旧水泥路面共振碎石化特点及加铺层设计研究

徐立俊

（广州市市政工程设计研究总院有限公司，广东 广州 510060）

为了促进和适应经济快速增长对交通运输的要求，我国沿海发达地区在改革开放40年修建了大量的水泥混凝土路面，特别是早期的国省道干线公路和重要城市道路，水泥路面成为主要的高等级路面结构形式。经过几十年的发展，交通荷载数量和轴重逐渐增加以及设计标准的提高，早期的水泥路面材料不断劣化，现有结构的残余寿命所剩无几，甚至大量出现了各种结构性损坏，如板块断裂、脱空、接缝挤碎等。长期使用的旧水泥路面已经不能满足当代人们对出行品质的要求，需要重新构建一种不仅在承载力上能满足要求，还具有足够舒适性的行车表面[1]。

水泥混凝土路面强度高、稳定性好、板块效应显著等使用性能上的优点在遇到超载和维修养护时却成了棘手的问题，将破碎的水泥板挖除废弃不仅污染了环境还浪费了用地，而将出现结构性断裂的旧水泥板进一步碎石化，并在压稳的基础上铺筑沥青罩面是一个对旧路面进行改造的很好思路。

1 共振碎石化原理和性能特点

1.1 共振碎石化原理

共振破碎技术与常规的利用冲击势能原理将旧路强制打裂压稳技术不同，是通过车载智能化软件自动搜索分析待破碎旧水泥路面的固有频率，再对振动锤头设置相近的频率持续冲击旧路面，产生高频低幅的振动能量，使水泥板与锤头之间产生共振后达到破碎的目的[2]。经过长期研究与实践表明，采用共振碎石化时锤头频率范围为45～48Hz，振幅为10～20mm，平均行驶速度3.5～6.5Km/h，处理厚度适用于20～60cm厚的普通路面至机场道面。由于水泥路面板的固有频率与基层及路基土相差较远，共振破碎时一般只有水泥混凝土面板产生共振破碎，对于旧路面基层、路基以及其下部涵洞等钢筋混凝土结构影响很小。

共振碎石化技术适用于旧水泥路面技术状况评定为次或差，路面结构遭到较大损坏的情况，通常路面状况指数PCI要小于54～60，断板率大于11～20，平均错台量大于11～15mm，接缝传荷系数小于31～55%。

1.2 性能特点与设计参数

共振碎石化后形成两层不同级配和构造的典型结构，即从旧路顶面到10cm处的上部松散层，粒径一般要求至上而下为0～7.5cm过渡，保证率达到85%，从10cm到板底处为下部结构层，通常会形成斜向30～45°的贯通裂纹，间距约30cm，保证率达到80%。当能够形成这种两层结构时，其综合力学性能比级配碎石层更为优良，不仅可以利用上层的碎砾特性消除反射裂缝的发展，还可以利用下层的整体强度和咬合作用形成明显的“拱效应”，保留足够的承载能力，提高加铺沥青层的抗弯拉疲劳性能。若旧水泥路面基层结构强度未破坏，共振碎石化层将形成了特殊的柔性上基层，该层回弹模量虽然低于整体性半刚性层，而且在竖向荷载下具有显著的非线性特性，但下卧层如果刚度较大仍然会表现出优于级配碎石柔性基层的回弹模量，具有足够的抗变形能力。研究表明，共振碎石化后的刚度可达到普通级配碎石的3倍左右，参数取值范围为500～1000MPa。碎石化后由于旧水泥路面整体离散化，其体积通常会发生膨胀，但通常应控制膨胀率不超过5%。另外，为了避免周边受振动影响，可在合适位置设置宽度不小于20cm的隔振沟适应变形，并适当铺撒石屑等材料进行填缝，利用超过10t的压路机进行压稳，撒布1～2L/m2的透层油，为下一步铺筑沥青层提供一个坚实平整的界面。

共振碎石化技术不仅可以充分利用旧水泥路面，还可以保护旧水稳基层、路基等其他设施完好无损，并且整个施工过程噪音小，对居民干扰小。资源再生利用度高，不产生废旧水泥混凝土等建筑垃圾，对环境污染、交通干扰小，施工效率高，节省了路面维修改造的全寿命周期养护成本，综合效益显著。

2 特殊路段处理与注意事项

2.1 特殊路段技术措施

共振碎石化的特殊路段处理主要是指可能出现的脱空路段的处理，为了形成一个平整坚实的界面，通常要将表面高程误差限制在2cm。针对高差过大的情况主要通过施工碾压完成后在脱空处进行开挖回填处治。如碎石化碾压完毕后破碎层表面存在的竖向位移为2～10cm，应及时采用碎石进行回填，回填料的粒径与级配应与上面层保持一致并满足相关规范要求。若检测发现竖向位移超过10cm，则可采用早强水泥或掺早强剂的水泥稳定碎石进行结构补强，强度不小于C10。若共振碎石化后脱空对应区域的粒径过大，存在明显大于其它路段的碎块，则应挖除该区域对应的破碎层，回填碎石并压实。

采用共振碎石化技术应尽可能保护碎石化前的排水系统，避免引起排水通道堵塞、截断等情况，影响排水效率。可在加铺沥青层之前的整个施工段内开挖1m×1m的检查坑，查看碎石化层是否处于干燥状态，若潮湿，则应仔细检查路面边缘排水系统并及时疏通或整改。检查坑可用挖出料回填，也可采用石屑回填。

碎石化完成后为了保证碾压质量，采用振动压路机碾压时相邻碾压带应重叠10～20cm，而采用轮胎压路机碾压时相邻碾压带应重叠1/3～1/2的碾压轮宽度。对路面边缘、加宽及城市道路中港湾式停靠站进出口等大型压路机难于发挥效果的部位，可采用自重1～2t的小型振动压路机进行补充碾压。

2.2 注意事项

共振碎石化虽然不会直接破坏路面以下的各结构层和构造物，但由于水泥板破碎后的体积变化，以及板块的位移等，在城市道路路面采用该工法时可能会对处于较近的各类管线产生影响，破碎过程中应充分考虑周边管线的安全性。比如在现场根据物探资料对管线做出明确标记和实时监控，确保竖直向安全距离和水平向安全距离。一般而言，当管线埋设深度小于距离水泥板底部大于80cm时可以正常进行共振碎石化，距离为50～80cm时应进行充分调查论证后使用，当距离小于50cm时不采用。

3 沥青加铺层设计

沥青加铺层结构厚度应重点根据碎石化后旧路的回弹模量进行动态设计，即在方案设计时将碎石化层看成柔性基层，并根据经验对回弹模量进行拟定，在碎石化完成应当以实测的动态弯沉进行模量反算得到实际的设计参数，当模量值超过初拟值的时候可采用原方案，当低于初拟值时应按实测的代表值进行优化[3]。加铺层结构设计同时适用交通量不断增长和重车增多的需要，使路面在设计使用年限内满足相应的使用要求。

根据经验，当拟改造的路面交通状况为重交通、特重交通时，加铺层结构分上中下三层铺筑，总厚度为18～25cm，当交通状况为中等交通时，加铺层结构总厚度为15～20cm。

4 结语

研究表明，采用先进的共振碎石化技术进行旧水泥路面改造不仅可以使得碎石化的颗粒级配粗细搭配良好，还能通过面板下层的整体斜向咬合裂缝形成拱效应提供一定的抗弯拉强度。这种独特的碎石化构造在减少目前白加黑路面普遍存在的反射裂缝问题以及由于旧水泥路面与沥青层模量相差较大带来的层间剪应力过大的问题具有显著作用，同时碎石化后整体强度丧失不会太大，仍然具有足够的承载能力，可以充当基层的作用，充分利用了旧路资源。由于不需要设置基层，将减少路面标高提升20～30cm，这更适用于对于周边地块开发程度较高，需要考虑排水、接顺现状平交口等问题的道路，是一项综合性能优良的旧路改造技术。