白改黑技术进展及设计方法改进分析

朱琨琨

（同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司，上海市 200092）

0 引言

经过多年运营，我国水泥混凝土道路已进入大修期，而大量混凝土路面在改造为沥青路面（白改黑）后出现了不同程度的反射裂缝。因此研究白改黑技术的意义重大。

1 近期工程界白改黑方法及其优缺点分析

我国现阶段常用道路白改黑方法有三种：碎石化后加铺、板块加固后加铺、翻挖板块后改建。其各自优缺点见表1。

表1 旧板处置方案比选

板块加固后加铺方案容易出现反射裂缝，解决这一问题的常见做法为在旧水泥板与加铺沥青面层之间设置应力吸收层或防反夹层。各种应力吸收层及防反夹层的特点见表2。

目前玻纤格栅实际应用效果并不理想，且有研究表明防反夹层有聚水效应，因此于旧路与加铺沥青面层间仅设置土工材料的措施正被逐步淘汰。

由受力机理分析，应力吸收层对抵抗板体水平向伸缩引起的反射裂缝效果较好，而夹层材料对抵抗板体两侧竖向位移差引起的反射裂缝效果较好，故建议两种措施并用。

在投资受限的条件下应优选采用应力吸收层，特别是碎石纤维封层等具备一定整体强度的应力吸收层。

相比增设应力吸收层或防反夹层，碎石化法能在不产生废料的同时从根源上防止反射裂缝出现，因此具有显著优势。该法在美国道路白改黑过程中得到广泛应用，至少有十几个州进行了碎石化实践，其中阿肯色州进行碎石化处理的道路超过了200 mile[1]（约322 km）。下文将详细介绍碎石化技术。

2 碎石化技术应用进展

碎石化发展了近30 a，经历了冲击压路机破碎、挖掘机加破碎头破碎、打裂压实破碎等几个阶段后，最终形成了以锤击破碎法（多锤式破碎机）、共振破碎法（共振破碎机）为主的碎石化方法[2]。两种方法的区别如图1所示。

表2 防反措施比选

图1 锤击破碎法与共振破碎法

2.1 锤击破碎法

该法的工作机理是通过多锤头破碎机携带的重锤下落对水泥混凝土板块产生瞬时、点状的冲击作用，以达到破碎的目的。与共振破碎法相比，锤击破碎法容易破坏老路基层，且在施工过程中产生较大的噪声及振动易对道路沿线居民及结构造成不良影响。

2.2 共振破碎法

该方法由美国RMI发明，2004年引入我国，2005年开始在上海、浙江开始应用。2005—2006年先后在沪青平公路、沈砖公路、金山大道、新卫公路上进行施工[3]。其使用的共振破碎机械将水压能量通过一根方形钢梁传递给锤头，在偏心轴力的驱动下产生振动谐波，并引起板的共振致其迅速破碎开裂（见图2）。

图2 共振破碎法

2.2.1 共振破碎的本质属性

水泥板块共振破碎后失去板体性，在行车荷载作用下的受力机理与粒料接近。根据实测，其模量值一般为500～1 000 MPa，接近半开级配沥青碎石基层模量强度。美国研究表明，破碎后其回弹模量仅为原整板数值的5%，即1 350～1 650 MPa，略高于粗粒式沥青混凝土[4]。因此水泥板块共振破碎后为柔性基层属性（见图3）。

2.2.2 粒径分布特征

美国及上海的工程实践表明，共振碎石化处理后，上层10 cm碎石化程度高，下层板体型较好，裂缝夹角多为45°。

图3 共振破碎化后的破碎层

2.2.3 强度特征

上海沪青平公路及金山大道白改黑工程的实测数据表明[5]，共振碎石化后老路路表弯沉大幅下降，但沥青面层加铺后弯沉值恢复较好，与一般常规新建沥青路面强度相当（见表3）。

表3 共振碎石化路面弯沉检测情况

2.2.4 力学分析

以如下典型结构为例计算碎石化层及沥青层的层底拉应力及顶面计算弯沉：15 cm石灰土+30 cm三渣+共振破碎后水泥路面+8 cm AC-25C（SBS改性）+4 cm SMA-13（SBS改性），其中碎石化层压回弹模量取值为500～1 000 MPa。

由图4可见，随加罩后的沥青层顶面计算弯沉值LS为21.3～23.2，表明路面结构整体强度较一般新建沥青路面高（计算弯沉值LS为21～25）；沥青上面层均为压应力、下面层层底拉应力为-0.01～0.14 MPa，略高于一般新建路面。综合来看，无论是弯沉还是沥青层底拉应力均能够满足设计要求。

2.2.5 共振破碎法优缺点综述

总结以上分析，共振破碎法具有以下显著优点：

图4 沥青层顶面计算弯沉、沥青层层底拉应力与碎石化层模量的关系

（1）有效消除脱空区域、反射裂缝。

（2）时间优势明显（共振破碎机的生产率可达8 000 m2/d）。

（3）对交通影响不大（对向车道可利用）。

（4）噪声及振动较锤击破碎法小。

（5）工程造价较省（与翻挖新建相比）。

其缺点为破碎后路面均匀性差，其粒径大小存在局部较大的情况，压实后整体性及均匀性不能得到完全保证，局部离析及脱空可能性未能完全消除，易产生基层强度死角。若直接在碎石层上加铺沥青面层，可能导致沥青路面平整度较差甚至出现坑槽。

2.2.6 共振碎石化的改进

考虑到共振碎石化的上述缺点，笔者推荐对碎石层进行补强后再加罩沥青面层。具体补强方法为在沥青面层及碎石化层之间加铺薄层，该层无须大幅提高基层整体强度，因此可以选择钢塑土工格栅或三渣层。三渣层厚度以最小为宜，应介于15～20 cm。以2.2.4节的典型结构为例，若取碎石化层模量为800 MPa对其进行弯沉与拉应力计算，加铺15 cm三渣层与直接铺筑面层的结果见表4。

可见，加铺三渣层对沥青层顶面弯沉及沥青层层底拉应力都有显著改善。

表4 加铺三渣层对沥青层顶面计算弯沉、沥青层层底拉应力的影响

（4）在碎石层和沥青面层之间加铺薄层能有效防止因基层局部强度不足而造成的路面损坏。

共振碎石化的优势决定了其有着广阔的应用前景，但该法的施工控制仍有待完善。而在碎石层和沥青面层之间加铺薄层这一技术仍需实践反复验证，如有条件最好铺筑试验段，以确定薄层材料的选取及其最佳厚度。

3 结语

（1）无论设置应力吸收层还是防反夹层，旧水泥板块处置后加罩的方法都无法完全消除反射裂缝。

（2）碎石化方法能有效消除反射裂缝，且不产生废料。

（3）实测数据及计算数据表明，共振碎石化处置后路表弯沉及沥青层底拉应力均能满足设计要求。