淺談共振碎石化技術(shù)在省道路面改造中的應(yīng)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(diǎn)位于沈海高速?gòu)?fù)線龍門互通與省道206 線交叉口處， 起點(diǎn)樁號(hào)K243+740，終點(diǎn)位于龍門鎮(zhèn)溪板村東面，終點(diǎn)樁號(hào)K247+840，路線長(zhǎng)4.1km。

現(xiàn)狀舊路路基寬16～25.5m， 行車道寬14～15.5m，原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為二級(jí)公路(設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限，舊路面病害較嚴(yán)重，必須對(duì)現(xiàn)有的水泥混凝土路面進(jìn)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(shè)計(jì)原則

路面設(shè)計(jì)根據(jù)交通量及其組成以及公路的使用功能、等級(jí)、特點(diǎn)、使用要求和所在地區(qū)的氣候、水文、地質(zhì)等自然條件及材料供應(yīng)情況、施工機(jī)具、勞力和施工技術(shù)條件等因素，結(jié)合地方路面設(shè)計(jì)、施工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行路面綜合設(shè)計(jì)，并本著技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、安全適用、環(huán)境協(xié)調(diào)、合理選材、方便施工、利于養(yǎng)護(hù)原則進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和驗(yàn)算。

2.2 原路面的結(jié)構(gòu)組成

現(xiàn)狀水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)為22cm 水泥混凝土面層+15cm5%水泥穩(wěn)定碎石基層+20cm 手?jǐn)[片石底基層，于1995 年交工。

2.3 舊水泥混凝土路面狀況調(diào)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(duì)水泥混凝土路面進(jìn)行充分的調(diào)查，是合理進(jìn)行瀝青加鋪層設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

本項(xiàng)目對(duì)水泥混凝土路面板重點(diǎn)調(diào)查破碎板塊、開裂板塊、板邊角的破損狀況，并逐個(gè)記錄破損板塊的位置和數(shù)量，調(diào)查縱、橫向接縫拉開寬度、錯(cuò)臺(tái)位置與高度，結(jié)合彎沉檢測(cè)數(shù)據(jù)調(diào)查板底脫空位置，按現(xiàn)行的《公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行病害種類、范圍及程度的評(píng)價(jià)和分級(jí)。

經(jīng)調(diào)查評(píng)定， 本項(xiàng)目斷板率為5.1%， 為中級(jí)；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(shù)為59.2%，評(píng)定為次級(jí)。

2.4 路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.4.1 交通量計(jì)算

路面設(shè)計(jì)以 《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50-2006)為依據(jù)，本項(xiàng)目為二級(jí)公路，路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限12 年，采用軸重為100kN 的單軸-雙輪組荷載為設(shè)計(jì)軸載。 根據(jù)計(jì)算，累計(jì)當(dāng)量軸次2.485×107(次/車道)，屬重交通等級(jí)。

2.4.2 路面結(jié)構(gòu)方案選定

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

(1)方案一(碎石化后加鋪)

圖3 方案一路面結(jié)構(gòu)

本方案每平方米造價(jià)272.2 元。

(2)方案二(補(bǔ)強(qiáng)后加鋪)

圖4 方案二路面結(jié)構(gòu)

本方案每平方米造價(jià)286.8 元。

(3)改造方案的選定

方案一： 優(yōu)點(diǎn)是能徹底消除舊水泥混凝土板裂縫反射的問題，造價(jià)比方案二低14.6 元/平方米，后期養(yǎng)護(hù)費(fèi)用較低；缺點(diǎn)是部分利用舊路面強(qiáng)度，加鋪厚度比方案二高1.5cm。

方案二：優(yōu)點(diǎn)是完全利用舊路面強(qiáng)度，加鋪厚度比方案一少1.5cm；缺點(diǎn)是造價(jià)比方案一高，對(duì)舊水泥混凝土路面整治補(bǔ)強(qiáng)(板底脫空)要求較高，不能完全避免反射裂縫的出現(xiàn)，后期養(yǎng)護(hù)費(fèi)用較高。

根據(jù)使用要求及舊水泥混凝土路面的評(píng)定結(jié)果，綜合考慮加鋪結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性、合理性及可行性，路面改造采用方案一。

2.4.3 路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)控制參數(shù)

(1)回彈模量

根據(jù) 《舊水泥混凝土路面碎石化技術(shù)應(yīng)用指南》，碎石化層回彈模量建議取值范圍為150～500MPa，本項(xiàng)目初擬碎石化層經(jīng)碾壓后回彈模量(靜態(tài))應(yīng)大于240MPa。 對(duì)于實(shí)測(cè)彎沉值≥100(0.01mm)的應(yīng)確定其周圍界限并根據(jù)路基是否存在病害等現(xiàn)場(chǎng)情況， 采用換填法或水泥注漿法進(jìn)行局部處理直至達(dá)到設(shè)計(jì)要求(彎沉值＜100)。

(2)路面設(shè)計(jì)彎沉值

本項(xiàng)目采用《公路路面設(shè)計(jì)程序系統(tǒng)》(HPDS2011)進(jìn)行計(jì)算，路面設(shè)計(jì)彎沉值35.0(0.01mm)。

2.5 碎石化設(shè)計(jì)要點(diǎn)

本項(xiàng)目要求采用共振碎石化技術(shù)， 碎石化機(jī)械宜選用柔性懸浮式共振破碎機(jī)。

2.5.1 碎石化施工質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

(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(nèi)；破碎粒徑大部分在15.2cm 以內(nèi)，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(jí)配

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

2.5.2 碎石化施工控制要點(diǎn)

(1)試驗(yàn)路段試振

①試振區(qū)設(shè)置

試振區(qū)長(zhǎng)度宜在200～300m 之間， 試振區(qū)寬度為單向路幅寬。 試振工作應(yīng)按照共振碎石化施工工藝流程完整執(zhí)行一遍，以確定正式施工時(shí)的施工參數(shù)。

②試驗(yàn)施工參數(shù)

試驗(yàn)施工參數(shù)應(yīng)根據(jù)相關(guān)施工經(jīng)驗(yàn)， 逐級(jí)調(diào)整破碎參數(shù)，分區(qū)域?qū)υ囼?yàn)路段進(jìn)行共振碎石化施工，并對(duì)每個(gè)區(qū)域采用的施工參數(shù)進(jìn)行記錄。在破碎完成后，應(yīng)在每個(gè)試振小區(qū)域的中央部位開挖檢查坑1～2 個(gè)， 檢查坑通常為1.2m(長(zhǎng))×1.2m(寬)×h(水泥混凝土面板厚度)，整個(gè)試驗(yàn)路段的檢查坑不應(yīng)少于3 個(gè)。 對(duì)各檢查坑處的破碎層各深度粒徑以及破碎層模量進(jìn)行檢測(cè)， 取粒徑級(jí)配和模量均滿足要求區(qū)域的施工參數(shù)作為正式施工參數(shù)。 在大面積碎石化施工過程中， 施工參數(shù)可根據(jù)路面實(shí)際狀況及時(shí)微調(diào)。若路段狀況發(fā)生較大改變，應(yīng)會(huì)同現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)理工程師對(duì)參數(shù)及時(shí)作出調(diào)整。

(2)施工流程

共振碎石化施工應(yīng)按圖5 所示施工工藝流程精心組織，有序進(jìn)行。

(3)施工要求

①施工順序應(yīng)由外側(cè)車道邊緣開始向內(nèi)進(jìn)行破碎，若相鄰車道沿縱縫進(jìn)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(jì)， 破碎第二遍時(shí)的破碎區(qū)域應(yīng)間隔第一遍破碎區(qū)域2～5cm。

③共振碎石化一個(gè)車道的過程中， 實(shí)際破碎寬度應(yīng)超出一個(gè)車道， 與相鄰車道搭接部分寬度不得少于15cm。

④對(duì)于共振碎石化施工路段內(nèi)的構(gòu)造物及標(biāo)定的沿線敏感建筑物，在施工期間應(yīng)派人進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察，一旦發(fā)現(xiàn)開裂現(xiàn)象應(yīng)立即停止施工，并向監(jiān)理單位、業(yè)主報(bào)告，經(jīng)調(diào)查分析原因并采取相應(yīng)的保護(hù)措施后方可繼續(xù)施工。

(4)破碎層清理與保護(hù)

①在進(jìn)行破碎層碾壓前，應(yīng)對(duì)破碎層進(jìn)行清理，以保證碾壓后破碎層的強(qiáng)度及穩(wěn)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(yīng)移除整片鋼筋，否則應(yīng)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(yīng)予以清除，并采用連續(xù)型級(jí)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(yán)禁通行與施工無(wú)關(guān)的車輛，同時(shí)還應(yīng)控制施工車輛通行次數(shù)，禁止車輛隨意在破碎層上剎車與啟動(dòng)。若共振碎石化施工后不能隨即碾壓、攤鋪時(shí)，應(yīng)充分做好防雨工作，以免雨水侵入，同時(shí)應(yīng)確保設(shè)置的路面邊緣排水系統(tǒng)能正常工作， 一旦經(jīng)歷降雨應(yīng)待破碎層及原基層疏干后方可進(jìn)行后續(xù)碾壓和攤鋪施工。

(5)破碎層碾壓

破碎層碾壓應(yīng)按初壓、復(fù)壓、終壓三個(gè)階段進(jìn)行。 分別采用鋼輪振動(dòng)壓路機(jī)、輪胎壓路機(jī)及鋼輪振動(dòng)壓路機(jī)。

直線和不設(shè)超高的平曲線段， 應(yīng)由兩側(cè)向路中心碾壓；設(shè)超高的平曲線段，應(yīng)由內(nèi)側(cè)向外側(cè)進(jìn)行碾壓。 碾壓時(shí)的注意事項(xiàng)如下：

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

②采用振動(dòng)壓路機(jī)碾壓時(shí)相鄰碾壓帶應(yīng)重疊100～200mm 的碾壓寬度。

③為加強(qiáng)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(duì)于實(shí)測(cè)彎沉值≥100(0.01mm)的應(yīng)確定其周圍界限并根據(jù)路基是否存在病害等現(xiàn)場(chǎng)情況， 采用換填法或水泥注漿法進(jìn)行局部處理直至達(dá)到設(shè)計(jì)要求(彎沉值＜100)。

②脫空路段

脫空路段的處理主要針對(duì)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(nèi)的區(qū)域，應(yīng)選用瀝青碎石回填；

b) 若豎向位移超過10cm，10cm 以下部分應(yīng)選用連續(xù)型級(jí)配碎石進(jìn)行回填，10cm 以上部分應(yīng)選用瀝青碎石回填。

3 路面碎石化的施工

本項(xiàng)目2013 年5 月完成施工圖設(shè)計(jì)，2013 年8 月開工，年底建成通車。

3.1 碎石化機(jī)械的選擇

根據(jù)設(shè)計(jì)文件要求，本項(xiàng)目碎石化機(jī)械選用GZL600型共振破碎機(jī)(圖6)，其主要技術(shù)參數(shù)詳見表1。

圖6 共振破碎機(jī)

表1 主要技術(shù)參數(shù)

3.2 路面改造方案的驗(yàn)證

3.2.1 試驗(yàn)段碎石化層回彈模量

本項(xiàng)目的試驗(yàn)段長(zhǎng)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(jīng)碾壓后(見圖7)的彎沉值采用貝克曼梁法進(jìn)行檢測(cè)，共測(cè)60點(diǎn)(見表2)。 經(jīng)計(jì)算， 實(shí)測(cè)碎石化層頂面計(jì)算彎沉值76(0.01mm)，當(dāng)量回彈模量為215.8MPa。

圖7 破碎碾壓后現(xiàn)場(chǎng)圖片

3.2.2 路面結(jié)構(gòu)的驗(yàn)算和調(diào)整

本項(xiàng)目路面改造采用動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)， 由于實(shí)驗(yàn)段碎石化層頂面的當(dāng)量回彈模量小于設(shè)計(jì)初擬值， 故按實(shí)測(cè)值進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)驗(yàn)算，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整后的ATB-25 最小厚度按11cm 控制。交工驗(yàn)收彎沉值LS=31.8(0.01mm)。

3.2.3 完工后交工驗(yàn)收彎沉值

本項(xiàng)目的瀝青路面施工于2013 年底完工，2014 年6月交工驗(yàn)收時(shí)采用貝克曼梁法對(duì)全線路表彎沉值進(jìn)行檢測(cè)， 共測(cè)1080 點(diǎn)， 經(jīng)計(jì)算， 實(shí)測(cè)路面的彎沉代表值31(0.01mm)，小于交工驗(yàn)收彎沉值，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2.4 完工5 年后路面情況

2019 年5 月采用到現(xiàn)場(chǎng)目視檢查及詢問養(yǎng)護(hù)人員的方法對(duì)瀝青路面改造效果進(jìn)行調(diào)查了解， 結(jié)果是瀝青路面在通車5 年半后未出現(xiàn)反射裂縫、 路面結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定、使用狀況良好。 現(xiàn)場(chǎng)圖片見圖8。

圖8 路面改造后圖片

4 結(jié)語(yǔ)

(1)共振碎石化技術(shù)是目前解決路面改造后出現(xiàn)反射裂縫問題的最有效方法，具有就地再生，環(huán)保無(wú)污染、施工簡(jiǎn)便，改造周期短等優(yōu)點(diǎn)，但由于僅部分利用舊路面強(qiáng)度，與舊路面補(bǔ)強(qiáng)后直接加鋪方案比較，只有當(dāng)路面損壞較嚴(yán)重(斷板率+板底脫空大于30%以上)時(shí)采用，才能取得較好的經(jīng)濟(jì)效益。

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

(3)由于不同項(xiàng)目的舊水泥混凝土路面病害程度的不同， 設(shè)計(jì)階段碎石化后回彈模量的取值與施工后的實(shí)際值存在偏差， 為保證路面加鋪的技術(shù)可行性及經(jīng)濟(jì)合理性， 采用碎石化技術(shù)進(jìn)行路面改造的加鋪層結(jié)構(gòu)應(yīng)采用動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)。

(4)由于舊水泥混凝土路面的差異性，碎石化施工應(yīng)強(qiáng)調(diào)進(jìn)行試驗(yàn)段施工，取得碎石化后的粒徑分布情況、強(qiáng)度及均勻性，找出能夠滿足要求的施工控制參數(shù)，指導(dǎo)全路段施工。