旧水泥路面共振碎石化处理改造沥青路面施工技术探究

胡伟锋 李国梁 张蕾 文良东 申艳军

（1.中交基础设施养护集团有限公司，北京 100011；2.西安科技大学地质与环境学院，陕西 西安 710054）

一、引言

20世纪80年代初，我国水泥混凝土路面迅速发展[1]。然而，随着载货汽车日趋重型化、交通量显著增长导致早期水泥混凝土路面产生了严重的车辙、错台等病害[2]。鉴于病害的修复难度大、施工工期长，既影响交通运输，又造成了巨大经济损失，因此，亟需通过新技术对路面实施升级改造。

目前，旧水泥混凝土路面结构缺陷主要包括以下几类：由于基层热胀冷缩、路基沉降等原因产生收缩、板角及结构裂缝等病害[3，4]；由于混凝土骨料配合比及缓凝剂级配不合理等原因，导致混凝土路面强度不足，通车后在车辆疲劳荷载作用下使得路面出现麻面、露骨、磨光等表面破损现象[5]；由于路面横、纵缝填缝料破损未及时修补，表面雨水渗入基层，导致基础强度不足产生路面错台等变形损坏[6]。

因此，我国引入“白改黑”方法进行路面改造[7]，其主要原理是将破坏的碎石层作为基层，再次铺筑沥青混凝土[8]。这种方法具有施工便捷、节约材料的优点[9]。对此，相关学者也开展了大量相关研究，徐柱杰[10]结合室内试验及理论分析等方法评价了碎石化影响；李建法[11]阐述了共振碎石化施工工艺和施工质量控制要点，研究均表明这种方法已成为国内外最常用的路面改造方案，同时，也是应用前景最为广泛的一种工艺[12]。

综上所述，现阶段利用共振碎石化技术实现旧水泥路面“白改黑”的工程案例较多，但多侧重于介绍施工流程及施工效果，缺乏对施工原理、方法、关键控制流程及绿色节能效果评价的系统化梳理，导致后期相关工程的直接借鉴作用有限。鉴于这一原因，本文以四川省道436线巡场至玉和二级公路升级改造工程项目为依托，详细探究出一套系统化施工流程及技术评价指标，旨在为我国类似旧水泥路面就地升级改造提供系统化技术借鉴，也为旧水泥路面的绿色低碳改造提出了新的途径。

二、共振碎石化原理

共振碎石化原理是在共振设备中采用破碎锤对水泥板施加持续的高频、低振幅振动能量，使水泥板内部均匀破碎[13]，如图1所示。水泥板产生的裂缝与路面呈20°～60°角，共振碎石化后，碎块间相互嵌锁，大大提高了破碎后结构的承载力。由于共振技术产生的冲击力很小，基层仍可保持完整性，因此该工艺对水泥混凝土基层没有任何损害。旧水泥混凝土路面共振破碎后的作用与碎石相似，可用作路面的柔性基层，在其上铺设沥青面层。

图1 旧路面共振碎石化施工机理

三、旧水泥路面共振碎石化处理改造沥青路面施工技术及流程

（一）工程案例概述

图2 项目位置图

四川省道436线巡场至玉和二级公路位于四川省宜宾市珙县境内。近年来，该公路路面出现纵横向裂缝、断板、破碎、沉降错台、唧泥等病害，部分路段排水系统淤塞，路基排水不良，进一步加速了道路破坏。现有交通网络已不能满足珙县发展要求，亟需开展路面结构优化设计。经现场调研踏勘发现，巡玉二级公路于2003年左右施行混凝土路面加铺改造，选取了将军坡至黑灯坳段k6+725～k7+525段（长度800m）作为水泥混凝土路面结构共振碎石“白改黑”技术施工试验段。

（二）施工流程

1.施工前准备

（1）施工前需调查旧路基础资料、气候条件、交通量、旧路技术状况、沿线设施等，并处治原有路面。

（2）施工前需清除原有老旧水泥混凝土路面上的沥青铣刨料和修补料，并将路面清洗干净。针对原水泥板块脱空、断板的情况，用风镐破碎并移除水泥板中间的沥青补块。水泥板块中间坑槽深度大于10cm的，用级配碎石回填，级配碎石回填区域将不再做共振碎石化处理。

（3）路面排水系统可能因步骤（2）发生堵塞现象，施工前需检查水泥混凝土路面表面及中央隔断的排水系统，对其疏通恢复，并重新按照设计要求砌筑路基边缘碎石盲沟排水系统。

2.碎石化施工

（1）为保证破碎效果，利用共振设备对路面破碎两遍，每一遍锤头破碎宽度约0.2m～0.3m，按照先外侧车道及路肩，后内侧车道的顺序开展破碎施工，为保护路侧水沟，道路两侧预留30cm～50cm的距离，不进行碎化处理。

（2）针对连续配筋混凝土或基层为素水泥混凝土等水泥面板强度过高或板块过厚的路段，可适当增大振动频率、增加激振力、降低行进速度等施工参数，在破碎前采用打裂等其他手段对旧水泥混凝土面板实施预裂处理。

（3）施工后需及时对碎石化层质量检查验收，对局部弯沉检测不合格的部位，采用水稳碎石或贫混凝土换填处理，确保基层综合指标符合规范要求。

四、旧水泥路面共振碎石化处理改造沥青路面施工控制要点

（一）振动力选取

利用国产GZL-600共振碎石机开展“白改黑”共振碎石化施工，在大规模碎石化施工前，按照规定的基本施工技术参数规范在试验路段试振。开挖试坑检査，并利用取芯方式检测破碎情况，通过颗粒筛分检测碎石颗粒级配发现，破碎后颗粒均在碎石级配规范上下限内，最终确定共振碎石机的施工参数为：共振碎石化施工频率43Hz、振幅10mm。面板破碎效果较好，路面弯沉代表值在30左右（0.01mm），如图3所示。

图3 共振破碎层碎石级配图

图4 共振破碎层碎石取样现场

（二）“白改黑”路面结构设计方案

破碎后的水泥混凝土路面强度降低，需加铺结构层。碎石化层验收合格后，根据水泥混凝土路面结构设计原则及破碎施工关键技术要点，对珙县二级公路将黑段展开路面结构设计，设计方案如表1所示。

表1 路面结构方案

五、旧水泥路面共振碎石化处理改造沥青路面施工质量检测方法

（一）共振碎石施工质量检验方法

共振施工后的路面结构力学特性对路面整体性能具有重要意义，因此，在共振碎石施工后要检验施工质量。以往研究多基于道路结构力学分析路面材料和结构，经过不断优化，将路面力学行为与弹性理论相结合，使路面设计更具可靠性[14]。

沥青面层的永久变形在路面车辙量计算中占重要地位[15]，特别是半刚性基层的沥青路面，其沥青路面的永久变形值往往占总车辙量的90%以上。经过对国外几种方法和国内多种模型的比较，决定采用弹性层状体系理论方法计算，按照多层弹性层状体系理论编制的专用设计程序检验设计结构，包括沥青混合料永久变形量验算、无机结合料层疲劳开裂验算等。

（二）路面结构层质量检验

1.沥青混合料永久变形量验算

调研沿线气候资料，查得项目区Tξ（基准等效温度）为21.5℃，计算得到对应的沥青混合料层永久变形等效温度TPEF=24.4℃。可靠度系数为1.65。通车至首次针对车辙维修的期限内设计车道上的当量设计轴载累计作用次数为1.260383×107；沥青混合料层永久变形验算分层数N=7。利用弹性层状体系理论，分别计算设计荷载作用下各分层永久变形量，结果如表2所示。

表2 沥青混合料分层数及永久变形量

累加表2内各层变形量，得到Ra=11.91mm（沥青混合料层总永久变形量），规范中规定沥青层容许永久变形为20mm，因此试验路面结构满足规范要求。

2.无机结合料层疲劳开裂验算

根据弹性层状体系理论，基层层底拉应力为0.105MPa。通过计算得到无机结合料层层底拉应力为0.199MPa。整理所搜集的气候资料发现，工程所在区域的冻结指数F为0℃·日，季节性冻土地区调整系数Ka取1，温度调整系数为0.883，现场综合修正系数为-1.286。根据以上参数，通过专用设计程序计算得到无机结合料层底疲劳寿命为2.183074×109，当量设计轴载累计作用次数为1.68955×109，路面结构满足规范要求。

六、结语

根据四川省道436线巡场至玉和段二级公路改造工程的实际经验，选择“白改黑”工艺对路面结构开展优化设计，有以下几点优势：

基于共振碎石施工的“白改黑”技术，其关键在于共振破碎机参数优化调整，通过正交试振、开挖探坑检查、筛分试验等现场检测手段，最终发现当施工频率为43Hz、振幅10mm时面板破碎效果最好；通过多层弹性层状体系检验路面结构层质量发现，“白改黑”施工工艺在满足路面结构的设计弯沉值和容许永久变形要求的同时，还能改善路面性能指标；建立一套系统化施工流程及技术评价指标，可为我国类似旧水泥路面就地升级改造提供系统化技术借鉴，也为旧水泥路面的绿色低碳改造开辟了新途径。