白改黑技術進展及設計方法改進分析

朱琨琨

（同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司，上海市 200092）

0 引言

經過多年運營，我國水泥混凝土道路已進入大修期，而大量混凝土路面在改造為瀝青路面（白改黑）后出現了不同程度的反射裂縫。因此研究白改黑技術的意義重大。

1 近期工程界白改黑方法及其優缺點分析

我國現階段常用道路白改黑方法有三種：碎石化后加鋪、板塊加固后加鋪、翻挖板塊后改建。其各自優缺點見表1。

表1 舊板處置方案比選

板塊加固后加鋪方案容易出現反射裂縫，解決這一問題的常見做法為在舊水泥板與加鋪瀝青面層之間設置應力吸收層或防反夾層。各種應力吸收層及防反夾層的特點見表2。

目前玻纖格柵實際應用效果并不理想，且有研究表明防反夾層有聚水效應，因此于舊路與加鋪瀝青面層間僅設置土工材料的措施正被逐步淘汰。

由受力機理分析，應力吸收層對抵抗板體水平向伸縮引起的反射裂縫效果較好，而夾層材料對抵抗板體兩側豎向位移差引起的反射裂縫效果較好，故建議兩種措施并用。

在投資受限的條件下應優選采用應力吸收層，特別是碎石纖維封層等具備一定整體強度的應力吸收層。

相比增設應力吸收層或防反夾層，碎石化法能在不產生廢料的同時從根源上防止反射裂縫出現，因此具有顯著優勢。該法在美國道路白改黑過程中得到廣泛應用，至少有十幾個州進行了碎石化實踐，其中阿肯色州進行碎石化處理的道路超過了200 mile[1]（約322 km）。下文將詳細介紹碎石化技術。

2 碎石化技術應用進展

碎石化發展了近30 a，經歷了沖擊壓路機破碎、挖掘機加破碎頭破碎、打裂壓實破碎等幾個階段后，最終形成了以錘擊破碎法（多錘式破碎機）、共振破碎法（共振破碎機）為主的碎石化方法[2]。兩種方法的區別如圖1所示。

表2 防反措施比選

圖1 錘擊破碎法與共振破碎法

2.1 錘擊破碎法

該法的工作機理是通過多錘頭破碎機攜帶的重錘下落對水泥混凝土板塊產生瞬時、點狀的沖擊作用，以達到破碎的目的。與共振破碎法相比，錘擊破碎法容易破壞老路基層，且在施工過程中產生較大的噪聲及振動易對道路沿線居民及結構造成不良影響。

2.2 共振破碎法

該方法由美國RMI發明，2004年引入我國，2005年開始在上海、浙江開始應用。2005—2006年先后在滬青平公路、沈磚公路、金山大道、新衛公路上進行施工[3]。其使用的共振破碎機械將水壓能量通過一根方形鋼梁傳遞給錘頭，在偏心軸力的驅動下產生振動諧波，并引起板的共振致其迅速破碎開裂（見圖2）。

圖2 共振破碎法

2.2.1 共振破碎的本質屬性

水泥板塊共振破碎后失去板體性，在行車荷載作用下的受力機理與粒料接近。根據實測，其模量值一般為500～1 000 MPa，接近半開級配瀝青碎石基層模量強度。美國研究表明，破碎后其回彈模量僅為原整板數值的5%，即1 350～1 650 MPa，略高于粗粒式瀝青混凝土[4]。因此水泥板塊共振破碎后為柔性基層屬性（見圖3）。

2.2.2 粒徑分布特征

美國及上海的工程實踐表明，共振碎石化處理后，上層10 cm碎石化程度高，下層板體型較好，裂縫夾角多為45°。

圖3 共振破碎化后的破碎層

2.2.3 強度特征

上海滬青平公路及金山大道白改黑工程的實測數據表明[5]，共振碎石化后老路路表彎沉大幅下降，但瀝青面層加鋪后彎沉值恢復較好，與一般常規新建瀝青路面強度相當（見表3）。

表3 共振碎石化路面彎沉檢測情況

2.2.4 力學分析

以如下典型結構為例計算碎石化層及瀝青層的層底拉應力及頂面計算彎沉：15 cm石灰土+30 cm三渣+共振破碎后水泥路面+8 cm AC-25C（SBS改性）+4 cm SMA-13（SBS改性），其中碎石化層壓回彈模量取值為500～1 000 MPa。

由圖4可見，隨加罩后的瀝青層頂面計算彎沉值LS為21.3～23.2，表明路面結構整體強度較一般新建瀝青路面高（計算彎沉值LS為21～25）；瀝青上面層均為壓應力、下面層層底拉應力為-0.01～0.14 MPa，略高于一般新建路面。綜合來看，無論是彎沉還是瀝青層底拉應力均能夠滿足設計要求。

2.2.5 共振破碎法優缺點綜述

總結以上分析，共振破碎法具有以下顯著優點：

圖4 瀝青層頂面計算彎沉、瀝青層層底拉應力與碎石化層模量的關系

（1）有效消除脫空區域、反射裂縫。

（2）時間優勢明顯（共振破碎機的生產率可達8 000 m2/d）。

（3）對交通影響不大（對向車道可利用）。

（4）噪聲及振動較錘擊破碎法小。

（5）工程造價較省（與翻挖新建相比）。

其缺點為破碎后路面均勻性差，其粒徑大小存在局部較大的情況，壓實后整體性及均勻性不能得到完全保證，局部離析及脫空可能性未能完全消除，易產生基層強度死角。若直接在碎石層上加鋪瀝青面層，可能導致瀝青路面平整度較差甚至出現坑槽。

2.2.6 共振碎石化的改進

考慮到共振碎石化的上述缺點，筆者推薦對碎石層進行補強后再加罩瀝青面層。具體補強方法為在瀝青面層及碎石化層之間加鋪薄層，該層無須大幅提高基層整體強度，因此可以選擇鋼塑土工格柵或三渣層。三渣層厚度以最小為宜，應介于15～20 cm。以2.2.4節的典型結構為例，若取碎石化層模量為800 MPa對其進行彎沉與拉應力計算，加鋪15 cm三渣層與直接鋪筑面層的結果見表4。

可見，加鋪三渣層對瀝青層頂面彎沉及瀝青層層底拉應力都有顯著改善。

表4 加鋪三渣層對瀝青層頂面計算彎沉、瀝青層層底拉應力的影響

（4）在碎石層和瀝青面層之間加鋪薄層能有效防止因基層局部強度不足而造成的路面損壞。

共振碎石化的優勢決定了其有著廣闊的應用前景，但該法的施工控制仍有待完善。而在碎石層和瀝青面層之間加鋪薄層這一技術仍需實踐反復驗證，如有條件最好鋪筑試驗段，以確定薄層材料的選取及其最佳厚度。

3 結語

（1）無論設置應力吸收層還是防反夾層，舊水泥板塊處置后加罩的方法都無法完全消除反射裂縫。

（2）碎石化方法能有效消除反射裂縫，且不產生廢料。

（3）實測數據及計算數據表明，共振碎石化處置后路表彎沉及瀝青層底拉應力均能滿足設計要求。