碎石化舊水泥混凝土路面加鋪瀝青層技術研究

劉亞琳　陳健康

(貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司　貴陽　550081)

碎石化舊水泥混凝土路面加鋪瀝青層技術研究

劉亞琳陳健康

(貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司貴陽550081)

摘要以長張高速公路益常段舊水泥混凝土路面改造工程為依托，簡述舊水泥混凝土路面碎石化技術；通過建立計算模型，比較共振碎石化、多錘頭碎石化及沖擊破裂穩固3種破碎(破裂)情況下加鋪瀝青層結構的加鋪層層底拉應力及相對彎沉比情況，表明共振破碎后原路基整體強度優于多錘頭碎石化技術。

關鍵詞舊水泥混凝土路面碎石化應力狀況

隨著公路使用年限的增長，水泥混凝土路面的使用性能逐漸下降，出現不同程度的損毀。如何快速、有效地養護、修復及處治舊混凝土路面是一個熱點問題。碎石化法是舊混凝土路面改造方法中的一種重要手段。通過對比分析共振碎石化、多錘頭碎石化及沖擊破裂穩固3種情況下瀝青加鋪層層底受力情況，比較不同破碎技術的優劣，為益陽至常德高速公路大修工程提供設計方案參考。

1水泥混凝土路面碎石化技術概述

舊水泥混凝土板破碎技術主要有由楞式沖擊壓路機實施的沖擊壓實技術、由門板式破碎機實施的打裂壓穩技術、由多錘頭破碎機實施的碎石化技術和共振破碎機實施的共振碎石化技術幾種。實施碎石化技術的主要設備為共振式破碎機以及MHB多錘頭破碎機。

1.1共振碎石法

共振碎石化技術用于板塊結構完整性較差的水泥混凝土路面，它通過使共振設備產生的振動頻率與舊水泥混凝土板自身的固有頻率相同而產生共振，從而將混凝土板破碎成高強粒料層，是一種能有效地解決反射裂縫問題的破碎技術。

共振碎石化技術的原理是通過錘頭高頻率、低振幅地撞擊路面，產生的撞擊頻率與舊水泥板固有頻率相同，使舊水泥板產生共振來實現快速破碎水泥混凝土面板。原有水泥板經過共振破碎后，破碎可貫穿舊水泥混凝土面層，且面層上部為碎石層，顆粒細小而均勻，大部分碎塊尺寸都在4cm以內；面層下部的板體性仍比較好，有不少斜向約45°的裂縫和其他向振裂縫。這一夾角可使碎石塊之間互相嵌擠，經過壓實后互相咬合，從而使碎石層起到更好的礫石穩定層的作用。

1.2多錘頭碎石化法

多錘頭碎石化法是利用多錘頭破碎設備所帶多個重錘的重力下落對水泥混凝土路面板進行錘擊破碎，并配有“Z”字花紋碾壓輪的振動壓實機對破碎后路面振動壓實。多錘頭破碎后原水泥混凝土路面面層狀況趨向于級配碎石，因此防止發射裂縫的效果比較明顯，但由于其在施工過程中易對下承路面結構及道路周邊結構物造成影響，且因需要設置水泥穩定碎石層作為補強層，因此該技術適用于路況差、路側房屋少、凈空富余多的路段。

2不同破碎方式下瀝青加鋪層受力對比分析

益常高速現有路面結構為25cm水泥混凝土面層+18cm半剛性基層+15cm半剛性底基層。通過BISAR3.0軟件計算分析3種工藝處理后瀝青加鋪層底拉應力及彎沉情況，3種破碎方式的計算方法均采用雙圓垂直均布荷載作用下的多層彈性體系理論，將各層均設為均勻、各向同性、連續線彈性體，取荷載BZZ-100，輪胎接地壓強0.7MPa，接觸面當量圓直徑0.213m。計算時，以瀝青混凝土層底拉應力及路表彎沉值的變化為目標參數。

2.1共振碎石化加鋪層的受力分析

根據實地檢測資料，于益常路段選擇的試振路段共取6個點進行承載板試驗，試驗測得共振破碎處理后的碎石化路面頂面當量回彈模量結果平均值為534MPa，根據規范[1]，考慮保證率折減系數0.66，因此碎石化頂面回彈模量代表值為352MPa。共振破碎后的加鋪方案為10cmATB-25+6cmSBS改性瀝青AC-20C+4cmSBS改性瀝青SMA-13，加鋪層總厚度為20cm。

參考國內相關文獻[2]，確定相關實際工程經驗得出的碎石化層與原基層模量取值范圍。軟件計算相比實際測量，其彎沉值需進行修正。水泥混凝土路面通常是通過擴大土基模量值修正，一般為2～4倍。按碎石化后原路面作一層彈性半空間體和原路面具體結構分層的彈性體系2種情況建模，利用輪隙中心彎沉值相同進行碎石化后加鋪路面各結構層模量反算，取計算模型的各層參數結果見表1。

表1　共振碎石化計算模型與參數

2.2多錘頭碎石化加鋪層的受力分析

根據國內外相關資料[3]，多錘頭碎石化后碎石化層頂面回彈模量代表值為179.2MPa，將碎石化分層，取碎石化上層模量為207MPa，碎石化下層模量為3 450MPa。相比共振碎石化技術，多錘頭碎石化技術處理后路面原有基層底基層的承載能力有一定程度的下降，因此原路面結構層模量取值有一定的削減。多錘頭碎石化的加鋪方案為32cm水泥穩定碎石基層+6cmSBS改性瀝青AC-20C+4cmSBS改性瀝青SMA-13，加鋪總厚度為42cm。模型相關參數選取與共振碎石化模型參數選定方法相同。通過對原基層及以下各層模量進行一定程度的削弱，來進行加鋪層的受力計算與分析。計算模型的各層參數見表2。

表2　多錘頭碎石化計算模型與參數

2.3沖擊破裂穩固加鋪層的受力分析

根據國內外相關資料[4-5]，沖擊壓實破碎后舊路面層頂面實測回彈模量可參照取值為800MPa，考慮保證率折減系數0.66，因此破裂穩固后板頂面回彈模量代表值為528MPa。相比共振碎石化技術，沖擊破裂穩固的反復沖碾對原基層造成一定的影響，使得路面原有基層底基層的承載能力有一定程度的下降。沖擊破裂穩固的加鋪方案為10cmAM-25+6cmSBS改性瀝青AC-20C+4cmSBS改性瀝青SMA-13，加鋪總厚度為20cm。模型相關參數選取過程跟前面模型參數選取方法相同。通過對原基層及以下各層模量進行一定程度的削弱，來進行加鋪層受力計算與分析。計算模型的各層參數見表3。

表3　沖擊破裂穩固計算模型與參數

2.43種破碎方式的加鋪層受力對比分析

因3種破碎破裂方式不同，導致設計彎沉值的差異，在對3種處治方式的彎沉對比過程中，通過路表彎沉值占相應設計彎沉值百分比大小進行3種破碎破裂方式下彎沉情況比較，可見3種施工工藝下加鋪層底容許應力值差別很小，應力差異可忽略不計。圖1和圖2分別為共振碎石化、多錘頭碎石化及沖擊破裂穩固3種情況下加鋪層層底拉應力及彎沉百分比的變化規律。

圖1　加鋪層層底拉應力隨水平距離分布情況

圖2　路表彎沉比隨水平距離分布情況

比較3種破碎破裂技術下加鋪瀝青混凝土面層的相應加鋪層應力及彎沉結果，分析可得：

(1) 共振碎石化瀝青加鋪層層底拉應力峰值相比多錘頭碎石化加鋪層層底拉應力峰值低了近18%的水平。在整體上，共振碎石化情況下加鋪層層底拉應力比多錘頭碎石化情況下相應位置的拉應力低了20%的水平。

(2) 3種處理方式中，共振碎石化的彎沉比最低。多錘頭碎石化彎沉比相比共振碎石化彎沉比整體上高了近26%的水平。沖擊破裂穩固的彎沉比介于2種方式之中。

(3) 分析其主要原因，共振碎石化技術處理后的舊水泥混凝土面層下部板塊裂縫為整齊斜向上，形成“裂而不碎”的形式，在承受豎向荷載時，相比多錘頭碎石化形成的不規律垂直裂縫，其表現出更高的強度。因此在考慮路面結構極限承受能力及路面結構總體剛度時，共振碎石化技術優于多錘頭碎石化技術及沖擊破裂穩固技術。

(4) 相比其余2種破碎方式，沖擊破裂穩固的瀝青加鋪層層底拉應力值在輪隙中心位置為負。因沖擊壓實破碎較好的保留了原水泥混凝土面板的整體性，粒徑尺寸相對較大，使得水泥混凝土面層模量仍維持在較高的水平，與瀝青加鋪層下層抗壓模量相差較大，導致加鋪層下面層層底處于受壓狀態。

3結語

通過計算結果分析，舊水泥混凝土路面共振碎石化后加鋪瀝青面層相比多錘頭碎石化的情況，其加鋪層底拉應力及彎沉比均小。相比多錘頭碎石化后舊混凝土面層裂縫垂直分布，共振碎石化后的原混凝土面層下部特征類似于塊料路面，破碎塊間裂縫呈斜向整齊分布，導致其整體強度高于經多錘頭破碎處理的情況，在保持原基層剩余強度方面具有一定的優勢。

通過對益陽至常德高速公路大修工程不同破碎(破裂)方案的對比分析，論證了大修方案中應用共振碎石化技術的可行性，建議加鋪層設計方案為加鋪層總厚度20cm，由4cmSMA-13，6cmAC-20C和10cmATB-25 3層組成。

參考文獻

[1]JTGD50-2006公路瀝青路面設計規范[S]. 北京:人民交通出版社,2006.

[2]于清泉,朱慶華,梁書亭，等.MHB碎石化振動影響范圍的計算方法[J].公路,2008(1):41-45.

[3]張玉宏.水泥混凝土路面碎石化綜合技術研究[D].南京:東南大學,2006.

[4]李廷剛,劉甲榮.沖壓破裂穩固技術在水泥路面白改工程中的應用研究[J].公路交通科技,2010,27(7):38-40.

[5]呂蔣聰,任岐崗.沖擊壓實破裂穩固后對瀝青混凝土加鋪層結構影響的數值分析[J].公路工程,2012(2):55-57.

收稿日期：2014-10-05

ResearchonTechniquesofAsphaltOverlayonRubblizedPCCPavement

Liu Yalin, Chen Jiankang

(GuizhouTransportationPlanningSurvey&DesignAcademeCompanyLimited,Guiyang550081,China)

Abstract：Based on Yiyang-Changde freeway pavement reconstruction project, the comparison of the surface deflections and the tensile stresses for different asphalt overlay structures on the rubblized Portland Concrete Cement (PCC) pavement by means of Multi-Head Breaker(MHB),Resonant Pavement Breaker(RPB) and broken-seated techniques shows that the RPB is better than the MHB.

Key words:old PCC pavement; rubblization; stress conditions

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.01.048