祁 亮

中煤科工集團(tuán)武漢設(shè)計(jì)研究院有限公司（430064）

水泥混凝土路面雖然有許多優(yōu)點(diǎn)，但是在道路通車不久便會(huì)產(chǎn)生裂縫、斷板、錯(cuò)臺(tái)等病害，使混凝土路面的使用壽命減少20%～70%， 導(dǎo)致路面完好率和耐久性受到嚴(yán)重影響。 同時(shí)，水泥混凝土路面接縫多，接縫處顛簸跳車，行車舒適性較差，且一旦損壞，修復(fù)比較困難和復(fù)雜。 高頻共振碎石作為現(xiàn)代改造舊水泥公路的重要施工技術(shù)之一，在施工中發(fā)揮著不可替代的作用，不僅可以有效地解決舊公路水泥路面的各類病害問(wèn)題，而且施工周期短，還可以減少資源、材料的浪費(fèi)，降低公路再施工的成本。

1 高頻共振碎石化技術(shù)

1.1 技術(shù)簡(jiǎn)介

Rubblization (碎石化)是指利用共振碎石機(jī)，通過(guò)低振幅(高度為2 cm 左右)、高頻率(44 Hz 左右)的振動(dòng)錘對(duì)水泥路面進(jìn)行破碎，將原水泥混凝土路面破碎成直徑為3～20 cm 并相互緊密嵌鎖的小塊，這樣既能夠使破碎后的水泥混凝土路面有足夠的承載力，可直接作為瀝青加罩層的下臥基層，又從根本上消除將來(lái)瀝青加罩層的反射裂縫現(xiàn)象。在原水泥混凝土路面上直接加鋪瀝青混凝土的工藝，只是“延緩”了反射裂紋的產(chǎn)生，而無(wú)法減少或者“根除”反射裂紋，3～5 年內(nèi)仍需重復(fù)改造。其原理如圖1 和圖2 所示。

圖1 直接加鋪和破碎比較

1.2 共振碎石設(shè)備的工作特點(diǎn)

水泥板塊產(chǎn)生的裂紋是斜向的，與路面呈35°～40°角。這種獨(dú)特的斜向嵌緊的結(jié)構(gòu)有效地保持了破碎后板塊的承載力，可防止車轍的出現(xiàn)。

圖2 反射裂紋成因

作用于水泥板塊內(nèi)部的高頻振動(dòng)力使得板塊整體碎裂均勻，碎塊大小和方向極其規(guī)律，而且板塊里面的鋼筋也與混凝土完全剝離。

共振設(shè)備只是將裂紋擴(kuò)展到板塊的邊緣，所以對(duì)板塊周邊的結(jié)構(gòu)設(shè)施不會(huì)造成任何損壞。

水泥混凝土路面破碎后作為基層使用時(shí)，除了消除反射裂縫的影響外，還需保證其具有足夠的承載強(qiáng)度，破碎的粒徑尺寸直接影響到道路改造的效果。 破碎后的粒度大小與引起反射裂縫的傾向成正比，而與破碎后該層的結(jié)構(gòu)失效率成反比。即碎塊粒徑越大，作為基層使用的該層在結(jié)構(gòu)上越不容易失效，承載能力越強(qiáng)，但引起反射裂縫的概率也越大；粒徑越小，反射裂縫形成的傾向越小，而且整體承載能力也越小。 理想的碎石化要求碎石尺寸為3～20 cm，既可避免出現(xiàn)反射裂紋、又可以防止結(jié)構(gòu)失效；均勻的破碎尺寸、緊密的嵌鎖結(jié)構(gòu)，可以有效排水，防止水害；不破壞基層和周邊結(jié)構(gòu)物；鋼筋和混凝土塊有效地分離； 無(wú)需加鋪碎石或水穩(wěn)等應(yīng)力吸收層。通過(guò)彈性層狀體系理論可以得知，路基路面各層彈性模量要上強(qiáng)下弱，方可避免反射裂紋的產(chǎn)生[1]。

由圖3～圖7 可知，懸浮式碎石化共振技術(shù)的應(yīng)用完全不損壞公路的基層。 與其他方法不同，高頻共振碎石化技術(shù)使混凝土中的裂縫與水平方向呈35°～45°角，且板塊被整體破碎，可以在不傷害路基外形或路基材料的情況下剝離所有的鋼筋。 低頻高幅的共振碎石化的能量被水泥混凝土板塊吸收，且不會(huì)把破碎石塊砸入路基[2]。

圖3 普通高壓沖擊錘

圖4 普通高壓重錘與共振碎石比較

圖5 理想的共振碎石尺寸范圍

圖6 碎石化層最佳粒徑及模量的確定

圖7 共振碎石路面結(jié)構(gòu)層典型厚度及模量

2 工程概況

本工程位于南方某市城區(qū)主干道，起訖樁號(hào)為K427+750～K433+265，全長(zhǎng) 5.515 km。 原設(shè)計(jì)舊混凝土路面為挖補(bǔ)處理， 因舊板斷板率不斷擴(kuò)大，挖補(bǔ)率由原來(lái)的32.75%提高到62.23%。 道路兩旁有各種批發(fā)市場(chǎng)、長(zhǎng)途車站、物流集散地，來(lái)往重載車輛多，交通流量大，交通疏導(dǎo)壓力大。 屬于原有國(guó)道改線前穿越市區(qū)的道路，周邊房屋商鋪較多，地下管線錯(cuò)綜復(fù)雜，且沒(méi)有相關(guān)管線圖紙可參照。

為探索水泥路面提質(zhì)改造的建設(shè)方案，在原有多錘頭破碎加鋪水穩(wěn)半剛性基層的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，結(jié)合南方省市白改黑工程的經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)多方論證和綜合比選， 最終確定采用高頻共振碎石技術(shù)將原有25 cm 厚水泥混凝土面板共振碎石后做為柔性粒料基層，直接加鋪三層瀝青混凝土面層，路面結(jié)構(gòu)層具體情況見(jiàn)表1。

3 原有水泥路面狀況調(diào)查

3.1 沒(méi)有錯(cuò)臺(tái)、開(kāi)裂并且平整的路段

該路段全長(zhǎng)為5.5 km，原有水泥路面大部分相對(duì)完整，板塊上有不規(guī)則裂紋，很大一部分是因?yàn)樗喟遄陨韽?qiáng)度不夠，在外力作用下斷裂的，沒(méi)有下陷和錯(cuò)臺(tái)，說(shuō)明基礎(chǔ)牢固，沒(méi)有脫空[3]。

3.2 瀝青填補(bǔ)后相對(duì)穩(wěn)定的路段

K429+500～K431+500 路段有很大面積的瀝青修補(bǔ)路段，有一部分瀝青修補(bǔ)段經(jīng)過(guò)多年的通車行駛，基礎(chǔ)穩(wěn)定，瀝青表面完整，沒(méi)有新的病害產(chǎn)生。

3.3 瀝青填補(bǔ)后仍不穩(wěn)定的路段

在十字路口、綠化帶開(kāi)口、市場(chǎng)出入口位置，由于大車來(lái)回碾壓、起步停車等因素，造成面板破損嚴(yán)重、錯(cuò)臺(tái)、路面下陷甚至翻漿、路面坑槽高差大于10 cm。 說(shuō)明下臥基礎(chǔ)軟弱（甚至沒(méi)有水穩(wěn)基層）。

4 共振碎石施工中的主要技術(shù)措施

4.1 本工程采用的共振破碎施工工藝流程

圖8 為本工程的施工工藝流程。

表1 瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)層

圖8 水泥混凝土路面共振碎石化施工流程圖

4.2 瀝青混凝土修補(bǔ)塊的銑刨及共振碎石化效果

將原有路面上所有填補(bǔ)的瀝青混凝土全部銑刨，露出舊水泥混凝土面板，水泥混凝土面板直接用高頻共振設(shè)備碎石化施工，然后灑水壓實(shí)，形成合格的柔性基層[4]。

正常混凝土面板共振破碎后，會(huì)形成表面合格的級(jí)配碎石（天然應(yīng)力吸收層），下部裂而不碎的原位嵌鎖結(jié)構(gòu)總體成為合格的半柔性粒料基層（介于柔性與半剛性之間，具體如圖9 所示）。

4.3 路面結(jié)構(gòu)防排水處理

因道路兩側(cè)綠化帶及路緣石不能擾動(dòng)，無(wú)法設(shè)置縱向排水盲溝，所以采取了封水措施:1 cm 同步碎石分兩層灑布、壓實(shí)。 面層之間也布設(shè)改性乳化瀝青粘層。 中面層AC-16 粒徑略微偏細(xì)，為增強(qiáng)其承載力和抗剪性能，避免疲勞損傷和車轍，添加玄武巖纖維。

4.4 采用級(jí)配碎石層調(diào)平

原有路面缺角、斷板、下沉、瀝青修補(bǔ)的路段，共振后只要表面碎石均勻，沒(méi)有繼續(xù)下陷，就可認(rèn)定下部基層穩(wěn)定，局部撒級(jí)配碎石找平即可，具體如圖10 所示。

圖9 表面合格的級(jí)配碎石

圖10 局部撒級(jí)配碎石

4.5 軟基處理

軟基或脫空處共振碎石，表面極易產(chǎn)生大塊，且有下沉；對(duì)大面積軟基和脫空，必須進(jìn)行換填補(bǔ)強(qiáng)處理。 K432+480 食品批發(fā)市場(chǎng)門口，以下分別為在共振前、共振時(shí)、共振后、開(kāi)挖后的圖片，共振表面產(chǎn)生大塊，且有下沉；挖開(kāi)以后，下面沒(méi)有水穩(wěn)基層，直接就是土基。 對(duì)這種軟基的處理可挖除到實(shí)底 （一般將原有基層挖除）， 換填低標(biāo)號(hào)水泥混凝土，上余10 cm 換填瀝青碎石或級(jí)配碎石，與周邊共振碎石共同形成柔性基層如圖11 所示。

圖11 柔性基層

4.6 壓實(shí)質(zhì)量控制

壓路機(jī)采用具有高頻、低幅振動(dòng)鋼輪且不小于10 t 壓路機(jī)，碾壓速度不得大于1.83 m/s，碾壓遍數(shù)按最少3 個(gè)來(lái)回控制。 碾壓時(shí)為增強(qiáng)壓實(shí)效果，可先灑水，然后壓實(shí)。 碾壓時(shí)應(yīng)將表面細(xì)碎粒壓入表面裂縫，進(jìn)一步提高破碎混凝土的模量，使破碎混凝土嵌入路基空隙中，并壓出一致平滑的表面用于攤鋪瀝青。 壓實(shí)后，任何垂直移動(dòng)超過(guò)2 cm 的局部都要考慮開(kāi)挖移除，并用級(jí)配碎石粒料回填。

在地勢(shì)較低、路面積水較多的路段存在路面壓得太實(shí)或者實(shí)度不夠的問(wèn)題，影響共振碎石化的均勻度。 針對(duì)以上問(wèn)題，在正式破碎之前，先進(jìn)行試振及開(kāi)挖試坑檢查，通過(guò)開(kāi)挖，檢查破碎粒徑分布情況及均勻程度，確定破碎機(jī)械施工參數(shù)及施工組織措施。 破碎后要進(jìn)行碾壓，壓實(shí)采用高頻低振幅的方式，壓路機(jī)噸位不能太大，碾壓遍數(shù)也不要太多，注意不要過(guò)量壓實(shí)。

5 共振碎石檢測(cè)及質(zhì)量監(jiān)控

5.1 共振碎石后的質(zhì)量檢測(cè)

根據(jù)規(guī)范要求，主要檢測(cè)兩大質(zhì)量指標(biāo):①回彈模量或彎沉的測(cè)定，確保承載力；②試坑開(kāi)挖測(cè)量粒徑，觀察斜向裂縫，確保共振碎石均勻。 共振碎石的粒徑與模量值是一對(duì)矛盾體:破的越碎，模量越低。 共振碎石是將水泥剛性面板轉(zhuǎn)化為碎石柔性基層，徹底根除了反射裂縫，但必須確保承載力符合設(shè)計(jì)要求，避免日后疲勞裂縫的產(chǎn)生。 所以在承載力滿足的前提下，應(yīng)盡量保證粒徑大小符合規(guī)范要求[5]。

5.2 共振碎石承載力檢測(cè)

傳統(tǒng)的承載板法只適合土基回彈模量的測(cè)定，對(duì)于粒料層表面和舊路表面應(yīng)采用貝克曼梁法測(cè)定回彈模量， 即用彎沉儀測(cè)試各測(cè)點(diǎn)的回彈彎沉值，然后通過(guò)計(jì)算求得回彈模量值。 根據(jù)本工程設(shè)計(jì)和道路的實(shí)際狀況， 測(cè)得回彈模量＞300 MPa、彎沉值＜65（0.01 mm），符合設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

5.3 共振碎石試坑檢測(cè)

共振碎石面開(kāi)挖試坑的主要目的是觀察碎石后斜向裂縫是否貫穿混凝土面板，以確保水泥混凝土板內(nèi)部應(yīng)力釋放，避免翹板效應(yīng)，根除反射裂縫。本工程碎石后分為上下兩層，上層粒徑＜9 cm，下層粒徑＜23 cm。 共振碎石后的水泥板內(nèi)部實(shí)際上充斥著微裂紋，挖出的每一塊石頭摔裂后還會(huì)進(jìn)一步分解。 不同的水泥混凝土破裂的形式不一樣，挖掘機(jī)能很輕松地將其挖開(kāi)，但有時(shí)側(cè)面裂縫并不明顯。

5.4 共振碎石過(guò)程監(jiān)控

碎石過(guò)程中，通過(guò)測(cè)量上部松散碎石的深度來(lái)監(jiān)控破碎的程度，并隨時(shí)調(diào)整設(shè)備，以確保碎石后的混凝土板的承載力仍然符合設(shè)計(jì)要求。 經(jīng)過(guò)總結(jié)，本工程上部碎石層深度在3～7 cm 較為適宜[6]。

6 舊水泥路面改瀝青路面采用不同施工工藝的費(fèi)用對(duì)比分析

結(jié)合湖北省現(xiàn)有公路舊水泥路面改瀝青路面的不同施工工藝，以及湖北省高速公路主要材料預(yù)算價(jià)格進(jìn)行對(duì)比分析，具體情況見(jiàn)表2。

7 高頻共振碎石化技術(shù)對(duì)我國(guó)公路改造的積極意義

共振碎石以其獨(dú)特的“上部（不超過(guò)1/2 板厚）碎石化，下部嵌鎖化”結(jié)構(gòu)，優(yōu)化了路面結(jié)構(gòu)，使其既保持了彈性，又具有極高的承載力；既能排掉瀝青層滲水，又能保證水不滲至基層，避免路基二次病害；徹底消除板塊效應(yīng)，根除反射裂紋，保證改造完工后的瀝青路面的長(zhǎng)壽命[7]。

便利的“碎完即壓，壓后即鋪，鋪完即放”的施工組織方式，特殊情況下甚至可采取“碎完即放，放后再鋪”的方式，保證改造施工用時(shí)最短、對(duì)交通干擾最小、社會(huì)成本最低。

舊水泥板就地破碎、再生利用，變廢為寶，完全符合我國(guó)建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)的戰(zhàn)略方針。

表2 舊水泥路面的施工工藝及材料價(jià)格

美國(guó)作為水泥公路大國(guó)，從1986 年起已應(yīng)用本工藝完成數(shù)千公里高速公路改造，使用時(shí)間最長(zhǎng)的已超過(guò)二十年，無(wú)一失敗案例；我國(guó)從2004 年開(kāi)始引進(jìn)、使用該工藝，在上海、浙江、四川、福建、湖北、湖南、陜西、江蘇、廣西、廣東等地一、二級(jí)國(guó)省干道及城市主干道進(jìn)行推廣應(yīng)用，全部獲得成功。