西南地區(qū)舊水泥路面共振碎石化方法與效果評價(jià)

呂永剛，張代江，胡偉鋒，譚逢彬，李子健*

（1.中交基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護(hù)集團(tuán)有限公司，北京；2.西安科技大學(xué)，陜西西安）

前言

隨著我國現(xiàn)有道路的交通量與軸載逐年增長，大量舊水泥混凝土路面臨近設(shè)計(jì)年限，結(jié)構(gòu)性損壞不斷涌現(xiàn)，對行車安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。我國現(xiàn)階段多采用舊水泥路“白改黑”的改造方案，但在加鋪層時(shí)常出現(xiàn)反射裂縫[1]。而在路面改建時(shí)先采用共振碎石技術(shù)，后加筑瀝青混凝土面層的工藝的方案可以很好地控制碎石層粒徑范圍，成為當(dāng)前“白改黑”中應(yīng)用前景最廣泛的一種工藝[2]，有必要對舊路面改造碎石化原理及技術(shù)進(jìn)行研究。

在共振碎石化研究中，李豪、張中云等[3]表明共振碎石化技術(shù)比多頭碎石化技術(shù)有更寬的荷載分布，且路面基層更完好。戰(zhàn)琦琦等[4]通過對反射裂縫防治效果的研究，發(fā)現(xiàn)了聚酯玻纖布的實(shí)際防裂效果大大優(yōu)于SBS 改性瀝青防水卷材。劉金福等[5]發(fā)現(xiàn)利用承載板試驗(yàn)對舊水泥砼板進(jìn)行檢測，可通過計(jì)算可得出每一塊舊水泥砼板的固有頻率和水泥穩(wěn)定層的固有頻率。白洪嶺等[6]指出舊水泥混凝土破碎質(zhì)量主要受破碎機(jī)施工速度、振幅、振動(dòng)頻率，以及不同基層強(qiáng)度、剛度條件等的影響。同時(shí)，滿新耀[7]等在桂- 柳高速公路共振碎石化的研究中發(fā)現(xiàn)，與更換水泥路面板相比，就地碎石化通過施工機(jī)械將水泥板破碎成塊后用做路面基層或墊層，無需對舊路進(jìn)行開挖處理，舊水泥板的就地再生利用率一般可達(dá)80%以上。在國外學(xué)者的研究中，David H.Timm、Robert Boye[8]等人主要介紹了共振碎石化施工工藝，內(nèi)容涵蓋正式的共振碎石化破碎、碎石化層的穩(wěn)壓工藝以及軟弱路段的換填處理等方面。Baladi 在2000 年的研究報(bào)告[9]中指出，采用碎石化技術(shù)改造的工程項(xiàng)目，大部分改造路面的使用性能良好，不需要進(jìn)行相關(guān)的修復(fù)工作。

我國西南地區(qū)有大量傳統(tǒng)舊水泥路面，在多年高荷載交通運(yùn)行下已出現(xiàn)大范圍損壞。為提高公路在使用中的安全性、舒適性，結(jié)合共振碎石化技術(shù)高效改善道路質(zhì)量和綠色環(huán)保的特點(diǎn)，依托四川地區(qū)S436巡場至玉和二級(jí)公路升級(jí)改造工程，探討了共振碎石化的工作原理，明確了共振碎石化的運(yùn)行機(jī)制和特點(diǎn)，通過對共振頻率、顆粒級(jí)配等指標(biāo)進(jìn)行分析，進(jìn)一步評價(jià)了共振碎石化的應(yīng)用效果。

1 路面共振碎石化原理

1.1 共振碎石化技術(shù)原理

共振碎石化是以工程結(jié)構(gòu)共振效應(yīng)為基礎(chǔ)，利用共振式破碎設(shè)備振動(dòng)梁帶動(dòng)工作錘頭振動(dòng)，通過對錘頭振動(dòng)頻率的調(diào)節(jié)，以接近水泥板塊的固有頻率，錘頭的振動(dòng)將引起舊水泥板塊共振而使其迅速開裂[10]。水泥板塊破碎后，再在其上加鋪瀝青面層。碎石機(jī)錘頭工作原理如圖1 所示。

圖1 振動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布置及共振碎石化過

1.2 共振系統(tǒng)的基本理論

1.2.1 振動(dòng)方程

共振梁在一定程度的激振力和激振頻率的作用下，會(huì)產(chǎn)生近似共振現(xiàn)象的受迫振動(dòng)，并帶動(dòng)共振梁前端的振動(dòng)錘頭實(shí)現(xiàn)上、下振動(dòng)。振動(dòng)錘頭在共振梁的受迫振動(dòng)帶動(dòng)下，相當(dāng)于實(shí)現(xiàn)了對某一個(gè)平衡點(diǎn)的簡諧振動(dòng)，運(yùn)動(dòng)軌跡如圖2，振動(dòng)方程為：

圖2 錘頭位移圖

其中A0為最大振幅，ω 為激振器轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，φ為相位角。

1.2.2 固有頻率

固有頻率是物體的固有屬性，物體在自由振動(dòng)的時(shí)候，無論初始狀態(tài)如何，固有頻率只與物體的材料、質(zhì)量等因素有關(guān)。因此混凝土面板做自由振動(dòng)時(shí)，其無阻尼運(yùn)動(dòng)微分方程為：

假設(shè)板的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是簡諧振動(dòng)，那么板的位移公式為：

上式中，W 將式（3）帶入式（2）得到：

其中：

1.3 共振碎石化技術(shù)特點(diǎn)

（1） 高效性。目前單臺(tái)共振破碎及的生產(chǎn)率已經(jīng)可以達(dá)到2 000 m2/班組，遠(yuǎn)優(yōu)于人工路面施工的300 m2/班組。

（2） 低噪性。共振碎石化設(shè)備的錘頭相對其他破碎設(shè)備來說重量較小，錘擊過程中發(fā)出的聲音和震動(dòng)也相對小很多，能有效減少施工對當(dāng)?shù)鼐用竦脑胍粲绊憽?/p>

（3） 環(huán)保性。采用共振碎石化技術(shù)將打碎的混凝土板塊直接作為新鋪瀝青面層的基層或者底基層，既節(jié)約了成本，又避免了建筑垃圾處理的環(huán)保問題。

（4） 反射裂縫的可控性。在對舊水泥混凝土路面進(jìn)行碎石化后，水泥板塊破碎成為一個(gè)整體上有相當(dāng)承載力的柔性基層，在這樣的基層上加鋪瀝青混凝土就不會(huì)產(chǎn)生反射裂縫問題。

2 工程概況

S436 巡場至玉和二級(jí)公路升級(jí)改造工程位于四川省宜賓市珙縣，全長45.092 km。設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)二級(jí)公路，雙向兩車道，設(shè)計(jì)車速為60 km/h，路基寬度為12 m，縱坡度為5%，橫坡度為2%。設(shè)計(jì)年限為10年，已運(yùn)營使用6 年限。

公路沿線的水泥混凝土路面病害主要表現(xiàn)為板角斷裂、橫向裂縫、交叉裂縫、接縫剝落和麻面。此次改造內(nèi)容主要是以水泥混凝土路面共振碎石化“白改黑”為主，選擇K6+725～K7+525 段（長度800 m）作為共振碎石化試驗(yàn)段，路基標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖如圖3 所示。

圖3 路基標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖

3 路面共振碎石化控制性技術(shù)

3.1 施工機(jī)械準(zhǔn)備

①RMI 共振式破碎機(jī)：機(jī)械共振參數(shù)：功率57～448kW，錘頭振動(dòng)頻率35～50 Hz，振幅10～20 mm。每臺(tái)破碎機(jī)的工作效率約1 000 m2/h。

②壓路機(jī)：26 t 以上膠輪壓路機(jī)2 臺(tái)，12 t 以上雙鋼輪壓路機(jī)2 臺(tái)。同時(shí)配備1 臺(tái)小型振動(dòng)壓路機(jī)以用于軟弱區(qū)補(bǔ)料后的碾壓及特殊位置碾壓。

③切割機(jī)：道路路面切割機(jī)的切割深度應(yīng)能達(dá)到切割應(yīng)力釋放渠規(guī)定的貫穿深度要求（切割深度不低于50 cm）。

④相關(guān)的測試儀器：現(xiàn)場取樣設(shè)備、室內(nèi)篩分試驗(yàn)設(shè)備、現(xiàn)場承載板、貝克曼梁等。

3.2 共振碎石化關(guān)鍵技術(shù)

3.2.1 共振破碎

按照先外側(cè)車道及路肩、后內(nèi)側(cè)車道的順序進(jìn)行破碎處理，破碎時(shí)應(yīng)從路拱的低處向高處依次進(jìn)行破碎。破碎時(shí)從混凝土路面的低處向高處破碎，以避免攤鋪瀝青面層后影響排水。

3.2.2 破碎層的清理與碾壓

碎石層碾壓前需清除碎石化層上舊水泥混凝土面層接、裂縫之間的條狀填料。碎石層表面必須灑水達(dá)最佳含水量（＞10%）后才能碾壓。路面破碎、碾壓流程如圖4。

圖4 路面破碎、碾壓流程圖

3.3 路面共振碎石化特殊技術(shù)

3.3.1 安全距離

共振碎石化施工的豎直向安全距離和水平安全距離見圖5 和表1。若地下管線等設(shè)施位于距施工路面0.5 m 范圍內(nèi)則禁止進(jìn)行破碎處理，位于0.5～0.8 m 時(shí)需謹(jǐn)慎考慮工作風(fēng)險(xiǎn)，地下設(shè)施位于0.8 m 以下深度時(shí)可以安全施工。

表1 共振碎石化施工水平向安全距離表

圖5 共振碎石化施工豎向安全距離圖

3.3.2 應(yīng)力釋放渠和隔振溝

在碎石化路段與非碎石化路段連接處以及橋梁、涵洞、擋土墻等特殊構(gòu)造物位于共振碎石化路段內(nèi)時(shí)，應(yīng)將共振碎石化區(qū)域與非共振碎石化區(qū)域切割分開，以防施工對非共振碎石化路段或其它結(jié)構(gòu)物造成損傷，如圖6（a）。

圖6 應(yīng)力釋放渠和隔振溝示意圖

在碎石化施工的振動(dòng)可能會(huì)對周邊建筑物造成損害的局部路段、無路側(cè)邊溝路段需沿路肩外側(cè)邊緣或道路路基外側(cè)設(shè)置隔振溝，如圖6（b）。開挖深度不應(yīng)小于0.8 m，寬度不應(yīng)小于0.1 m。

4 路面共振碎石化效果評價(jià)與分析

4.1 共振頻率效應(yīng)評價(jià)

經(jīng)測算試驗(yàn)路段基本參數(shù)確定為：

ρ=2 400 kg/m3，E=30 000 MPa，μ=0.15，混凝土面板厚度為0.15～0.3 m，地基反應(yīng)模量k=20～30，在試驗(yàn)路段選取五個(gè)測點(diǎn)，分別代入式（2）、式（3）、式（4），計(jì)算結(jié)果如圖7 所示。

圖7 各測點(diǎn)固有頻率

通過計(jì)算得到試驗(yàn)段舊水泥混凝土路面平均固有頻率約為44 Hz，按照共振區(qū)的概念，共振頻率為固有頻率的0.7～1.3 倍，即30～57 Hz，當(dāng)共振破碎機(jī)振動(dòng)錘頭的頻率介于以上共振頻率范圍內(nèi)時(shí)路面板即可與振動(dòng)錘頭產(chǎn)生“共振”。

最終，根據(jù)上述研究，將黑路共振碎石化施工頻率為44 Hz、振幅10 mm 時(shí)，可以很好的保證其共振碎石基層的穩(wěn)定性。

4.2 破碎后顆粒級(jí)配評價(jià)

為了解舊水泥路面共振碎石化碎石效果，采用篩分法取樣進(jìn)行篩分分析，對路面共振碎石化效果進(jìn)行評價(jià)。此次試驗(yàn)采集了舊水泥混凝土板破碎層的石料，在K6+725 段～K7+525 段處開挖試坑，收集破碎石料進(jìn)行篩分分析，如圖8 所示，得出0～5 cm 的各級(jí)通過率，繪出級(jí)配曲線如圖9 所示。

圖8 共振破碎層碎石取樣圖

圖9 共振破碎層碎石篩分曲線圖

由圖8 可知，共振破碎后其破裂深度貫穿整個(gè)板厚，裂縫角度在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)（20°～60°），符合標(biāo)準(zhǔn)。碎石化層的曲線變化在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，符合運(yùn)行需求。破碎后粉塵顆粒含量在1.5%左右，參照規(guī)范對碎石化層質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)，均符合現(xiàn)行規(guī)范要求。

4.3 路面強(qiáng)度評價(jià)

在試驗(yàn)段的路面強(qiáng)度評價(jià)中選取路面彎沉值指標(biāo)，采用貝克曼梁法來進(jìn)行評價(jià)。在本工程的待測路段K6+725～K7+525，每10 m 一點(diǎn)，選取十個(gè)測點(diǎn)計(jì)算回彈彎沉的平均值，結(jié)果如圖10 所示。

圖10 各測點(diǎn)彎沉值

計(jì)算彎沉平均代表值為24（0.01 mm）。該工程設(shè)計(jì)彎沉值為31.7（0.01 mm），彎沉代表值小于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，說明路面彎沉性能達(dá)標(biāo)，墊層在標(biāo)準(zhǔn)荷載的作用下，其抗變形能力符合設(shè)計(jì)要求，因此，共振碎石化段回彈彎沉值合格。

4.4 路面平整性評價(jià)

選取路段K6+825～K7+525，采用三米直尺法對共振破碎試驗(yàn)段進(jìn)行平整度檢測，規(guī)定各尺中最大間隙值不大于20 mm，平整度檢測記錄如圖11 所示。由圖可得，各樁號(hào)的部位之間最大間隙值均小于規(guī)定值（20 mm），合格率100%。

圖11 平整度檢測記錄圖

4.5 路面回彈模量評價(jià)

采用承載板法檢測路面結(jié)構(gòu)的當(dāng)量回彈模量，層間為完全連續(xù)，荷載大小為0.7 MPa，荷載作用的直徑為30 cm。利用彈性層狀理論將設(shè)計(jì)值（彈性模量及厚度）轉(zhuǎn)化為各結(jié)構(gòu)層頂當(dāng)量回彈模量并將實(shí)測值與設(shè)計(jì)值進(jìn)行比較，分析是否滿足規(guī)范要求。

根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)檢測數(shù)據(jù)對土基回彈模量進(jìn)行修正，如圖12（a）和圖12（b）所示為K6+775 和K7+520段部分路基回彈模量P-L 曲線圖，其中黑色為修正前計(jì)算回彈變形，紅色為修正后變形。

圖12 土基回彈模量P-L 曲線圖

根據(jù)下式計(jì)算土基回彈模量值：

式中：

E0為碎石化后頂面當(dāng)量回彈模量(MPa)；

μ0為舊路結(jié)構(gòu)體系（相當(dāng)于碎石化加鋪路面的地基）的泊松比，一般取0.3；

li為碎石化后舊路面上第i 級(jí)承載板壓力下對應(yīng)的實(shí)測回彈變形值；

Pi為對于與li 的各級(jí)壓力值；

D 為承載板直徑，取30 cm。

由式可得共振碎石化試驗(yàn)段E0值如表2 所示。

表2 共振碎石化試驗(yàn)段E0 值

由表2 得，本試驗(yàn)段共振碎石化層頂面回彈模量值不小于300 MPa，在一定的荷載作用下，碎石層土基回彈模量值均大于設(shè)計(jì)的土基回彈模量值，碎石基層的承載能力以及抵抗變形能力滿足施工控制技術(shù)要求。

5 結(jié)論

（1） 根據(jù)共振理論和效應(yīng)，采用共振破碎設(shè)備，持續(xù)對舊水泥路面產(chǎn)生高頻低幅的能量，調(diào)節(jié)后使得破碎頻率接近路面固有頻率，激發(fā)其共振，達(dá)到均勻破碎的效果。

（2） 在破碎試驗(yàn)中調(diào)節(jié)破碎設(shè)備頻率至計(jì)算所得頻率區(qū)間，采用破碎- 清理- 碾壓的關(guān)鍵技術(shù)路線，劃分應(yīng)力釋放渠和隔振溝，得出試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

（3） 在試驗(yàn)中采集數(shù)據(jù)信息，對共振頻率效應(yīng)、破碎后顆粒級(jí)配、路面強(qiáng)度、路面平整性以及路面回彈模量分析評價(jià)，結(jié)果所有指標(biāo)均為合格。