干線公路舊水泥路面碎石化效果評價與分析*

羅克文， 羅少輝

(1.廣西壯族自治區玉林公路發展中心， 廣西 玉林 537000；2.長沙理工大學 交通運輸工程學院， 湖南 長沙 410114)

在水泥砼路面使用末期，路面出現不同程度結構性破壞，日常養護難以恢復及改善路面使用性能，需進行大修或重建。多錘頭破碎(MHB)是一種舊水泥路面破碎技術，破碎后顆粒之間相互嵌擠、咬合形成穩定的高粒料層，為加鋪瀝青砼路面提供堅實、安全的基礎，具有防反射裂縫效果好、施工速度快、節能環保、對環境和交通影響較小等優點。碎石化技術在國外起步早，破碎工藝成熟，但下承層承載力、板厚、板間聯系不同，破碎工藝則存在差異，無法直接應用于中國干線公路舊水泥路面改造。為找到適應中國路面結構特性的破碎工藝，提升干線公路舊水泥路面破碎效果，該文結合廣西玉林市S209(S221)線水鳴—英橋段舊水泥路面大修工程，應用MHB技術進行舊路碎石化，通過改變破碎技術參數，對舊水泥路面碎石化效果與承載力進行對比分析，優選舊水泥路面破碎方法，并驗證碎石化層回彈模量反算結果，為加鋪層結構設計提供依據。

1 工程概況

廣西S209(S221)線水鳴—英橋段水泥路面大修工程位于玉林市博白縣，起訖樁號為K141+541—K143+541、K144+541—K148+541，全長6 km，舊路面結構為30 cm無機結合料穩定類基層+24 cm水泥砼面層。自建成通車以來，由于交通量大幅增加和超重軸載作用，原砼路面出現不同程度損壞，影響正常交通。根據JTG 5210-2018《公路技術狀況評定標準》進行路面現場調查，路面狀況指數評分為64.5，斷板率為30.9%，路面破損嚴重，質量較差。為修復路面行車環境，改善公路使用狀況，對舊路面進行碎石化處治。采用MHB技術對左、右幅分別采用不同工藝進行施工，以確定最佳施工技術參數。

2 MHB技術

2.1 設備技術參數

通過比對全線路面病害情況，選取具有代表性的K144+541—841路段進行MHB破碎。MHB破碎設備的技術參數對破碎后顆粒尺寸、厚度及結構層強度的影響很大，其落錘高度、錘跡間距及行進速度在施工時需重點把握。根據國內已有工程實踐經驗，MHB設備落錘高度為1.1～1.3 m、落錘間距為8 cm時破碎效果較好。該項目左、右幅MHB設備技術參數見表1。

表1 MHB設備的技術參數

左、右幅試驗段施工前先采用炮機在邊緣開出約20 cm的槽，解除需破碎板塊的橫向約束，然后采用多錘頭破碎機進行破碎，破碎完成后采用Z型鋼輪壓路機、光輪壓路機分別碾壓1、2遍。

2.2 整體破碎效果

從施工現場觀測，左、右幅共6個路段的施工效果差異明顯。右幅K144+541—641與左幅K144+541—641、K144+641—741舊路表面部分破碎深度較淺(3～5 cm)，裂縫難以貫穿整個舊路結構。右幅K144+741—841破碎深度大且破碎嚴重，頂面產生大量粉塵，同時在路幅邊緣破碎施工時，由于無側限約束，邊緣砼板整體破碎嚴重，導致整個邊緣結構坍塌破壞，影響排水設施和附屬工程建設。右幅K144+641—741與左幅K144+741—841的破碎效果最好，接近最佳破碎狀態，主要表現在：1) 舊水泥路面頂面破碎后，破碎顆粒粒徑較均一，基本消除了碎石化頂面粉塵較多的現象；2) 表層破碎深度增大(7～10 cm)，與其他采用該技術的實體工程效果相近；3) 碎石化表層以下板體破碎效果較好，相互嵌擠，且采用邊緣鋸縫處理后邊緣保持較完整。

在能量波動理論中，落錘高度較大且行進速度較慢的情況屬于低頻高幅，將產生較高的波動沖擊與較寬的能量傳播范圍來進行舊水泥路面破碎，表明落錘高度與行進速度是影響破碎程度和效率的主要因素，落錘高度和行進速度組合得當才能取得理想的破碎效果。從施工效率上選擇，建議碎石化施工中采用落錘高度1.3 m、落錘間距8 cm、行進速度80～100 m/h。當破碎工作面橫向較寬時，可通過開槽等方法解除板塊間橫向約束，提高舊路面破碎程度和破碎效率，而采取邊緣鋸縫則能保證邊緣結構的完整性，利于排水設施和附屬工程施工。

2.3 破碎后質量檢測及分析

根據現場施工效果，左、右幅6個試驗段的破碎粒徑差異較大，摒棄粒徑不能滿足技術要求的段落，選取右幅K144+641—741與左幅K144+741—841進行破碎后質量檢測，對左、右幅分別進行試坑開挖、表層篩分試驗及彎沉檢測等現場試驗。

2.3.1 粒徑及滲透性

開挖試坑后，采用卷尺目測確定粒徑范圍。試坑面積為1 m×1 m，深度要求達到基層或出現整體性較好的砼塊層。根據《公路水泥混凝土路面再生利用技術細則》，確定試坑內各層最大粒徑，分析碎石化后粒徑范圍，試驗結果見表2。由表2可知：MHB破碎后左幅頂面破碎層平均粒徑大于右幅，說明右幅頂面舊水泥路面所吸收的破碎能量大于左幅，使右幅頂面松散層粒徑較小，強度低于左幅；但左幅破碎后上部和下部破碎層平均粒徑遠小于右幅，這是由于右幅落錘高度較小，破碎效果差，表層以下未出現松散的大粒徑塊體。表明落錘高度越大，產生的動能越大，是影響下層破碎粒徑大小的主要因素；行車速度越快，能量傳輸到下層深度越淺，主要影響頂面松散層粒徑大小和破碎效率。在落錘高度和行車速度共同影響下，破碎后碎石化層顆粒粒徑沿深度方向逐漸變化，可分為3層，分別為頂面松散層、碎石化層上部及碎石化層下部。

表2 施工質量檢測結果

在試坑開挖完成后進行滲透性試驗，向試坑內注水25 L，觀察10～15 min內水位變化，辨別碎石化層的排水性能。在左幅試坑底面澆水后，10 min內排水良好，無水截留；在右幅試坑內注水后，5 min內排水良好，當裂縫飽和時，水沒有通過松散的碎石層水平排出或滲透，而是形成水池。說明右幅下層板體性較強，破碎深度不夠，其排水性能劣于左幅。排水性能差的碎石層將水截留，若其通過裂縫滲入瀝青層，將導致松散的碎石材料軟化和瀝青層剝離，從而降低路面性能。

2.3.2 顆粒級配

表層破碎粒徑范圍能直觀反映破碎效果。為分析破碎后表層顆粒粒徑，通過現場取樣進行篩分試驗，得到碾壓前后左、右幅表層顆粒級配(見圖1)。

圖1 表層破碎顆粒篩分結果

從圖1可看出：左幅破碎后表層顆粒粒徑粗于右幅，且經過壓路機碾壓后表層顆粒尺寸有所減小，但減少幅度遠低于右幅，即左幅經MHB破碎后的松散層強度遠大于右幅，粒徑均勻性優于右幅，更符合優質級配碎石特點，能更好地消除瀝青加鋪層反射裂縫。此外，左幅破碎表層粉塵(<0.075 mm)含量為2.32%，粉塵含量總體偏低，符合規范要求(≤7%)。而右幅破碎表層粉塵含量為5.13%，比左幅粉塵含量大，這是由于破碎機行進速度小，破碎表層重復破碎導致粉塵含量增大。

2.3.3 彎沉

有研究表明多錘頭破碎機現場碎石化后回彈彎沉值滿足二級公路碎石化后回彈彎沉代表值不大于110 (0.01 mm)的質量控制要求，可直接進行新路面結構施工。對碎石化后彎沉不能滿足質量控制要求的，可通過挖除換填級配碎石降低基層彎沉。在左、右幅隨機選取20個點，按《公路工程質量檢驗評定標準》，采用貝克曼梁檢測路面破碎前后彎沉，結果見表3。

表3 碎石化前后彎沉對比

由表3可知：右幅破碎后彎沉為破碎前的1.96倍，左幅為破碎前的2.24倍，這是由于破碎后右幅表層以下未出現松散的大粒徑塊體，砼板具有很好的整體性，碎石化層整體強度比左幅大。但左幅破碎后彎沉變異系數僅24.7%，與破碎前46.2%的變異系數相比明顯降低，表明左幅多錘頭破碎工藝可明顯改善路面結構承載力的不均勻狀況，使路面性能更穩定。

3 碎石化層模量反算

碎石化層模量是確定瀝青加鋪層厚度的重要因素。碎石化結構層回彈模量預測模型很多，但沒有一個一致的模量用來描述碎石化層。該文將碎石化后路面結構層等效為雙層結構，即將碎石化后舊路基層與地基等效為一層復合基層、碎石化層單獨為一層結構層，通過反算預估復合基層頂面回彈模量及碎石化層回彈模量。國內外工程實例研究表明，碎石化結構層強度為級配碎石層模量的2～3倍，但由于碎石化上下層模量差值較大，不能簡單按級配碎石的回彈模量取值。借助文獻[13]～[15]中當量回彈模量換算公式，由彎沉等效原則建立以下公式反算碎石化結構層回彈模量：

(1)

(2)

α=0.86+0.26lnhx

(3)

式中：Et為碎石化層回彈模量；Eta為碎石化后基層層頂回彈模量；hx為碎石化層厚度；Ex為碎石化層層頂回彈模量。

多錘頭破碎工藝將破壞舊路基層造成較大的強度損失，引入折減系數對碎石化前地基當量回彈模量Etb進行折減得到Eta。在不干擾下層強度的條件下，移除舊水泥板和碎石化層，采用貝克曼梁測定碎石化前后舊路基層頂面的彎沉反算回彈模量，得到破碎前舊路基層的回彈模量比破碎后舊路基層損失約30%。將Eta計算結果代入式(2)，可得到碎石化層的結構模量Et(見表4)。

表4 回彈模量測試與反算結果

根據相關研究成果，在舊路基層良好的情況下，碎石化頂層回彈模量與破碎粒徑、表層碎石深度有直接關系，使用多錘頭破碎設備破碎后，回彈模量為190～220 MPa。該項目反算碎石化結構層模量為174～194 MPa，與上述回彈模量的偏差在合理范圍內，碎石化層結構模量反算公式可用于碎石化技術下加鋪層結構設計。

4 結論

(1) MHB設備落錘高度和行車速度影響碎石化結構層不同深度的粒徑大小及破碎效率，其中落錘高度主要影響下層破碎粒徑，行車速度主要影響頂層松散層的粒徑和破碎效率。

(2) 從施工效率及破碎效果上，建議MHB技術參數采用落錘高度1.3 m、錘間距8 cm、行進速度80～100 m/h，由此得到的碎石化表層破碎深度為7～10 cm，下部裂縫貫穿板體，能形成相互嵌鎖的穩定結構，且粒徑尺寸滿足設計要求，整平后可直接進行面層施工。

(3) 碎石化前后舊路基層模量衰減30%，反算得到碎石化層回彈模量均值為187 MPa，與實測碎石化層回彈模量較吻合，碎石化層結構模量反算公式可用于路面結構設計中瀝青加鋪層厚度確定。