關(guān)維溢，呂瑞東，楊峻峰

(1. 佛山市建盈發(fā)展有限公司，廣東 佛山 528099；2. 長沙理工大學(xué)交通運輸工程學(xué)院，長沙 410114)

0 概述

水泥混凝土路面病害不僅降低了道路的使用壽命，而且對行車安全性和舒適性大為不利[1]，故有必要進行提質(zhì)改造。而直接加鋪瀝青面層往往在數(shù)年時間內(nèi)就會產(chǎn)生反射開裂等病害問題，因而目前通常采用舊水泥混凝土路面板破碎處治技術(shù)再加鋪瀝青面層的方案進行提質(zhì)改造[2-3]。

常用的路面板破碎處治方法主要有打裂壓穩(wěn)、沖擊壓實和碎石化等，而碎石化技術(shù)由于破碎更加均勻、在長期使用過程中不易產(chǎn)生反射裂縫等優(yōu)勢得到廣泛應(yīng)用[4]。碎石化技術(shù)包括多錘頭碎石化和共振碎石化，而共振碎石化由于破碎粒徑均勻、破碎深度可控、破碎層嵌擠效果好且對周邊結(jié)構(gòu)物影響較小等特點，近年來在我國舊水泥混凝土路面改造工程中應(yīng)用廣泛[5-6]。李豪[7]等研究表明：共振碎石化相比于多錘頭碎石化更適合于交通量大、重載交通多和易產(chǎn)生反射裂縫的工程。CHEN[8]等應(yīng)用表面波法和FWD法對愛荷華州16條公路進行了檢測，表明共振碎石化處治加鋪瀝青面層可以減少反射裂縫的產(chǎn)生。張恒德[9]基于南京市楊茆線的舊水泥混凝土路面改造工程，提出了共振碎石化層的施工注意事項，并對瀝青面層的平整度和滲水系數(shù)進行了檢驗。金伯軍[10]等基于S320線的共振碎石化施工效果，總結(jié)了共振碎石化的技術(shù)特點和優(yōu)勢。楊順家[11]等基于ABAQUS軟件分析了共振碎石化瀝青加鋪結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵設(shè)計要素。相關(guān)學(xué)者也對共振破碎機的結(jié)構(gòu)參數(shù)和振動機理等方面進行了研究，分析了各參數(shù)對設(shè)備共振頻率的影響[12-13]。

共振碎石化技術(shù)在我國已得到廣泛的應(yīng)用，但針對南方高溫多雨地區(qū)的共振碎石化及其瀝青加鋪層的施工關(guān)鍵技術(shù)及質(zhì)量評價，還有待進一步深入研究。為此，本文依托佛山一環(huán)西拓的舊路改造工程，進行南方高溫多雨地區(qū)共振碎石化瀝青加鋪路面的關(guān)鍵技術(shù)研究，并通過試坑開挖、顆粒篩分、PFWD模量檢測和室內(nèi)CBR試驗等對共振碎石化層施工質(zhì)量進行評價，同時對瀝青加鋪層性能進行檢測分析，驗證該技術(shù)的應(yīng)用效果，以期為后續(xù)類似工程提供參考。

1 舊水泥混凝土路面瀝青加鋪方案設(shè)計

1.1 工程概況

佛山一環(huán)西拓工程是佛山市加強西部地區(qū)與發(fā)達地區(qū)相聯(lián)系、促進產(chǎn)城融合和經(jīng)濟發(fā)展的重點工程。該工程主要通過現(xiàn)有道路網(wǎng)進行舊路改造和局部新建，設(shè)計總里程110.8km，采用一級公路標(biāo)準(zhǔn)，并兼顧城市道路的功能。試驗段選取楊西大道K21+970～K23+000段，全長1 030m，原有路面為水泥混凝土路面，結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。路基寬110 m，半幅主路4條車道+輔路2條車道。自2013年9月建成以來，右幅因未驗收而未通車，但左幅作為高明區(qū)的交通咽喉承擔(dān)著繁重的交通壓力，路段交通量以小汽車和貨車為主，設(shè)計使用年限內(nèi)設(shè)計車道的預(yù)計累計標(biāo)準(zhǔn)軸載作用次數(shù)高達5.1×107次，屬于特重交通等級。由于交通量大且多為重載交通，舊水泥混凝土路面板已出現(xiàn)裂縫、錯臺、板底脫空和斷板等多種病害，亟需進行舊路改造，以提升行車舒適性和安全性，滿足日益增長的交通需求。

圖1 舊水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)

1.2 舊路面使用狀況評價

為了確定合理的舊水泥混凝土路面改造方案，通過目測、車載檢測設(shè)備、探地雷達和室內(nèi)試驗等方法對試驗段的舊水泥混凝土路面板進行了檢測評定，并評價了其使用狀況，包括路面損壞狀況指數(shù)(PCI)、路面行駛質(zhì)量指數(shù)(RQI)、路面跳車指數(shù)(PBI)和路面磨耗指數(shù)(PWI)，以及斷板率(DBL)、板底脫空率(TKL)和芯樣彎拉強度(fr)等。同時以指標(biāo)權(quán)重wPCI∶wRQI∶wPBI∶wPWI=0.5∶0.3∶0.1∶0.1計算路面技術(shù)狀況指數(shù)(PQI)，從而對左右兩幅路面的使用狀況分別進行了綜合評定，檢測結(jié)果見表1。

表1 舊路面使用狀況檢測結(jié)果

由表1可知：右幅路面由于未通車，各項指標(biāo)均評定為優(yōu)，路面技術(shù)狀況總體達到優(yōu)等；板底基本未出現(xiàn)脫空狀況，芯樣彎拉強度也滿足規(guī)范要求。左幅路面由于車流量大且重載車輛多，路面使用狀況衰減明顯，RQI評定為良，DBL和PBI評定為中，PCI和PWI評定為次，最終PQI結(jié)果評定為中；同時板底脫空率也較高，但芯樣彎拉強度滿足技術(shù)要求。綜合路段結(jié)果可以得到：整體路段PQI結(jié)果評定為良，芯樣彎拉強度左右幅路面相差不大，相比于規(guī)范要求的5.0MPa高出50.4%，表明路段整體服役性能已經(jīng)明顯下降，路面病害較多，但路面結(jié)構(gòu)承載能力較強。

1.3 舊路面病害成因分析

根據(jù)路面使用狀況評價結(jié)果和路段設(shè)計及交通量資料，對舊水泥混凝土路面進行了病害成因分析，主要有以下幾個方面：

(1)試驗段在使用期間由于重載交通較多，對交通量預(yù)估不足，加之路段僅有左幅開放交通，使得左幅路面承受了雙倍的交通量，導(dǎo)致舊面板出現(xiàn)裂縫和破碎板等病害；同時路段基層采用水泥穩(wěn)定石粉，其強度不足而影響路面結(jié)構(gòu)承載能力，導(dǎo)致開裂。

(2)路段板間填縫料缺失嚴(yán)重，接縫多被砂石填充，導(dǎo)致板塊熱脹受限而出現(xiàn)拱脹破壞；同時東南濕熱區(qū)年降水量大，加之路段排水系統(tǒng)不完善，雨水沿接縫下滲，導(dǎo)致板底脫空、唧泥等病害產(chǎn)生，在車輛荷載作用下發(fā)展為錯臺、開裂和斷板等嚴(yán)重病害。

(3)路段施工均勻性較差，探地雷達的檢測結(jié)果表明：水泥混凝土面板的厚度均值雖然達到30.2cm，但代表值為28.7cm，厚度合格率僅為72.7%，路面板厚度均勻性較差且部分不滿足設(shè)計厚度要求，造成板塊產(chǎn)生應(yīng)力集中，進而導(dǎo)致開裂及斷板等病害。

1.4 共振碎石化瀝青加鋪路面結(jié)構(gòu)

根據(jù)舊水泥混凝土路面的使用狀況評價和病害成因分析結(jié)果，經(jīng)論證確定采用共振碎石化技術(shù)進行處治，并在其上直接加鋪瀝青面層進行提質(zhì)改造，結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。該改造方案不僅可以充分利用承載力良好的舊路面板破碎形成共振碎石化基層，提高行車舒適性和安全性，而且可以減少開挖換填的工作量，節(jié)約建設(shè)成本，同時解決了廢料處置問題，滿足綠色交通的發(fā)展需要。

圖2 共振碎石化瀝青加鋪路面結(jié)構(gòu)

2 共振碎石化瀝青加鋪施工

2.1 施工工藝

共振碎石化設(shè)備采用RPB-GP60高頻共振破碎機，其工作頻率范圍高于國外同類設(shè)備，適合于我國剛度較大的半剛性基層水泥混凝土路面的破碎。根據(jù)試驗段加鋪方案，路段改造的施工工藝主要包括施工前準(zhǔn)備、共振碎石化施工及瀝青加鋪層施工等階段，主要工藝流程如圖3所示。

圖3 共振碎石化及其瀝青加鋪層施工工藝

具體的施工工藝：

(1)舊路面清理和構(gòu)筑物的標(biāo)識：對于舊水泥混凝土路面，應(yīng)進行必要的清理和處治，包括破碎板的開挖換填、瀝青補塊的銑刨處理、排水系統(tǒng)的修復(fù)和路面板清潔等，同時要對道路沿線的井蓋、箱涵和樁基等構(gòu)筑物進行標(biāo)識，以避免施工過程損壞構(gòu)筑物。

(2)隔振溝和應(yīng)力釋放渠的設(shè)置：對于井蓋等一般構(gòu)筑物采取漏振措施，在其周圍預(yù)留不小于0.5m的施工間距；對于箱涵等重要構(gòu)筑物需在其周圍設(shè)置隔振溝，深度一般不小于0.8m、寬度不小于0.1m；挖除道路兩側(cè)的路緣石作為應(yīng)力釋放渠，以保證共振破碎過程中的側(cè)向應(yīng)力釋放。

(3)共振破碎施工：通過試振段的破碎效果確定共振碎石化施工的各項參數(shù)，實際最終選用的施工參數(shù)為錘頭振幅16mm，錘距14～16mm，共振頻率48～50Hz，工作速度1.1～1.2km/h，據(jù)此對全段進行共振碎石化施工。

(4)碎石化層的清理與碾壓：路面板破碎完成后應(yīng)進行清理與處治，包括瀝青填縫料的清除、隔振溝的回填夯實及未均勻破碎區(qū)域的換填壓實等，保證碎石化層的局部差異沉降不超過2cm和頂面模量不小于200 MPa。然后對其表面灑水4～5遍，待碎石化層被充分浸潤后開始碾壓施工。初壓采用12t雙鋼輪壓路機靜壓1遍，復(fù)壓采用22t單鋼輪壓路機振壓3遍及終壓靜壓2遍。碾壓完成后，立即灑布第1層1.0kg/m2乳化瀝青透層，保證表層結(jié)構(gòu)的板結(jié)和密封。

(5) 瀝青加鋪層施工：灑布第2層1.0 kg/m2透層乳化瀝青，再撒布1cm的同步碎石封層，完成普通ATB-25下面層施工，其同時也作為共振碎石化調(diào)平層使用。接著在下面層上逐層完成中、上面層的鋪筑，從而形成共振碎石化瀝青加鋪路面。

2.2 施工質(zhì)量

施工完成后，對舊水泥混凝土路面共振碎石化層進行了試坑開挖、顆粒篩分、強度檢測和室內(nèi)CBR試驗，評價其施工質(zhì)量。

2.2.1 試坑開挖檢測

為了檢查舊水泥混凝土面板破碎及水泥穩(wěn)定石粉基層的擾動狀況，隨機開挖了2個1 m×1m大小的試坑，如圖4可見。由圖4可見：共振碎石化層的粒徑從上至下逐漸增大，上部10 cm厚度范圍形成頂面碎粒層和上部松散層，下部20 cm范圍形成下部嵌鎖層。上部結(jié)構(gòu)已經(jīng)完全破碎為富有棱角的粒料，主要依靠顆粒自身強度和內(nèi)摩擦角形成結(jié)構(gòu)強度；下部結(jié)構(gòu)板結(jié)良好，只是出現(xiàn)約45°的斜裂縫，主要通過塊體嚙合嵌鎖使連通裂縫很好地發(fā)揮“拱效應(yīng)”并提供足夠的承載能力。同時，水泥穩(wěn)定石粉基層整體結(jié)構(gòu)良好，未出現(xiàn)松散、裂縫和碎裂等破壞，表明共振碎石化施工過程中未出現(xiàn)過振現(xiàn)象，舊基層可以為路面結(jié)構(gòu)提供良好的承載能力。

圖4 試坑開挖狀況

2.2.2 顆粒篩分試驗

對共振碎石化的頂面碎粒層和上部松散層進行篩分試驗，分析了其顆粒粒徑和級配狀況，篩分結(jié)果如圖5所示。由圖5可見：頂面碎粒層和上部松散層的碎石化程度良好，其中頂面碎粒層的最大粒徑為37.5mm，且26.5mm篩孔通過率達到94.2%，說明其破碎程度較高，有利于防止反射裂縫。上部松散層的最大粒徑為53mm，37.5mm篩孔通過率為95.4%，說明因破碎時能量隨著舊水泥混凝土面板深度增加而逐漸消散。上部松散層的不均勻系數(shù)是頂面碎粒層的1.64倍，且曲率系數(shù)在1～3之間，表明上部松散層粒徑分布范圍更廣，粗細顆粒搭配更均勻，級配更優(yōu)，有利于形成良好的嵌擠結(jié)構(gòu)。頂面碎粒層和上部松散層中粉料含量分別為0.2%和1.9%，均遠低于級配碎石粉塵含量7%的上限值，表明灑布乳化瀝青透層油后，共振碎石化層可達到良好的板結(jié)效果。

圖5 頂面碎粒層及上部松散層級配曲線

2.2.3 PFWD模量檢測

采用便攜式落錘彎沉儀(PFWD)檢測破碎前舊水泥混凝土路面板和破碎后共振碎石化層的強度，以20m為1個斷面，分4條車道分別檢測各點的PFWD模量，檢測結(jié)果見表2。由表2可知：共振碎石化前路面板的整體強度較高，但模量結(jié)果的變異性較大，表明結(jié)構(gòu)的強度均勻性較差，直接加鋪瀝青面層后容易產(chǎn)生反射裂縫。共振碎石化后其強度明顯下降，全段模量代表值下降了65.4%，但滿足200MPa的模量控制要求。同時，全段的變異系數(shù)下降了19.1%，表明共振碎石化后路段整體的模量均勻性得到提高，達到了路段“柔性化”的目的，可保證瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)的長期性能。

表2 舊水泥混凝土面板及共振碎石化層PFWD模量檢測結(jié)果

2.2.4 室內(nèi)CBR試驗

對共振碎石化結(jié)構(gòu)的頂面碎粒層、上部松散層和下部嵌鎖層分別進行了CBR試驗，并按各層厚度以權(quán)重w頂∶w上∶w下=0.13∶0.20∶0.67計算共振碎石化層的綜合CBR值，結(jié)果分別為116%、141%、307%，整體CBR值為248%。由此可知：共振碎石化各層的CBR值隨著深度的增加而逐漸增大，這是由于各層的顆粒粒徑隨著深度的增加而逐漸增大，顆粒間的嵌擠能力逐漸增強，相應(yīng)的強度和抗變形能力也不斷提高。下部嵌鎖層的CBR值相比于頂面碎粒層和上部松散層提高了1.65倍和1.18倍，表明下部嵌鎖層結(jié)構(gòu)的嚙合和嵌擠效果顯著優(yōu)于其余兩層。最終路段的整體CBR值為248%，滿足一級公路特重交通等級下對級配碎石基層CBR值的要求，表明共振碎石化層可以作為道路基層直接加鋪瀝青面層使用。

2.3 使用性能評價

為了評價共振碎石化瀝青加鋪路面的綜合性能，對鋪完瀝青加鋪層的路面結(jié)構(gòu)進行了PFWD模量檢測，結(jié)果見表3。由圖3可知：瀝青加鋪層的PFWD模量結(jié)果滿足驗收控制值650 MPa的要求，全段模量代表值達到控制值的2.59倍，表現(xiàn)出較強的承載能力。各車道的模量結(jié)果相差不大，但面層模量變異系數(shù)進一步下降，均勻性得到進一步提高。

表3 瀝青加鋪層PFWD模量檢測結(jié)果

選取K22+520～K22+880段進一步分析PFWD模量沿路段縱向的分布情況，結(jié)果如圖6所示。由圖6可見：瀝青加鋪層的模量在縱向上存在較大差異，最大值為最小值的2.13倍，這主要是下部共振碎石化層模量的縱向差異導(dǎo)致的，但相比于共振碎石化層3.47倍的模量差異，瀝青加鋪層的模量差異有所下降。同時，瀝青加鋪層的PFWD模量相比于共振碎石化層提升了4.25倍，這主要與共振碎石化層散體性材料的非線性特性有關(guān)，當(dāng)四周受到約束作用時其強度和剛度可得到顯著提高，這種增強效果隨著交通荷載的壓密作用將得到進一步的提升。

圖6 瀝青加鋪路面PFWD模量縱向分布

試驗段自2020年上半年建成通車以來，經(jīng)2年多的行車荷載和氣候環(huán)境等因素的綜合考驗，通過現(xiàn)場跟蹤觀測，未發(fā)現(xiàn)車轍、裂縫等病害現(xiàn)象的產(chǎn)生，全段顯示出了優(yōu)良的使用性能，達到了預(yù)期的效果，如圖7所示。工程實踐表明，舊水泥混凝土路面共振碎石化瀝青加鋪路面具有足夠的承載能力和良好的使用性能，適合南方高溫多雨地區(qū)推廣應(yīng)用。

圖7 試驗段通車兩年后的效果

3 結(jié)論

依托佛山一環(huán)西拓項目試驗段，基于舊水泥混凝土路面的使用狀況評價和病害成因分析，確定了舊路面板共振碎石化瀝青加鋪結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案和施工工藝，并通過室內(nèi)外試驗檢測對其施工質(zhì)量和路用性能進行了評價，主要結(jié)論：

(1)試驗路段舊水泥混凝土路面由于重載交通多、雨水侵蝕和建養(yǎng)質(zhì)量不佳等原因出現(xiàn)了使用性能下降，但路面結(jié)構(gòu)承載能力較高，適于共振碎石化直接加鋪瀝青面層處治方案。

(2)共振碎石化后舊水泥混凝土路面強度下降，但變異性也有所下降，達到了路段柔性化和均勻化的目的。

(3)共振碎石化層及瀝青加鋪層的模量結(jié)果均滿足控制指標(biāo)的要求，且瀝青加鋪層的PFWD模量代表值達到控制值的2.59倍，表明共振碎石化技術(shù)在南方高溫多雨地區(qū)的應(yīng)用效果良好。