水泥混凝土路面共振碎石化技术的应用

任贺贺 武玉东

【摘要】本文以某道路综合改造提升工程项目为例，讲述了新型工艺路面共振碎石化技术的原理及应用。随着我国社会经济的发展，水泥混凝土路面改造提升为沥青混凝土路面（简称白改黑）将占据工程建设项目中很大一部分，水泥混凝土路面将逐渐被取代，通过工程案例对共振破碎技术的应用进行分析，为水泥混凝土路面改造提升工程提供参考。

【关键词】水泥混凝土路面;共振破碎;白改黑路面结构

1、工程概况

1.1项目概况

本项目主要对31条道路进行横断面优化、路面提升、结构“白改黑”，已建道路，现状道路断面样式多，水泥路面结构陈旧破碎，病害较多。道路通车多年，路面沉陷较多且已趋于稳定。本次全线改造沥青混凝土路面，非机动车道采用透水沥青路面结构。

1.2周边环境

根据现状调查，道路两侧地块开发强度不大，沿线大部分建筑为4-6层居民自建房;道路等级为城市主干路，设计车速是40km/h，车道宽度45m;在共振破碎施工期间，沿线周围的敏感建筑物进行实时观察，施工前在人行道位置设置隔振沟（宽40cm，深80cm），以减少施工振动对周围建筑物影响。

2、施工工艺

2.1 共振碎石化技術“白改黑”施工工艺：共振碎石化破碎→洒水碾压→喷洒透层油→铺筑加铺层。施工工艺简单、成熟、可靠，不需专门的配套设备。

2.2 大量的水泥砼路面亟待改造

截止 2018年年底，我国水泥混凝土路面总里程达到403.97万公里，其中县道里程54.97万公里，乡道里程117.38万公里，村道里程231.62万公里， 参考《2018年交通运输行业发展统计公报》。上世纪90年代开始至今建设的大量水泥混凝土路面，随着使用年限的增加，快速增长的交通荷载的作用，大量的水泥混凝土路面进入了大中修阶段。

2.3“白改黑”是城镇化的选择

水泥混凝土路面“白改黑”后具有更高的路面平整度、更优的路面抗滑性、更低的行车噪声、更低的眩光特性、更佳的行车舒适性和安全性、更低费用、更小的交通影响，更符合城市的发展需求。

3、“白改黑”存在的问题

3.1 存在的问题

（1）水泥混凝土路面“白改黑”最大的问题是反射裂缝的防治。

（2）将板块破碎成较细的颗粒，能够避免反射裂缝。但水泥混凝土板块的剩余强度低，加铺结构层厚，投资费用高。

3.2 适宜的粒径

破碎粒径大，易产生反射裂缝;破碎粒径小，路面剩余强度不足，加铺层厚度大。根据国内外几十年的工程实践，以及室内、外大量研究，破碎后水泥混凝土板块粒径在3-20cm是实现两种状态最佳组合的破碎效果 。最佳契合点如图 3所示。

4、共振碎石化是实现最优破碎的工艺

共振碎石化技术在美国、欧洲等几十个国家得到了大量和广泛的应用。2006年引进中国，在上海、浙江、福建等地得到较广泛的应用，累计完成超过 800万m2的工程量。业已证明共振碎石化技术的成熟性、可靠性和适用性。相对传统破碎工艺而言，共振碎石化技术是实现消除反射裂缝和水泥混凝土路面尽可能高剩余承载力两个条件的最优工艺。破碎粒径在3-20cm 范围。

5、共振碎石化工作原理

5.1 共振碎石化设备

CB-900（CB，Concrete Breaker）型共振碎石化机设备是共振碎石化设备的最新发展型，是目前使用的最先进的型号。

主要技术参数：发动机功率约 630 hp，振动梁宽宽 66cm，振动梁配重 5443-9070kg，破碎锤头重 23kg，整车总重 27.2-31.8t。振动频率 42-46Hz，振幅在20mm 左右。

5.2 共振破碎原理

共振碎石化不依靠 “蛮力”破碎水泥混凝土板块，而是以 “巧劲”实现 “ 四两拨千斤”的效果，这是共振破碎的最大特点。实现了激振力与板块的固有频率的最佳组合。促使水泥混凝土板块共振开裂，且裂而不碎。实现这一目标的关键技术在于 “ 共振梁的调谐作用”。

5.3 共振梁调谐原理

共振梁是实现共振碎石化设备的关键与核心部件。

共振梁调谐原理（图 7）：由偏心凸轮旋转产生偏心力，通过共振梁调幅、调频后，将振动能量传递给破碎锤头，使得锤头的振动频率达到水泥面板的固有频率，板块共振并迅速开裂。使锤头激振频率与激振力达到破碎板块的最佳组合。将偏心凸轮与锤头直接相连称作单锤头破碎设备，将在第 6 节介绍。

5.4 水泥路面的破碎状态

共振碎石化后，破碎粒径自上而下由小到大，粒径主要分布在 3cm-15cm 范围内。上层 0～8cm 范围内，粒径相对较小，一般在 5cm 以下，呈现相对松散状态，类似于级配碎石，起到释放应力的作用;下层粒径集中在 5～15cm 的块状粒料，呈斜向嵌锁状态，破裂角在 30°-60°范围，裂而不散，强度高。不论强度和模量均高于密实状态的级配碎石，单层碎石化层的模量（静态模量）一般在 500-900MPa。

5.5 工艺参数的选择

板块破碎的效果受共振破碎机的破碎前进速度、振幅、振动频率、破碎顺序，以及原路面结构、水泥混凝土强度、刚度条件、传力杆、拉杆等因素都影响。为达到最佳的破碎效果，需进行试振破碎，通过开挖样坑，检查、验证、调整，使之达到最佳的破碎效果。工艺参数的调整需要经验丰富的工程单位承担，可调整的工艺参数如下：共振频率：42-46Hz;共振锤振幅：20mm 左右;工作行进速度：2-3km/h;破碎顺序：由板边到板中。

6、共振碎石化的技术优势

6.1 彻底消除反射裂缝

共振碎石化破碎粒径在 20cm 范围以内，彻底消除反射裂缝的产生。相对其他水泥混凝土路面破碎技术更为有效。

6.2 技术适用广

共振碎石化采用高频低幅的振动，共振碎石技术对周边建筑物、构筑物和地下管线影响最小，技术适用范围广。共振碎石化技术适用的水泥混凝土路面技术状况相对其他技术较宽，《公路水泥混凝土路面再生利用技术细则》（JTGTF31-2014）对此作了比较，共振碎石化较其他破碎工艺更加适合城市道路。

6.3 原路再生利用充分

采用共振碎石化技术的原路面结构和材料均得到了相对充分的利用。相对多锤头破碎技术，共振碎石化技术更能发挥板块和结构层的剩余强度。

6.4 加铺结构设计简单

共振碎石化路面上加铺层设计简单，不需专门的防反射裂缝设计和设施。通常加铺结构为两层式沥青面层或三层式沥青面层。

6.5 施工效率高

破碎行进速度：2-3km·车道/h。一般一台设备一天可破碎 2500m 2 左右（效率取决于多方面因素，水泥混凝土板块强度、厚度、交通天气等因素）。

6.6技术成熟，应用广泛

共振碎石化技术在国外应用广泛，在我国的应用也超过了 10 年。各等级公路、城市道路，农村公路、国省道，不同交通等级的道路上均有应用，均有较好的使用效果。设计、施工成熟标准，技术成熟度高。

6.7 绿色、环保、低碳

共振碎石化破碎技术不产生固体废弃物、无污染;消耗的新资源、新能源少，相应的碳排放少。共振碎石化技术是一种绿色、环保、低碳的水泥混凝土路面“白改黑”技术。

6.8 污染小、扰民低

破碎产生的粉尘相对低，通过预洒水工艺有效降低破碎过程中的粉尘。共振破碎产生的噪音和振动相对小，传播距离短。相对多锤头破碎，产生的粉尘、振动、噪音明显低，扰民低，更加和谐。

6.9施工交通组织简便

共振碎石化技术施工交通组织更为简便，对交通影响小、扰民小。

6.10 路面更加耐久，投资少

（1）采用共振碎石化破碎的路面结构加铺层相对其他破碎工艺加铺层结构薄，路面改建的直接综合成本低（Integrated Direct costs）。

（2）施工快捷、工期短、快放交通快，间接费用（Indirect costs）低。

（3）经共振碎石化改建的道路路面结构更加耐久，维护少、大修间隔时间长，路面结构的寿命周期成本（life cycle cost，LCC）低。

7、 破碎工艺比较

7.1多锤头破碎

多锤头破碎是水泥混凝土路面较为常用的一种破碎方式。多锤头破碎系统由两排各 3 对 650kg 的锤头组成，两侧各有 1 对 865kg 翼锤。锤头最大提升高度110cm。依靠重锤自由下落的冲击力实现板块的破碎。特点是冲击力大、振动频率低，振动传播远，临近建筑和地下管线有明显影响（图 11）。多锤头的冲击力较大，板块破碎粒径小，剩余强度低，与级配碎石相当。此外，锤头冲击力对基层承载力也造成一定损伤。因此，经多锤头破碎后路面结构，加铺层通常相对较厚。

7.2单锤头破碎

单锤头破碎在多锤头的基础上加以改进，将多锤变为单锤形式，提高了锤击的频率，减小了锤击力度。同时，在一定程度上借鉴了共振破碎的特点，采用偏心凸轮激振。与共振破碎共振梁调谐作用（图 7）不同，单锤头破碎直接将偏心轮加载于锤头，无法实现激振力与混凝土板块固有频率的耦合：

（1）要么激振频率过高，激振力不足，导致板块无法有效打裂，加铺结构易产生反射裂缝;

（2） 要么激振频率过低，激振力过大，板块打碎，剩余强度不足。两种破碎技术的原理比较如下：

8、设计与工程案例

8.1 设计依据

（1）公路水泥混凝土路面再生利用技术细则（JTGTF31-2014）

（2）公路沥青路面设计规范（JTGD50-2006）

（3）公路水泥混凝土路面设计规范（JTGD40-2011）

8.2 碎石化时机的选择

根据价值工程理论：共振碎石化“白改黑”的工程价值大于其他维修改造方案的工程价值。价值可以是项目总投资，也可以是项目的寿命周期费用，还可以是项目的社会经济价值。时机的选择应同时满足技术可行和经济可行。相对其他破碎工艺，共振碎石化技术适用性更广。项目总投资、寿命周期经济费用低，社会经济价值高。《公路水泥混凝土路面再生利用技术细则》（JTGTF31-2014）从水泥混凝土路面技术状态的角度给出了共振碎石化的适用条件。

8.3 典型结构

共振碎石化路面加铺层的厚度与交通量有关，与原路面结构状况和剩余承载力有关。国内共振碎石化路面加铺结构归纳如下：加铺层材料的选择，根据道路等级、所在气候分区特点等因素，选择不同质量等级的材料。对于重交通道路可以采用橡胶沥青混合料 AR-AC、SMA 等混合料，以及抗车辙剂、玄武岩纤维等添加剂来增强混合料的抗车辙性能和高温稳定性。

8.4 质量检验与评定

碎石化路面施工质量验收标准主要通过碎石化破碎粒径和结构状态进行检验与评定。检验主要依据：公路水泥混凝土路面再生利用技术细则（JTGT F31-2014）公路沥青路面设计规范（JTGD50-2006）公路水泥混凝土路面设计规范（JTGD40-2011）

（1）碎石化破碎粒径检验

通过开挖试坑判断，避免过度松散和不能有效破碎两种极端情况。

（2）破碎化层的结构状态检验

共振碎石化后该层呈现上层松散，下层嵌锁的状态。状态的检验采取钻心方法获得。通过钻芯试样，判断混凝土板下部结构裂缝嵌锁状态。

（3）结构剩余强度

路面结构剩余强度可采用碎石化层顶面回弹模量进行检验。该模量为整个路面结构层的当量回弹模量。当量回弹模量不应作为评价碎石化层是否合格的指标。因为路面结构剩余强度和模量与整个路面结构各层材料的状态密切相关，与所测试的季节状态有关。《公路路面基层施工技术细则》仅将回弹模量作为参考

8.5工程实例

共振碎石化技术首先应用于国省道，之后在不同等级的道路以及城市道路上推广和应用。

（1）国省道的应用

沪青平公路为 318 国道上海段，主要为水泥混凝土路面。交通等级属于重交通。上海市公路管理处首次引进共振碎石化技术，于 2005 年铺筑了 477m 的共振碎石化的试验段。后期的跟踪观测、研究认为反射裂缝防治、资源再利用、节能减排效果明显。随后于 2007、2008 年进行了大范围的共振碎石化工程应用。作为示范工程，每年对该路进行定期回访，该路至今未产生反射裂缝等病害，状况良好，仅需日常性路面养护。

浙江省于 2007 年引进共振碎石化技術，首先应用于 104 国道（临海段）的“白改黑”改造中，总长度超过 6km，加铺三层式沥青面层，铺筑厚度为 15cm。基于良好的使用效果，2008 年实施 104 国道的“白改黑”，迄今已经完成近 50km长的共振碎石化“白改黑”改造。路面使用完好，期间未实施过大修，大大降低了公路养护、运营、管理的成本。

结论：

传统开膛破肚的改造工艺，需要近半年的时间，施工噪音、扬尘，交通的阻断严重，社会影响大;从缩短工期、节约造价、节能环保等方面综合考虑，引入路面共振碎石技术实施“白改黑”，改造后的路面显著提升了路面的使用状况和技术水平，大大改善了路线区域的市容市貌，取得了较好的效果和口碑。

参考文献：

[1]2018年公路水路交通运输行业发展统计公报

[2]吴青峰，凌建明.水泥路面共振碎石化加铺技术研究与应用.上海市市政公路管理局

[3]王松根.旧水泥混凝土路面碎石化技术应用指南[J].人民交通出版社，2007.01

[4]张玉宏，李昶，王松根，等.碎石化后沥青加铺层应力对比分析[J].公路交通科技.2006.3.pp1-5.