浅谈共振碎石化技术在道路白改黑中的应用与设计要点

浅谈共振碎石化技术在道路白改黑中的应用与设计要点

周浩

上海瑞桥土木工程咨询有限公司  上海 200082

摘要：针对共振碎石化技术在水泥混凝土路面改沥青混凝土路面中的应用，本文以“章练塘路（蒸庄路-朱枫公路）维修工程”为例分析了共振碎石化技术的优缺点，得出了哪些情况下能够应用共振碎石化技术对水泥混凝土路面进行白改黑改造的结论。

关键词：共振碎石化、白改黑

1、前言

由于水泥混凝土路面具有刚度大、强度高、使用年限长以及造价相对便宜等优点，自20世纪70年代起，我国的大量道路均采用水泥混凝土作为路面材料。目前大量的水泥混凝土路面已经趋近或者超过设计年限，随着生活水平提高，交通量快速增长，车辆轴载日益加重，现状水泥路面出现了大量的道路破损、品质下降的情况，并且由于水泥混凝土存在纵缝、横缝等缝隙，车辆行驶过程中平整度不佳且噪音较大，因此水泥混凝土路面已不太能满足当下社会环境的出行需求，现存的水泥混凝土路面都面临着“白改黑”的问题。

目前“白改黑”的方式大体分为两种：翻挖新建和加铺罩面。翻挖新建方案虽然工艺成熟简单，但是无法利用老路混凝土，施工过程中会出现大量废料，同时施工周期长，噪音扬尘大，综合造价高。相比之下，加铺罩面方案则有低造价、施工快的特点，因此在早期修建的水泥混凝土路面上直接加铺沥青结构成为了使用较多的方法，这种做法通常被成为“白加黑”。

而“白加黑”常用的做法又可细分为以下几种：

①将老路的混凝土板块进行简单处理，如聚酯玻纤布贴缝、乳化沥青灌缝、板底注浆、板角修复等，然后直接加罩沥青面层；

②将老路的混凝土板块进行破碎，破碎后在其上摊铺如水稳、ATB等基层材料后加罩沥青面层；

③将老路的混凝土板块进行共振碎石化处理，然后直接加罩沥青面层。

本文将主要阐述“共振碎石化”这项技术，并且通过“章练塘路（蒸庄路-朱枫公路）维修工程”这个具体工程将共振碎石化技术与其他几种方案进行对比，分析其优缺点以及适用条件。

2、“共振碎石化”技术简介

共振碎石化技术起源于国外，在美国、欧洲等几十个国家从上世纪 80 年代至今取得了广泛应用。于2005 年引进中国，在上海、浙江、江西、福建、海南、四川、 广西、江苏、湖南、安徽等地进行使用，累计完成超过 5000万㎡的工程量。已证明共振碎石化技术的成熟性、可靠性以及适用性。

目前国内主要采用的共振碎石化技术是“梁式共振”，其原理是利用共振梁的共振，实现稳定的高频率，低的振动幅度，同时又具有足够冲击动能的破碎。将共振解读为在水泥板块共振频率条件下破碎是一种错误的解读，板块共振频率与板块尺寸、板块厚度、板块混凝土弹性模量以及土基的反应模量等条件相关。所以不同的水泥路面，其共振频率是不同的，并且施工过程中随着板块尺寸的变化，其共振频率也是变化的。因此在板块共振频率的条件下实现共振破碎是没有科学依据的错误解释。事实上共振碎石化技术不依靠蛮力破碎水泥混凝土板块，而是通过达到激振力与板块固有频率的最佳组合，使水泥混凝土板块共振开裂，且能够达到裂而不碎的效果，而实现这一目标的关键技术在于“共振梁的调谐作用”，共振梁的调谐原理是由激振器产生的激振力通过共振梁调幅、调频后将振动能量传递给破碎锤头，使激振频率与激振力度达到破碎板块的最佳组合，使锤头在接近水泥面板固有频率的条件下激振破碎。

水泥板块在进行了共振碎石化后，可将破碎层划分为松散层和嵌锁层两层。 破碎粒径自上而下由小变大，粒径主要分布在3cm～20cm范围内。上层松散层粒径在0～6cm范围内，粒径相对较小，呈现出相对松散的状态，类似于级配碎石，松散层可以起到释放应力的作用，防止加铺沥青面层后反射裂缝的产生；下层为嵌锁层，粒径集中在5～20cm的块状粒料，其呈现出斜向嵌锁状态，破裂角在30°～60°范围内，嵌锁层裂而不散，强度很高，保证道路结构的整体强度。在松散层跟嵌锁层的结合下，共振碎石化技术同时实现了消除加铺层反射裂缝的出现以及尽可能保证道路整体结构强度这两个目标。

3、章练塘路维修工程概况

3.1、道路简介

章练塘路（蒸庄路~朱枫公路）维修工程位于上海市青浦区，工程东起章练塘路蒸庄路交叉口，西至章练塘路朱枫公路交叉口，维修道路全长约1572m，现状道路宽度为29m，断面为四快两慢布置，具体布置为：1m路肩+3.5m非机动车道+2m机非分隔带+16.0m机动车道+2m机非分隔带+3.5m非机动车道+1m路肩=29m道路宽度，道路等级为二级公路。

3.2、路况调研

结合现场踏勘及路况调研资料，章练塘路现状路面全线为水泥混凝土路面，现状道路结构为水泥混凝土面层+粉煤灰三渣基层的组合。随着周边经济的发展，车流量的增加，现状混凝土板块已经出现了大量的病害。

①路面破损状况指数PCI评价

路面破损状况指数PCI可以反应出路面的破损状况，根据路况检测资料，将章练塘路分为上下行共计12段进行PCI评价，其中差的评价占了8段，其余四段为中次评价，说明现状道路病害很多，急需维修。

②路面平整度指数RQI评价

路面平整度指数RQI可以反应出道路的平整状况，根据路况检测资料，将章练塘路分为上下行共计8段进行RQI评价，其中5段为中，3段为良，整体平整度评价尚可，说明道路基层损坏不严重，病害多数集中于路面系，所以道路整体起伏不多，平整度尚可。

③板底脱空评价

根据检测资料提供水泥板块接缝FWD脱空判别结果得出结论，章练塘路整体板块脱空情况尚可，说明基层状况尚可，呼应了平整度指数评价的结论。

根据以上检测结果得出结论，章练塘路混凝土面层病害数量非常多，但是基层状况尚可。

3.3、设计要点

由于章练塘路混凝土路面破损严重，并且道路周边随着经济发展已经趋近城镇化，周边环境对于出行品质以及噪音控制等有了更高的要求，因此维修方案的大方向为“白改黑”，需要将混凝土路面变为沥青路面。

首先考虑最为简单彻底的方案，即翻挖新建，将老路整体翻挖重新进行结构设计。根据检测报告得知，该道路主要病害集中于路面系，基层状况尚可，若采用整体翻挖的方案，需要将老路良好的基层也一同挖除，造成了严重的浪费，并且老路基础在长期的荷载作用下已经达到了较为稳定状态，翻挖反而会破坏这种稳定，因此首先排除整体翻挖的方案。

排除了整体翻挖的方案后只剩下“白加黑”的方案可选，在保留老路基础的前提下进行沥青结构的加罩。上文提出了三种常用的“白加黑”方案，因此需要对三种方案进行比选，得出最合适的方案。

4、方案比选

首先需对三种常用方案的优缺点进行分析。

①直接加罩沥青面层的方案

优点分析：该方案工艺最为简单，将老路板块进行一定程度的维修后直接加罩沥青面层，施工速度极快，工程造价较低，施工过程对周边居民的影响很小。

缺点分析：由于该方案没有对原混凝土路面进行特殊的处理，温度的变化会导致原混凝土板进行收缩，汽车驶过原混凝土板的板缝、接缝、裂缝，会使得缝隙附近的沥青混凝土材料内产生应力集中，从而快速产生所谓的反射裂缝。

结论：此方案适用于整体板块较为良好的混凝土路面，现状章练塘路板块病害很多，路面上有很多裂缝，采用此方案必将快速产生大量反射裂缝，因此该方案不适合用于本工程。

②将老路的混凝土板块进行破碎，破碎后在其上摊铺如水稳、ATB等基层材料后加罩沥青面层

优点分析：该方案将老路混凝土破碎后加罩基层材料，能进一步加强道路整体的承载能力。

缺点分析：该方案不仅要加罩沥青面层，还需加罩基层材料，整体道路标高会有较大的提升，且基层材料需要进行养护，施工周期长，混凝土路面破碎过程中会对周边居民产生较大的影响。

结论：此方案适用于道路周边居民不多的路段，章练塘路周边已经趋于城镇化，周边有大量民宅，此方案施工过程会对周边带来较大的影响，并且根据路况检测资料，章练塘路路基状况较好，整体承载力尚可，无需进一步提升，因此该方案也并不很适合于本工程。

③将老路的混凝土板块进行共振碎石化处理，然后直接加罩沥青面层。

优点分析：此方案施工速度快，周期短，共振碎石化破碎板块时能达到2-3km/h每车道，正常情况能破碎约3000㎡每天，并且能实现当天破碎当天摊铺沥青，处理后的路面承载力良好，并且不会产生反射裂缝。

缺点分析：此方案对施工工艺要求较高，需要专业的共振碎石化设备进行操作。

结论：此方案施工周期短，共振碎石化相较于常规的板块破碎，不会对周边居民产生影响，由于老路基层承载力尚可，因此共振碎石化处理后，道路整体承载力也没有问题，最为重要的是此方案不会产生反射裂缝，因此该方案最为适合本工程，但是需注意施工的工艺要求，严格按照施工规范进行操作。

5、维修方案的确定

通过对几种常用“白加黑”方案的对比分析，本工程确定采用共振碎石化技术进行维修。由于路面系病害较多，在进行工程碎石化之前需要对破损较为严重的板块进行一定程度的维修，这样才能保证工程碎石化后整体的强度以及平整度。

对于仅存在裂缝的板块无需维修，主要是对存在破碎凹陷的板块进行维修，对于这类板块最好进行换板处理后再进行共振碎石化处理。

最终本工程维修方案确定为：先将破损严重板块进行维修，然后整体进行共振碎石化处理，最后直接加罩8cmAC-25C粗粒式沥青混凝土+4cmAC-13C细粒式沥青混凝土。

6、结论

本文通过对共振碎石化技术的分析，结合“章练塘路维修工程”白色路面改造为黑色路面的过程进行研究，得到以下几点结论：

1、共振碎石化技术相较于其他白改黑方案存在较多优势，如不易产生反射裂缝，施工速度快，施工时对周边产生的影响较小等；

2、采用共振碎石化技术对老路结构有一定的要求，老路路基状况较好的路段使用该技术较为合适；

3、白改黑过程中需对老路以及周边情况进行仔细的研究后根据不同的情况制定最为合适的方案。

7、参考文献

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[2] CJJ 169-2012, 城镇道路路面设计规范[S].

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[4] DG/TJ 08-2095-2012, 公路技术状况评定规程[S].

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