胡偉鋒 李國(guó)梁 張蕾 文良東 申艷軍

（1.中交基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護(hù)集團(tuán)有限公司，北京 100011；2.西安科技大學(xué)地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054）

一、引言

20世紀(jì)80年代初，我國(guó)水泥混凝土路面迅速發(fā)展[1]。然而，隨著載貨汽車(chē)日趨重型化、交通量顯著增長(zhǎng)導(dǎo)致早期水泥混凝土路面產(chǎn)生了嚴(yán)重的車(chē)轍、錯(cuò)臺(tái)等病害[2]。鑒于病害的修復(fù)難度大、施工工期長(zhǎng)，既影響交通運(yùn)輸，又造成了巨大經(jīng)濟(jì)損失，因此，亟需通過(guò)新技術(shù)對(duì)路面實(shí)施升級(jí)改造。

目前，舊水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)缺陷主要包括以下幾類：由于基層熱脹冷縮、路基沉降等原因產(chǎn)生收縮、板角及結(jié)構(gòu)裂縫等病害[3，4]；由于混凝土骨料配合比及緩凝劑級(jí)配不合理等原因，導(dǎo)致混凝土路面強(qiáng)度不足，通車(chē)后在車(chē)輛疲勞荷載作用下使得路面出現(xiàn)麻面、露骨、磨光等表面破損現(xiàn)象[5]；由于路面橫、縱縫填縫料破損未及時(shí)修補(bǔ)，表面雨水滲入基層，導(dǎo)致基礎(chǔ)強(qiáng)度不足產(chǎn)生路面錯(cuò)臺(tái)等變形損壞[6]。

因此，我國(guó)引入“白改黑”方法進(jìn)行路面改造[7]，其主要原理是將破壞的碎石層作為基層，再次鋪筑瀝青混凝土[8]。這種方法具有施工便捷、節(jié)約材料的優(yōu)點(diǎn)[9]。對(duì)此，相關(guān)學(xué)者也開(kāi)展了大量相關(guān)研究，徐柱杰[10]結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)及理論分析等方法評(píng)價(jià)了碎石化影響；李建法[11]闡述了共振碎石化施工工藝和施工質(zhì)量控制要點(diǎn)，研究均表明這種方法已成為國(guó)內(nèi)外最常用的路面改造方案，同時(shí)，也是應(yīng)用前景最為廣泛的一種工藝[12]。

綜上所述，現(xiàn)階段利用共振碎石化技術(shù)實(shí)現(xiàn)舊水泥路面“白改黑”的工程案例較多，但多側(cè)重于介紹施工流程及施工效果，缺乏對(duì)施工原理、方法、關(guān)鍵控制流程及綠色節(jié)能效果評(píng)價(jià)的系統(tǒng)化梳理，導(dǎo)致后期相關(guān)工程的直接借鑒作用有限。鑒于這一原因，本文以四川省道436線巡場(chǎng)至玉和二級(jí)公路升級(jí)改造工程項(xiàng)目為依托，詳細(xì)探究出一套系統(tǒng)化施工流程及技術(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)，旨在為我國(guó)類似舊水泥路面就地升級(jí)改造提供系統(tǒng)化技術(shù)借鑒，也為舊水泥路面的綠色低碳改造提出了新的途徑。

二、共振碎石化原理

共振碎石化原理是在共振設(shè)備中采用破碎錘對(duì)水泥板施加持續(xù)的高頻、低振幅振動(dòng)能量，使水泥板內(nèi)部均勻破碎[13]，如圖1所示。水泥板產(chǎn)生的裂縫與路面呈20°～60°角，共振碎石化后，碎塊間相互嵌鎖，大大提高了破碎后結(jié)構(gòu)的承載力。由于共振技術(shù)產(chǎn)生的沖擊力很小，基層仍可保持完整性，因此該工藝對(duì)水泥混凝土基層沒(méi)有任何損害。舊水泥混凝土路面共振破碎后的作用與碎石相似，可用作路面的柔性基層，在其上鋪設(shè)瀝青面層。

圖1 舊路面共振碎石化施工機(jī)理

三、舊水泥路面共振碎石化處理改造瀝青路面施工技術(shù)及流程

（一）工程案例概述

圖2 項(xiàng)目位置圖

四川省道436線巡場(chǎng)至玉和二級(jí)公路位于四川省宜賓市珙縣境內(nèi)。近年來(lái)，該公路路面出現(xiàn)縱橫向裂縫、斷板、破碎、沉降錯(cuò)臺(tái)、唧泥等病害，部分路段排水系統(tǒng)淤塞，路基排水不良，進(jìn)一步加速了道路破壞?，F(xiàn)有交通網(wǎng)絡(luò)已不能滿足珙縣發(fā)展要求，亟需開(kāi)展路面結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研踏勘發(fā)現(xiàn)，巡玉二級(jí)公路于2003年左右施行混凝土路面加鋪改造，選取了將軍坡至黑燈坳段k6+725～k7+525段（長(zhǎng)度800m）作為水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)共振碎石“白改黑”技術(shù)施工試驗(yàn)段。

（二）施工流程

1.施工前準(zhǔn)備

（1）施工前需調(diào)查舊路基礎(chǔ)資料、氣候條件、交通量、舊路技術(shù)狀況、沿線設(shè)施等，并處治原有路面。

（2）施工前需清除原有老舊水泥混凝土路面上的瀝青銑刨料和修補(bǔ)料，并將路面清洗干凈。針對(duì)原水泥板塊脫空、斷板的情況，用風(fēng)鎬破碎并移除水泥板中間的瀝青補(bǔ)塊。水泥板塊中間坑槽深度大于10cm的，用級(jí)配碎石回填，級(jí)配碎石回填區(qū)域?qū)⒉辉僮龉舱袼槭幚怼?/p>

（3）路面排水系統(tǒng)可能因步驟（2）發(fā)生堵塞現(xiàn)象，施工前需檢查水泥混凝土路面表面及中央隔斷的排水系統(tǒng)，對(duì)其疏通恢復(fù)，并重新按照設(shè)計(jì)要求砌筑路基邊緣碎石盲溝排水系統(tǒng)。

2.碎石化施工

（1）為保證破碎效果，利用共振設(shè)備對(duì)路面破碎兩遍，每一遍錘頭破碎寬度約0.2m～0.3m，按照先外側(cè)車(chē)道及路肩，后內(nèi)側(cè)車(chē)道的順序開(kāi)展破碎施工，為保護(hù)路側(cè)水溝，道路兩側(cè)預(yù)留30cm～50cm的距離，不進(jìn)行碎化處理。

（2）針對(duì)連續(xù)配筋混凝土或基層為素水泥混凝土等水泥面板強(qiáng)度過(guò)高或板塊過(guò)厚的路段，可適當(dāng)增大振動(dòng)頻率、增加激振力、降低行進(jìn)速度等施工參數(shù)，在破碎前采用打裂等其他手段對(duì)舊水泥混凝土面板實(shí)施預(yù)裂處理。

（3）施工后需及時(shí)對(duì)碎石化層質(zhì)量檢查驗(yàn)收，對(duì)局部彎沉檢測(cè)不合格的部位，采用水穩(wěn)碎石或貧混凝土換填處理，確?；鶎泳C合指標(biāo)符合規(guī)范要求。

四、舊水泥路面共振碎石化處理改造瀝青路面施工控制要點(diǎn)

（一）振動(dòng)力選取

利用國(guó)產(chǎn)GZL-600共振碎石機(jī)開(kāi)展“白改黑”共振碎石化施工，在大規(guī)模碎石化施工前，按照規(guī)定的基本施工技術(shù)參數(shù)規(guī)范在試驗(yàn)路段試振。開(kāi)挖試坑檢査，并利用取芯方式檢測(cè)破碎情況，通過(guò)顆粒篩分檢測(cè)碎石顆粒級(jí)配發(fā)現(xiàn)，破碎后顆粒均在碎石級(jí)配規(guī)范上下限內(nèi)，最終確定共振碎石機(jī)的施工參數(shù)為：共振碎石化施工頻率43Hz、振幅10mm。面板破碎效果較好，路面彎沉代表值在30左右（0.01mm），如圖3所示。

圖3 共振破碎層碎石級(jí)配圖

圖4 共振破碎層碎石取樣現(xiàn)場(chǎng)

（二）“白改黑”路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

破碎后的水泥混凝土路面強(qiáng)度降低，需加鋪結(jié)構(gòu)層。碎石化層驗(yàn)收合格后，根據(jù)水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則及破碎施工關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)，對(duì)珙縣二級(jí)公路將黑段展開(kāi)路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)方案如表1所示。

表1 路面結(jié)構(gòu)方案

五、舊水泥路面共振碎石化處理改造瀝青路面施工質(zhì)量檢測(cè)方法

（一）共振碎石施工質(zhì)量檢驗(yàn)方法

共振施工后的路面結(jié)構(gòu)力學(xué)特性對(duì)路面整體性能具有重要意義，因此，在共振碎石施工后要檢驗(yàn)施工質(zhì)量。以往研究多基于道路結(jié)構(gòu)力學(xué)分析路面材料和結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)不斷優(yōu)化，將路面力學(xué)行為與彈性理論相結(jié)合，使路面設(shè)計(jì)更具可靠性[14]。

瀝青面層的永久變形在路面車(chē)轍量計(jì)算中占重要地位[15]，特別是半剛性基層的瀝青路面，其瀝青路面的永久變形值往往占總車(chē)轍量的90%以上。經(jīng)過(guò)對(duì)國(guó)外幾種方法和國(guó)內(nèi)多種模型的比較，決定采用彈性層狀體系理論方法計(jì)算，按照多層彈性層狀體系理論編制的專用設(shè)計(jì)程序檢驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，包括瀝青混合料永久變形量驗(yàn)算、無(wú)機(jī)結(jié)合料層疲勞開(kāi)裂驗(yàn)算等。

（二）路面結(jié)構(gòu)層質(zhì)量檢驗(yàn)

1.瀝青混合料永久變形量驗(yàn)算

調(diào)研沿線氣候資料，查得項(xiàng)目區(qū)Tξ（基準(zhǔn)等效溫度）為21.5℃，計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的瀝青混合料層永久變形等效溫度TPEF=24.4℃?？煽慷认禂?shù)為1.65。通車(chē)至首次針對(duì)車(chē)轍維修的期限內(nèi)設(shè)計(jì)車(chē)道上的當(dāng)量設(shè)計(jì)軸載累計(jì)作用次數(shù)為1.260383×107；瀝青混合料層永久變形驗(yàn)算分層數(shù)N=7。利用彈性層狀體系理論，分別計(jì)算設(shè)計(jì)荷載作用下各分層永久變形量，結(jié)果如表2所示。

表2 瀝青混合料分層數(shù)及永久變形量

累加表2內(nèi)各層變形量，得到Ra=11.91mm（瀝青混合料層總永久變形量），規(guī)范中規(guī)定瀝青層容許永久變形為20mm，因此試驗(yàn)路面結(jié)構(gòu)滿足規(guī)范要求。

2.無(wú)機(jī)結(jié)合料層疲勞開(kāi)裂驗(yàn)算

根據(jù)彈性層狀體系理論，基層層底拉應(yīng)力為0.105MPa。通過(guò)計(jì)算得到無(wú)機(jī)結(jié)合料層層底拉應(yīng)力為0.199MPa。整理所搜集的氣候資料發(fā)現(xiàn)，工程所在區(qū)域的凍結(jié)指數(shù)F為0℃·日，季節(jié)性凍土地區(qū)調(diào)整系數(shù)Ka取1，溫度調(diào)整系數(shù)為0.883，現(xiàn)場(chǎng)綜合修正系數(shù)為-1.286。根據(jù)以上參數(shù)，通過(guò)專用設(shè)計(jì)程序計(jì)算得到無(wú)機(jī)結(jié)合料層底疲勞壽命為2.183074×109，當(dāng)量設(shè)計(jì)軸載累計(jì)作用次數(shù)為1.68955×109，路面結(jié)構(gòu)滿足規(guī)范要求。

六、結(jié)語(yǔ)

根據(jù)四川省道436線巡場(chǎng)至玉和段二級(jí)公路改造工程的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，選擇“白改黑”工藝對(duì)路面結(jié)構(gòu)開(kāi)展優(yōu)化設(shè)計(jì)，有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：

基于共振碎石施工的“白改黑”技術(shù)，其關(guān)鍵在于共振破碎機(jī)參數(shù)優(yōu)化調(diào)整，通過(guò)正交試振、開(kāi)挖探坑檢查、篩分試驗(yàn)等現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)手段，最終發(fā)現(xiàn)當(dāng)施工頻率為43Hz、振幅10mm時(shí)面板破碎效果最好；通過(guò)多層彈性層狀體系檢驗(yàn)路面結(jié)構(gòu)層質(zhì)量發(fā)現(xiàn)，“白改黑”施工工藝在滿足路面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)彎沉值和容許永久變形要求的同時(shí)，還能改善路面性能指標(biāo)；建立一套系統(tǒng)化施工流程及技術(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)，可為我國(guó)類似舊水泥路面就地升級(jí)改造提供系統(tǒng)化技術(shù)借鑒，也為舊水泥路面的綠色低碳改造開(kāi)辟了新途徑。