碎石化技术在旧水泥混凝土路面改造施工中的应用

周祖兰

（贵州省交通规划勘察设计研究，贵州 贵阳 550081）

0 引 言

随着交通建设的发展，交通荷载增加的速度越来越快，对路面的损耗也日益加剧，特别是水泥混凝土路面，在自然条件和荷载增加的情况下，极易出现裂缝、错板、断板等病害，导致公路的服务水平下降。

旧水泥混凝土路面通常采用修复、加铺的方式来解决路面病害问题，最常见的方法是“白加黑”，即在旧水泥混凝土路面（PCC）上直接加铺热拌沥青混合料（HMA）。这样虽然能够很好地提高道路承载能力，但随之而来的反射裂缝问题也更加严重［1-3］。有工程上使用橡胶沥青混凝土代替HMA，在一定程度上能够缓解开裂，但随着交通时间的增加，效果并不理想［4］。为了彻底地防治反射裂缝问题，国内众多学者也进行了相应的研究：谢中友通过把现有PCC面板破碎成碎块，再加铺HMA，以消除HMA加铺层内的反射裂缝问题［5］；时宁研究了 HMA／PCC路面结构的车辙和层间剪切破坏，结果表明，沥青层厚度越小，RAP混凝土的抗弯拉弹性模量越小，沥青混凝土的模量越大，层间结合状态越好，HMA／PCC路面结构车辙永久变形量越小［6］；秦宏飞等对混凝土路面进行碎石化施工，用以限制新铺的热拌沥青罩面上出现反射裂缝［7］。

大量研究表明，碎石化施工技术可有效解决反射裂缝问题。碎石化技术分为多锤头碎石化法（MHB）和共振碎石化法（RPB），MHB能解决反射裂缝的问题，但对于公路路基的损坏较大［8］。RPB用于板块性较差的水泥路面，通过设备产生的自振与水泥面板产生共振，从而将旧混凝土板破碎成较高强的粒料层，有效防治反射裂缝［9-10］。目前，国内对共振碎石化技术的研究较少，本文结合旧路改造工程，用理论分析与室内试验来说明碎石化技术的特征及其应用价值。

1 工程概况

试验路段桩号为K0+090～K4+480，全长3 500m，路面宽度为12.55m。该路段为水泥混凝土路面，且已进行过多次大中修改造，路面状况整体较差，存在横纵向裂缝、接缝破损等多处病害，如图1所示。在改造前，对试验路段路面病害部位进行调查，并评价病害情况，见表1。从表1可以看出，路面病害指数（PCI）较低，需要对水泥混凝土路面改造后的情况进行分析。

图1 路面病害

表1 路面病害分析评价

2 试验分析

2.1 破碎层表现及级配分析

对试验段水泥混凝土路面进行碎石化处理，在路面取芯，从芯样发现碎石粒径从上至下逐渐递增，表层小于3cm，上中层小于6cm，下层小于14cm。在碎石化层0～10cm内的碎石料中，破碎程度好，碎石粒径较小且均匀，对37.5mm以下碎石料进行筛分，筛分情况见表2，级配曲线在连续型级配碎石、级配砾石的级配范围内。

表2 37．5mm以下共振碎石筛分结果

2.2 弯沉检测及分析

为了能够得到路面总体强度的真实情况，采用贝克曼梁弯沉仪测定部分试验路段静止加载时的路面弹性弯沉值；对桩号K1+590处施工前后板中的弯沉值进行对比，结果见表3。

由表3可知，破碎加铺前水泥混凝土层顶面的弯沉值是破碎前的9.1倍，破碎后几乎丧失板体性，成为散粒层，顶面弯沉大幅下降，破碎后水泥混凝土面层更加稳定和均匀，对加铺有利。

表3 K1＋590处弯沉测试结果

3 碎石化过程中的仿真模拟

3.1 破碎前水泥混凝土面板的自由振动频率

水泥混凝土面板的自由振动频率可按薄板振动方程求解，边界条件与面板的破裂状况有关。当面板既有横向裂缝又有纵向裂缝时，可视为四边简支［11］，此时面板的自由振动频率

式中：a、b为面板的长度和宽度；m、n为振动频率的阶数；D为面板的抗弯刚度；ρ、h分别为面板的密度和厚度。

面板的抗弯刚度

式中：E、μ分别为面板的回弹模量和泊松比。

为掌握共振碎石化路面结构的力学性能，通过有限元软件ANSYS构建面板有限元模型［12-13］，如图2所示。对有限元模型进行计算，将有限元与解析式结果进行对比（表4），发现有-2.2%的误差。

图2 面板有限元模型

表4 有限元与解析式计算结果对比

3.2 碎石化后的力学响应

水泥混凝土面板经共振碎石化后变成碎石层，成为新路面结构的基层，其承载力是否满足设计要求是改造后路面效果的关键。为使沥青层拉应力峰值不超过容许拉应力指标，同时使得受拉区域控制在一定范围内，碎石层的回弹模量不宜太小，因此碎石化施工不要过度破碎［14-15］。对碎石化后有限元模型（图3）进行计算，得到的数值满足设计要求。

3.3 碎石化后回弹模量及弯沉检测

对旧水泥混凝土路面进行共振碎石处理，如图4所示。由于共振破碎旧水泥板的上面层碎块形状大小相邻互补、原位嵌挤；下面层为斜向嵌锁，能分散载荷和防止突变，整层构成高密实度的水泥混凝土碎裂层。因此，不能简单地从级配分析来看共振碎石化层，而应检测其回弹模量及弯沉值。试验路部分路段碎石化层的弯沉值和回弹模量检测结果见表5。

图3 碎石化后有限元模型

图4 共振碎石后的碎裂层

表5 碎石化层的弯沉值和回弹模量

弯沉值应满足

当量回弹模量应满足

式中：X1、X2分别为碎石化层的弯沉值和顶面当量回弹模量的均值；λa为保证率系数，与保证率（置信度a）和检测点数n有关，λa可由t分布表查得；S为检测值的方差；L1、L2分别为碎石化层的回弹弯沉值和顶面回弹模量的设计要求值。

试验段共振碎石层取90%保证率，去掉超过2倍均方差的数据，当量回弹模量代表值为164.37 MPa，大于设计要求的150MPa，回弹弯沉代表值为69.6（0.01mm），小于设计要求的74（0.01mm）。因此，整段试验路经过共振碎石化处理后，作为路面基层可达到较好的预期效果，在上面直接加铺沥青路面，能够有效保证路面的使用性能及寿命。

4 结 语

（1）共振碎石化技术可消除水泥混凝土路面的板体性，碎石粒料层强度较高，消除了旧路裂缝处的应力集中，有效防止了反射裂缝，碎石化后的弯沉值、回弹模量均满足设计要求。

（2）碎石层的回弹模量不宜太小，沥青层拉应力峰值不超过容许拉应力指标，同时使得受拉区域控制在一定范围内，应注意碎石化施工不应破碎过度。

（3）破碎前与加铺前应对原水泥混凝土面板及碎石料进行技术检测，破碎过程中应当适时调整共振设备的工作参数，并对破碎后的水泥混凝土碎石进行回弹模量和回弹弯沉的检测。