共振碎石化技術(shù)在城市道路改造中的應(yīng)用

郭秋金

(福州市規(guī)劃設(shè)計研究院 福建福州 350108)

引 言

隨著早期修建的水泥混凝土路面逐步達(dá)到使用周期，城市道路面臨著大量水泥混凝土路面改造，常規(guī)的白改黑工藝修復(fù)原路面周期長，且薄層加鋪長期受到反射裂縫的困擾，共振碎石化作為一種新的改造技術(shù)具有防治反射裂縫效果明顯、對交通與環(huán)境影響較小等特點，在目前的水泥混凝土路面改造中得到了初步應(yīng)用。共振碎石化法(Resonant Rubblizing Method)是美國 RMI公司(Resonant Machines Inc.)于2001年提出的一種用于板塊完整性與結(jié)構(gòu)性較差的混凝土路面改造工程的技術(shù)。其工作原理是在偏心軸力的驅(qū)動下產(chǎn)生共振簡諧波，通過錘頭的振動傳遞給混凝土板，引起共振并迅速開裂，將混凝土板破碎成粒料層[1]。2004年3月，共振碎石化技術(shù)由 RMI公司在我國公路第二屆科技創(chuàng)新高層論壇上進(jìn)行了首次介紹[2]。2005年，共振碎石化技術(shù)被應(yīng)用在上海市滬青平公路和金山大道改造試驗路段，這是共振碎石化技術(shù)首次在我國使用[3]。與其他碎石化方法相比，共振碎石化法對水泥混凝土板塊破碎均勻，對板下各層影響較小，能夠較好的解決“白改黑”路面的反射裂縫問題[4]，此外還具有施工速度快等特點，在技術(shù)應(yīng)用上表現(xiàn)出一定的優(yōu)勢[5]。

目前，共振碎石化技術(shù)在市政行業(yè)中應(yīng)用時間不長，在我國仍處于嘗試階段，施工工藝、質(zhì)量控制未形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)[6]，只有針對一些試驗段形成的地方性技術(shù)指南。本文在總結(jié)共振碎石化技術(shù)的作用機(jī)理、適用條件和國內(nèi)使用情況的基礎(chǔ)上，依托福州市東二環(huán)路改造工程，探討共振碎石化技術(shù)的主要施工控制和工藝流程，總結(jié)提出了共振碎石化技術(shù)應(yīng)用于城市道路改造的一整套實踐方法。

1 共振碎石化技術(shù)及應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 作用機(jī)理

不同結(jié)構(gòu)和構(gòu)件具有各自不同的固有頻率，共振碎石化所采用的共振破碎設(shè)備RPB(Resonant Pavement Breaker)的工作錘頭通過振動梁帶動產(chǎn)生振動，并通過錘頭安裝的專用傳感器接收路面的振動反饋，錘頭與路面接觸，通過電腦自動調(diào)節(jié)自身激振頻率(一般情況下錘頭的振動頻率為42～45Hz)去接近結(jié)構(gòu)的固有頻率(一般為0.7ω0≤θ≤1)，從而產(chǎn)生共振響應(yīng)，使結(jié)構(gòu)的振幅接近最大并產(chǎn)生最佳激振力，使混凝土的內(nèi)部顆粒因相互間內(nèi)摩擦阻力迅速減小而產(chǎn)生破碎[5]，使混凝土板形成碎石如(圖1)。

圖1 共振破碎原理

文獻(xiàn)[3]及實踐證明，經(jīng)過共振破碎化方法得到的破碎混凝土，其級配與一般級配碎石比較接近(如圖2所示)。其模量介于級配碎石與半剛性基層之間，約為級配碎石的2.5倍，半剛性基層的0.3倍，是良好的路面墊層或基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)材料。

圖2 碎石化層與級配礫石級配對比圖

1.2 適用條件

由于共振碎石化技術(shù)是使混凝土板達(dá)到共振頻率而實現(xiàn)破碎，并將破碎后的混凝土作為結(jié)構(gòu)層應(yīng)用在舊路改造中，所以對于橋涵、軟弱地基、地下管線豐富路段及舊路路況較好的路段，共振碎石化技術(shù)并不適用。此外，要引起待破碎構(gòu)筑物的共振，共振破碎設(shè)備的工作頻率需要與構(gòu)筑物的頻率接近。為實現(xiàn)最佳共振頻率，需要充分考慮地基強(qiáng)度、板塊尺寸、板塊破壞程度、碎石化設(shè)備的激振力、激振頻率、輪胎觸地壓力和設(shè)備行進(jìn)速度等因素。所以，施工前應(yīng)做好施工方案的合理組合。因為重復(fù)破碎很難達(dá)到理想的碎石化效果，所以共振碎石化的第一遍碎石化非常關(guān)鍵，應(yīng)盡量一次就碎石化成功，避免重復(fù)。因此，共振碎石化技術(shù)在施工工藝上也有比較苛刻的要求。

由于不同構(gòu)筑物具有不同的共振頻率，所以除了引起待破碎結(jié)構(gòu)物的共振外，一般情況下共振碎石化設(shè)備不會引起周邊構(gòu)筑物的共振破壞，而且，共振碎石化的施工期短，施工后能迅速恢復(fù)現(xiàn)狀交通，此外，原路面碎石化后作為改造道路的結(jié)構(gòu)層可有效地減少工程廢棄物的產(chǎn)生，更加環(huán)保，因此共振碎石化技術(shù)更適合在對交通、環(huán)境有更高要求的項目中運用，對市政道路改造工程具有良好的適用性。

目前共振碎石化技術(shù)適用的典型路面結(jié)構(gòu)形式如(圖3)所示，碎石化前的舊水泥混凝土面層經(jīng)過共振碎石化和整備處理后用作新路面結(jié)構(gòu)的墊層，在其上再行加鋪柔性基層及瀝青混凝土面層。

圖3 共振碎石化技術(shù)改造前后的典型路面結(jié)構(gòu)

1.3 應(yīng)用現(xiàn)狀

自2004年RMI公司首次向我國介紹共振碎石化技術(shù)開始，國內(nèi)也對共振碎石化技術(shù)進(jìn)行研究，并有了一定數(shù)量的工程應(yīng)用。2005年，共振碎石化技術(shù)被應(yīng)用在上海市滬青平公路和金山大道改造試驗路段，這是國內(nèi)首次在實踐上采用共振碎石化技術(shù)[3]，隨后在江蘇、福建、浙江等地區(qū)也得到了實踐應(yīng)用。同時，共振碎石化技術(shù)的強(qiáng)度形成機(jī)理、設(shè)計方法、施工技術(shù)特征、工藝要求等也有了一定的研究。但由于技術(shù)引進(jìn)實踐較短，對共振碎石化技術(shù)研究不夠全面。此外，國內(nèi)已有關(guān)于共振碎石化技術(shù)的研究多基于工程實例，而這些工程多處于試驗性階段，所以已有研究具有一定的局限性。

2 在市政道路改造工程中的應(yīng)用研究

2.1 依托項目工程概況

本文依托福州市東二環(huán)路改造工程是福州市第一個采用共振碎石化工藝的市政道路改造項目。工程起于三八路，止于排尾路，全長約6.0km，改造路段包括主路(局部高架橋)和地面輔路。改造后的東二環(huán)路為城市主干道，設(shè)計車速為主路60km/h，輔路40km/h。東二環(huán)現(xiàn)有機(jī)動車道路面以C35水泥混凝土路面為主，寬度在21～26m之間，兩側(cè)非機(jī)動車道主要為瀝青混凝土路面，寬度約5.5～10m。2004年，經(jīng)過提升改造后，東二環(huán)路使用至今，出現(xiàn)了接縫類破損、斷裂類破損、改造修補、橋面鋪裝層及橋頭搭板破損和路面平整度較低等病害，整體路面病害較為嚴(yán)重。

圖4 福州市東二環(huán)路病害情況

根據(jù)東二環(huán)現(xiàn)狀路面病害調(diào)查結(jié)果，若采用普通“白改黑”工藝進(jìn)行改造，加鋪瀝青路面前需要對現(xiàn)狀路面病害進(jìn)行修補的工程量較大，而且東二環(huán)作為福州市的重要干道無法長期圍擋施工，項目組經(jīng)深入研究論證，綜合比選后認(rèn)為:本次改造工程難度最大的為現(xiàn)狀水泥混凝土主車道，考慮到其與兩側(cè)建筑距離較遠(yuǎn)，具備共振碎石化技術(shù)應(yīng)用的環(huán)境條件，且利用該技術(shù)能夠滿足節(jié)省工程投資，縮短施工周期，減少交通影響等多方面需求，取得經(jīng)濟(jì)、社會效益的最優(yōu)化，因此，本次改造工程在主車道上采用共振碎石化技術(shù)。

2.2 路面結(jié)構(gòu)設(shè)計

路面結(jié)構(gòu)選用“原路面半剛性基層+碎石化緩沖層+柔性面層”的倒裝式結(jié)構(gòu)。根據(jù)國內(nèi)外研究成果及實踐表明，碎石化層控制厚度為水泥混凝土厚度的1/3為宜，東二環(huán)改造工程取8cm，結(jié)果表明，共振碎石化后0～8cm的顆粒篩分后級配滿足表1的要求，通過37.5mm篩孔的顆粒級配與級配碎石相當(dāng)，保證破碎后碎石層至少能達(dá)到級配碎石的性能;碎石化層左幅實測彎沉代表值為65(0.01mm)，右幅為62(0.01mm)，靜態(tài)模量均值為160.3MPa。分析結(jié)果表明，碎石化層的路用性能介于級配碎石與水泥穩(wěn)定碎石層之間，更接近與級配碎石層，可替代其發(fā)揮結(jié)構(gòu)層作用。通過計算確定各層厚度，本項目采用的具體路面結(jié)構(gòu)如下:

主車道水泥混凝土路面加鋪方案:將舊水泥板進(jìn)行碎石化碾壓處理后，灑布1cm稀漿封層、再加鋪0.6～1.0kg/m2改性乳化瀝青+12cm密級配瀝青碎石ATB-25+改性乳化瀝青0.3～0.5kg/m2+6cm改性瀝青AC-20C+改性乳化瀝青0.3～0.5kg/m2+4cm改性瀝青SMA-13，鋪裝總厚度22cm。

表1 碎石化層的顆粒篩分級配要求

2.3 施工工藝

通過項目總結(jié)，共振碎石化技術(shù)主要施工流程包括施工前調(diào)查準(zhǔn)備工作、排水系統(tǒng)設(shè)置、試振和試坑檢查、破碎施工、破碎層補料、碾壓、封層施工和瀝青層加鋪等。

圖5 共振碎石化工藝流程圖

(1)施工前調(diào)查準(zhǔn)備工作

進(jìn)行共振碎石化施工之前的主要準(zhǔn)備工作包括路況調(diào)查評定及路表彎沉值測定。

路況調(diào)查內(nèi)容應(yīng)包括:

①道路修建歷史資料:結(jié)構(gòu)類型，結(jié)構(gòu)組成，建設(shè)年底、養(yǎng)護(hù)維修歷史;

②路面損壞狀況:損壞類型，輕重程度，損壞范圍;

③沿線環(huán)境條件:地下水位以及路基路面排水狀況，涵洞、橋臺、地下管線(含給排水管、電力管道)、檢查井、擋土墻等地面建筑物、地下構(gòu)造物及其附屬的位置、分布情況;

④交通需求:已承受的交通作用次數(shù)，現(xiàn)狀交通量、歷年交通增長率及預(yù)測值、軸載譜等;

⑤路面結(jié)構(gòu)性能:現(xiàn)狀彎沉值，混凝土強(qiáng)度，基層承載能力，接縫傳荷能力，板底脫空判定。

路表彎沉值檢測按縱向20m、橫向5m布點，對于彎沉值超過100的路段先進(jìn)行注漿處理，以得到相對均勻的施工基面。

(2)施工前應(yīng)設(shè)置能有效工作的路面邊緣排水系統(tǒng)，待疏干碎石化層、舊路基層中的水分后方才可進(jìn)行后續(xù)工序或瀝青面層攤鋪。

(3)在進(jìn)行正式施工前，應(yīng)參考(表2)的工藝參數(shù)建議值，通過試驗段對實際施工的破碎參數(shù)進(jìn)行重新標(biāo)定。碎石化層0～8cm內(nèi)的顆粒篩分級配應(yīng)滿足(表1)的要求。原則上8cm以內(nèi)被破碎小于5cm的粒徑占到50%即可。距路表8cm厚度以下范圍內(nèi)應(yīng)保持板塊裂而不碎。過分破碎會使整個結(jié)構(gòu)層變得松散，不利于承載和荷載傳遞。碎石化層承載板實測模量(靜態(tài))應(yīng)介于100MPa～1000MPa之間，否則應(yīng)調(diào)整共振破碎工藝參數(shù)。

表2 共振碎石化工藝參數(shù)

(4)破碎施工、補料、碾壓

共振破碎一般從邊向路中逐步進(jìn)行，不留死角，碎石化層施工面達(dá)到一定面積時碾壓緊跟上。碾壓應(yīng)按如下順序進(jìn)行:初碾用鋼輪壓路機(jī)碾壓，碾壓一遍后，對坑洼部位和打裂開口部位用3～15mm的碎石填補，邊填補，邊灑水，邊碾壓。含水量按4～5%控制。碾壓過程中對被打裂浮于表面大于5cm的松散碎塊應(yīng)人工清除，清除后留下的坑槽用碎石填補。

用于填補的碎石應(yīng)干凈無泥土，用碎石填補的厚度不宜大于3cm。當(dāng)填補厚度普遍大于3cm～8cm范圍時，宜直接由ATB瀝青混合料填補。當(dāng)填補厚度普遍大于8cm以上時，為節(jié)約成本，宜用2～3%水泥穩(wěn)定級配碎石混合料填補。

被碎石化層的碾壓方式按(表3)推薦方案執(zhí)行。碾壓過程中可根據(jù)實際情況結(jié)合壓實度調(diào)整。

表3 被碎石化層推薦碾壓方案

被碎石化層的密實性采用智能壓實度儀監(jiān)測，密實性用CMV值控制。施工單位管理人員應(yīng)隨機(jī)跟蹤，碾壓過程中根據(jù)CMV的變化指導(dǎo)工人進(jìn)行補料。當(dāng)CMV值曲線基本平滑，并達(dá)到規(guī)定值90%以上時，可請監(jiān)理確認(rèn)后停止碾壓。

(5)封層施工

封層施工前必須清掃干凈碎石化層上的泥土及污染物，然后灑布透層油，透層油施工技術(shù)要求與常規(guī)瀝青路面施工相同。

(6)瀝青面層加鋪

瀝青面層加鋪前，應(yīng)對碎石化路段與其它路段的交界處進(jìn)行防治差異沉降處置，在交界段頂面鋪設(shè)一層玻璃纖維格柵網(wǎng)后再加鋪瀝青層，交接段長度以2～4m為宜。

瀝青加鋪層的技術(shù)要求與常規(guī)瀝青路面施工相同，參照現(xiàn)行規(guī)范執(zhí)行。

2.4 施工效果

自本項目2013年2月完工至今已投入使用兩年多，路面使用狀況良好，未發(fā)現(xiàn)明顯裂縫、車轍等明顯病害，共振碎石化技術(shù)在本項目應(yīng)用中收到了預(yù)期效果。

3 結(jié)語

國內(nèi)開始共振碎石化技術(shù)研究和實踐的時間并不長，目前僅在福建、上海、浙江和廣西等地方的公路及少量市政工程有運用，尚未形成統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，在市政道路改造中的應(yīng)用更是處于起步階段，缺乏一整套指導(dǎo)設(shè)計、施工的方法。

(1)本文在總結(jié)共振碎石化技術(shù)的作用機(jī)理、適用條件和目前國內(nèi)應(yīng)用情況的基礎(chǔ)上，從技術(shù)可行性、經(jīng)濟(jì)效益、社會效益等方面充分論證了碎石化技術(shù)在市政道路改造中具有良好的前景。

(2)依托福州市東二環(huán)路面改造工程，提出了共振碎石化技術(shù)在市政道路改造中從設(shè)計到施工的工藝流程，結(jié)合項目實際情況對共振碎石化設(shè)備的工藝參數(shù)、破碎后的級配要求、密實度檢測及碎石化層回彈模量等主要指標(biāo)提出了建議值，為類似水泥混凝土路面改造工程提供參考。

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