旧水泥混凝土路面共振碎石化及沥青加铺技术应用

关维溢，吕瑞东，杨峻峰

(1. 佛山市建盈发展有限公司，广东 佛山 528099；2. 长沙理工大学交通运输工程学院，长沙 410114)

0 概述

水泥混凝土路面病害不仅降低了道路的使用寿命，而且对行车安全性和舒适性大为不利[1]，故有必要进行提质改造。而直接加铺沥青面层往往在数年时间内就会产生反射开裂等病害问题，因而目前通常采用旧水泥混凝土路面板破碎处治技术再加铺沥青面层的方案进行提质改造[2-3]。

常用的路面板破碎处治方法主要有打裂压稳、冲击压实和碎石化等，而碎石化技术由于破碎更加均匀、在长期使用过程中不易产生反射裂缝等优势得到广泛应用[4]。碎石化技术包括多锤头碎石化和共振碎石化，而共振碎石化由于破碎粒径均匀、破碎深度可控、破碎层嵌挤效果好且对周边结构物影响较小等特点，近年来在我国旧水泥混凝土路面改造工程中应用广泛[5-6]。李豪[7]等研究表明：共振碎石化相比于多锤头碎石化更适合于交通量大、重载交通多和易产生反射裂缝的工程。CHEN[8]等应用表面波法和FWD法对爱荷华州16条公路进行了检测，表明共振碎石化处治加铺沥青面层可以减少反射裂缝的产生。张恒德[9]基于南京市杨茆线的旧水泥混凝土路面改造工程，提出了共振碎石化层的施工注意事项，并对沥青面层的平整度和渗水系数进行了检验。金伯军[10]等基于S320线的共振碎石化施工效果，总结了共振碎石化的技术特点和优势。杨顺家[11]等基于ABAQUS软件分析了共振碎石化沥青加铺结构的关键设计要素。相关学者也对共振破碎机的结构参数和振动机理等方面进行了研究，分析了各参数对设备共振频率的影响[12-13]。

共振碎石化技术在我国已得到广泛的应用，但针对南方高温多雨地区的共振碎石化及其沥青加铺层的施工关键技术及质量评价，还有待进一步深入研究。为此，本文依托佛山一环西拓的旧路改造工程，进行南方高温多雨地区共振碎石化沥青加铺路面的关键技术研究，并通过试坑开挖、颗粒筛分、PFWD模量检测和室内CBR试验等对共振碎石化层施工质量进行评价，同时对沥青加铺层性能进行检测分析，验证该技术的应用效果，以期为后续类似工程提供参考。

1 旧水泥混凝土路面沥青加铺方案设计

1.1 工程概况

佛山一环西拓工程是佛山市加强西部地区与发达地区相联系、促进产城融合和经济发展的重点工程。该工程主要通过现有道路网进行旧路改造和局部新建，设计总里程110.8km，采用一级公路标准，并兼顾城市道路的功能。试验段选取杨西大道K21+970～K23+000段，全长1 030m，原有路面为水泥混凝土路面，结构形式如图1所示。路基宽110 m，半幅主路4条车道+辅路2条车道。自2013年9月建成以来，右幅因未验收而未通车，但左幅作为高明区的交通咽喉承担着繁重的交通压力，路段交通量以小汽车和货车为主，设计使用年限内设计车道的预计累计标准轴载作用次数高达5.1×107次，属于特重交通等级。由于交通量大且多为重载交通，旧水泥混凝土路面板已出现裂缝、错台、板底脱空和断板等多种病害，亟需进行旧路改造，以提升行车舒适性和安全性，满足日益增长的交通需求。

图1 旧水泥混凝土路面结构

1.2 旧路面使用状况评价

为了确定合理的旧水泥混凝土路面改造方案，通过目测、车载检测设备、探地雷达和室内试验等方法对试验段的旧水泥混凝土路面板进行了检测评定，并评价了其使用状况，包括路面损坏状况指数(PCI)、路面行驶质量指数(RQI)、路面跳车指数(PBI)和路面磨耗指数(PWI)，以及断板率(DBL)、板底脱空率(TKL)和芯样弯拉强度(fr)等。同时以指标权重wPCI∶wRQI∶wPBI∶wPWI=0.5∶0.3∶0.1∶0.1计算路面技术状况指数(PQI)，从而对左右两幅路面的使用状况分别进行了综合评定，检测结果见表1。

表1 旧路面使用状况检测结果

由表1可知：右幅路面由于未通车，各项指标均评定为优，路面技术状况总体达到优等；板底基本未出现脱空状况，芯样弯拉强度也满足规范要求。左幅路面由于车流量大且重载车辆多，路面使用状况衰减明显，RQI评定为良，DBL和PBI评定为中，PCI和PWI评定为次，最终PQI结果评定为中；同时板底脱空率也较高，但芯样弯拉强度满足技术要求。综合路段结果可以得到：整体路段PQI结果评定为良，芯样弯拉强度左右幅路面相差不大，相比于规范要求的5.0MPa高出50.4%，表明路段整体服役性能已经明显下降，路面病害较多，但路面结构承载能力较强。

1.3 旧路面病害成因分析

根据路面使用状况评价结果和路段设计及交通量资料，对旧水泥混凝土路面进行了病害成因分析，主要有以下几个方面：

(1)试验段在使用期间由于重载交通较多，对交通量预估不足，加之路段仅有左幅开放交通，使得左幅路面承受了双倍的交通量，导致旧面板出现裂缝和破碎板等病害；同时路段基层采用水泥稳定石粉，其强度不足而影响路面结构承载能力，导致开裂。

(2)路段板间填缝料缺失严重，接缝多被砂石填充，导致板块热胀受限而出现拱胀破坏；同时东南湿热区年降水量大，加之路段排水系统不完善，雨水沿接缝下渗，导致板底脱空、唧泥等病害产生，在车辆荷载作用下发展为错台、开裂和断板等严重病害。

(3)路段施工均匀性较差，探地雷达的检测结果表明：水泥混凝土面板的厚度均值虽然达到30.2cm，但代表值为28.7cm，厚度合格率仅为72.7%，路面板厚度均匀性较差且部分不满足设计厚度要求，造成板块产生应力集中，进而导致开裂及断板等病害。

1.4 共振碎石化沥青加铺路面结构

根据旧水泥混凝土路面的使用状况评价和病害成因分析结果，经论证确定采用共振碎石化技术进行处治，并在其上直接加铺沥青面层进行提质改造，结构形式如图2所示。该改造方案不仅可以充分利用承载力良好的旧路面板破碎形成共振碎石化基层，提高行车舒适性和安全性，而且可以减少开挖换填的工作量，节约建设成本，同时解决了废料处置问题，满足绿色交通的发展需要。

图2 共振碎石化沥青加铺路面结构

2 共振碎石化沥青加铺施工

2.1 施工工艺

共振碎石化设备采用RPB-GP60高频共振破碎机，其工作频率范围高于国外同类设备，适合于我国刚度较大的半刚性基层水泥混凝土路面的破碎。根据试验段加铺方案，路段改造的施工工艺主要包括施工前准备、共振碎石化施工及沥青加铺层施工等阶段，主要工艺流程如图3所示。

图3 共振碎石化及其沥青加铺层施工工艺

具体的施工工艺：

(1)旧路面清理和构筑物的标识：对于旧水泥混凝土路面，应进行必要的清理和处治，包括破碎板的开挖换填、沥青补块的铣刨处理、排水系统的修复和路面板清洁等，同时要对道路沿线的井盖、箱涵和桩基等构筑物进行标识，以避免施工过程损坏构筑物。

(2)隔振沟和应力释放渠的设置：对于井盖等一般构筑物采取漏振措施，在其周围预留不小于0.5m的施工间距；对于箱涵等重要构筑物需在其周围设置隔振沟，深度一般不小于0.8m、宽度不小于0.1m；挖除道路两侧的路缘石作为应力释放渠，以保证共振破碎过程中的侧向应力释放。

(3)共振破碎施工：通过试振段的破碎效果确定共振碎石化施工的各项参数，实际最终选用的施工参数为锤头振幅16mm，锤距14～16mm，共振频率48～50Hz，工作速度1.1～1.2km/h，据此对全段进行共振碎石化施工。

(4)碎石化层的清理与碾压：路面板破碎完成后应进行清理与处治，包括沥青填缝料的清除、隔振沟的回填夯实及未均匀破碎区域的换填压实等，保证碎石化层的局部差异沉降不超过2cm和顶面模量不小于200 MPa。然后对其表面洒水4～5遍，待碎石化层被充分浸润后开始碾压施工。初压采用12t双钢轮压路机静压1遍，复压采用22t单钢轮压路机振压3遍及终压静压2遍。碾压完成后，立即洒布第1层1.0kg/m2乳化沥青透层，保证表层结构的板结和密封。

(5) 沥青加铺层施工：洒布第2层1.0 kg/m2透层乳化沥青，再撒布1cm的同步碎石封层，完成普通ATB-25下面层施工，其同时也作为共振碎石化调平层使用。接着在下面层上逐层完成中、上面层的铺筑，从而形成共振碎石化沥青加铺路面。

2.2 施工质量

施工完成后，对旧水泥混凝土路面共振碎石化层进行了试坑开挖、颗粒筛分、强度检测和室内CBR试验，评价其施工质量。

2.2.1 试坑开挖检测

为了检查旧水泥混凝土面板破碎及水泥稳定石粉基层的扰动状况，随机开挖了2个1 m×1m大小的试坑，如图4可见。由图4可见：共振碎石化层的粒径从上至下逐渐增大，上部10 cm厚度范围形成顶面碎粒层和上部松散层，下部20 cm范围形成下部嵌锁层。上部结构已经完全破碎为富有棱角的粒料，主要依靠颗粒自身强度和内摩擦角形成结构强度；下部结构板结良好，只是出现约45°的斜裂缝，主要通过块体啮合嵌锁使连通裂缝很好地发挥“拱效应”并提供足够的承载能力。同时，水泥稳定石粉基层整体结构良好，未出现松散、裂缝和碎裂等破坏，表明共振碎石化施工过程中未出现过振现象，旧基层可以为路面结构提供良好的承载能力。

图4 试坑开挖状况

2.2.2 颗粒筛分试验

对共振碎石化的顶面碎粒层和上部松散层进行筛分试验，分析了其颗粒粒径和级配状况，筛分结果如图5所示。由图5可见：顶面碎粒层和上部松散层的碎石化程度良好，其中顶面碎粒层的最大粒径为37.5mm，且26.5mm筛孔通过率达到94.2%，说明其破碎程度较高，有利于防止反射裂缝。上部松散层的最大粒径为53mm，37.5mm筛孔通过率为95.4%，说明因破碎时能量随着旧水泥混凝土面板深度增加而逐渐消散。上部松散层的不均匀系数是顶面碎粒层的1.64倍，且曲率系数在1～3之间，表明上部松散层粒径分布范围更广，粗细颗粒搭配更均匀，级配更优，有利于形成良好的嵌挤结构。顶面碎粒层和上部松散层中粉料含量分别为0.2%和1.9%，均远低于级配碎石粉尘含量7%的上限值，表明洒布乳化沥青透层油后，共振碎石化层可达到良好的板结效果。

图5 顶面碎粒层及上部松散层级配曲线

2.2.3 PFWD模量检测

采用便携式落锤弯沉仪(PFWD)检测破碎前旧水泥混凝土路面板和破碎后共振碎石化层的强度，以20m为1个断面，分4条车道分别检测各点的PFWD模量，检测结果见表2。由表2可知：共振碎石化前路面板的整体强度较高，但模量结果的变异性较大，表明结构的强度均匀性较差，直接加铺沥青面层后容易产生反射裂缝。共振碎石化后其强度明显下降，全段模量代表值下降了65.4%，但满足200MPa的模量控制要求。同时，全段的变异系数下降了19.1%，表明共振碎石化后路段整体的模量均匀性得到提高，达到了路段“柔性化”的目的，可保证沥青加铺层结构的长期性能。

表2 旧水泥混凝土面板及共振碎石化层PFWD模量检测结果

2.2.4 室内CBR试验

对共振碎石化结构的顶面碎粒层、上部松散层和下部嵌锁层分别进行了CBR试验，并按各层厚度以权重w顶∶w上∶w下=0.13∶0.20∶0.67计算共振碎石化层的综合CBR值，结果分别为116%、141%、307%，整体CBR值为248%。由此可知：共振碎石化各层的CBR值随着深度的增加而逐渐增大，这是由于各层的颗粒粒径随着深度的增加而逐渐增大，颗粒间的嵌挤能力逐渐增强，相应的强度和抗变形能力也不断提高。下部嵌锁层的CBR值相比于顶面碎粒层和上部松散层提高了1.65倍和1.18倍，表明下部嵌锁层结构的啮合和嵌挤效果显著优于其余两层。最终路段的整体CBR值为248%，满足一级公路特重交通等级下对级配碎石基层CBR值的要求，表明共振碎石化层可以作为道路基层直接加铺沥青面层使用。

2.3 使用性能评价

为了评价共振碎石化沥青加铺路面的综合性能，对铺完沥青加铺层的路面结构进行了PFWD模量检测，结果见表3。由图3可知：沥青加铺层的PFWD模量结果满足验收控制值650 MPa的要求，全段模量代表值达到控制值的2.59倍，表现出较强的承载能力。各车道的模量结果相差不大，但面层模量变异系数进一步下降，均匀性得到进一步提高。

表3 沥青加铺层PFWD模量检测结果

选取K22+520～K22+880段进一步分析PFWD模量沿路段纵向的分布情况，结果如图6所示。由图6可见：沥青加铺层的模量在纵向上存在较大差异，最大值为最小值的2.13倍，这主要是下部共振碎石化层模量的纵向差异导致的，但相比于共振碎石化层3.47倍的模量差异，沥青加铺层的模量差异有所下降。同时，沥青加铺层的PFWD模量相比于共振碎石化层提升了4.25倍，这主要与共振碎石化层散体性材料的非线性特性有关，当四周受到约束作用时其强度和刚度可得到显著提高，这种增强效果随着交通荷载的压密作用将得到进一步的提升。

图6 沥青加铺路面PFWD模量纵向分布

试验段自2020年上半年建成通车以来，经2年多的行车荷载和气候环境等因素的综合考验，通过现场跟踪观测，未发现车辙、裂缝等病害现象的产生，全段显示出了优良的使用性能，达到了预期的效果，如图7所示。工程实践表明，旧水泥混凝土路面共振碎石化沥青加铺路面具有足够的承载能力和良好的使用性能，适合南方高温多雨地区推广应用。

图7 试验段通车两年后的效果

3 结论

依托佛山一环西拓项目试验段，基于旧水泥混凝土路面的使用状况评价和病害成因分析，确定了旧路面板共振碎石化沥青加铺结构的设计方案和施工工艺，并通过室内外试验检测对其施工质量和路用性能进行了评价，主要结论：

(1)试验路段旧水泥混凝土路面由于重载交通多、雨水侵蚀和建养质量不佳等原因出现了使用性能下降，但路面结构承载能力较高，适于共振碎石化直接加铺沥青面层处治方案。

(2)共振碎石化后旧水泥混凝土路面强度下降，但变异性也有所下降，达到了路段柔性化和均匀化的目的。

(3)共振碎石化层及沥青加铺层的模量结果均满足控制指标的要求，且沥青加铺层的PFWD模量代表值达到控制值的2.59倍，表明共振碎石化技术在南方高温多雨地区的应用效果良好。