上海瑞桥土木工程咨询有限公司 上海 201210
摘要：本文主要通过对已实施碎石化工程的跟踪调查，从碎石化的粒径、破裂深度、裂缝角度等方面提出针对碎石化层的验收标准，为以后施工提供相应参考。
关键词：共振碎石化；破裂角；破裂深度
随着城镇化建设的发展和老百姓对出行质量要求的提高，水泥混凝土路面 “白改黑”越来越多。共振碎石化作为“白改黑”的重要手段一直以来缺乏统一的检验评价标准。为此本文结合以往工程实例综合分析，提出相应指标以供参考。
1 共振碎石化的破碎状态
从共振碎石化工艺分析，共振碎石化的目的首先是消除“白改黑”路面的反射裂缝问题。其次是使得破碎后的路面具有尽可能高的剩余强度。这是一对相互矛盾的要求。但是为了达到最佳的质量控制，必须达到两方面的平衡。
同为碎石化技术，共振碎石化与多锤头碎石化技术破碎原理有较大差异。多锤头破碎采用的是低频率、高振幅的破碎方式。共振碎石化采用的是高频率、低振幅的破碎方式。频率的高低，振幅的大小是相对而言：多锤头的破碎频率0.3Hz左右，最大振幅在0.65～0.75m；共振碎石化的破碎频率在42Hz左右，最大振幅在2cm左右。
振幅高，冲击动能大，破坏力强。多锤头破碎往往对基层造成较大冲击和损伤。共振碎石化对基层的冲击则相对较小。多锤头破碎后碎石化的颗粒相对松散，结构的剩余强度较共振碎石化低。共振碎石化技术是低振幅的连续击打。一般而言板块破碎状态呈现上部松散和下部嵌锁的状态。理想的破碎状态是：上半部分呈现为小于10cm的粒状碎石，相对松散；下半部分呈现为10～25cm的块石，嵌锁咬合的紧密状态。这样既可以消除反射裂缝，又可以确保路面结构有足够高的剩余承载能力。因此，共振碎石化后，结构的剩余承载力较多锤头破碎更高。
图 1 多锤头与共振碎石化破碎状态比较示意图
虽然都是碎石化技术，但破碎原理不同、破碎效果不同，因此其验收的指标和标准也不同。
2 共振碎石化的检验指标
共振碎石化后的破碎板块分为上下两层材料，应分别针对这两层材料分别提出相应的要求。比如针对上层材料应提出粒径要求，针对下层材料，除了粒径之外，尚应对块石的嵌锁状态提出要求，以保证破碎后碎石化材料层具有足够的强度。
2.1 从消除反射裂缝的要求出发提出要求
共振碎石化消除反射裂缝是第一位的事情，需要从破碎粒径和有效破碎深度两个角度来检验。
（1）粒径要求
反射裂缝的产生与板块破碎粒径大小有关。客观上存在着一个阀值，但是这一阀值受到交通荷载的影响，加铺层材料和厚度等因素影响。阀值大小并不唯一，是一个模糊的概念。例如美国RMI最早提出的标准是表层粒径不超过7.5cm。我国不少地方采取10cm的标准控制，也有采取更大的粒径标准控制的，就使用效果上来讲都是成功的，并未出现反射裂缝问题。
表 1 粒径调查分析
板块表层破碎粒径的大小与多种因素有关，除了施工因素外，主要与水泥混凝土的硬度有关。越硬的水泥路面，破碎“滞留”时间相对越长，也就意味着该点每秒被击打的次数就越高，表层破碎的粒径就相对越小。反之，越软的路，表层粒径相对越大。因此，表层粒径的大小没有一个统一的红线。一般来讲，对于较硬的或等级较高的道路，表层破碎粒径可放宽至不超过10cm的标准来控制，对于相对较软或等级较低的道路，破碎粒径可放宽至不超过15cm的标准来控制。
除了粒径大小要求外，对于同一条路，破碎粒径的均匀性也是非常重要的检验指标，且对超粒径的比例提出要求，一般要求超粒径的小于5%。下面两图是一条省道和一条国道的破碎现场图，省道的相对较粗（0～5cm），国道的相对较细（0～3cm），但破碎状态相对均匀，且超粒径的较少。
对于底层材料的粒径，一般比表层的要大。按照美国RMI的标准，底层破碎材料的粒径不应超过23cm。工程调查发现，一般表层粒径能够满足要求后，底层破碎材料的粒径自然能够满足要求。原因是混凝土板块的厚度22cm左右，共振破碎后的颗粒一般接近立方体颗粒，类似多锤头破碎产生的扁平颗粒很少。因此只要破碎到板底，底层材料粒径很少出现超粒径的情形。此外，工程实践中底层破碎材料粒径的检验也很少关注。
（2）板体有效破裂深度
为了彻底消除加铺层的反射裂缝，板块破碎必须一裂到底。如果板块没能裂到底。那么板块的翘曲变形，以及由此产生的翘曲应力不可避免。久而久之仍加铺结构将会产生反射裂缝。
调查发现，有些共振破碎后的板块，在加铺沥青面层两三年后就出现了网裂，以及纵横向反射裂缝等病害。后期开挖发现，原因主要是原有板块并未破碎到底。因此，板块能否裂透、裂到底是决定加铺层是否彻底消除反射裂缝的一项重要指标。施工中应将该指标作为一项重要指标加以严格控制。
2.2 从碎石化层材料的剩余强度出发提出要求
共振碎石化破碎技术与其他破碎技术不同之处就在于，破碎后的板块有着相对较高的剩余结构强度。
（1）板体性的要求
调查发现，混凝土路面共振破碎后，下层形成嵌锁咬合的紧密状态。碎块之间彼此以斜向裂缝交织。碎石层受力类似于“板体”，所谓“板体性”，下层板块破裂，但并未松散，颗粒之间没有发生错动，或轻微的错动。具有较强的荷载扩散能力，或者说有较大的荷载扩散角。这也是共振碎石化区别于其他破碎技术的一种特征。
图 4 温州104国道现场取芯照片
这种情况的检验，主要通过开挖探坑，或者采取芯的方式来查看。开挖探坑一般往往对原有紧密排列的碎块形成扰动，影响碎石层嵌锁状态的观察。因此最好采取芯的方法来查看。取芯宜采用直径为150mm的钻心机。先清除表层0～10cm范围内的松散体，然后再进行取芯。图4就是现场的取芯照片，裂纹深度、裂纹角度清晰可见。
（2）破裂角度的要求
共振碎石化后板块碎裂的裂缝，一般呈现为斜向裂缝，而不是垂直贯通型的裂缝。垂直贯通型的裂缝，受力时碎块之间彼此相互作用较小，受力后荷载的扩散角小。此外，垂直贯通型的裂缝也是产生反射裂缝一种原因。斜向裂缝确保了碎块之间的嵌锁与受力搭接，不利于反射裂缝的产生。
从材料破坏的角度分析，斜向裂缝产生于最大剪应力方向。理想状况下破裂面与加荷方向呈45°角。但实际影响因素较多，例如分布钢筋的影响，混凝土内大碎石的分布等，因此破裂角多呈现一定分布范围，通常20°～60°。
因此，破碎板块的板体性、破裂角度是共振碎石化破碎区别于其他破碎工艺的特征，也是用于判断是否存在过振和欠振的重要指标。
2.3 弯沉检测
结构强度的评价通常采用弯沉或者路面结构的回弹模量。弯沉检测相对便捷，这里以弯沉为例。需要指出的是，破碎后的碎石层为一层材料，弯沉反映的是整个路面结构的变形性能。以弯沉指标评价碎石化单层材料的做法欠妥。
多数实测情况表明共振碎石化后顶面弯沉往往较大，超出设计给出弯沉要求值的情况也很多。一个有趣的现象是，在铺筑完加铺层后，沥青路面的验收弯沉却在大多数情况下能够满足设计给定的验收弯沉值，或者在开放交通一段时间后满足要求，如下表的调查。
表 2 弯沉统计数据
从上表的调查数据可以看出，碎石化层顶面的弯沉普遍较设计要求大。一方面的原因在于未能准确的估算出各层材料的真实值，或者很难对路面各层材料的真实状况进行估算，从而导致计算的设计弯沉相对较小，不符合实际。另一方面，混凝土板块破碎成碎石，路面结构由刚性变成了柔性，弯沉本身就有显著增大的趋势。即便在稳定的水泥混凝土板块上铺设压实后的20cm级配碎石，测得的弯沉也会显著增大。但是结构并未破坏。此外，从检测的角度分析，由于受到尺寸效应的影响，测试仪器测得的弯沉结果往往较真实值偏大。因此，不能用弯沉是否超出设计要求判断共振碎石化不合格。
根据调查，多数水泥路面破碎后，碎石层顶面压实后的弯沉值多分布在80～110（0.01mm）的范围，等级高、结构强度高的路面结构相对小，等级低、结构强度低的路面结构相对大。
从施工的后续工序来讲，弯沉有进一步减小的趋势。（1）共振碎石化后，表层松散的粒料通过压路机碾压强度虽有提升，但是并未达到最终的稳定状态。这也就是为什么开放交通后弯沉还有进一步减小的现象，其原因就在于颗粒之间进一步的“次固结”变形，直至稳定。表现为颗粒之间的微小错动至最终稳定状态。（2）透层油对于板块表层松散粒料有进一步板结的作用。（3）铺筑的沥青面层对于松散体有横向“加筋”作用，有进一步增大受荷时的应力扩散角。可以说，以上三点使得碎石化后所测的弯沉值往往低估了路面结构的承载能力。
因此，在验收时，仅将弯沉或者承载板测得的数值作为一项参考数值。但是对于同一条路实测弯沉出现有大小差异显著不均的情况，需谨慎分析原有路面结构状况，以免造成误判。对承载能力不足的结构，需要进行补强。
3 结语
总结上文，共振碎石化的质量检测指标包括碎石粒径、裂缝贯穿深度、碎石嵌锁状态、破裂角，以及弯沉五项指标。其中裂缝贯穿深度和破裂角最为重要。它们确保了破碎后的板块能够彻底消除反射裂缝，又能保证实施共振破碎后的路面有尽可能高的承载能力。同时这两项指标也是用于判断共振碎石化施工是否存在欠振和过振的情况。碎石粒径反映了破碎后的状态，主要的是确保破碎后的均匀性。弯沉反映了破碎后路面结构的综合承载能力。弯沉检测有低估结构承载能力的可能。不宜作为评价和检验碎石化的重要指标。
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论文作者:邓景龙
论文发表刊物:《基层建设》2018年第14期
论文发表时间:2018/7/10
标签：碎石论文; 粒径论文; 裂缝论文; 路面论文; 板块论文; 结构论文; 表层论文; 《基层建设》2018年第14期论文;