談共振碎石化技術(shù)在路面提升改造中的應(yīng)用

牛光耀

(西安曲江新區(qū)管理委員會，陜西 西安 710000)

20世紀90年代以來，隨著國內(nèi)經(jīng)濟活力不斷增強，人民對道路交通通行能力需求的日益提高，水泥混凝土路面在結(jié)構(gòu)剛度及穩(wěn)定性、材料來源及耐久性等方面的優(yōu)勢日趨顯著。隨著此類道路建設(shè)里程的不斷增加，使用壽命達到極限(一般設(shè)計使用年限為20年)，老舊混凝土路面的提升和改造數(shù)量亟待增加。目前，較常見做法是在原狀道路上進行罩面鋪裝，使用的材料通常為瀝青混凝土，這種方法的弊端在于無法徹底消除提升改造路面的病害。完工通車后經(jīng)過頻繁的重交通荷載反復(fù)作用，原有的裂縫等病害會由內(nèi)而外最終反射到瀝青罩面鋪裝的路面上，形成更多的反射裂縫，迅速發(fā)展后導(dǎo)致新的破壞，使得路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生更嚴重的損傷。

1 傳統(tǒng)水泥混凝土路面提升改造工藝

1.1 早期處理措施

在反射裂縫早期形成時，通過將土工織物、土工格柵等特殊材料作為中間夾層，填充在新舊層之間，吸收部分應(yīng)力，從而使加鋪層強度提高；隨后將脹縫、縮縫設(shè)置于加鋪面層上，使下層的反射應(yīng)力能夠釋放，盡可能減少裂縫產(chǎn)生。但仍無法根本解決問題。

1.2 常規(guī)修復(fù)工藝

1)最常規(guī)的修復(fù)方法是挖除原有混凝土結(jié)構(gòu)層，重新鋪筑路面。通過拆除原有混凝土結(jié)構(gòu)層，使舊水泥板產(chǎn)生反射裂縫的問題得以徹底解決。這種方法工藝流程簡便、成熟，對設(shè)備要求不高，但建設(shè)周期較長，交通封閉造成的疏導(dǎo)時間長，管理過于粗放。對于交通需求量大的道路增加了出行人員時間成本；同時需要占用場地來處理廢棄的建筑垃圾，不利于環(huán)保。

2)水泥混凝土路面“黑化”“美化”提升改造時，主要采取在原有混凝土路面拉毛處理的基礎(chǔ)上，直接加鋪符合設(shè)計要求的瀝青混凝土，即通常所說的“白加黑”“白改黑”。提升改造后的路面反復(fù)受到車輛荷載的施壓，在原有根本性病害(如：斷板、脫邊、坑洞、錯板、接縫、裂縫等)基礎(chǔ)上，使本身傳遞荷載能力不足的舊面板病害更加嚴重，導(dǎo)致此處的承載力突然下降，應(yīng)力集中直接通過裂縫反射到上面層，形成荷載型反射裂縫。

同時由于“黑料”——瀝青混凝土與“白料”——水泥混凝土兩種材料物理性質(zhì)的差異，在冷熱交替變換時，上下層的脹縮效應(yīng)凸顯，下層裂縫處在溫度應(yīng)力的作用下產(chǎn)生不連續(xù)的應(yīng)力集中，形成熱效應(yīng)型反射裂縫。上述兩種反射裂縫起初對路面功能影響有限，但是雜物不斷填充加劇了開裂，裂縫情況不斷惡化，地面水通過裂縫滲入導(dǎo)致基層乃至路基發(fā)生水害，最終反映在路面結(jié)構(gòu)整體崩壞[1]。

2 共振碎石化技術(shù)

2.1 共振破碎設(shè)備

本次共振碎石化技術(shù)采用的機械為GZL600型全浮動式共振破碎機，其工作頻率44 Hz～55 Hz，工作振幅0 mm～20 mm，可破碎混凝土厚度40 cm以上，整機重量30 t，根據(jù)實驗確定施工效率可達350 m2/h。

2.2 技術(shù)簡述

該技術(shù)是一種將原有的水泥混凝土路面通過機械共振方式，破碎成可用于鋪設(shè)基層或底基層的碎石，經(jīng)過碾壓成型使剛性路面成為瀝青混凝土路面的基層，再進行瀝青混凝土面層加鋪的一種路面再生施工工藝。

2.3 原理簡介

依靠能夠產(chǎn)生高頻低幅的共振破碎設(shè)備持續(xù)提供振動能量，將混凝土板整體破壞，使碎塊大小和方向規(guī)律均勻可控。共振破碎設(shè)備的錘頭短暫接觸混凝土板塊后，瞬間將其表面的“裂紋”均勻地“擴散”到其底部，混凝土板塊產(chǎn)生的裂紋與路面呈45°～60°夾角，這些破碎碎塊的粒徑范圍從沙礫到25 cm左右，細集料集中在路面上部，粗粒料集中在路面下部，達到上部嵌擠，下部嵌鎖，結(jié)合緊密。

2.4 碎石化技術(shù)特點

共振破碎設(shè)備的工作錘部分包含傳感器，能夠準確接收來自路面的振動反饋。震動頻率可以通過計算機自動調(diào)節(jié)，路面的自身頻率被鎖定后，使其局部范圍內(nèi)產(chǎn)生共振，混凝土由內(nèi)而外崩潰。最后形成的混凝土碎塊交錯成鋸齒狀，相互緊密嵌擠嚙合，建立起了穩(wěn)固的施工平臺，為后期全面開展瀝青混凝土攤鋪工作提供了良好的基礎(chǔ)，同時有效解決了原有路面存在垂直于路面的裂紋紋路問題[2]。

1)破碎后的混凝土碎塊尺寸由小到大逐層均勻分布?；炷林姓駝拥乃p梯度使上部的破碎粒徑較小,下部破碎粒徑較大，經(jīng)現(xiàn)場測量粒徑普遍在3 cm～30 cm之間。這種破碎后粒徑分布的好處在于:頂部破碎粒徑較小的一層能夠更好地消除反射裂縫，底部破碎粒徑較大的一層板塊承擔了原混凝土板塊的承載作用。

2)破碎深度可控有保障,有效避免路面基層被破壞。破碎設(shè)備控制破碎深度的主要途徑為調(diào)節(jié)振頻和振幅，產(chǎn)生接近被破碎物體固有頻率的振動,在兩者共振瞬間,工作錘順勢前移,大大減弱了垂直向下的沖擊力。另外,由于路基材料和混凝土面板材料的固有頻率差異明顯,因此路基無法隨之產(chǎn)生共振,避免了遭到破壞的可能性。

3)可有效消除反射裂縫。通過共振破碎機對路面進行高頻打擊，水泥混凝土面板迅速崩潰成分散粒料，使混凝土面板完全碎石化。因為混凝土面板沒有了預(yù)留接縫、裂縫的應(yīng)力集中點從而也消除了坑洞、脫空等病害。

4)施工效率高。共振碎石化施工程序簡單,生產(chǎn)率可達2 000 m2/d,可大大提高路面整體提升改造的施工效率。

5)對周邊生態(tài)環(huán)境、城市環(huán)境影響小。由于新路面結(jié)構(gòu)基層是對共振破碎后混凝土廢料的二次利用，因此全過程不產(chǎn)生建筑垃圾，不會對土地造成污染；破碎時沒有粉塵，不會對空氣質(zhì)量產(chǎn)生不利影響；共振破碎的振幅較小,施工過程中的噪聲污染能夠有效減少。

2.5 主要技術(shù)要求

在項目全面展開之前，應(yīng)當先通過試振確定各項技術(shù)指標，選定260 m×4 m范圍進行試振，檢測坑隨機確定5處～10處1.2 m2的區(qū)域；破碎后粒徑宜集中在1.6 cm～7.5 cm，總體粒徑不大于15 cm，大于20 cm碎塊的質(zhì)量分數(shù)不大于2%，小于0.075 mm粉塵的質(zhì)量分數(shù)不大于7.5%；破碎后0 cm～10 cm以內(nèi)，級配控制在級配碎(礫)石范圍以內(nèi)；0 cm～18 cm以內(nèi)，級配接近級配碎(礫)石；鋼輪振動壓路機碾壓破碎區(qū)域應(yīng)往復(fù)2遍～4遍，速度控制在1.8 m/s以內(nèi)；碾壓之后應(yīng)當將外露鋼筋、瀝青余料等清理干凈；在攤鋪瀝青混凝土之前，暫停施工面通行，避免破碎區(qū)表面出現(xiàn)超過2 cm的凹陷。

3 工程應(yīng)用及評價

3.1 工程概況

西安市杜陵邑南路(金花南路—唐苑北門)“白改黑”道路改造工程中首次采用共振碎石化技術(shù)實施完成，也是應(yīng)用于西安市首條水泥混凝土的道路。本工程為現(xiàn)狀水泥混凝土道路，全長1 000 m，寬度8 m，混凝土板為C25，板厚20 cm，雙向單車道，道路等級為城市次干路，該條路為通往景區(qū)中國唐苑的唯一一條道路[3]。

3.2 施工過程

根據(jù)工程條件，首先選取260 m作為試驗段。前期對現(xiàn)狀道路進行了檢測評估，彎沉值大于10(1/100 mm)，路面破損嚴重，進行了基層、混凝土板塊預(yù)處理。共振破碎設(shè)備的基本參數(shù)主要根據(jù)現(xiàn)場試振及碎裂效果確定：分別設(shè)定激振力8.89 kN左右、破碎所施加應(yīng)力52 MPa左右、振幅1 mm～2 mm、振頻42 Hz～45 Hz。

在大面積共振破碎前，將現(xiàn)行道路全部封閉，在封閉區(qū)域內(nèi)首先進行排水設(shè)施、側(cè)平石路緣石施工。隨后開始共振破碎，破碎速度控制在1.5 km·車道/d，不超過2.7 km·車道/d。10 t鋼輪振動壓路機在破碎后進場往復(fù)碾壓4遍，速度控制在1.75 m/s。為增強壓實效果，將表面細碎顆粒壓入裂縫，碾壓過程中可先灑水保濕，可以進一步提高破碎后的混凝土模量，使不同粒徑的碎塊互相嵌擠。壓實后如有超過2 cm的局部垂直移動需要開挖移除，并使用S12級配碎石回填。

碾壓完48 h內(nèi)進行瀝青面層施工，期間需要避免雨天施工，做好各項準備工作。首先撒布2 kg/m2乳化瀝青，隨后攤鋪10 cm密級配瀝青穩(wěn)定碎石(ATB-25)，完成后撒布0.3 kg/m2粘層油，攤鋪5 cm中粒式瀝青混凝土(AC-16)。

3.3 效果評價

成型后對外觀表面平整，石塊嵌擠緊密，無明顯空隙，無大塊突出石。較以往常規(guī)水泥混凝土路面改造方式相比，共振碎石化技術(shù)在工期方面節(jié)約20 d以上，工程造價節(jié)省50%以上。

各項指標方面，在整個破碎過程中混凝土碎塊顆粒均勻，粒徑集中在2.0 cm～9.1 cm之間，大于15 cm的顆粒很少，含塵量的質(zhì)量分數(shù)為4.8%，低于設(shè)計級配碎含塵量。通過對比繪制的級配碎石曲線，破碎區(qū)域0 cm～15 cm深度范圍內(nèi)級配良好；碎塊的破壞角與車道水平成45°～50°夾角。按fwd彎沉標準，破碎后水泥混凝土頂面彎沉值為破碎前的5.2倍～8.8倍，集中在7倍左右。

4 在工程應(yīng)用中的經(jīng)驗

1)實施前應(yīng)提前進行管線勘察，對敷設(shè)有重要管線或埋深較淺的管線，可能造成危害的路段、橋涵路段，應(yīng)當進行技術(shù)評估。

2)車道邊緣有路緣石或其他設(shè)施會阻礙共振機械的施工，即沿著車道縱向破碎時，邊緣會有60 cm左右的路面區(qū)域破碎效果不佳(錘頭不能水平移動)，可讓共振機械與車道邊緣成30°～50°的角度破碎。

3)對于因路基本身原因造成的混凝土路面破壞，路基承載能力差的路段，事先應(yīng)當通過試驗確定路基是否足夠堅固以支撐設(shè)計荷載，不建議使用碎石化工藝解決[4]。

5 結(jié)語

本次道路提升改造中引入共振碎石化技術(shù)施工，效果顯著。不僅解決了傳統(tǒng)路面提升改造的質(zhì)量問題，還大大縮短了施工工期，節(jié)約了路基材料，大幅度降低了工程成本，同時解決了原有建筑垃圾清運處理的問題。為西安市市政道路提升改造儲備了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)， 提供了新的思路。隨著達到使用壽命的混凝土路面改造工程規(guī)模的不斷擴大，也必將帶來更好的經(jīng)濟效益和社會效益。