共振碎石化技术在城市主干道改造中的应用

中煤科工集团武汉设计研究院有限公司，湖北 武汉 430064

1 共振碎石化技术概述

水泥砼路面具有造价低、寿命长、耐水侵、承载力强等众多优点，在路面改造中得到了广泛的应用。国内早期建设的水泥路面都面临提质改造，一般改造成沥青砼路面，俗称“白改黑”。其方法大致可以分为直接加铺和破除重建两大类。直接加铺是对旧路面采取措施处理后直接加铺沥青面层，适用于交通量不大且水泥面板及路基状态良好的城市道路。破除重建是将旧路面破碎移走后重新做基层，再加铺沥青面层，该方法费用昂贵，破坏环境，目前很少采用该方法改造路面。鉴于上述方法存在的缺点和局限性，共振碎石化技术应运而生。

共振碎石化技术是将持续产生的高频低幅振动能量，通过破碎锤头传递到水泥板块内，使水泥板与之产生共振后发生破碎，破碎裂纹与路表呈30°～60°夹角分布。其优势包括地层碎块粒径稍大且互相嵌锁，有利于破碎后的结构能保持较好的承载力；表层碎块粒径略小，力学模式更趋向于级配碎石。

2 城市主干道概况

该项目位于广西某市城北区火车站片区，道路南起八达西路，北至黄田镇国土资源所附近（X991县道），拟改造道路路线全长约为2.8km。既有道路路面宽为15m，属于一幅路形式，路面为水泥砼路面，路面状况良好，机非混行。规划红线40m外均已建成3～7层不等的楼房，楼房前与既有道路之间均用于停车，无人行道。根据地质资料，既有机动车道路面自上而下为C30砼面板厚20～30cm；水泥稳定碎石层厚20～90cm；素填土层。

该道路所处区域为岩溶地区，溶洞较为发育，但其上大多有2.5～4m厚的黄土层覆盖形成“保护壳”，按当地经验，道路施工在“保护壳”上完成即可，无需对下卧溶洞进行处理，只有局部溶洞埋设较浅段需要采用必要的措施。此外，该道路前几年经过多次局部整修，发现部分区域既有砼面板薄且水稳层厚度仅有20cm，这样的路面构造是难以达到主干道改造设计指标，也对后期共振碎石化技术提出了更高的要求。

3 路面结构设计方案的选择

3.1 砼路面直接沥青罩面

按常规思路，该主干道改造路面状况良好，通常对路面完整区域进行直接沥青罩面处理，并根据不同路损情况采取不同的处理方案。破损程度轻：即现有砼板块上存在少量路面裂缝，无沉陷、坑槽、错台等严重病害时，进行灌缝处理。破损程度中：即局部破碎、横向裂缝、断角等病害的路段，进行局部切除然后恢复。破损程度重：即板块出现大面积严重的破碎，纵、横向贯通断裂、沉陷、错台、脱空等病害，则将整块板破损并清理，然后再行恢复。

机动车道砼路面罩面采用三层沥青砼，分别为表面层，细粒式沥青砼（AC-13C）4cm；中面层，中粒式沥青砼（AC-20C）6cm；调平层，粗粒式沥青砼（AC-25C）7～20cm。

该方案是在缺少路面检测资料，基于节省投资的设计理念的前提下考虑的，后期道路运营中可能局部出现病害需要处理（前期未发现砼面板错台、脱空等病害处）。但在项目设计进展中，了解到既有道路前后经过数次局部改造，由于原有面板基层厚度不一，改造效果均差强人意，耐久性差，从而使用共振碎石化技术工艺进行比较。

3.2 共振碎石化处理既有砼路面

该方案在路面碎石化过程中能够有效发现地质不良区域（砼面板下软弱层吸收共振波能量，砼面板不能碎化完整，呈大颗粒状），从而能够完全避免不良地质区段遗漏，确保道路使用期间不发生沉降变形。该改造道路技术标准定位为城市主干道（交通流量大），对应沥青面层下部的基层需要采用刚性基层（水泥砼）或半刚性基层（水稳碎石），这样才能确保沥青面层的正常使用寿命和功能。采用共振碎石化既有砼面板，经碾压后能够达到半刚性基层要求，而后再直接加铺沥青面层。路面结构层如下：表面层，细粒式沥青砼（AC-13C）4cm；中面层，中粒式沥青砼（AC-20C）6cm；下面层，粗粒式沥青砼（AC-25C）7cm；下封层，改性乳化沥青0.6cm；基层，既有砼面板碎石基层。

3.3 方案比较及推荐

（1）局部修复后直接加铺沥青面层方案。优点是前期投资省。缺点是仅对目前局部明显破损的砼面板进行破除重铺，后期存在砼断板隐患，维护费用较多；不能及时发现既有砼面板下地质不良区域，存在隐患。

（2）共振碎石化直接加铺沥青面层方案。优点是将既有砼面板全部破碎，消除了后期断板隐患，后期维护费用较少；发现地质不良区域能及时处理，消除后期隐患。缺点是砼路面碎石化施工期间噪声较大，前期投资高。

综合考虑，推荐采用共振碎石化后直接加铺沥青面层方案。

4 路面结构技术参数

经过比选和必要的专家论证，最终既有砼路面改造采用共振碎石化技术，水泥砼路面再生后顶面当量回弹模量预估值为100～180MPa，实测抗压强度代表值≤30MPa；而如果其预估值为140～220MPa，则实测抗压强度代表值＞30MPa。其他施工技术要求按《公路水泥砼路面再生利用技术细则》（JTG/T F31—2014）执行。

5 软基及不规范地段的方案处理

既有主干道前期有部分区域路面结构层较不规范，不仅砼面板厚度偏小，其下水稳层厚度最薄也仅有20cm，远达不到最低标准，这样不规范及部分因岩溶地层而形成的软基地段，需要及时进行处理。结合共振碎石化的技术特点，经过多次试验验证，最终现场采用如下方案：对实测弯沉大于1mm的路段，开挖1.45m，从顶到底按15cm厂拌改善（2.5%水泥替代石粉）级配碎石（压实度不小于98%，弯沉值不大于0.5mm）+20cm C20素水泥砼+30cm级配碎石回填（分两层压实，压实度不小于96%，弯沉值不大于1mm）+约30cm经共振碎石化砼面板材料（上路床，压实度不小于95%，弯沉值不大于2.5mm）+50cm的片石（下路床，现场分层压实无车辙印）进行换填。

其中，在实施之前的专家评审会上，参会专家对设计提出的处理方案表示认可，同时提出将顶部35cm中的15cm厂拌改善（2.5%水泥替代石粉）级配碎石+20cm C20水泥砼替换为两层18cm水泥稳定碎石（4%+6%）的比较方案，最终比较及推荐表如表1所示（仅对换填顶部两层进行比较）。

表1 顶部两层处理方案比较及推荐表

6 超低填方段的方案处理

局部地段道路沥青铺筑厚度＜9cm，考虑原有砼路面采用共振碎化工艺及原有砼面板下为20～25cm厚级配碎石的情况，再结合共振碎石化技术工艺的特点，现场采用处理措施如下：开挖至原有砼面板下级配碎石顶面，而后由上而下铺筑4cm厚SBS改性AC-13C细粒式沥青砼+6cm厚AC-20C中粒式沥青砼+AC-20C中粒式沥青砼调平（沥青铺筑厚度＞5cm段）+10cm厂拌改善（2.5%水泥替代石粉）级配碎石（压实度不小于98%，弯沉值不大于0.5mm）+20cm厚C20素水泥砼。

7 共振碎石化应用效果评价

共振碎石化技术在该市还是首次运用，无论是建设单位、施工单位，还是监理单位都是首次接触该技术，对该道路各个工序的检测指标都是通过参建四方共同签字认可后方可继续，对于部分因原路面结构偏薄及软基地段而采取的处理方案也经过反复论证后才能实施。截至目前，该道路竣工通车近3年，路面各项技术指标均满足要求。同时，该技术极大节省道路施工时间，减小对社会的影响，为该技术后期在该市其他道路的改造应用中打下了良好基础。

8 结束语

国内城市道路前期建设时大多采用砼路面，运营时带来的噪声、粉尘污染均极大影响了市容市貌，绝大部分城市都在推进“白改黑”进程，相对于传统的修补后罩面工艺，共振碎石化技术有其独特的优势，具有较高的推广和应用价值。