高速公路旧水泥混凝土路面共振碎石化技术的应用分析

邹剑

摘要 文章以共振碎石化技术应用作为研究重点，结合案例高速公路旧水泥混凝土路面改造工程，提出了共振碎石化技术的应用方法。研究表明，当前传统的水泥混凝土路面改造技术已经难以满足实际的工程改造要求，应用共振碎石化技術能够有效解决道路改造时诸多问题，为公路事业长期稳健发展具有促进作用。

关键词 高速公路;水泥混凝土;路面施工;共振碎石化

中图分类号 U416.216 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）07-0166-03

0 前言

共振破碎石化技技术原理是将板块破碎，作为基层改建，通过降低加铺路面的承载结构水平，以及碎块与碎块之间的嵌锁力学特征，可有效规避反射裂缝的变形影响，使得改建后的基层趋于柔性状态，相比于普通品质合格密集配碎石，前者将抗变形的性能水平提升至原先的1.5～3倍，在众多的公路改建工程中被大力推广。

1 共振碎石化技术的基本原理

共振碎石化技术强调振动击打的频率，所借助的振动锤头与水泥混凝土撞击之后，除了需要掌握旧路面板的固有频率，还需要妥善应用好锤头的振动频率，要求在实际工程应用时，要充分了解共振碎石化技术的基本原理。

1.1 相关机械的性能参数

共振碎石化所使用的机械设备，在性能参数方面是否合格关系到碎石化是否能够达到预期的效果。性能的优越性与共振碎石机的基本构造息息相关。下面案例工程所使用的共振碎石机为GZL型，该型号的共振碎石机主要包括驾驶系统、动力系统、车辆系统、配重系统、液压系统、振动系统和散热系统等，主要应用工程为公路水泥混凝土路面改造工程和机场道面水泥混凝土路面改造工程，主要的性能参数如表1所示：

1.2 基本原理

水泥混凝土路面板所受到的持续机械能，是共振破碎机通过振动锤头的不断冲击，从撞击的局部区域往周围传递，除了极少的部分应力波输送至路面板内部，其余的应力波以来回反射的形式，使得能量滞留于路面板内部，材料所保持的平衡被打破，当路面板内部超出极限状态的应力承受范围，弹性系统就会逐渐趋于崩溃边缘，最终产生纵横交错的裂缝，形成大小不一的碎块，如图1。

在应用共振碎石化技术时，对于直接作用于地面的振动锤头，在规定的撞击时间内，要把握好振动的频率，在产生表面裂纹之后，才能够将能量有效传输至面板之内，并通过裂纹往材料边界扩展，同时确保不会损坏基层结构的稳定[1]。根据施工经验总结，共振的碎石裂纹，与路面呈35～40°角，如图1所示，这种裂纹既能够保证碎块之间互相嵌锁，还可以有效避免冲击基层。由此可见，对高频低幅的斜向受力控制，是保证共振碎石化承载能力的关键。

2 案例工程的共振碎石化技术应用

根据以上共振碎石化技术的基本原理，在案例工程中利用GZL型的共振碎石机并应用共振碎石化技术如下：

2.1 工程概况

该工程属于三级高速公路，修建于2001年，设计速度为60～80 km/h，路面和路基的宽度分别为10 m、12 m，设计了双向四车道，路面面层为C30水泥混凝土，厚度20 cm，结构层25 cm，其下的水泥稳定砂砾厚度30 cm，路面板尺寸为3.5 m×2.5 m，目前已经累计投入使用了21年，待施工路线总长度为6.97 km。

考虑到路面改造工程与施工路段的交通量情况息息相关，因此在施工之前，对近7年的历史交通量进行调查统计，具体如图2所示。

根据以上调查结果，公路施工区域范围内，近年来交通量都在逐步增大，尤其是大型车和特大型车，说明当地经济发展正在增长，对高速公路的交通提出了更高的交通要求，亟须将已经出现病害的路段进行改造。在施工时，根据该路段交通量情况，无法将施工路段进行全面封闭，只能采取局部封闭和交通引导的方式，为施工提供便利条件。

2.2 共振碎石化施工技术的实际应用

2.2.1 确定路面板固有频率

在施工之前，对施工水泥混凝土路面板的固有频率的计算确定，需要依次获取路面板的厚度、路面板的弹性模量、地基反应模量和其他参数，其中路面板的厚度和弹性模量获取采用钻芯取样和抗压强度试验的方法，高度测量选取的芯样。钻芯取样的施工标准，主要参照《公路水泥混凝土路面设计规范》，根据芯样的弯拉强度和抗压强度，计算出旧水泥混凝土路面的弯拉弹性模量。至于地基反应模量，该模量无法直接获取，需要根据待施工区域的路基及路基之间的参数，换算出地基顶面的当量回弹模量[2]。由于施工现场的条件限制，需要将破碎的路面板移除，然后借助贝克曼测量弯沉，或者借助刚性承载板测量得出。最后是其他参数的确定，在实测出路面板弹性模量和地基的反应模量之后，用钢尺测量出路面板的长度和宽度，再根据路面结构的变化，确定相对稳定的密度和泊松比，分别为2 400 kg/m³和0.15。

通过测试和测量，选取四个代表性的位置，计算出旧路面板的固有频率见表2。

2.2.2 共振碎石化施工

共振碎石化施工之前，做好一系列的准备工作，除了通过试振和开挖试坑检验，以此得出以上的相关参数，还要布设好公路周边的排水系统。排水系统的铺设，选择排水管和集水管，均采用UPVC材质，且直径均为10 cm，其中排水管采用横向布置模式，集水管采用纵向布置模式，最下层是原砾石砂层，布设了防渗土工具，其内的滤布透水管裹有Φ80钢圈，再将级配碎石覆盖其上，属于原三渣层[3]。主体多孔塑料排水管在碎石化层和原三渣层之间，铺设大量碎石作为垫层，再往其上浇筑C15水泥混凝土。

做好一系列的准备工作后，使用GZL型-600共振碎石机进行共振碎石施工，共振碎石机使用时，通过对振动锤头激励频率、前进速度和锤击横向净距的控制，根据上面所采取的施工参数，组合完成破碎作业。为保证施工的可操作性，将施工路段按照桩号区分，布设好施工参数，如表3。

该路面改造工程选择从外侧车道外缘区域向路中破碎的作业方式，沿纵缝切割的临近车道区域，从中间到边缘方向进行破碎处理。锤破碎的宽度参数为20 cm，共进行两次破碎工作，同时对破碎区域间隔进行严格控制，采用隔行破碎方式。桥台区域、挡墙区域以及构筑物区域密切联系的碎石化施工路段中，为规避因共振施工而产生的破坏风险，将产生连接作用的混凝土板块切割宽度参数为20 cm的应力释放槽。厚度参数过高的旧路面破碎区段，加大振动频率参数，展开路面预裂处理工作。在碎石化路段、桥梁板涵路段以及桥涵搭板路段等的接缝区域没有设置应力释放切割渠，要在接缝处设置厚度为2 mm、宽度为1 m、抗拉强度参数不低于600 N/50 mm、延伸率至少30%、黏附性不小于4 N/mm的防裂贴[4]。

2.2.3 碎石化层保护

在完成旧路面共振碎石化施工后，根据《公路水泥混凝土路面再生利用技术细则》（JTG/T F31—2014）、《旧水泥混凝土路面共振碎石化技术规范》（DB51T 2430—2017）中的规范要求，需要在碎石化完成面上，进行乳化沥青的封层操作，沥青为乳化状，使用量控制在2.55～3.5 kg/m2之间，粒径参数范围在4.75～9.5 mm之间，集料含量不低于3%。旧路面共振碎石化处理后，在试振区检查坑开挖工作，获取试样后展开碎石筛分试验以及路基底层旧水泥混凝土颗粒级配分析试验，其中旧路面表面承载力弯沉检测满足设计需求，相关内容如表4所示：

按照以上的设计要求，做好碎石层的保护工作，期间在未破碎时做好水泥混凝土路面面板的强化检测工作，将共振机工作参数控制在合理范围内，在完成破碎处理后，有效进行回弹模量参数与弯沉值参数的检测活动。破碎后没有通过检测的路段，若路基不具备较强的承载力，在挖出路基后掺加5%的石灰成分，拌和均匀后进行回填与压实处理;若符合路基承载力标准，在破碎料中掺入含量2%～3%的水泥，并拌和均匀后回填基层与压实。

2.3 共振碎石化效果检验与评价

共振碎石化效果的检验标准，是施工后路面板的板体结构的完整性，以及整体结构刚度的均匀程度。检验依据主要参照破碎粒径的大小判断碎石化的程度，如果破碎颗粒太大，说明整体强度不均匀，在加铺沥青层后，有导致发散裂缝出现的可能性;反之则在公路投入使用后，就造成路面板的强度损失，对沥青层的加铺要求会有所提高。至于碎石粒径大小的把控，对于该工程来说，试坑法是比较适用的检测方式，按照50 cm×50 cm的尺寸标准，根据现场实际情况，控制好开挖的深度，原则上必须大于旧路面板的厚度，每50 cm用直尺检查一处，其中顶面最大粒径不小于5 cm，上部最大粒径不小于10 cm，下部最大粒径不小于18 cm。按照这种检测方法，对案例工程施工路段的共振碎石化情况，根据上文提到的路面板固有频率，对右幅K3+083、右幅K3+535、左幅K3+563、左幅K3+115檢验记录，并对合格率进行估算，具体见表5：

通过表5，得出以下几点结论：旧路面板固有频率偏高，需要调节共振破碎机的施工参数，譬如降低机械的前进速度、缩短锤迹的横向净距等方法，才能够达到较好的施工效果。

3 结束语

高速公路旧水泥混凝土路面施工中，共振碎石化技术具有施工周期短、低碳环保等优点，是案例工程旧水泥混凝土路面改造工程的优选方案。文章通过研究，基本明确了共振碎石化施工在案例工程中的应用方法，可作为相关工程参考借鉴的依据，同时需要在实际工程中归纳和总结出更多有用的施工经验，作为该文研究的补充和完善。

参考文献

[1]匡静波.共振碎石化技术的应用研究[J].湖南交通科技， 2019（4）： 50-52.

[2]满新耀. 水泥路面碎石化技术在桂柳高速公路中的应用[J]. 中外公路， 2019（5）： 247-249.

[3]涂欣华， 姜旭荣. 共振碎石化技术在水泥混凝土路面施工中的应用[J]. 交通世界， 2019（26）： 63-64.

[4]郭科科. 共振碎石化技术在旧混凝土路面改造中的应用[J]. 中国科技投资， 2018（18）： 33.