良好，不需要進行相關的修復工作。

我國西南地區有大量傳統舊水泥路面，在多年高荷載交通運行下已出現大范圍損壞。為提高公路在使用中的安全性、舒適性，結合共振碎石化技術高效改善道路質量和綠色環保的特點，依托四川地區S436巡場至玉和二級公路升級改造工程，探討了共振碎石化的工作原理，明確了共振碎石化的運行機制和特點，通過對共振頻率、顆粒級配等指標進行分析，進一步評價了共振碎石化的應用效果。

1 路面共振碎石化原理

1.1 共振碎石化技術原理

共振碎石化是以工程結構共振效應為基礎，利用共振式破碎設備振動梁帶動工作錘頭振動，通過對錘頭振動頻率的調節，以接近水泥板塊的固有頻率，錘頭的振動將引起舊水泥板塊共振而使其迅速開裂[10]。水泥板塊破碎后，再在其上加鋪瀝青面層。碎石機錘頭工作原理如圖1 所示。

圖1 振動系統的結構布置及共振碎石化過

1.2 共振系統的基本理論

1.2.1 振動方程

共振梁在一定程度的激振力和激振頻率的作用下，會產生近似共振現象的受迫振動，并帶動共振梁前端的振動錘頭實現上、下振動。振動錘頭在共振梁的受迫振動帶動下，相當于實現了對某一個平衡點的簡諧振動，運動軌跡如圖2，振動方程為：

圖2 錘頭位移圖

其中A0為最大振幅，ω 為激振器轉動角速度，φ為相位角。

1.2.2 固有頻率

固有頻率是物體的固有屬性，物體在自由振動的時候，無論初始狀態如何，固有頻率只與物體的材料、質量等因素有關。因此混凝土面板做自由振動時，其無阻尼運動微分方程為：

假設板的運動狀態是簡諧振動，那么板的位移公式為：

上式中，W 將式（3）帶入式（2）得到：

其中：

1.3 共振碎石化技術特點

（1） 高效性。目前單臺共振破碎及的生產率已經可以達到2 000 m2/班組，遠優于人工路面施工的300 m2/班組。

（2） 低噪性。共振碎石化設備的錘頭相對其他破碎設備來說重量較小，錘擊過程中發出的聲音和震動也相對小很多，能有效減少施工對當地居民的噪音影響。

（3） 環保性。采用共振碎石化技術將打碎的混凝土板塊直接作為新鋪瀝青面層的基層或者底基層，既節約了成本，又避免了建筑垃圾處理的環保問題。

（4） 反射裂縫的可控性。在對舊水泥混凝土路面進行碎石化后，水泥板塊破碎成為一個整體上有相當承載力的柔性基層，在這樣的基層上加鋪瀝青混凝土就不會產生反射裂縫問題。

2 工程概況

S436 巡場至玉和二級公路升級改造工程位于四川省宜賓市珙縣，全長45.092 km。設計標準二級公路，雙向兩車道，設計車速為60 km/h，路基寬度為12 m，縱坡度為5%，橫坡度為2%。設計年限為10年，已運營使用6 年限。

公路沿線的水泥混凝土路面病害主要表現為板角斷裂、橫向裂縫、交叉裂縫、接縫剝落和麻面。此次改造內容主要是以水泥混凝土路面共振碎石化“白改黑”為主，選擇K6+725～K7+525 段（長度800 m）作為共振碎石化試驗段，路基標準橫斷面圖如圖3 所示。

圖3 路基標準橫斷面圖

3 路面共振碎石化控制性技術

3.1 施工機械準備

①RMI 共振式破碎機：機械共振參數：功率57～448kW，錘頭振動頻率35～50 Hz，振幅10～20 mm。每臺破碎機的工作效率約1 000 m2/h。

②壓路機：26 t 以上膠輪壓路機2 臺，12 t 以上雙鋼輪壓路機2 臺。同時配備1 臺小型振動壓路機以用于軟弱區補料后的碾壓及特殊位置碾壓。

③切割機：道路路面切割機的切割深度應能達到切割應力釋放渠規定的貫穿深度要求（切割深度不低于50 cm）。

④相關的測試儀器：現場取樣設備、室內篩分試驗設備、現場承載板、貝克曼梁等。

3.2 共振碎石化關鍵技術

3.2.1 共振破碎

按照先外側車道及路肩、后內側車道的順序進行破碎處理，破碎時應從路拱的低處向高處依次進行破碎。破碎時從混凝土路面的低處向高處破碎，以避免攤鋪瀝青面層后影響排水。

3.2.2 破碎層的清理與碾壓

碎石層碾壓前需清除碎石化層上舊水泥混凝土面層接、裂縫之間的條狀填料。碎石層表面必須灑水達最佳含水量（＞10%）后才能碾壓。路面破碎、碾壓流程如圖4。

圖4 路面破碎、碾壓流程圖

3.3 路面共振碎石化特殊技術

3.3.1 安全距離

共振碎石化施工的豎直向安全距離和水平安全距離見圖5 和表1。若地下管線等設施位于距施工路面0.5 m 范圍內則禁止進行破碎處理，位于0.5～0.8 m 時需謹慎考慮工作風險，地下設施位于0.8 m 以下深度時可以安全施工。

表1 共振碎石化施工水平向安全距離表

圖5 共振碎石化施工豎向安全距離圖

3.3.2 應力釋放渠和隔振溝

在碎石化路段與非碎石化路段連接處以及橋梁、涵洞、擋土墻等特殊構造物位于共振碎石化路段內時，應將共振碎石化區域與非共振碎石化區域切割分開，以防施工對非共振碎石化路段或其它結構物造成損傷，如圖6（a）。

圖6 應力釋放渠和隔振溝示意圖

在碎石化施工的振動可能會對周邊建筑物造成損害的局部路段、無路側邊溝路段需沿路肩外側邊緣或道路路基外側設置隔振溝，如圖6（b）。開挖深度不應小于0.8 m，寬度不應小于0.1 m。

4 路面共振碎石化效果評價與分析

4.1 共振頻率效應評價

經測算試驗路段基本參數確定為：

ρ=2 400 kg/m3，E=30 000 MPa，μ=0.15，混凝土面板厚度為0.15～0.3 m，地基反應模量k=20～30，在試驗路段選取五個測點，分別代入式（2）、式（3）、式（4），計算結果如圖7 所示。

圖7 各測點固有頻率

通過計算得到試驗段舊水泥混凝土路面平均固有頻率約為44 Hz，按照共振區的概念，共振頻率為固有頻率的0.7～1.3 倍，即30～57 Hz，當共振破碎機振動錘頭的頻率介于以上共振頻率范圍內時路面板即可與振動錘頭產生“共振”。

最終，根據上述研究，將黑路共振碎石化施工頻率為44 Hz、振幅10 mm 時，可以很好的保證其共振碎石基層的穩定性。

4.2 破碎后顆粒級配評價

為了解舊水泥路面共振碎石化碎石效果，采用篩分法取樣進行篩分分析，對路面共振碎石化效果進行評價。此次試驗采集了舊水泥混凝土板破碎層的石料，在K6+725 段～K7+525 段處開挖試坑，收集破碎石料進行篩分分析，如圖8 所示，得出0～5 cm 的各級通過率，繪出級配曲線如圖9 所示。

圖8 共振破碎層碎石取樣圖

圖9 共振破碎層碎石篩分曲線圖

由圖8 可知，共振破碎后其破裂深度貫穿整個板厚，裂縫角度在標準范圍內（20°～60°），符合標準。碎石化層的曲線變化在標準范圍內，符合運行需求。破碎后粉塵顆粒含量在1.5%左右，參照規范對碎石化層質量進行檢驗，均符合現行規范要求。

4.3 路面強度評價

在試驗段的路面強度評價中選取路面彎沉值指標，采用貝克曼梁法來進行評價。在本工程的待測路段K6+725～K7+525，每10 m 一點，選取十個測點計算回彈彎沉的平均值，結果如圖10 所示。

圖10 各測點彎沉值

計算彎沉平均代表值為24（0.01 mm）。該工程設計彎沉值為31.7（0.01 mm），彎沉代表值小于設計標準，說明路面彎沉性能達標，墊層在標準荷載的作用下，其抗變形能力符合設計要求，因此，共振碎石化段回彈彎沉值合格。

4.4 路面平整性評價

選取路段K6+825～K7+525，采用三米直尺法對共振破碎試驗段進行平整度檢測，規定各尺中最大間隙值不大于20 mm，平整度檢測記錄如圖11 所示。由圖可得，各樁號的部位之間最大間隙值均小于規定值（20 mm），合格率100%。

圖11 平整度檢測記錄圖

4.5 路面回彈模量評價

采用承載板法檢測路面結構的當量回彈模量，層間為完全連續，荷載大小為0.7 MPa，荷載作用的直徑為30 cm。利用彈性層狀理論將設計值（彈性模量及厚度）轉化為各結構層頂當量回彈模量并將實測值與設計值進行比較，分析是否滿足規范要求。

根據現場試驗檢測數據對土基回彈模量進行修正，如圖12（a）和圖12（b）所示為K6+775 和K7+520段部分路基回彈模量P-L 曲線圖，其中黑色為修正前計算回彈變形，紅色為修正后變形。

圖12 土基回彈模量P-L 曲線圖

根據下式計算土基回彈模量值：

式中：

E0為碎石化后頂面當量回彈模量(MPa)；

μ0為舊路結構體系（相當于碎石化加鋪路面的地基）的泊松比，一般取0.3；

li為碎石化后舊路面上第i 級承載板壓力下對應的實測回彈變形值；

Pi為對于與li 的各級壓力值；

D 為承載板直徑，取30 cm。

由式可得共振碎石化試驗段E0值如表2 所示。

表2 共振碎石化試驗段E0 值

由表2 得，本試驗段共振碎石化層頂面回彈模量值不小于300 MPa，在一定的荷載作用下，碎石層土基回彈模量值均大于設計的土基回彈模量值，碎石基層的承載能力以及抵抗變形能力滿足施工控制技術要求。

5 結論

（1） 根據共振理論和效應，采用共振破碎設備，持續對舊水泥路面產生高頻低幅的能量，調節后使得破碎頻率接近路面固有頻率，激發其共振，達到均勻破碎的效果。

（2） 在破碎試驗中調節破碎設備頻率至計算所得頻率區間，采用破碎- 清理- 碾壓的關鍵技術路線，劃分應力釋放渠和隔振溝，得出試驗數據。

（3） 在試驗中采集數據信息，對共振頻率效應、破碎后顆粒級配、路面強度、路面平整性以及路面回彈模量分析評價，結果所有指標均為合格。