碎石化旧水泥混凝土路面加铺沥青层技术研究

刘亚琳　陈健康

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司　贵阳　550081)

碎石化旧水泥混凝土路面加铺沥青层技术研究

刘亚琳陈健康

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司贵阳550081)

摘要以长张高速公路益常段旧水泥混凝土路面改造工程为依托，简述旧水泥混凝土路面碎石化技术；通过建立计算模型，比较共振碎石化、多锤头碎石化及冲击破裂稳固3种破碎(破裂)情况下加铺沥青层结构的加铺层层底拉应力及相对弯沉比情况，表明共振破碎后原路基整体强度优于多锤头碎石化技术。

关键词旧水泥混凝土路面碎石化应力状况

随着公路使用年限的增长，水泥混凝土路面的使用性能逐渐下降，出现不同程度的损毁。如何快速、有效地养护、修复及处治旧混凝土路面是一个热点问题。碎石化法是旧混凝土路面改造方法中的一种重要手段。通过对比分析共振碎石化、多锤头碎石化及冲击破裂稳固3种情况下沥青加铺层层底受力情况，比较不同破碎技术的优劣，为益阳至常德高速公路大修工程提供设计方案参考。

1水泥混凝土路面碎石化技术概述

旧水泥混凝土板破碎技术主要有由楞式冲击压路机实施的冲击压实技术、由门板式破碎机实施的打裂压稳技术、由多锤头破碎机实施的碎石化技术和共振破碎机实施的共振碎石化技术几种。实施碎石化技术的主要设备为共振式破碎机以及MHB多锤头破碎机。

1.1共振碎石法

共振碎石化技术用于板块结构完整性较差的水泥混凝土路面，它通过使共振设备产生的振动频率与旧水泥混凝土板自身的固有频率相同而产生共振，从而将混凝土板破碎成高强粒料层，是一种能有效地解决反射裂缝问题的破碎技术。

共振碎石化技术的原理是通过锤头高频率、低振幅地撞击路面，产生的撞击频率与旧水泥板固有频率相同，使旧水泥板产生共振来实现快速破碎水泥混凝土面板。原有水泥板经过共振破碎后，破碎可贯穿旧水泥混凝土面层，且面层上部为碎石层，颗粒细小而均匀，大部分碎块尺寸都在4cm以内；面层下部的板体性仍比较好，有不少斜向约45°的裂缝和其他向振裂缝。这一夹角可使碎石块之间互相嵌挤，经过压实后互相咬合，从而使碎石层起到更好的砾石稳定层的作用。

1.2多锤头碎石化法

多锤头碎石化法是利用多锤头破碎设备所带多个重锤的重力下落对水泥混凝土路面板进行锤击破碎，并配有“Z”字花纹碾压轮的振动压实机对破碎后路面振动压实。多锤头破碎后原水泥混凝土路面面层状况趋向于级配碎石，因此防止发射裂缝的效果比较明显，但由于其在施工过程中易对下承路面结构及道路周边结构物造成影响，且因需要设置水泥稳定碎石层作为补强层，因此该技术适用于路况差、路侧房屋少、净空富余多的路段。

2不同破碎方式下沥青加铺层受力对比分析

益常高速现有路面结构为25cm水泥混凝土面层+18cm半刚性基层+15cm半刚性底基层。通过BISAR3.0软件计算分析3种工艺处理后沥青加铺层底拉应力及弯沉情况，3种破碎方式的计算方法均采用双圆垂直均布荷载作用下的多层弹性体系理论，将各层均设为均匀、各向同性、连续线弹性体，取荷载BZZ-100，轮胎接地压强0.7MPa，接触面当量圆直径0.213m。计算时，以沥青混凝土层底拉应力及路表弯沉值的变化为目标参数。

2.1共振碎石化加铺层的受力分析

根据实地检测资料，于益常路段选择的试振路段共取6个点进行承载板试验，试验测得共振破碎处理后的碎石化路面顶面当量回弹模量结果平均值为534MPa，根据规范[1]，考虑保证率折减系数0.66，因此碎石化顶面回弹模量代表值为352MPa。共振破碎后的加铺方案为10cmATB-25+6cmSBS改性沥青AC-20C+4cmSBS改性沥青SMA-13，加铺层总厚度为20cm。

参考国内相关文献[2]，确定相关实际工程经验得出的碎石化层与原基层模量取值范围。软件计算相比实际测量，其弯沉值需进行修正。水泥混凝土路面通常是通过扩大土基模量值修正，一般为2～4倍。按碎石化后原路面作一层弹性半空间体和原路面具体结构分层的弹性体系2种情况建模，利用轮隙中心弯沉值相同进行碎石化后加铺路面各结构层模量反算，取计算模型的各层参数结果见表1。

表1　共振碎石化计算模型与参数

2.2多锤头碎石化加铺层的受力分析

根据国内外相关资料[3]，多锤头碎石化后碎石化层顶面回弹模量代表值为179.2MPa，将碎石化分层，取碎石化上层模量为207MPa，碎石化下层模量为3 450MPa。相比共振碎石化技术，多锤头碎石化技术处理后路面原有基层底基层的承载能力有一定程度的下降，因此原路面结构层模量取值有一定的削减。多锤头碎石化的加铺方案为32cm水泥稳定碎石基层+6cmSBS改性沥青AC-20C+4cmSBS改性沥青SMA-13，加铺总厚度为42cm。模型相关参数选取与共振碎石化模型参数选定方法相同。通过对原基层及以下各层模量进行一定程度的削弱，来进行加铺层的受力计算与分析。计算模型的各层参数见表2。

表2　多锤头碎石化计算模型与参数

2.3冲击破裂稳固加铺层的受力分析

根据国内外相关资料[4-5]，冲击压实破碎后旧路面层顶面实测回弹模量可参照取值为800MPa，考虑保证率折减系数0.66，因此破裂稳固后板顶面回弹模量代表值为528MPa。相比共振碎石化技术，冲击破裂稳固的反复冲碾对原基层造成一定的影响，使得路面原有基层底基层的承载能力有一定程度的下降。冲击破裂稳固的加铺方案为10cmAM-25+6cmSBS改性沥青AC-20C+4cmSBS改性沥青SMA-13，加铺总厚度为20cm。模型相关参数选取过程跟前面模型参数选取方法相同。通过对原基层及以下各层模量进行一定程度的削弱，来进行加铺层受力计算与分析。计算模型的各层参数见表3。

表3　冲击破裂稳固计算模型与参数

2.43种破碎方式的加铺层受力对比分析

因3种破碎破裂方式不同，导致设计弯沉值的差异，在对3种处治方式的弯沉对比过程中，通过路表弯沉值占相应设计弯沉值百分比大小进行3种破碎破裂方式下弯沉情况比较，可见3种施工工艺下加铺层底容许应力值差别很小，应力差异可忽略不计。图1和图2分别为共振碎石化、多锤头碎石化及冲击破裂稳固3种情况下加铺层层底拉应力及弯沉百分比的变化规律。

图1　加铺层层底拉应力随水平距离分布情况

图2　路表弯沉比随水平距离分布情况

比较3种破碎破裂技术下加铺沥青混凝土面层的相应加铺层应力及弯沉结果，分析可得：

(1) 共振碎石化沥青加铺层层底拉应力峰值相比多锤头碎石化加铺层层底拉应力峰值低了近18%的水平。在整体上，共振碎石化情况下加铺层层底拉应力比多锤头碎石化情况下相应位置的拉应力低了20%的水平。

(2) 3种处理方式中，共振碎石化的弯沉比最低。多锤头碎石化弯沉比相比共振碎石化弯沉比整体上高了近26%的水平。冲击破裂稳固的弯沉比介于2种方式之中。

(3) 分析其主要原因，共振碎石化技术处理后的旧水泥混凝土面层下部板块裂缝为整齐斜向上，形成“裂而不碎”的形式，在承受竖向荷载时，相比多锤头碎石化形成的不规律垂直裂缝，其表现出更高的强度。因此在考虑路面结构极限承受能力及路面结构总体刚度时，共振碎石化技术优于多锤头碎石化技术及冲击破裂稳固技术。

(4) 相比其余2种破碎方式，冲击破裂稳固的沥青加铺层层底拉应力值在轮隙中心位置为负。因冲击压实破碎较好的保留了原水泥混凝土面板的整体性，粒径尺寸相对较大，使得水泥混凝土面层模量仍维持在较高的水平，与沥青加铺层下层抗压模量相差较大，导致加铺层下面层层底处于受压状态。

3结语

通过计算结果分析，旧水泥混凝土路面共振碎石化后加铺沥青面层相比多锤头碎石化的情况，其加铺层底拉应力及弯沉比均小。相比多锤头碎石化后旧混凝土面层裂缝垂直分布，共振碎石化后的原混凝土面层下部特征类似于块料路面，破碎块间裂缝呈斜向整齐分布，导致其整体强度高于经多锤头破碎处理的情况，在保持原基层剩余强度方面具有一定的优势。

通过对益阳至常德高速公路大修工程不同破碎(破裂)方案的对比分析，论证了大修方案中应用共振碎石化技术的可行性，建议加铺层设计方案为加铺层总厚度20cm，由4cmSMA-13，6cmAC-20C和10cmATB-25 3层组成。

参考文献

[1]JTGD50-2006公路沥青路面设计规范[S]. 北京:人民交通出版社,2006.

[2]于清泉,朱庆华,梁书亭，等.MHB碎石化振动影响范围的计算方法[J].公路,2008(1):41-45.

[3]张玉宏.水泥混凝土路面碎石化综合技术研究[D].南京:东南大学,2006.

[4]李廷刚,刘甲荣.冲压破裂稳固技术在水泥路面白改工程中的应用研究[J].公路交通科技,2010,27(7):38-40.

[5]吕蒋聪,任岐岗.冲击压实破裂稳固后对沥青混凝土加铺层结构影响的数值分析[J].公路工程,2012(2):55-57.

收稿日期：2014-10-05

ResearchonTechniquesofAsphaltOverlayonRubblizedPCCPavement

Liu Yalin, Chen Jiankang

(GuizhouTransportationPlanningSurvey&DesignAcademeCompanyLimited,Guiyang550081,China)

Abstract：Based on Yiyang-Changde freeway pavement reconstruction project, the comparison of the surface deflections and the tensile stresses for different asphalt overlay structures on the rubblized Portland Concrete Cement (PCC) pavement by means of Multi-Head Breaker(MHB),Resonant Pavement Breaker(RPB) and broken-seated techniques shows that the RPB is better than the MHB.

Key words:old PCC pavement; rubblization; stress conditions

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.01.048