谈共振碎石化技术在路面提升改造中的应用

牛光耀

(西安曲江新区管理委员会，陕西 西安 710000)

20世纪90年代以来，随着国内经济活力不断增强，人民对道路交通通行能力需求的日益提高，水泥混凝土路面在结构刚度及稳定性、材料来源及耐久性等方面的优势日趋显著。随着此类道路建设里程的不断增加，使用寿命达到极限(一般设计使用年限为20年)，老旧混凝土路面的提升和改造数量亟待增加。目前，较常见做法是在原状道路上进行罩面铺装，使用的材料通常为沥青混凝土，这种方法的弊端在于无法彻底消除提升改造路面的病害。完工通车后经过频繁的重交通荷载反复作用，原有的裂缝等病害会由内而外最终反射到沥青罩面铺装的路面上，形成更多的反射裂缝，迅速发展后导致新的破坏，使得路面结构产生更严重的损伤。

1 传统水泥混凝土路面提升改造工艺

1.1 早期处理措施

在反射裂缝早期形成时，通过将土工织物、土工格栅等特殊材料作为中间夹层，填充在新旧层之间，吸收部分应力，从而使加铺层强度提高；随后将胀缝、缩缝设置于加铺面层上，使下层的反射应力能够释放，尽可能减少裂缝产生。但仍无法根本解决问题。

1.2 常规修复工艺

1)最常规的修复方法是挖除原有混凝土结构层，重新铺筑路面。通过拆除原有混凝土结构层，使旧水泥板产生反射裂缝的问题得以彻底解决。这种方法工艺流程简便、成熟，对设备要求不高，但建设周期较长，交通封闭造成的疏导时间长，管理过于粗放。对于交通需求量大的道路增加了出行人员时间成本；同时需要占用场地来处理废弃的建筑垃圾，不利于环保。

2)水泥混凝土路面“黑化”“美化”提升改造时，主要采取在原有混凝土路面拉毛处理的基础上，直接加铺符合设计要求的沥青混凝土，即通常所说的“白加黑”“白改黑”。提升改造后的路面反复受到车辆荷载的施压，在原有根本性病害(如：断板、脱边、坑洞、错板、接缝、裂缝等)基础上，使本身传递荷载能力不足的旧面板病害更加严重，导致此处的承载力突然下降，应力集中直接通过裂缝反射到上面层，形成荷载型反射裂缝。

同时由于“黑料”——沥青混凝土与“白料”——水泥混凝土两种材料物理性质的差异，在冷热交替变换时，上下层的胀缩效应凸显，下层裂缝处在温度应力的作用下产生不连续的应力集中，形成热效应型反射裂缝。上述两种反射裂缝起初对路面功能影响有限，但是杂物不断填充加剧了开裂，裂缝情况不断恶化，地面水通过裂缝渗入导致基层乃至路基发生水害，最终反映在路面结构整体崩坏[1]。

2 共振碎石化技术

2.1 共振破碎设备

本次共振碎石化技术采用的机械为GZL600型全浮动式共振破碎机，其工作频率44 Hz～55 Hz，工作振幅0 mm～20 mm，可破碎混凝土厚度40 cm以上，整机重量30 t，根据实验确定施工效率可达350 m2/h。

2.2 技术简述

该技术是一种将原有的水泥混凝土路面通过机械共振方式，破碎成可用于铺设基层或底基层的碎石，经过碾压成型使刚性路面成为沥青混凝土路面的基层，再进行沥青混凝土面层加铺的一种路面再生施工工艺。

2.3 原理简介

依靠能够产生高频低幅的共振破碎设备持续提供振动能量，将混凝土板整体破坏，使碎块大小和方向规律均匀可控。共振破碎设备的锤头短暂接触混凝土板块后，瞬间将其表面的“裂纹”均匀地“扩散”到其底部，混凝土板块产生的裂纹与路面呈45°～60°夹角，这些破碎碎块的粒径范围从沙砾到25 cm左右，细集料集中在路面上部，粗粒料集中在路面下部，达到上部嵌挤，下部嵌锁，结合紧密。

2.4 碎石化技术特点

共振破碎设备的工作锤部分包含传感器，能够准确接收来自路面的振动反馈。震动频率可以通过计算机自动调节，路面的自身频率被锁定后，使其局部范围内产生共振，混凝土由内而外崩溃。最后形成的混凝土碎块交错成锯齿状，相互紧密嵌挤啮合，建立起了稳固的施工平台，为后期全面开展沥青混凝土摊铺工作提供了良好的基础，同时有效解决了原有路面存在垂直于路面的裂纹纹路问题[2]。

1)破碎后的混凝土碎块尺寸由小到大逐层均匀分布。混凝土中振动的衰减梯度使上部的破碎粒径较小,下部破碎粒径较大，经现场测量粒径普遍在3 cm～30 cm之间。这种破碎后粒径分布的好处在于:顶部破碎粒径较小的一层能够更好地消除反射裂缝，底部破碎粒径较大的一层板块承担了原混凝土板块的承载作用。

2)破碎深度可控有保障,有效避免路面基层被破坏。破碎设备控制破碎深度的主要途径为调节振频和振幅，产生接近被破碎物体固有频率的振动,在两者共振瞬间,工作锤顺势前移,大大减弱了垂直向下的冲击力。另外,由于路基材料和混凝土面板材料的固有频率差异明显,因此路基无法随之产生共振,避免了遭到破坏的可能性。

3)可有效消除反射裂缝。通过共振破碎机对路面进行高频打击，水泥混凝土面板迅速崩溃成分散粒料，使混凝土面板完全碎石化。因为混凝土面板没有了预留接缝、裂缝的应力集中点从而也消除了坑洞、脱空等病害。

4)施工效率高。共振碎石化施工程序简单,生产率可达2 000 m2/d,可大大提高路面整体提升改造的施工效率。

5)对周边生态环境、城市环境影响小。由于新路面结构基层是对共振破碎后混凝土废料的二次利用，因此全过程不产生建筑垃圾，不会对土地造成污染；破碎时没有粉尘，不会对空气质量产生不利影响；共振破碎的振幅较小,施工过程中的噪声污染能够有效减少。

2.5 主要技术要求

在项目全面展开之前，应当先通过试振确定各项技术指标，选定260 m×4 m范围进行试振，检测坑随机确定5处～10处1.2 m2的区域；破碎后粒径宜集中在1.6 cm～7.5 cm，总体粒径不大于15 cm，大于20 cm碎块的质量分数不大于2%，小于0.075 mm粉尘的质量分数不大于7.5%；破碎后0 cm～10 cm以内，级配控制在级配碎(砾)石范围以内；0 cm～18 cm以内，级配接近级配碎(砾)石；钢轮振动压路机碾压破碎区域应往复2遍～4遍，速度控制在1.8 m/s以内；碾压之后应当将外露钢筋、沥青余料等清理干净；在摊铺沥青混凝土之前，暂停施工面通行，避免破碎区表面出现超过2 cm的凹陷。

3 工程应用及评价

3.1 工程概况

西安市杜陵邑南路(金花南路—唐苑北门)“白改黑”道路改造工程中首次采用共振碎石化技术实施完成，也是应用于西安市首条水泥混凝土的道路。本工程为现状水泥混凝土道路，全长1 000 m，宽度8 m，混凝土板为C25，板厚20 cm，双向单车道，道路等级为城市次干路，该条路为通往景区中国唐苑的唯一一条道路[3]。

3.2 施工过程

根据工程条件，首先选取260 m作为试验段。前期对现状道路进行了检测评估，弯沉值大于10(1/100 mm)，路面破损严重，进行了基层、混凝土板块预处理。共振破碎设备的基本参数主要根据现场试振及碎裂效果确定：分别设定激振力8.89 kN左右、破碎所施加应力52 MPa左右、振幅1 mm～2 mm、振频42 Hz～45 Hz。

在大面积共振破碎前，将现行道路全部封闭，在封闭区域内首先进行排水设施、侧平石路缘石施工。随后开始共振破碎，破碎速度控制在1.5 km·车道/d，不超过2.7 km·车道/d。10 t钢轮振动压路机在破碎后进场往复碾压4遍，速度控制在1.75 m/s。为增强压实效果，将表面细碎颗粒压入裂缝，碾压过程中可先洒水保湿，可以进一步提高破碎后的混凝土模量，使不同粒径的碎块互相嵌挤。压实后如有超过2 cm的局部垂直移动需要开挖移除，并使用S12级配碎石回填。

碾压完48 h内进行沥青面层施工，期间需要避免雨天施工，做好各项准备工作。首先撒布2 kg/m2乳化沥青，随后摊铺10 cm密级配沥青稳定碎石(ATB-25)，完成后撒布0.3 kg/m2粘层油，摊铺5 cm中粒式沥青混凝土(AC-16)。

3.3 效果评价

成型后对外观表面平整，石块嵌挤紧密，无明显空隙，无大块突出石。较以往常规水泥混凝土路面改造方式相比，共振碎石化技术在工期方面节约20 d以上，工程造价节省50%以上。

各项指标方面，在整个破碎过程中混凝土碎块颗粒均匀，粒径集中在2.0 cm～9.1 cm之间，大于15 cm的颗粒很少，含尘量的质量分数为4.8%，低于设计级配碎含尘量。通过对比绘制的级配碎石曲线，破碎区域0 cm～15 cm深度范围内级配良好；碎块的破坏角与车道水平成45°～50°夹角。按fwd弯沉标准，破碎后水泥混凝土顶面弯沉值为破碎前的5.2倍～8.8倍，集中在7倍左右。

4 在工程应用中的经验

1)实施前应提前进行管线勘察，对敷设有重要管线或埋深较浅的管线，可能造成危害的路段、桥涵路段，应当进行技术评估。

2)车道边缘有路缘石或其他设施会阻碍共振机械的施工，即沿着车道纵向破碎时，边缘会有60 cm左右的路面区域破碎效果不佳(锤头不能水平移动)，可让共振机械与车道边缘成30°～50°的角度破碎。

3)对于因路基本身原因造成的混凝土路面破坏，路基承载能力差的路段，事先应当通过试验确定路基是否足够坚固以支撑设计荷载，不建议使用碎石化工艺解决[4]。

5 结语

本次道路提升改造中引入共振碎石化技术施工，效果显著。不仅解决了传统路面提升改造的质量问题，还大大缩短了施工工期，节约了路基材料，大幅度降低了工程成本，同时解决了原有建筑垃圾清运处理的问题。为西安市市政道路提升改造储备了基础数据， 提供了新的思路。随着达到使用寿命的混凝土路面改造工程规模的不断扩大，也必将带来更好的经济效益和社会效益。