共振碎石化、改性沥青罩面“白改黑”改造设计方案探讨

文／陈竹婷 湖南大学设计研究院有限公司 湖南长沙 410002

1.项目概况

本项目位于天心经开区工业园区内，道路两厢企业、居民房林立，改造施工干扰因素多，如何快速施工，采用环保工艺，最大限度的降低施工对园区生产及居民生活的影响是本项目的重难点。

本次设计范围包括伊莱克斯大道、暮云大道、南湖大道、南二线、南三线、北环中路、东环二路7 条城市道路，总里程约8.1km。其中，伊莱克斯大道、暮云大道为城市主干道，南湖大道为城市次干道，其他道路均为城市支路。原道路均为水泥混凝土路面，路面结构层厚20 ～25cm，通车年限在15年以上，路面已出现不同程度的损坏。

2.传统道路改造方式的特点分析

改造范围内的道路建成年代久远，修建标准不高，路面的结构层整体较薄，且老路两厢居住用地、工业用地已成型，地下管网分布复杂，改造后路面不可以太过高于现状路面标高。在以往的改造中是通常是将原有路面结构层彻底挖除，再将全新的路面结构层铺筑在原来的路基之上。结合现场实际情况，该方案存在诸多不足：

第一，项目所在片区属于工业园区，交通压力大，车辆行人密集，必须要重视道路改造对交通造成的影响。而将现状道路结构层挖除重建的方式施工工期过长，对现状片区交通干扰过大。

第二，地下管线以及路面公共设施维护难度大，改造过程应该认真考虑地下管线工程，片区已建成道路地下管网布置复杂，有弱电、雨水、污水、给水、交通信号灯管线以及路灯管线等等，且因建成年代久远，缺乏相关管线的准确资料。整体破除开挖将对现状管线造成不可预估的破坏，耽误施工进度，影响居民生活，甚至造成重大损失。

第三，改造道路均处于成熟的片区内部，施工过程将对环境造成严重污染，不符合环保要求。

第四，路基临时排水难度较大。在原有路段施工，开挖深度大，遇到下雨天，无法迅速排出雨水，将导致路基浸水，影响工程质量，耽误施工周期。

第五，施工材料损耗相当多，浪费大量的资源。挖掉现有路面结构层，运走已经废弃的材料，再将新材料运进来，铺设新路通常要花费很多人力以及施工材料。

综上所述，在本次改造设计中，需要突破以往的设计思路，结合现场情况，采用新的“白改黑”方案。

3.“白改黑”设计方案比较

目前“白改黑”方法大致可分为：破除重建加铺、水泥板直接加铺、就地碎石加铺三大类。其中就地碎石加铺又分为：“冲击破碎+基层+沥青”、“共振碎石直接加铺”。各自特点比较如下表1：

表1 “白改黑”设计方案比较表

通过以上比较，本项目针对片区各道路特点，选用如下方案：（1）伊莱克斯大道、暮云大道：基于雨污分流，需大面积开挖沟槽的情况，采用“破除重建加铺”。（2）南湖大道：基于老路病害较多，交通重载量大、周边建筑和地下管线密集的情况，采用“共振碎石直接加铺”。（3）其他支路：基于老路病害较少，路面以轻型交通为主的情况，采用“水泥板直接加铺”。

4.共振碎石化加铺设计

4.1 共振碎石化原理

共振碎石化技术，简单来讲，是指利用机械共振手段将原有的水泥混凝土路面，破碎成可以在铺设基层中应用的碎石，通过碾压成型，让刚性路面可以成为沥青混凝土路面的基层，然后实施沥青混凝土面层加铺的路面再生施工工艺。

共振碎石化技术在彻底根除反射裂缝的同时最大程度利用了原有面板的剩余强度。一般来说，共振碎石化有很多优势，其具体表现在以下几点：

第一，进行破碎后的混凝土碎块尺寸，自小至大每层均匀分布。混凝土内振动的衰减梯度使得上层的破碎粒径很小，下层破碎粒径很大，在完成现场测量后，粒径往往是3cm 到20cm 之间。此破碎后粒径分布的有利之处是：顶部破碎粒径很小的一层作为良好的碎石层可以有效消除反射裂缝，而底部破碎粒径很大的一层板块可以承载住原有的混凝土板块。

第二，破碎深度可以控制，防止对路面基层造成破坏。通常，破碎设备可以利用调节振幅以及振频等多种方法，对破碎深度进行控制，出现与被破碎物体固有频率非常接近的振动，在二者共振的一瞬间，工作锤向前面进行移动，使垂直向下不具有较强的冲击力。并且因为在固有频率上，原路面水稳层及路基材料与混凝土面板材料有明显的不同，所以不能出现共振，防止受到破坏。

第三，可以将反射裂缝及时消除。利用共振破碎机来高频打击路面，水泥混凝土面板很快变成分散粒料，导致整个混凝土面板都碎石化。由于混凝土面板无预留接缝以及裂缝的应力集中点，所以自然就可以将很多病害消除，比如：脱空以及坑洞等等。

第四，施工效率较高。通常，共振碎石化施工程序不复杂，生产率每天超过2000 ㎡，能够使路面改造的施工效率得到显著提升。

第五，对沿线城市环境以及生态环境不会造成很大的影响。因为新路面结构基层是二次利用共振破碎结束后的混凝土废料，所以整个过程都不会出现任何的建筑垃圾，也不会严重污染环境；对破碎过程中无粉尘，不会导致空气质量下降；共振破碎通常没有很大的振幅，可以明显降低施工中产生的噪声污染。

共振设备将产生的持续低幅高频的振动能量，通过破碎锤头传递到混凝土块内部产生共振。当振动频率与水泥混凝土板自振频率相同时产生共振。共振破碎的工作锤头在激发路面共振的同时快速向前移动，从而使振碎的裂纹与路面形成30°～60°的夹角。这种独特的斜向开裂使得旧水泥混凝土板碎裂成上部为均匀的碎石粒料层、下部为相互嵌锁的混凝土石料层。上部碎石层可较好地消除路面反射裂缝，同时也利于路面渗水的横向排除；而下部原位嵌锁层则使基层的承载能力得到了提高。因此，旧混凝土路面共振碎石化后，无需再增加其他基层结构或应力吸收层，而直接加铺沥青面层即可。

4.2 共振碎石化路面结构层设计

设计路面结构如下：原混凝土路面共振破碎+7cm 粗粒式沥青混凝土（AC-25C）下面层+5cm 中粒式沥青混凝土（AC-20C）+4cm 沥青马蹄脂碎石混合料（SMA-13）上面层。路面结构如图1。

图1 碎石化路面结构图

碎石化层分为两层：上面层是7cm 的碎石层，碾压后密实，起到应力吸收和吸排路面渗水的作用。下面层为15cm 斜向嵌锁承重层。

4.3 共振碎石化施工控制要点

（1）通过控制共振频率、振幅、最高压力及移动速度等施工参数，使碎石尺寸在3-20cm 之间，上部均匀的碎石粒料层，下部为紧密的嵌锁结构。以防止反射裂缝，同时提高路面结构的整体强度。施工参数如图2 示意。

图2 碎石化路面施工参数示意图

（2）采用高频低幅的振动能量，不破坏周边结构物和地下管线。

（3）全断面、全深度、全方位无死角的破碎，确保破碎后没有成块的断层。

（4）破碎头全浮动与地面恒压接触，同步升降，破碎均匀。

（5）破碎头紧靠路肩车轮外侧边缘施工，可贴边破碎，无作业盲区。

（6）混凝土与钢筋有效脱离，清除钢筋，不致引起局部应力集中。

（7）碎化后，局部坑洼地段可用沥青碎石或者级配碎石等结构性质相同的材料找平，使路面结构层更连续。

（8）共振破碎后可适当开放交通使碎石面尽早板结形成强基，消除基底隐患。

（9）不同厚度的路面结构的自振频率不同，钢筋混凝土与普通混凝土路面破碎所需的震动能也不同，同时应考虑对既有管线及地基的保护，因此正式施工前应进行试验段施工，以确定共振破碎机施工参数。

（10）施工完成后应进行抽芯，对“粒径大小”、“是否咬合”、“是否斜向裂缝”等指标进行检查。

5.改性沥青罩面加铺设计

5.1 改性沥青罩面原理

对局部病害作必要的灌浆，换板、贴缝等修补处理。通过设置应力吸收层防止混凝土刚性基层的反射裂缝，再用改性沥青混凝土直接罩面，作为为抗滑磨耗层。

改性沥青罩面是先在旧路面上铺一层高黏改性乳化沥青应力吸收黏层，然后再摊铺改性热沥青混合料，经压路机压实，一次成型。由于高黏改性乳化沥青具有优异的粘聚性，从而使加铺的沥青罩面与旧混凝土路面结合紧密，避免了结合面推移的风险。

5.2 改性沥青罩面结构层设计

对原水泥混凝土路面进行病害处理合格后，对旧路面铣刨1cm，再加铺3cm 厚改性热沥青混合料＋1cm 高黏改性乳化沥青应力吸收层。路面结构如图3。

图3 改性沥青罩面加铺路面结构图

5.3 老路病害处理

老路病害处理是否合格直接关系加铺改造的使用寿命，设计施工应认真对待，病害具体处理措施如下：

（1）裂缝处理

对宽度大于3mm、小于15mm 的中等裂缝，可采取条带罩面进行补缝。对宽度大于15mm 的严重裂缝，可采用切缝加钯钉法。

（2）破碎板处理

直接挖除，重新浇筑C35 早强水泥混凝土板。当基础存在强度问题的，需先修补基层。

当基础存在水稳定性问题的，应挖除原有路面结构，重新修筑基层、底基层。换板过程中对原有传力杆、拉杆应尽量保留。

（3）旧路接缝处理

接缝中的旧填缝料和杂物，应清除。对缩缝维修时，若缩缝剥落或破损严重，则用水溶性环氧树脂混凝土进行修补。对胀缝维修时，若胀缝无啃边或破碎，则直接更换填缝料；若接缝板接头及接缝板与传力杆之间的间隙，用沥青等缝料填实抹平，上部嵌入嵌缝条。对纵缝维修时，若无啃边，则采用清缝、灌料的形式处理；若有啃边，则采用快凝早强聚合物混凝土修补。

（4）板边、板角修补

当板边轻度剥落时，将剥落的表面处理干净，用沥青混合料修补平整。当板边严重剥落时，修补方法与中等裂缝的处理方式相同。当板边全深度破碎时，修补方法与严重裂缝的处理方式相同。板角断裂应按破裂面的大小确定切割范围，对原有钢筋不应切断，重新浇筑C35早强混凝土，与原混凝土面板的接缝处，应涂刷沥青。

（5）错台处理

当面板出现高差不大于10mm 的错台，可采用磨碎机磨平或人工凿平处理。当错台高差大于10mm 时，可考虑采用更换混凝土板或注浆的方式处理。

（6）表面裂纹及层状剥落处理

出现表面裂纹和层状剥落的板块，应凿除表层破损部分，凿除深度以5cm 为宜，然后应用细石粒式混凝土填平。

（7）坑洞处理

零星坑洞，先清理杂物，再用水泥砂浆回填；较多坑洞连成一片或坑洞严重的，采取破除重新浇筑C35 早强水泥混凝土进行处理。

（8）脱空板处理

施工前需对全线的面板进行逐块检测，确定脱空和承载力情况。当弯沉超过0.2mm 时，应定义为脱空面板，采用注浆处理。

结语：

共振碎石化“白改黑”符合我国建设资源节约型、环境友好型社会的要求。南湖大道共振碎石化“白改黑”与传统的“破除重建加铺”相比节约工程造价约20%，缩短工期30%。

片区支路采用改性沥青罩面技术避免了传统薄层罩面存在的易推移风险，提高了路面的适用寿命，竣工通车近3年，路面状态良好。