淺談共振碎石化技術在省道路面改造中的應用

鄭文杰

(泉州市公路局橋梁隧道管理中心，泉州 362000)

1 工程概況

省道206 線安溪龍門段路面改建工程起點位于沈海高速復線龍門互通與省道206 線交叉口處， 起點樁號K243+740，終點位于龍門鎮溪板村東面，終點樁號K247+840，路線長4.1km。

現狀舊路路基寬16～25.5m， 行車道寬14～15.5m，原設計標準為二級公路(設計速度40km/h)。 由于交通量較大，特別是大型車輛多，加上路面已接近結構設計使用年限，舊路面病害較嚴重，必須對現有的水泥混凝土路面進行改造。 舊路圖片詳見圖1 和圖2。

圖1 舊路圖片1

圖2 舊路圖片2

2 路面改造方案的選定

2.1 設計原則

路面設計根據交通量及其組成以及公路的使用功能、等級、特點、使用要求和所在地區的氣候、水文、地質等自然條件及材料供應情況、施工機具、勞力和施工技術條件等因素，結合地方路面設計、施工經驗進行路面綜合設計，并本著技術先進、經濟合理、安全適用、環境協調、合理選材、方便施工、利于養護原則進行路面結構的設計和驗算。

2.2 原路面的結構組成

現狀水泥混凝土路面結構為22cm 水泥混凝土面層+15cm5%水泥穩定碎石基層+20cm 手擺片石底基層，于1995 年交工。

2.3 舊水泥混凝土路面狀況調查

舊水泥混凝土路面路況如何， 直接影響到其上部加鋪瀝青層的使用壽命。 因此對水泥混凝土路面進行充分的調查，是合理進行瀝青加鋪層設計的基礎。

本項目對水泥混凝土路面板重點調查破碎板塊、開裂板塊、板邊角的破損狀況，并逐個記錄破損板塊的位置和數量，調查縱、橫向接縫拉開寬度、錯臺位置與高度，結合彎沉檢測數據調查板底脫空位置，按現行的《公路水泥混凝土路面設計技術規范》的有關規定進行病害種類、范圍及程度的評價和分級。

經調查評定， 本項目斷板率為5.1%， 為中級；0.20mm＜彎沉值≤0.45mm 的占比27.5%，彎沉值＞0.45mm的占比約3.8%，板底脫空比率為31.3%；接縫傳荷系數為59.2%，評定為次級。

2.4 路面結構設計

2.4.1 交通量計算

路面設計以 《公路瀝青路面設計規范》(JTG D50-2006)為依據，本項目為二級公路，路面結構設計使用年限12 年，采用軸重為100kN 的單軸-雙輪組荷載為設計軸載。 根據計算，累計當量軸次2.485×107(次/車道)，屬重交通等級。

2.4.2 路面結構方案選定

本項目道路沿線已基本街道化， 為提高道路的服務水平，減少行車噪音對居民的影響，路面改造擬采用加鋪瀝青混凝土路面；根據本項目的交通量、病害情況及路面加鋪對兩側建筑物的影響等因素， 提出本項目的兩個改造方案。

(1)方案一(碎石化后加鋪)

圖3 方案一路面結構

本方案每平方米造價272.2 元。

(2)方案二(補強后加鋪)

圖4 方案二路面結構

本方案每平方米造價286.8 元。

(3)改造方案的選定

方案一： 優點是能徹底消除舊水泥混凝土板裂縫反射的問題，造價比方案二低14.6 元/平方米，后期養護費用較低；缺點是部分利用舊路面強度，加鋪厚度比方案二高1.5cm。

方案二：優點是完全利用舊路面強度，加鋪厚度比方案一少1.5cm；缺點是造價比方案一高，對舊水泥混凝土路面整治補強(板底脫空)要求較高，不能完全避免反射裂縫的出現，后期養護費用較高。

根據使用要求及舊水泥混凝土路面的評定結果，綜合考慮加鋪結構的經濟性、合理性及可行性，路面改造采用方案一。

2.4.3 路面結構設計控制參數

(1)回彈模量

根據 《舊水泥混凝土路面碎石化技術應用指南》，碎石化層回彈模量建議取值范圍為150～500MPa，本項目初擬碎石化層經碾壓后回彈模量(靜態)應大于240MPa。 對于實測彎沉值≥100(0.01mm)的應確定其周圍界限并根據路基是否存在病害等現場情況， 采用換填法或水泥注漿法進行局部處理直至達到設計要求(彎沉值＜100)。

(2)路面設計彎沉值

本項目采用《公路路面設計程序系統》(HPDS2011)進行計算，路面設計彎沉值35.0(0.01mm)。

2.5 碎石化設計要點

本項目要求采用共振碎石化技術， 碎石化機械宜選用柔性懸浮式共振破碎機。

2.5.1 碎石化施工質量標準

(1)粒徑

碎石化層自上而下由小到大，破碎面90%在30°～60°范圍內；破碎粒徑大部分在15.2cm 以內，破碎粒徑大于20.3cm 的含量不超過2%，粒徑集中在2.5～7.6cm 且大于75%；破碎層粉塵含量(小于0.075mm)不大于7%。

(2)級配

碎石化層0～10cm 以內，級配控制在級配碎(礫)范圍以內；0～15.2cm 以內，級配接近級配碎(礫)石。

2.5.2 碎石化施工控制要點

(1)試驗路段試振

①試振區設置

試振區長度宜在200～300m 之間， 試振區寬度為單向路幅寬。 試振工作應按照共振碎石化施工工藝流程完整執行一遍，以確定正式施工時的施工參數。

②試驗施工參數

試驗施工參數應根據相關施工經驗， 逐級調整破碎參數，分區域對試驗路段進行共振碎石化施工，并對每個區域采用的施工參數進行記錄。在破碎完成后，應在每個試振小區域的中央部位開挖檢查坑1～2 個， 檢查坑通常為1.2m(長)×1.2m(寬)×h(水泥混凝土面板厚度)，整個試驗路段的檢查坑不應少于3 個。 對各檢查坑處的破碎層各深度粒徑以及破碎層模量進行檢測， 取粒徑級配和模量均滿足要求區域的施工參數作為正式施工參數。 在大面積碎石化施工過程中， 施工參數可根據路面實際狀況及時微調。若路段狀況發生較大改變，應會同現場監理工程師對參數及時作出調整。

(2)施工流程

共振碎石化施工應按圖5 所示施工工藝流程精心組織，有序進行。

(3)施工要求

①施工順序應由外側車道邊緣開始向內進行破碎，若相鄰車道沿縱縫進行了切割，亦可由中間向兩邊破碎。

圖5 共振碎石化施工流程圖

②每一遍錘頭破碎寬度約0.25m， 按一條車道3.5～3.75m 寬計， 破碎第二遍時的破碎區域應間隔第一遍破碎區域2～5cm。

③共振碎石化一個車道的過程中， 實際破碎寬度應超出一個車道， 與相鄰車道搭接部分寬度不得少于15cm。

④對于共振碎石化施工路段內的構造物及標定的沿線敏感建筑物，在施工期間應派人進行實時觀察，一旦發現開裂現象應立即停止施工，并向監理單位、業主報告，經調查分析原因并采取相應的保護措施后方可繼續施工。

(4)破碎層清理與保護

①在進行破碎層碾壓前，應對破碎層進行清理，以保證碾壓后破碎層的強度及穩定性：

a)如果破碎層表面有鋼筋外露：若鋼筋埋深較淺且條件允許，應移除整片鋼筋，否則應將外露部分剪除至與破碎層頂面齊平，破碎層中的鋼筋可保留在原處；

b)破碎層若有翹起的大塊應予以清除，并采用連續型級配碎石回填。

②在路面共振碎石化施工過程中以及瀝青層加鋪前，嚴禁通行與施工無關的車輛，同時還應控制施工車輛通行次數，禁止車輛隨意在破碎層上剎車與啟動。若共振碎石化施工后不能隨即碾壓、攤鋪時，應充分做好防雨工作，以免雨水侵入，同時應確保設置的路面邊緣排水系統能正常工作， 一旦經歷降雨應待破碎層及原基層疏干后方可進行后續碾壓和攤鋪施工。

(5)破碎層碾壓

破碎層碾壓應按初壓、復壓、終壓三個階段進行。 分別采用鋼輪振動壓路機、輪胎壓路機及鋼輪振動壓路機。

直線和不設超高的平曲線段， 應由兩側向路中心碾壓；設超高的平曲線段，應由內側向外側進行碾壓。 碾壓時的注意事項如下：

①碾壓遍數不得少于5 遍(一遍定義為在破碎層上碾壓一個來回)，碾壓速度不得超過5km/h。

②采用振動壓路機碾壓時相鄰碾壓帶應重疊100～200mm 的碾壓寬度。

③為加強碾壓效果，宜在第一遍和第三遍之前灑水。

(6)特殊路段處理

①軟弱路段

對于實測彎沉值≥100(0.01mm)的應確定其周圍界限并根據路基是否存在病害等現場情況， 采用換填法或水泥注漿法進行局部處理直至達到設計要求(彎沉值＜100)。

②脫空路段

脫空路段的處理主要針對共振碎石化后脫空處的凹處開挖回填處治：

a)碾壓完畢后，破碎層表面豎向位移在10cm 以內的區域，應選用瀝青碎石回填；

b) 若豎向位移超過10cm，10cm 以下部分應選用連續型級配碎石進行回填，10cm 以上部分應選用瀝青碎石回填。

3 路面碎石化的施工

本項目2013 年5 月完成施工圖設計，2013 年8 月開工，年底建成通車。

3.1 碎石化機械的選擇

根據設計文件要求，本項目碎石化機械選用GZL600型共振破碎機(圖6)，其主要技術參數詳見表1。

圖6 共振破碎機

表1 主要技術參數

3.2 路面改造方案的驗證

3.2.1 試驗段碎石化層回彈模量

本項目的試驗段長度采用300m， 即K244+500～K244+800 段的右幅，于2013 年9 月施工，碎石化層經碾壓后(見圖7)的彎沉值采用貝克曼梁法進行檢測，共測60點(見表2)。 經計算， 實測碎石化層頂面計算彎沉值76(0.01mm)，當量回彈模量為215.8MPa。

圖7 破碎碾壓后現場圖片

3.2.2 路面結構的驗算和調整

本項目路面改造采用動態設計， 由于實驗段碎石化層頂面的當量回彈模量小于設計初擬值， 故按實測值進行路面結構驗算，并根據計算結果對路面結構進行調整，調整后的ATB-25 最小厚度按11cm 控制。交工驗收彎沉值LS=31.8(0.01mm)。

3.2.3 完工后交工驗收彎沉值

本項目的瀝青路面施工于2013 年底完工，2014 年6月交工驗收時采用貝克曼梁法對全線路表彎沉值進行檢測， 共測1080 點， 經計算， 實測路面的彎沉代表值31(0.01mm)，小于交工驗收彎沉值，滿足設計要求。

3.2.4 完工5 年后路面情況

2019 年5 月采用到現場目視檢查及詢問養護人員的方法對瀝青路面改造效果進行調查了解， 結果是瀝青路面在通車5 年半后未出現反射裂縫、 路面結構安全穩定、使用狀況良好。 現場圖片見圖8。

圖8 路面改造后圖片

4 結語

(1)共振碎石化技術是目前解決路面改造后出現反射裂縫問題的最有效方法，具有就地再生，環保無污染、施工簡便，改造周期短等優點，但由于僅部分利用舊路面強度，與舊路面補強后直接加鋪方案比較，只有當路面損壞較嚴重(斷板率+板底脫空大于30%以上)時采用，才能取得較好的經濟效益。

(2) 舊水泥混凝土路面碎石化后的回彈模量值相對較小，當采用直接加鋪瀝青層時，不適用于特重交通等級路段。

(3)由于不同項目的舊水泥混凝土路面病害程度的不同， 設計階段碎石化后回彈模量的取值與施工后的實際值存在偏差， 為保證路面加鋪的技術可行性及經濟合理性， 采用碎石化技術進行路面改造的加鋪層結構應采用動態設計。

(4)由于舊水泥混凝土路面的差異性，碎石化施工應強調進行試驗段施工，取得碎石化后的粒徑分布情況、強度及均勻性，找出能夠滿足要求的施工控制參數，指導全路段施工。