共振碎石化技术在城市道路改造中的应用

郭秋金

(福州市规划设计研究院 福建福州 350108)

引 言

随着早期修建的水泥混凝土路面逐步达到使用周期，城市道路面临着大量水泥混凝土路面改造，常规的白改黑工艺修复原路面周期长，且薄层加铺长期受到反射裂缝的困扰，共振碎石化作为一种新的改造技术具有防治反射裂缝效果明显、对交通与环境影响较小等特点，在目前的水泥混凝土路面改造中得到了初步应用。共振碎石化法(Resonant Rubblizing Method)是美国 RMI公司(Resonant Machines Inc.)于2001年提出的一种用于板块完整性与结构性较差的混凝土路面改造工程的技术。其工作原理是在偏心轴力的驱动下产生共振简谐波，通过锤头的振动传递给混凝土板，引起共振并迅速开裂，将混凝土板破碎成粒料层[1]。2004年3月，共振碎石化技术由 RMI公司在我国公路第二届科技创新高层论坛上进行了首次介绍[2]。2005年，共振碎石化技术被应用在上海市沪青平公路和金山大道改造试验路段，这是共振碎石化技术首次在我国使用[3]。与其他碎石化方法相比，共振碎石化法对水泥混凝土板块破碎均匀，对板下各层影响较小，能够较好的解决“白改黑”路面的反射裂缝问题[4]，此外还具有施工速度快等特点，在技术应用上表现出一定的优势[5]。

目前，共振碎石化技术在市政行业中应用时间不长，在我国仍处于尝试阶段，施工工艺、质量控制未形成统一标准[6]，只有针对一些试验段形成的地方性技术指南。本文在总结共振碎石化技术的作用机理、适用条件和国内使用情况的基础上，依托福州市东二环路改造工程，探讨共振碎石化技术的主要施工控制和工艺流程，总结提出了共振碎石化技术应用于城市道路改造的一整套实践方法。

1 共振碎石化技术及应用现状

1.1 作用机理

不同结构和构件具有各自不同的固有频率，共振碎石化所采用的共振破碎设备RPB(Resonant Pavement Breaker)的工作锤头通过振动梁带动产生振动，并通过锤头安装的专用传感器接收路面的振动反馈，锤头与路面接触，通过电脑自动调节自身激振频率(一般情况下锤头的振动频率为42～45Hz)去接近结构的固有频率(一般为0.7ω0≤θ≤1)，从而产生共振响应，使结构的振幅接近最大并产生最佳激振力，使混凝土的内部颗粒因相互间内摩擦阻力迅速减小而产生破碎[5]，使混凝土板形成碎石如(图1)。

图1 共振破碎原理

文献[3]及实践证明，经过共振破碎化方法得到的破碎混凝土，其级配与一般级配碎石比较接近(如图2所示)。其模量介于级配碎石与半刚性基层之间，约为级配碎石的2.5倍，半刚性基层的0.3倍，是良好的路面垫层或基础结构材料。

图2 碎石化层与级配砾石级配对比图

1.2 适用条件

由于共振碎石化技术是使混凝土板达到共振频率而实现破碎，并将破碎后的混凝土作为结构层应用在旧路改造中，所以对于桥涵、软弱地基、地下管线丰富路段及旧路路况较好的路段，共振碎石化技术并不适用。此外，要引起待破碎构筑物的共振，共振破碎设备的工作频率需要与构筑物的频率接近。为实现最佳共振频率，需要充分考虑地基强度、板块尺寸、板块破坏程度、碎石化设备的激振力、激振频率、轮胎触地压力和设备行进速度等因素。所以，施工前应做好施工方案的合理组合。因为重复破碎很难达到理想的碎石化效果，所以共振碎石化的第一遍碎石化非常关键，应尽量一次就碎石化成功，避免重复。因此，共振碎石化技术在施工工艺上也有比较苛刻的要求。

由于不同构筑物具有不同的共振频率，所以除了引起待破碎结构物的共振外，一般情况下共振碎石化设备不会引起周边构筑物的共振破坏，而且，共振碎石化的施工期短，施工后能迅速恢复现状交通，此外，原路面碎石化后作为改造道路的结构层可有效地减少工程废弃物的产生，更加环保，因此共振碎石化技术更适合在对交通、环境有更高要求的项目中运用，对市政道路改造工程具有良好的适用性。

目前共振碎石化技术适用的典型路面结构形式如(图3)所示，碎石化前的旧水泥混凝土面层经过共振碎石化和整备处理后用作新路面结构的垫层，在其上再行加铺柔性基层及沥青混凝土面层。

图3 共振碎石化技术改造前后的典型路面结构

1.3 应用现状

自2004年RMI公司首次向我国介绍共振碎石化技术开始，国内也对共振碎石化技术进行研究，并有了一定数量的工程应用。2005年，共振碎石化技术被应用在上海市沪青平公路和金山大道改造试验路段，这是国内首次在实践上采用共振碎石化技术[3]，随后在江苏、福建、浙江等地区也得到了实践应用。同时，共振碎石化技术的强度形成机理、设计方法、施工技术特征、工艺要求等也有了一定的研究。但由于技术引进实践较短，对共振碎石化技术研究不够全面。此外，国内已有关于共振碎石化技术的研究多基于工程实例，而这些工程多处于试验性阶段，所以已有研究具有一定的局限性。

2 在市政道路改造工程中的应用研究

2.1 依托项目工程概况

本文依托福州市东二环路改造工程是福州市第一个采用共振碎石化工艺的市政道路改造项目。工程起于三八路，止于排尾路，全长约6.0km，改造路段包括主路(局部高架桥)和地面辅路。改造后的东二环路为城市主干道，设计车速为主路60km/h，辅路40km/h。东二环现有机动车道路面以C35水泥混凝土路面为主，宽度在21～26m之间，两侧非机动车道主要为沥青混凝土路面，宽度约5.5～10m。2004年，经过提升改造后，东二环路使用至今，出现了接缝类破损、断裂类破损、改造修补、桥面铺装层及桥头搭板破损和路面平整度较低等病害，整体路面病害较为严重。

图4 福州市东二环路病害情况

根据东二环现状路面病害调查结果，若采用普通“白改黑”工艺进行改造，加铺沥青路面前需要对现状路面病害进行修补的工程量较大，而且东二环作为福州市的重要干道无法长期围挡施工，项目组经深入研究论证，综合比选后认为:本次改造工程难度最大的为现状水泥混凝土主车道，考虑到其与两侧建筑距离较远，具备共振碎石化技术应用的环境条件，且利用该技术能够满足节省工程投资，缩短施工周期，减少交通影响等多方面需求，取得经济、社会效益的最优化，因此，本次改造工程在主车道上采用共振碎石化技术。

2.2 路面结构设计

路面结构选用“原路面半刚性基层+碎石化缓冲层+柔性面层”的倒装式结构。根据国内外研究成果及实践表明，碎石化层控制厚度为水泥混凝土厚度的1/3为宜，东二环改造工程取8cm，结果表明，共振碎石化后0～8cm的颗粒筛分后级配满足表1的要求，通过37.5mm筛孔的颗粒级配与级配碎石相当，保证破碎后碎石层至少能达到级配碎石的性能;碎石化层左幅实测弯沉代表值为65(0.01mm)，右幅为62(0.01mm)，静态模量均值为160.3MPa。分析结果表明，碎石化层的路用性能介于级配碎石与水泥稳定碎石层之间，更接近与级配碎石层，可替代其发挥结构层作用。通过计算确定各层厚度，本项目采用的具体路面结构如下:

主车道水泥混凝土路面加铺方案:将旧水泥板进行碎石化碾压处理后，洒布1cm稀浆封层、再加铺0.6～1.0kg/m2改性乳化沥青+12cm密级配沥青碎石ATB-25+改性乳化沥青0.3～0.5kg/m2+6cm改性沥青AC-20C+改性乳化沥青0.3～0.5kg/m2+4cm改性沥青SMA-13，铺装总厚度22cm。

表1 碎石化层的颗粒筛分级配要求

2.3 施工工艺

通过项目总结，共振碎石化技术主要施工流程包括施工前调查准备工作、排水系统设置、试振和试坑检查、破碎施工、破碎层补料、碾压、封层施工和沥青层加铺等。

图5 共振碎石化工艺流程图

(1)施工前调查准备工作

进行共振碎石化施工之前的主要准备工作包括路况调查评定及路表弯沉值测定。

路况调查内容应包括:

①道路修建历史资料:结构类型，结构组成，建设年底、养护维修历史;

②路面损坏状况:损坏类型，轻重程度，损坏范围;

③沿线环境条件:地下水位以及路基路面排水状况，涵洞、桥台、地下管线(含给排水管、电力管道)、检查井、挡土墙等地面建筑物、地下构造物及其附属的位置、分布情况;

④交通需求:已承受的交通作用次数，现状交通量、历年交通增长率及预测值、轴载谱等;

⑤路面结构性能:现状弯沉值，混凝土强度，基层承载能力，接缝传荷能力，板底脱空判定。

路表弯沉值检测按纵向20m、横向5m布点，对于弯沉值超过100的路段先进行注浆处理，以得到相对均匀的施工基面。

(2)施工前应设置能有效工作的路面边缘排水系统，待疏干碎石化层、旧路基层中的水分后方才可进行后续工序或沥青面层摊铺。

(3)在进行正式施工前，应参考(表2)的工艺参数建议值，通过试验段对实际施工的破碎参数进行重新标定。碎石化层0～8cm内的颗粒筛分级配应满足(表1)的要求。原则上8cm以内被破碎小于5cm的粒径占到50%即可。距路表8cm厚度以下范围内应保持板块裂而不碎。过分破碎会使整个结构层变得松散，不利于承载和荷载传递。碎石化层承载板实测模量(静态)应介于100MPa～1000MPa之间，否则应调整共振破碎工艺参数。

表2 共振碎石化工艺参数

(4)破碎施工、补料、碾压

共振破碎一般从边向路中逐步进行，不留死角，碎石化层施工面达到一定面积时碾压紧跟上。碾压应按如下顺序进行:初碾用钢轮压路机碾压，碾压一遍后，对坑洼部位和打裂开口部位用3～15mm的碎石填补，边填补，边洒水，边碾压。含水量按4～5%控制。碾压过程中对被打裂浮于表面大于5cm的松散碎块应人工清除，清除后留下的坑槽用碎石填补。

用于填补的碎石应干净无泥土，用碎石填补的厚度不宜大于3cm。当填补厚度普遍大于3cm～8cm范围时，宜直接由ATB沥青混合料填补。当填补厚度普遍大于8cm以上时，为节约成本，宜用2～3%水泥稳定级配碎石混合料填补。

被碎石化层的碾压方式按(表3)推荐方案执行。碾压过程中可根据实际情况结合压实度调整。

表3 被碎石化层推荐碾压方案

被碎石化层的密实性采用智能压实度仪监测，密实性用CMV值控制。施工单位管理人员应随机跟踪，碾压过程中根据CMV的变化指导工人进行补料。当CMV值曲线基本平滑，并达到规定值90%以上时，可请监理确认后停止碾压。

(5)封层施工

封层施工前必须清扫干净碎石化层上的泥土及污染物，然后洒布透层油，透层油施工技术要求与常规沥青路面施工相同。

(6)沥青面层加铺

沥青面层加铺前，应对碎石化路段与其它路段的交界处进行防治差异沉降处置，在交界段顶面铺设一层玻璃纤维格栅网后再加铺沥青层，交接段长度以2～4m为宜。

沥青加铺层的技术要求与常规沥青路面施工相同，参照现行规范执行。

2.4 施工效果

自本项目2013年2月完工至今已投入使用两年多，路面使用状况良好，未发现明显裂缝、车辙等明显病害，共振碎石化技术在本项目应用中收到了预期效果。

3 结语

国内开始共振碎石化技术研究和实践的时间并不长，目前仅在福建、上海、浙江和广西等地方的公路及少量市政工程有运用，尚未形成统一的技术标准和规范，在市政道路改造中的应用更是处于起步阶段，缺乏一整套指导设计、施工的方法。

(1)本文在总结共振碎石化技术的作用机理、适用条件和目前国内应用情况的基础上，从技术可行性、经济效益、社会效益等方面充分论证了碎石化技术在市政道路改造中具有良好的前景。

(2)依托福州市东二环路面改造工程，提出了共振碎石化技术在市政道路改造中从设计到施工的工艺流程，结合项目实际情况对共振碎石化设备的工艺参数、破碎后的级配要求、密实度检测及碎石化层回弹模量等主要指标提出了建议值，为类似水泥混凝土路面改造工程提供参考。

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