旧混凝土路面碎石化层的承载力检测与评价

岳爱军，王伟，李旺明，覃金寿

（1.桂林理工大学 土木与建筑工程学院，广西 桂林 541000；2.广西壮族自治区钦州钦北公路养护中心，广西 钦州 535000）

0 引言

广西地处华南，高温潮湿多雨，超载、重载路段的水泥混凝土路面在通车5 年后易出现断板、错台等结构性破坏现象。碎石化是在旧水泥混凝土路面结构损坏较严重时，采用破碎机设备对路面进行破碎的一种处置方法，因其破碎颗粒的粒径大小类似碎石，故称之为碎石化［1-5］。

旧水泥混凝土路面碎石化常用的两种施工工艺为多锤头冲击破碎（Multiple-Head Breaker，简称MHB）和共振破碎（Resonant Pavement Breaker，简称RPB）［6-9］。王松根等［10］研究MHB 碎石化后强度形成机理，提出旧混凝土路面碎石化层的咬合嵌挤理论；李豪等［11］将MHB 和RPB 的适应性能进行对比分析，发现RPB 破碎技术更适合于重载车辆多、交通量大的工程；李晓鹏［12］通过对旧水泥混凝土路面破碎化后的防反射裂缝机理进行分析和研究，得到采用多锤头碎石化技术能有效消除旧水泥混凝土路面的反射裂缝的结论；熊斌丹等［13］开展旧水泥混凝土路面碎石化后力学性能的研究，发现采用RPB破碎后，旧水泥混凝土路面整体强度下降，呈现柔性特征，有利于路面结构的补强和加铺；邱业绩等［14］通过探讨MHB 和RPB 两种施工工艺的差异性和适用条件，认为旧水泥混凝土路面采用RPB 施工技术破碎化后的平均弯沉和旧路面顶面回弹模量均大于MHB 破碎化。中国许多学者对旧水泥混凝土路面碎石化力学强度形成机理及碎石化两种施工工艺适用性进行了研究，但少见专门针对在半刚性基层和柔性土基上旧混凝土路面碎石化后结构层的承载力方面进行研究。

2015 年起，广西路网干线公路半刚性基层旧水泥混凝土路面碎石化后加铺18～22 cm 大粒径级配碎石层+6～9 cm 厚沥青层，加铺层沥青路面路况总体良好［15-18］；柔性土基上旧混凝土路面碎石化拟加铺18 cm 厚沥青层，柔性土基上旧混凝土路面碎石后的承载力大小对路面结构是否需要补强起到决定性作用。

为此，本文以G325 线广州至南宁二级公路合浦段和北海市至铁山港一级公路旧水泥混凝土路面碎石化加铺沥青层工程为依托，采用承载板、贝克曼梁分别测试半刚性基层、柔性土基上旧水泥混凝土路面碎石化后结构层顶面的当量回弹模量、弯沉，其检测结果可为碎石化改造旧水泥混凝土路面设计与施工提供参考。

1 旧混凝土路面碎石化施工工艺选择

G325 线广州至南宁二级公路合浦段原路面结构为水泥混凝土路面+水泥稳定级配碎石基层+土基，旧混凝土路面碎石后加铺大粒径级配碎石20 cm+5 cmAC-20+4 cmAC-13；北海市至铁山港一级公路原路面结构为水泥混凝土路面+土基，旧混凝土路面碎石后拟加铺8 cmAC-25+6 cmAC-20+4 cmAC-13。旧混凝土路面多锤头碎石化需要考虑路基和基层的承载力，旧混凝土路面共振碎石化对基层损伤少、可以减少对公路沿线居民日常生活的干扰，但成本相对较高。针对这一特点，北海市至铁山港 一 级 公 路K15+450～K15+600 段 和G325 线K589+600～K590+600 段（过村镇路段）采用共振破碎施工工艺。为了探讨柔性路基上旧混凝土路面、半刚性基层旧混凝土路面碎石化后结构层的承载力，本文选取G325 线K616+300～K617+300 段（非过村镇路段）、G325 线K589+600～K590+600 段（过村镇路段）以及北海市至铁山港一级公路K15+450～K15+600 段开展对比分析，试验路段旧水泥混凝土路面碎石化施工工艺选择见表1。

表1 试验路段碎石化施工工艺选择

2 旧混凝土路面碎石化层承载力的检测与评价

2.1 破碎化后原路面顶面当量回弹模量检测

碎石化水泥混凝土面板顶面的当量回弹模量检测采用《公路路基路面现场测试规程》（JTG 3450—2019）中承载板法，其中G325 线K616+300～K617+300 段、K589+600～K590+600 段 测 试 频 率 为50 m/次，北海市至铁山港一级公路K15+450～K15+600 段测试频率为10 m/次。由于测量误差以及施工质量控制的不均性，导致测点数据存在一定的差异性，例如数值的突然偏大或者偏小，就须剔除离群数据，以更好反映在正常施工工艺下旧混凝土路面碎石化后结构层的当量回弹模量数值。本文利用拉依达准则（3σ准则）去除离散较大的测试值，最终得到该路段旧混凝土路面碎石化结构层测试的平均值及变异系数，旧混凝土路面碎石化结构层检测结果及数值计算整理见表2～4。

表2 G325 线试验路段旧混凝土路面碎石化后结构层的当量回弹模量检测结果

表3 北铁一级公路K15+450～K15+600 段旧混凝土路面碎石化后结构层的当量回弹模量检测结果

表4 旧混凝土路面当量回弹模量数值计算结果

从表2～4 可以看出：

（1）G325 线合浦段半刚性基层旧混凝土路面碎石化结构层顶面当量回弹模量值均大于300 MPa（40个点中有2 个点不满足要求，这2 个点为特殊点，旧混凝土路面破坏严重），表明半刚性基层旧水泥混凝土路面碎石化后结构层具有一定刚度。多锤头碎石化水泥混凝土面板顶面的当量回弹模量平均值为408.15 MPa，变异系数为10.50%；共振碎石化水泥混凝土面板顶面的当量回弹模量平均值为444.20 MPa，变异系数为19.42%。旧混凝土路面共振碎石化基层相对完好无损，共振碎石化产生的斜向裂缝与水平面大约呈45°，水泥混凝土面板沿最大剪切面破碎，旧混凝土路面碎石化颗粒间咬合嵌挤程度要比多锤头碎石化的好。在同样的竖向荷载作用下，共振碎石化层产生垂直位移更小，旧混凝土路面共振碎石化后结构层顶面的当量回弹模量大于多锤头碎石化结构层顶面的当量回弹模量，共振碎石化路段旧混凝土顶面当量回弹模量的变异系数相对较大，这可能与过村镇路段旧混凝土路面的局部位置破损严重相关。

（2）旧混凝土路面的下卧层承载力不同，旧混凝土路面碎石化后力学响应特性不同，旧混凝土路面共振碎石化结构层的刚度存在较大差异。G325线合浦段共振碎石化顶面的当量回弹模量平均值为444.20 MPa，变异系数19.42%；北海市至铁山港一级公路旧混凝土路面共振碎石化顶面的当量回弹模量平均值为326.71 MPa，变异系数22.5%，柔性土基上旧混凝土路面共振碎石化后结构层的顶面当量回弹模量326.71 MPa 比半刚性基层旧混凝土路面多锤头碎石化结构层顶面当量回弹模量408.15 MPa 小，柔性土基上旧混凝土路面共振碎石化顶面当量回弹模量的离散性相对半刚性基层旧混凝土路面共振碎石化略大，因此，柔性土基上旧混凝土路面再生利用时宜慎重采用共振碎石化技术。

2.2 破碎化后原路面弯沉检测

弯沉是指在垂直荷载作用下路面产生的垂直变形，能反映出路面结构层的整体强度和刚度。旧混凝土路面共振碎石化表面层属于松散粒料层，受弯沉仪支点、弯沉车的轴载和轮胎等影响，其承载能力检测不宜采用贝克曼测试方法。但为探究柔性土基上旧混凝土路面共振碎石化后的承载力，北海市至铁山港一级公路K15+450～K15+600 段共振碎石化后结构层弯沉检测采用《公路路基路面现场测试规程》（JTG 3450—2019）中贝克曼梁测试路基路面回弹弯沉方法，其检测结果见表5 及图1，其中，测试频率为10 m/次，K15+450～K15+600 段第1 车道弯沉检测顺序号为1～16，第2 车道弯沉检测顺序号为17～32。

图1 碎石化后结构层弯沉值散点图

表5 北海市至铁山港一级公路K15+450～K15+600 段碎石化后结构层弯沉统计结果

从表5 及图1 可以看出：①北海市至铁山港一级公路K15+450～K15+600 段采用共振破碎的旧水泥混凝土路面结构层中，在设计弯沉范围之内仅占20.31%，超出设计弯沉范围高达79.69%，并且弯沉代表值为329.68（0.01 mm），远远大于设计弯沉值，整体的强度和刚度都不足；②弯沉值极为分散，变异系数为88.02%，说明旧混凝土路面为柔性的土基不适宜采用共振碎石化施工技术。因为级配碎石基层具有非线性的力学特性，呈现“遇强则更强、遇弱则弱”的特点，旧水泥混凝土路面破碎化后结构层（类似级配碎石）在柔性土基产生的弯沉较大。

3 结论

本文采用承载板、贝克曼梁测试方法，对比分析了旧水泥混凝土路面碎石化后结构层顶面的当量回弹模量、弯沉，为准确评价半刚性基层、柔性土基旧混凝土路面碎石化后结构层的承载力提供了参考，提高了水泥混凝土路面改造时设计参数选取的精度，主要得到如下结论：

（1）半刚性基层旧混凝土路面碎石化结构层承载力较高，考虑碎石化结构层的非线性特性，半刚性基层旧混凝土路面碎石化加铺柔性的大粒径级配碎石层和沥青层结构是可行的。

（2）土基上旧混凝土路面破碎再生利用不宜采用碎石化技术。土基上旧混凝土路面共振碎石化后顶面承载力呈离散的特性，加铺沥青层设计时该结构层宜按上路床进行考虑。