干線公路舊水泥路面碎石化效果評(píng)價(jià)與分析*

羅克文， 羅少輝

(1.廣西壯族自治區(qū)玉林公路發(fā)展中心， 廣西 玉林 537000；2.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410114)

在水泥砼路面使用末期，路面出現(xiàn)不同程度結(jié)構(gòu)性破壞，日常養(yǎng)護(hù)難以恢復(fù)及改善路面使用性能，需進(jìn)行大修或重建。多錘頭破碎(MHB)是一種舊水泥路面破碎技術(shù)，破碎后顆粒之間相互嵌擠、咬合形成穩(wěn)定的高粒料層，為加鋪瀝青砼路面提供堅(jiān)實(shí)、安全的基礎(chǔ)，具有防反射裂縫效果好、施工速度快、節(jié)能環(huán)保、對(duì)環(huán)境和交通影響較小等優(yōu)點(diǎn)。碎石化技術(shù)在國(guó)外起步早，破碎工藝成熟，但下承層承載力、板厚、板間聯(lián)系不同，破碎工藝則存在差異，無法直接應(yīng)用于中國(guó)干線公路舊水泥路面改造。為找到適應(yīng)中國(guó)路面結(jié)構(gòu)特性的破碎工藝，提升干線公路舊水泥路面破碎效果，該文結(jié)合廣西玉林市S209(S221)線水鳴—英橋段舊水泥路面大修工程，應(yīng)用MHB技術(shù)進(jìn)行舊路碎石化，通過改變破碎技術(shù)參數(shù)，對(duì)舊水泥路面碎石化效果與承載力進(jìn)行對(duì)比分析，優(yōu)選舊水泥路面破碎方法，并驗(yàn)證碎石化層回彈模量反算結(jié)果，為加鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 工程概況

廣西S209(S221)線水鳴—英橋段水泥路面大修工程位于玉林市博白縣，起訖樁號(hào)為K141+541—K143+541、K144+541—K148+541，全長(zhǎng)6 km，舊路面結(jié)構(gòu)為30 cm無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定類基層+24 cm水泥砼面層。自建成通車以來，由于交通量大幅增加和超重軸載作用，原砼路面出現(xiàn)不同程度損壞，影響正常交通。根據(jù)JTG 5210-2018《公路技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行路面現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，路面狀況指數(shù)評(píng)分為64.5，斷板率為30.9%，路面破損嚴(yán)重，質(zhì)量較差。為修復(fù)路面行車環(huán)境，改善公路使用狀況，對(duì)舊路面進(jìn)行碎石化處治。采用MHB技術(shù)對(duì)左、右幅分別采用不同工藝進(jìn)行施工，以確定最佳施工技術(shù)參數(shù)。

2 MHB技術(shù)

2.1 設(shè)備技術(shù)參數(shù)

通過比對(duì)全線路面病害情況，選取具有代表性的K144+541—841路段進(jìn)行MHB破碎。MHB破碎設(shè)備的技術(shù)參數(shù)對(duì)破碎后顆粒尺寸、厚度及結(jié)構(gòu)層強(qiáng)度的影響很大，其落錘高度、錘跡間距及行進(jìn)速度在施工時(shí)需重點(diǎn)把握。根據(jù)國(guó)內(nèi)已有工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，MHB設(shè)備落錘高度為1.1～1.3 m、落錘間距為8 cm時(shí)破碎效果較好。該項(xiàng)目左、右幅MHB設(shè)備技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 MHB設(shè)備的技術(shù)參數(shù)

左、右幅試驗(yàn)段施工前先采用炮機(jī)在邊緣開出約20 cm的槽，解除需破碎板塊的橫向約束，然后采用多錘頭破碎機(jī)進(jìn)行破碎，破碎完成后采用Z型鋼輪壓路機(jī)、光輪壓路機(jī)分別碾壓1、2遍。

2.2 整體破碎效果

從施工現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，左、右幅共6個(gè)路段的施工效果差異明顯。右幅K144+541—641與左幅K144+541—641、K144+641—741舊路表面部分破碎深度較淺(3～5 cm)，裂縫難以貫穿整個(gè)舊路結(jié)構(gòu)。右幅K144+741—841破碎深度大且破碎嚴(yán)重，頂面產(chǎn)生大量粉塵，同時(shí)在路幅邊緣破碎施工時(shí)，由于無側(cè)限約束，邊緣砼板整體破碎嚴(yán)重，導(dǎo)致整個(gè)邊緣結(jié)構(gòu)坍塌破壞，影響排水設(shè)施和附屬工程建設(shè)。右幅K144+641—741與左幅K144+741—841的破碎效果最好，接近最佳破碎狀態(tài)，主要表現(xiàn)在：1) 舊水泥路面頂面破碎后，破碎顆粒粒徑較均一，基本消除了碎石化頂面粉塵較多的現(xiàn)象；2) 表層破碎深度增大(7～10 cm)，與其他采用該技術(shù)的實(shí)體工程效果相近；3) 碎石化表層以下板體破碎效果較好，相互嵌擠，且采用邊緣鋸縫處理后邊緣保持較完整。

在能量波動(dòng)理論中，落錘高度較大且行進(jìn)速度較慢的情況屬于低頻高幅，將產(chǎn)生較高的波動(dòng)沖擊與較寬的能量傳播范圍來進(jìn)行舊水泥路面破碎，表明落錘高度與行進(jìn)速度是影響破碎程度和效率的主要因素，落錘高度和行進(jìn)速度組合得當(dāng)才能取得理想的破碎效果。從施工效率上選擇，建議碎石化施工中采用落錘高度1.3 m、落錘間距8 cm、行進(jìn)速度80～100 m/h。當(dāng)破碎工作面橫向較寬時(shí)，可通過開槽等方法解除板塊間橫向約束，提高舊路面破碎程度和破碎效率，而采取邊緣鋸縫則能保證邊緣結(jié)構(gòu)的完整性，利于排水設(shè)施和附屬工程施工。

2.3 破碎后質(zhì)量檢測(cè)及分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工效果，左、右幅6個(gè)試驗(yàn)段的破碎粒徑差異較大，摒棄粒徑不能滿足技術(shù)要求的段落，選取右幅K144+641—741與左幅K144+741—841進(jìn)行破碎后質(zhì)量檢測(cè)，對(duì)左、右幅分別進(jìn)行試坑開挖、表層篩分試驗(yàn)及彎沉檢測(cè)等現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

2.3.1 粒徑及滲透性

開挖試坑后，采用卷尺目測(cè)確定粒徑范圍。試坑面積為1 m×1 m，深度要求達(dá)到基層或出現(xiàn)整體性較好的砼塊層。根據(jù)《公路水泥混凝土路面再生利用技術(shù)細(xì)則》，確定試坑內(nèi)各層最大粒徑，分析碎石化后粒徑范圍，試驗(yàn)結(jié)果見表2。由表2可知：MHB破碎后左幅頂面破碎層平均粒徑大于右幅，說明右幅頂面舊水泥路面所吸收的破碎能量大于左幅，使右幅頂面松散層粒徑較小，強(qiáng)度低于左幅；但左幅破碎后上部和下部破碎層平均粒徑遠(yuǎn)小于右幅，這是由于右幅落錘高度較小，破碎效果差，表層以下未出現(xiàn)松散的大粒徑塊體。表明落錘高度越大，產(chǎn)生的動(dòng)能越大，是影響下層破碎粒徑大小的主要因素；行車速度越快，能量傳輸?shù)较聦由疃仍綔\，主要影響頂面松散層粒徑大小和破碎效率。在落錘高度和行車速度共同影響下，破碎后碎石化層顆粒粒徑沿深度方向逐漸變化，可分為3層，分別為頂面松散層、碎石化層上部及碎石化層下部。

表2 施工質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果

在試坑開挖完成后進(jìn)行滲透性試驗(yàn)，向試坑內(nèi)注水25 L，觀察10～15 min內(nèi)水位變化，辨別碎石化層的排水性能。在左幅試坑底面澆水后，10 min內(nèi)排水良好，無水截留；在右幅試坑內(nèi)注水后，5 min內(nèi)排水良好，當(dāng)裂縫飽和時(shí)，水沒有通過松散的碎石層水平排出或滲透，而是形成水池。說明右幅下層板體性較強(qiáng)，破碎深度不夠，其排水性能劣于左幅。排水性能差的碎石層將水截留，若其通過裂縫滲入瀝青層，將導(dǎo)致松散的碎石材料軟化和瀝青層剝離，從而降低路面性能。

2.3.2 顆粒級(jí)配

表層破碎粒徑范圍能直觀反映破碎效果。為分析破碎后表層顆粒粒徑，通過現(xiàn)場(chǎng)取樣進(jìn)行篩分試驗(yàn)，得到碾壓前后左、右幅表層顆粒級(jí)配(見圖1)。

圖1 表層破碎顆粒篩分結(jié)果

從圖1可看出：左幅破碎后表層顆粒粒徑粗于右幅，且經(jīng)過壓路機(jī)碾壓后表層顆粒尺寸有所減小，但減少幅度遠(yuǎn)低于右幅，即左幅經(jīng)MHB破碎后的松散層強(qiáng)度遠(yuǎn)大于右幅，粒徑均勻性優(yōu)于右幅，更符合優(yōu)質(zhì)級(jí)配碎石特點(diǎn)，能更好地消除瀝青加鋪層反射裂縫。此外，左幅破碎表層粉塵(<0.075 mm)含量為2.32%，粉塵含量總體偏低，符合規(guī)范要求(≤7%)。而右幅破碎表層粉塵含量為5.13%，比左幅粉塵含量大，這是由于破碎機(jī)行進(jìn)速度小，破碎表層重復(fù)破碎導(dǎo)致粉塵含量增大。

2.3.3 彎沉

有研究表明多錘頭破碎機(jī)現(xiàn)場(chǎng)碎石化后回彈彎沉值滿足二級(jí)公路碎石化后回彈彎沉代表值不大于110 (0.01 mm)的質(zhì)量控制要求，可直接進(jìn)行新路面結(jié)構(gòu)施工。對(duì)碎石化后彎沉不能滿足質(zhì)量控制要求的，可通過挖除換填級(jí)配碎石降低基層彎沉。在左、右幅隨機(jī)選取20個(gè)點(diǎn)，按《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》，采用貝克曼梁檢測(cè)路面破碎前后彎沉，結(jié)果見表3。

表3 碎石化前后彎沉對(duì)比

由表3可知：右幅破碎后彎沉為破碎前的1.96倍，左幅為破碎前的2.24倍，這是由于破碎后右幅表層以下未出現(xiàn)松散的大粒徑塊體，砼板具有很好的整體性，碎石化層整體強(qiáng)度比左幅大。但左幅破碎后彎沉變異系數(shù)僅24.7%，與破碎前46.2%的變異系數(shù)相比明顯降低，表明左幅多錘頭破碎工藝可明顯改善路面結(jié)構(gòu)承載力的不均勻狀況，使路面性能更穩(wěn)定。

3 碎石化層模量反算

碎石化層模量是確定瀝青加鋪層厚度的重要因素。碎石化結(jié)構(gòu)層回彈模量預(yù)測(cè)模型很多，但沒有一個(gè)一致的模量用來描述碎石化層。該文將碎石化后路面結(jié)構(gòu)層等效為雙層結(jié)構(gòu)，即將碎石化后舊路基層與地基等效為一層復(fù)合基層、碎石化層單獨(dú)為一層結(jié)構(gòu)層，通過反算預(yù)估復(fù)合基層頂面回彈模量及碎石化層回彈模量。國(guó)內(nèi)外工程實(shí)例研究表明，碎石化結(jié)構(gòu)層強(qiáng)度為級(jí)配碎石層模量的2～3倍，但由于碎石化上下層模量差值較大，不能簡(jiǎn)單按級(jí)配碎石的回彈模量取值。借助文獻(xiàn)[13]～[15]中當(dāng)量回彈模量換算公式，由彎沉等效原則建立以下公式反算碎石化結(jié)構(gòu)層回彈模量：

(1)

(2)

α=0.86+0.26lnhx

(3)

式中：Et為碎石化層回彈模量；Eta為碎石化后基層層頂回彈模量；hx為碎石化層厚度；Ex為碎石化層層頂回彈模量。

多錘頭破碎工藝將破壞舊路基層造成較大的強(qiáng)度損失，引入折減系數(shù)對(duì)碎石化前地基當(dāng)量回彈模量Etb進(jìn)行折減得到Eta。在不干擾下層強(qiáng)度的條件下，移除舊水泥板和碎石化層，采用貝克曼梁測(cè)定碎石化前后舊路基層頂面的彎沉反算回彈模量，得到破碎前舊路基層的回彈模量比破碎后舊路基層損失約30%。將Eta計(jì)算結(jié)果代入式(2)，可得到碎石化層的結(jié)構(gòu)模量Et(見表4)。

表4 回彈模量測(cè)試與反算結(jié)果

根據(jù)相關(guān)研究成果，在舊路基層良好的情況下，碎石化頂層回彈模量與破碎粒徑、表層碎石深度有直接關(guān)系，使用多錘頭破碎設(shè)備破碎后，回彈模量為190～220 MPa。該項(xiàng)目反算碎石化結(jié)構(gòu)層模量為174～194 MPa，與上述回彈模量的偏差在合理范圍內(nèi)，碎石化層結(jié)構(gòu)模量反算公式可用于碎石化技術(shù)下加鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

4 結(jié)論

(1) MHB設(shè)備落錘高度和行車速度影響碎石化結(jié)構(gòu)層不同深度的粒徑大小及破碎效率，其中落錘高度主要影響下層破碎粒徑，行車速度主要影響頂層松散層的粒徑和破碎效率。

(2) 從施工效率及破碎效果上，建議MHB技術(shù)參數(shù)采用落錘高度1.3 m、錘間距8 cm、行進(jìn)速度80～100 m/h，由此得到的碎石化表層破碎深度為7～10 cm，下部裂縫貫穿板體，能形成相互嵌鎖的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，且粒徑尺寸滿足設(shè)計(jì)要求，整平后可直接進(jìn)行面層施工。

(3) 碎石化前后舊路基層模量衰減30%，反算得到碎石化層回彈模量均值為187 MPa，與實(shí)測(cè)碎石化層回彈模量較吻合，碎石化層結(jié)構(gòu)模量反算公式可用于路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中瀝青加鋪層厚度確定。