任賀賀 武玉東

【摘要】本文以某道路綜合改造提升工程項(xiàng)目為例，講述了新型工藝路面共振碎石化技術(shù)的原理及應(yīng)用。隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，水泥混凝土路面改造提升為瀝青混凝土路面（簡稱白改黑）將占據(jù)工程建設(shè)項(xiàng)目中很大一部分，水泥混凝土路面將逐漸被取代，通過工程案例對(duì)共振破碎技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行分析，為水泥混凝土路面改造提升工程提供參考。

【關(guān)鍵詞】水泥混凝土路面;共振破碎;白改黑路面結(jié)構(gòu)

1、工程概況

1.1項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目主要對(duì)31條道路進(jìn)行橫斷面優(yōu)化、路面提升、結(jié)構(gòu)“白改黑”，已建道路，現(xiàn)狀道路斷面樣式多，水泥路面結(jié)構(gòu)陳舊破碎，病害較多。道路通車多年，路面沉陷較多且已趨于穩(wěn)定。本次全線改造瀝青混凝土路面，非機(jī)動(dòng)車道采用透水瀝青路面結(jié)構(gòu)。

1.2周邊環(huán)境

根據(jù)現(xiàn)狀調(diào)查，道路兩側(cè)地塊開發(fā)強(qiáng)度不大，沿線大部分建筑為4-6層居民自建房;道路等級(jí)為城市主干路，設(shè)計(jì)車速是40km/h，車道寬度45m;在共振破碎施工期間，沿線周圍的敏感建筑物進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察，施工前在人行道位置設(shè)置隔振溝（寬40cm，深80cm），以減少施工振動(dòng)對(duì)周圍建筑物影響。

2、施工工藝

2.1 共振碎石化技術(shù)“白改黑”施工工藝：共振碎石化破碎→灑水碾壓→噴灑透層油→鋪筑加鋪層。施工工藝簡單、成熟、可靠，不需專門的配套設(shè)備。

2.2 大量的水泥砼路面亟待改造

截止 2018年年底，我國水泥混凝土路面總里程達(dá)到403.97萬公里，其中縣道里程54.97萬公里，鄉(xiāng)道里程117.38萬公里，村道里程231.62萬公里， 參考《2018年交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》。上世紀(jì)90年代開始至今建設(shè)的大量水泥混凝土路面，隨著使用年限的增加，快速增長的交通荷載的作用，大量的水泥混凝土路面進(jìn)入了大中修階段。

2.3“白改黑”是城鎮(zhèn)化的選擇

水泥混凝土路面“白改黑”后具有更高的路面平整度、更優(yōu)的路面抗滑性、更低的行車噪聲、更低的眩光特性、更佳的行車舒適性和安全性、更低費(fèi)用、更小的交通影響，更符合城市的發(fā)展需求。

3、“白改黑”存在的問題

3.1 存在的問題

（1）水泥混凝土路面“白改黑”最大的問題是反射裂縫的防治。

（2）將板塊破碎成較細(xì)的顆粒，能夠避免反射裂縫。但水泥混凝土板塊的剩余強(qiáng)度低，加鋪結(jié)構(gòu)層厚，投資費(fèi)用高。

3.2 適宜的粒徑

破碎粒徑大，易產(chǎn)生反射裂縫;破碎粒徑小，路面剩余強(qiáng)度不足，加鋪層厚度大。根據(jù)國內(nèi)外幾十年的工程實(shí)踐，以及室內(nèi)、外大量研究，破碎后水泥混凝土板塊粒徑在3-20cm是實(shí)現(xiàn)兩種狀態(tài)最佳組合的破碎效果 。最佳契合點(diǎn)如圖 3所示。

4、共振碎石化是實(shí)現(xiàn)最優(yōu)破碎的工藝

共振碎石化技術(shù)在美國、歐洲等幾十個(gè)國家得到了大量和廣泛的應(yīng)用。2006年引進(jìn)中國，在上海、浙江、福建等地得到較廣泛的應(yīng)用，累計(jì)完成超過 800萬m2的工程量。業(yè)已證明共振碎石化技術(shù)的成熟性、可靠性和適用性。相對(duì)傳統(tǒng)破碎工藝而言，共振碎石化技術(shù)是實(shí)現(xiàn)消除反射裂縫和水泥混凝土路面盡可能高剩余承載力兩個(gè)條件的最優(yōu)工藝。破碎粒徑在3-20cm 范圍。

5、共振碎石化工作原理

5.1 共振碎石化設(shè)備

CB-900（CB，Concrete Breaker）型共振碎石化機(jī)設(shè)備是共振碎石化設(shè)備的最新發(fā)展型，是目前使用的最先進(jìn)的型號(hào)。

主要技術(shù)參數(shù)：發(fā)動(dòng)機(jī)功率約 630 hp，振動(dòng)梁寬寬 66cm，振動(dòng)梁配重 5443-9070kg，破碎錘頭重 23kg，整車總重 27.2-31.8t。振動(dòng)頻率 42-46Hz，振幅在20mm 左右。

5.2 共振破碎原理

共振碎石化不依靠 “蠻力”破碎水泥混凝土板塊，而是以 “巧勁”實(shí)現(xiàn) “ 四兩撥千斤”的效果，這是共振破碎的最大特點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)了激振力與板塊的固有頻率的最佳組合。促使水泥混凝土板塊共振開裂，且裂而不碎。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)在于 “ 共振梁的調(diào)諧作用”。

5.3 共振梁調(diào)諧原理

共振梁是實(shí)現(xiàn)共振碎石化設(shè)備的關(guān)鍵與核心部件。

共振梁調(diào)諧原理（圖 7）：由偏心凸輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生偏心力，通過共振梁調(diào)幅、調(diào)頻后，將振動(dòng)能量傳遞給破碎錘頭，使得錘頭的振動(dòng)頻率達(dá)到水泥面板的固有頻率，板塊共振并迅速開裂。使錘頭激振頻率與激振力達(dá)到破碎板塊的最佳組合。將偏心凸輪與錘頭直接相連稱作單錘頭破碎設(shè)備，將在第 6 節(jié)介紹。

5.4 水泥路面的破碎狀態(tài)

共振碎石化后，破碎粒徑自上而下由小到大，粒徑主要分布在 3cm-15cm 范圍內(nèi)。上層 0～8cm 范圍內(nèi)，粒徑相對(duì)較小，一般在 5cm 以下，呈現(xiàn)相對(duì)松散狀態(tài)，類似于級(jí)配碎石，起到釋放應(yīng)力的作用;下層粒徑集中在 5～15cm 的塊狀粒料，呈斜向嵌鎖狀態(tài)，破裂角在 30°-60°范圍，裂而不散，強(qiáng)度高。不論強(qiáng)度和模量均高于密實(shí)狀態(tài)的級(jí)配碎石，單層碎石化層的模量（靜態(tài)模量）一般在 500-900MPa。

5.5 工藝參數(shù)的選擇

板塊破碎的效果受共振破碎機(jī)的破碎前進(jìn)速度、振幅、振動(dòng)頻率、破碎順序，以及原路面結(jié)構(gòu)、水泥混凝土強(qiáng)度、剛度條件、傳力桿、拉桿等因素都影響。為達(dá)到最佳的破碎效果，需進(jìn)行試振破碎，通過開挖樣坑，檢查、驗(yàn)證、調(diào)整，使之達(dá)到最佳的破碎效果。工藝參數(shù)的調(diào)整需要經(jīng)驗(yàn)豐富的工程單位承擔(dān)，可調(diào)整的工藝參數(shù)如下：共振頻率：42-46Hz;共振錘振幅：20mm 左右;工作行進(jìn)速度：2-3km/h;破碎順序：由板邊到板中。

6、共振碎石化的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

6.1 徹底消除反射裂縫

共振碎石化破碎粒徑在 20cm 范圍以內(nèi)，徹底消除反射裂縫的產(chǎn)生。相對(duì)其他水泥混凝土路面破碎技術(shù)更為有效。

6.2 技術(shù)適用廣

共振碎石化采用高頻低幅的振動(dòng)，共振碎石技術(shù)對(duì)周邊建筑物、構(gòu)筑物和地下管線影響最小，技術(shù)適用范圍廣。共振碎石化技術(shù)適用的水泥混凝土路面技術(shù)狀況相對(duì)其他技術(shù)較寬，《公路水泥混凝土路面再生利用技術(shù)細(xì)則》（JTGTF31-2014）對(duì)此作了比較，共振碎石化較其他破碎工藝更加適合城市道路。

6.3 原路再生利用充分

采用共振碎石化技術(shù)的原路面結(jié)構(gòu)和材料均得到了相對(duì)充分的利用。相對(duì)多錘頭破碎技術(shù)，共振碎石化技術(shù)更能發(fā)揮板塊和結(jié)構(gòu)層的剩余強(qiáng)度。

6.4 加鋪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單

共振碎石化路面上加鋪層設(shè)計(jì)簡單，不需專門的防反射裂縫設(shè)計(jì)和設(shè)施。通常加鋪結(jié)構(gòu)為兩層式瀝青面層或三層式瀝青面層。

6.5 施工效率高

破碎行進(jìn)速度：2-3km·車道/h。一般一臺(tái)設(shè)備一天可破碎 2500m 2 左右（效率取決于多方面因素，水泥混凝土板塊強(qiáng)度、厚度、交通天氣等因素）。

6.6技術(shù)成熟，應(yīng)用廣泛

共振碎石化技術(shù)在國外應(yīng)用廣泛，在我國的應(yīng)用也超過了 10 年。各等級(jí)公路、城市道路，農(nóng)村公路、國省道，不同交通等級(jí)的道路上均有應(yīng)用，均有較好的使用效果。設(shè)計(jì)、施工成熟標(biāo)準(zhǔn)，技術(shù)成熟度高。

6.7 綠色、環(huán)保、低碳

共振碎石化破碎技術(shù)不產(chǎn)生固體廢棄物、無污染;消耗的新資源、新能源少，相應(yīng)的碳排放少。共振碎石化技術(shù)是一種綠色、環(huán)保、低碳的水泥混凝土路面“白改黑”技術(shù)。

6.8 污染小、擾民低

破碎產(chǎn)生的粉塵相對(duì)低，通過預(yù)灑水工藝有效降低破碎過程中的粉塵。共振破碎產(chǎn)生的噪音和振動(dòng)相對(duì)小，傳播距離短。相對(duì)多錘頭破碎，產(chǎn)生的粉塵、振動(dòng)、噪音明顯低，擾民低，更加和諧。

6.9施工交通組織簡便

共振碎石化技術(shù)施工交通組織更為簡便，對(duì)交通影響小、擾民小。

6.10 路面更加耐久，投資少

（1）采用共振碎石化破碎的路面結(jié)構(gòu)加鋪層相對(duì)其他破碎工藝加鋪層結(jié)構(gòu)薄，路面改建的直接綜合成本低（Integrated Direct costs）。

（2）施工快捷、工期短、快放交通快，間接費(fèi)用（Indirect costs）低。

（3）經(jīng)共振碎石化改建的道路路面結(jié)構(gòu)更加耐久，維護(hù)少、大修間隔時(shí)間長，路面結(jié)構(gòu)的壽命周期成本（life cycle cost，LCC）低。

7、 破碎工藝比較

7.1多錘頭破碎

多錘頭破碎是水泥混凝土路面較為常用的一種破碎方式。多錘頭破碎系統(tǒng)由兩排各 3 對(duì) 650kg 的錘頭組成，兩側(cè)各有 1 對(duì) 865kg 翼錘。錘頭最大提升高度110cm。依靠重錘自由下落的沖擊力實(shí)現(xiàn)板塊的破碎。特點(diǎn)是沖擊力大、振動(dòng)頻率低，振動(dòng)傳播遠(yuǎn)，臨近建筑和地下管線有明顯影響（圖 11）。多錘頭的沖擊力較大，板塊破碎粒徑小，剩余強(qiáng)度低，與級(jí)配碎石相當(dāng)。此外，錘頭沖擊力對(duì)基層承載力也造成一定損傷。因此，經(jīng)多錘頭破碎后路面結(jié)構(gòu)，加鋪層通常相對(duì)較厚。

7.2單錘頭破碎

單錘頭破碎在多錘頭的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，將多錘變?yōu)閱五N形式，提高了錘擊的頻率，減小了錘擊力度。同時(shí)，在一定程度上借鑒了共振破碎的特點(diǎn)，采用偏心凸輪激振。與共振破碎共振梁調(diào)諧作用（圖 7）不同，單錘頭破碎直接將偏心輪加載于錘頭，無法實(shí)現(xiàn)激振力與混凝土板塊固有頻率的耦合：

（1）要么激振頻率過高，激振力不足，導(dǎo)致板塊無法有效打裂，加鋪結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生反射裂縫;

（2） 要么激振頻率過低，激振力過大，板塊打碎，剩余強(qiáng)度不足。兩種破碎技術(shù)的原理比較如下：

8、設(shè)計(jì)與工程案例

8.1 設(shè)計(jì)依據(jù)

（1）公路水泥混凝土路面再生利用技術(shù)細(xì)則（JTGTF31-2014）

（2）公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范（JTGD50-2006）

（3）公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范（JTGD40-2011）

8.2 碎石化時(shí)機(jī)的選擇

根據(jù)價(jià)值工程理論：共振碎石化“白改黑”的工程價(jià)值大于其他維修改造方案的工程價(jià)值。價(jià)值可以是項(xiàng)目總投資，也可以是項(xiàng)目的壽命周期費(fèi)用，還可以是項(xiàng)目的社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值。時(shí)機(jī)的選擇應(yīng)同時(shí)滿足技術(shù)可行和經(jīng)濟(jì)可行。相對(duì)其他破碎工藝，共振碎石化技術(shù)適用性更廣。項(xiàng)目總投資、壽命周期經(jīng)濟(jì)費(fèi)用低，社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值高?！豆匪嗷炷谅访嬖偕眉夹g(shù)細(xì)則》（JTGTF31-2014）從水泥混凝土路面技術(shù)狀態(tài)的角度給出了共振碎石化的適用條件。

8.3 典型結(jié)構(gòu)

共振碎石化路面加鋪層的厚度與交通量有關(guān)，與原路面結(jié)構(gòu)狀況和剩余承載力有關(guān)。國內(nèi)共振碎石化路面加鋪結(jié)構(gòu)歸納如下：加鋪層材料的選擇，根據(jù)道路等級(jí)、所在氣候分區(qū)特點(diǎn)等因素，選擇不同質(zhì)量等級(jí)的材料。對(duì)于重交通道路可以采用橡膠瀝青混合料 AR-AC、SMA 等混合料，以及抗車轍劑、玄武巖纖維等添加劑來增強(qiáng)混合料的抗車轍性能和高溫穩(wěn)定性。

8.4 質(zhì)量檢驗(yàn)與評(píng)定

碎石化路面施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)主要通過碎石化破碎粒徑和結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行檢驗(yàn)與評(píng)定。檢驗(yàn)主要依據(jù)：公路水泥混凝土路面再生利用技術(shù)細(xì)則（JTGT F31-2014）公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范（JTGD50-2006）公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范（JTGD40-2011）

（1）碎石化破碎粒徑檢驗(yàn)

通過開挖試坑判斷，避免過度松散和不能有效破碎兩種極端情況。

（2）破碎化層的結(jié)構(gòu)狀態(tài)檢驗(yàn)

共振碎石化后該層呈現(xiàn)上層松散，下層嵌鎖的狀態(tài)。狀態(tài)的檢驗(yàn)采取鉆心方法獲得。通過鉆芯試樣，判斷混凝土板下部結(jié)構(gòu)裂縫嵌鎖狀態(tài)。

（3）結(jié)構(gòu)剩余強(qiáng)度

路面結(jié)構(gòu)剩余強(qiáng)度可采用碎石化層頂面回彈模量進(jìn)行檢驗(yàn)。該模量為整個(gè)路面結(jié)構(gòu)層的當(dāng)量回彈模量。當(dāng)量回彈模量不應(yīng)作為評(píng)價(jià)碎石化層是否合格的指標(biāo)。因?yàn)槁访娼Y(jié)構(gòu)剩余強(qiáng)度和模量與整個(gè)路面結(jié)構(gòu)各層材料的狀態(tài)密切相關(guān)，與所測(cè)試的季節(jié)狀態(tài)有關(guān)?！豆仿访婊鶎邮┕ぜ夹g(shù)細(xì)則》僅將回彈模量作為參考

8.5工程實(shí)例

共振碎石化技術(shù)首先應(yīng)用于國省道，之后在不同等級(jí)的道路以及城市道路上推廣和應(yīng)用。

（1）國省道的應(yīng)用

滬青平公路為 318 國道上海段，主要為水泥混凝土路面。交通等級(jí)屬于重交通。上海市公路管理處首次引進(jìn)共振碎石化技術(shù)，于 2005 年鋪筑了 477m 的共振碎石化的試驗(yàn)段。后期的跟蹤觀測(cè)、研究認(rèn)為反射裂縫防治、資源再利用、節(jié)能減排效果明顯。隨后于 2007、2008 年進(jìn)行了大范圍的共振碎石化工程應(yīng)用。作為示范工程，每年對(duì)該路進(jìn)行定期回訪，該路至今未產(chǎn)生反射裂縫等病害，狀況良好，僅需日常性路面養(yǎng)護(hù)。

浙江省于 2007 年引進(jìn)共振碎石化技術(shù)，首先應(yīng)用于 104 國道（臨海段）的“白改黑”改造中，總長度超過 6km，加鋪三層式瀝青面層，鋪筑厚度為 15cm。基于良好的使用效果，2008 年實(shí)施 104 國道的“白改黑”，迄今已經(jīng)完成近 50km長的共振碎石化“白改黑”改造。路面使用完好，期間未實(shí)施過大修，大大降低了公路養(yǎng)護(hù)、運(yùn)營、管理的成本。

結(jié)論：

傳統(tǒng)開膛破肚的改造工藝，需要近半年的時(shí)間，施工噪音、揚(yáng)塵，交通的阻斷嚴(yán)重，社會(huì)影響大;從縮短工期、節(jié)約造價(jià)、節(jié)能環(huán)保等方面綜合考慮，引入路面共振碎石技術(shù)實(shí)施“白改黑”，改造后的路面顯著提升了路面的使用狀況和技術(shù)水平，大大改善了路線區(qū)域的市容市貌，取得了較好的效果和口碑。

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