基于弯沉检测变异系数的碎石化施工质量控制研究

摘要：针对目前水泥混凝土路面“白改黑”过程中反射裂缝频发等问题，文章依托西部陆海新通道路面服务能力提升工程项目，通过对旧水泥混凝土路面碎石化施工进行质量控制，研究前期病害调查与路况评定确定碎石化加铺方案，结合现场碎石化施工过程相关数据及分析，提出了基于弯沉检测变异系数的碎石化施工质量控制方法。结果表明：在旧水泥混凝土路面“白改黑”碎石化加铺施工中，通过对碎石化后的弯沉检测结果进行变异系数分析，并将其控制在要求范围内，可有效控制后期加铺层反射裂缝的出现。

关键词：水泥混凝土路面；碎石化施工；白改黑；变异系数；评价方法

U416.216A160494

0 引言

随着广西经济的不断发展，近年来内陆开放战略的实施加快了与东盟国家的经贸往来，随着使用年限的增加和交通负荷的加重，大量车辆频繁行驶加剧了水泥混凝土路面的磨损和老化，尤其是货运车辆和重型车辆对路面的损坏更为严重。水泥混凝土路面会出现裂缝、坑洼和表面磨损等问题，而广西气候湿热，高温多雨，这种气候条件会加速水泥混凝土路面的老化速度，导致裂缝、坑洼和表面磨损等问题［1-2］。

为解决上述病害频发问题，通常采用旧水泥混凝土路面原位修补或加铺沥青混凝土面层的方法。上述施工改造方法中的质量控制要点，主要是加铺后沥青混凝土面层反射裂缝的频繁出现［3］。如果不在铺设前进行旧路处理，在荷载和温度变化的作用下，原有的水泥混凝土板缝相对位移、裂缝，就不可避免地会出现反射裂缝。目前，在综合考虑施工效率、施工成本以及施工工艺等多方面要求下，解决反射裂缝问题最有效的方法之一是碎石化施工方法。从反射裂缝的机理和产生来源进行分析，作为下承层的旧水泥混凝土路面，在行车荷载作用下，应当使得车辆荷载均匀分布并且无应力集中现象（见图1）。

旧水泥混凝土路面碎石化加铺施工中的碎石化工艺不仅仅是简单的破碎。目前碎石化施工的质量控制和测试主要集中在两个关键方面：旧水泥混凝土板块碎石化后，荷载分布的均匀性以及碎石层的承载能力评估。荷载分布均匀性主要通过碎石化后的粒径测试进行评估［4］。此外，必须确保碎石层的承载能力符合碎石后的设计要求。如果不能达到均匀的荷载分布要求以及足够的承载能力，极大可能会导致反射裂缝的形成。过大的碎石化颗粒仍会引发反射裂缝，而过小的碎石化颗粒或互锁性不足则会导致整个水泥混凝土碾压层因强度不足而失效。理想情况下，碎石粒径应为3～20 cm。旧水泥混凝土路面碎石化施工的质量控制和反射裂缝的预防是一项全面而系统的工作。

1 碎石化施工工艺对比及质量评价方法

1.1 碎石化施工工艺对比

多锤头破碎工艺与共振碎石化破碎工艺在旧水泥混凝土路面的改造中都有广泛的应用，但在破碎效果、施工影响等方面存在一些显著的差异。

从破碎效果来看，多锤头破碎机打碎压实后，水泥路面颗粒由上而下逐渐增大，碎块粒径一般lt;37.5 cm，经碾压后，上部颗粒形成平整面，下部颗粒间形成嵌挤结构，这有助于强化路基。而多锤头破碎机的破碎效果较于共振破碎机相对较差，对施工过程质量控制要求更高。相比之下，共振碎石化破碎机破碎后的碎石形状相邻互补，粒径较小，形成互相嵌挤的稳定结构，这有助于减少反射裂缝的产生［5］。

从施工影响来看，多锤头破碎机由于振动力大，可能对地下结构物及周边建筑产生影响，同时其噪音和振动也可能对居民造成一定的干扰。而共振碎石化破碎机虽然也会引起共振，但由于其工作原理的特性，影响相对较小。

从成本方面考虑，多锤头破碎机通常价格较为低廉，而共振碎石化破碎机由于技术更为先进，施工价格相对较高。多锤头破碎机和共振碎石化破碎机各有其优缺点，选择哪种设备取决于具体的工程需求、施工条件以及预算等因素。在实际应用中，应根据具体情况进行综合评估，选择最适合的破碎设备［6］。

1.2 碎石化施工质量评价方法

目前已发布的相关“白改黑”规范中，均指出加铺层结构设计应按现行沥青路面与混凝土路面规范进行。而根据规范《JTG-D40》的规定，应确定变异水平等级和相应的变异系数，二级公路的变异水平等级应不大于中级，具体要求如表1所示。

由此可见，采用碎石化的路面设计中，依照规范要求要进行基顶回弹模量的变异性测试，但当前广西区内在旧水泥混凝土路面碎石化加铺设计过程中对该过程重视程度不足，仅关注弯沉检测结果以及破碎粒径满足规范要求，而导致实际施工过程中发现基顶回弹模量与弯沉等数据存在较大的离散性且没有相应的处置措施。

在现场实际施工中，即使在严格按照试验段参数施工后，也可能出现破碎不均匀现象。因基层顶面回弹模量不均匀易引起剪切变形，碎石化施工后出现弯沉检测结果离散型较大、变异水平大问题。变异系数偏大，一方面意味着通过碎石化技术后，即使破碎粒径满足要求，也不能够使原水泥混凝土板块在平面上使得车辆荷载分布均匀，存在应力集中问题；另一方面还可能存在局部实测回弹模量不足，与预测回弹模量相差较大，原有设计加铺方案结构层厚度不满足要求，沥青层底弯拉应力验算不通过，最终导致疲劳开裂，反射裂缝出现。

目前已经发布相关地标的省份中，河北省地标中对碎石化质量验收标准与当前广西碎石化验收标准一致，主要为粒径要求以及承载能力要求，未对基层顶面当量回弹模量与弯沉变异系数、强度均匀性提出要求，同时针对破碎后的局部调平与补强未提出明确要求。因此，针对目前采用碎石化施工的整体路段碎石化层出现的弯沉等数据存在较大的离散性问题，本文提出采用控制弯沉值变异系数来使碎石化层的整体强度均匀性满足要求。

2 项目概况

本项目为西部陆海新通道广西普通国省干线公路服务能力提升工程（养护工程项目）公路路面服务能力提升工程G321线羊额至交州K692+000～K703+100段。项目自通车以来，道路病害不断产生，路况日益恶化，原面层已出现了严重的破碎板病害，部分路段出现唧泥以及少量的板角断裂、裂缝、坑洞病害，影响公路的安全运营，给行车带来了不适，也造成公路养护和社会车辆运营成本不断增加。

为详细了解旧路路面技术状况、结构组成和结构强度，提高本次路面服务能力提升方案的可靠性、合理性和准确性，在开展大中修工作前期，对该养护路段开展旧路病害检测。相应调查结果见表2。

根据现行《公路技术状况评定标准》《JTG-H20》有关规定，对于本项目旧水泥混凝土路面病害路段现场勘测结果总体被评为“次”及以下。根据评定标准中的规定，需对该养护路段采取全路段修复方式。同时，根据智能检测车检测结果可知，该养护路段断板率高达63.02%，对于板块完好的板体可不做碎石化处理，但需先对已破碎面板路面板进行碎石化处理，最后加铺新结构层进行修复。

3 碎石化施工质量影响因素分析与质量控制

3.1 破碎粒径质量检验与影响因素分析

3.1.1 质量检验

本工程中的分项分部工程检查验收实测项目检查方法和频率依据相关养护规范进行，具体指标要求见表3。相应碎石化施工试验段开挖检验结果见表4，由表4可见，经过现场开挖以及钻取芯样验证，G321线K692+000～K703+100路段上行线与下行线经过多锤头碎石化施工后，顶部粒径、中部粒径、下部粒径均能够满足施工质量检验标准要求，碎石化效果良好。同时还可以发现，在碎石化路段上行线检验合格率略高于下行线检验结果。

3.1.2 影响因素分析

就旧水泥混凝土碎石化施工质量要求而言，如果破碎粒径过大或不均匀，反射裂缝可能会持续存在。同样，粒径过小或互锁性不足也会导致整个碎石水泥混凝土层因强度不足而失效。通过使用碎石化施工工艺，旧水泥混凝土路面既能在一定程度上保持其结构强度，满足交通荷载设计要求，同时又能防止反射裂缝的形成，取得了较好的平衡。

在进行碎石化施工前，对旧水泥混凝土路面板的基层状况进行评估是非常必要的，对于损坏较严重的旧水泥混凝土路面，同一路段碾压后的粒径变化较大。颗粒大小在决定路面结构完整性方面起着至关重要的作用。严重的基层损坏会导致碾压后颗粒间嵌入不良，导致模量降低，增加沥青面层疲劳损坏的风险。在这种情况下，应用碎石化施工时必须注意加强上层路面结构设计的安全性。

3.2 破碎参数影响分析

碎石化施工过程中，多锤头通过锤击动能，将原有旧路面锤击碎裂，使之成为级配较好、允许变形、类似于大粒径的路基层。但在现场施工管理过程中，多锤头等碎石化施工为隐蔽工程，施工方具有偷工减料的动机，表现为调快多锤头行车速度、降低锤击高度、部分路段故意漏锤等，并通过蒙蔽验收来达到偷工减料的目的，从而为后续上面层沥青开裂埋下质量隐患。因此，开展了不同落锤高度、不同锤头间距对破碎效果影响研究，通过弯沉检测对混凝土破碎板的回弹模量以及相应变异系数进行评价。

由表5和表6可知，随着锤头间距增大，模量逐渐增大，随着落锤高度增加，模量逐渐减小。同时还可以发现，相较于锤头间距的增加，模量变化对落锤高度的增加更为敏感。这是由于随着落锤间距的增加，在落锤高度不变基础上，相同势能作用于更大面积的混凝土板块区域，破碎效果减弱，而在落锤间距不变基础上，随着落锤高度的增加，势能显著增大，锤击作用于相同区域时破碎效果更加彻底，混凝土破碎板剩余模量下降更为显著，并且落锤高度变化对势能的改变作用较于锤头间距变化影响更为显著。在模量变异系数方面，随着锤头间距增大，变异系数逐渐增大，随着落锤高度增加，变异系数先减小后增大，在一定的锤头间距与落锤高度组合范围内，能够使得变异系数保持在较低水平。因此在试验段试振确定参数时，在能够满足破碎要求的基础上，应当选取合理参数，而不应采取过大参数。

3.3 碎石化混凝土板强度均匀性分析

由本文1.2节可知，采用碎石化的路面设计中，依照规范要求要进行基层顶面回弹模量的变异性测试，但当前广西区内在旧水泥混凝土路面碎石化加铺设计过程中对该过程重视程度不足，因此应当进行基层顶面回弹模量的变异性测试。而根据《公路路面基层施工规范》附录A中提供的回弹弯沉值的计算和检验公式（1）可知，基层顶面回弹模量与弯沉检测值可通过回归方程进行换算。因此，在实际施工过程中，为了考虑加快施工进度，提升施工效率，本路段强度均匀性评价方法通过弯沉检测进行，使用弯沉检测变异系数替代基层顶面回弹模量变异系数进行评价。根据工地试验室所提供的现场弯沉检测数据进行变异系数分析，弯沉检测变异系数要求范围同规范中对基层顶面回弹模量要求范围保持一致。

l0=9 308E-0.938O（1）

式中：l0——回弹弯沉值；

EO——回弹模量值。

使用弯沉检测变异系数替代基层顶面回弹模量变异系数进行评价，变异系数CV计算公式按式（2）进行。

CV=SL（2）

式中：S——碎石化后破碎板弯沉标准差；

L——碎石化后破碎板弯沉平均值。

通过上述方法对碎石化混凝土板强度均匀性进行控制，当弯沉值变异系数满足要求时即可进行下一步工序施工，进行封层与面层等加铺工作。若出现弯沉值变异系数超出范围要求时，应当控制测试路段内整体弯沉值变异性，将弯沉值变异系数约束到规定范围内，具体控制方法可通过挖除换填或注浆补强等方式进行。

根据项目工地试验室所提供弯沉数据（见图2）进行分析，上行线平均弯沉值为17.84，标准差为6.08，对应的弯沉值变异系数为0.34，根据《公路水泥混凝土路面设计规范》（JTGD40）的规定可知，上行线弯沉值处于中等变异水平，能够满足强度均匀性要求。下行线平均弯沉值为27.42，标准差为17.31，对应的弯沉值变异系数为0.63，查表可知，下行线弯沉值gt;0.35，处于高变异水平，不能够满足强度均匀性要求，需将弯沉值变异系数约束到0.35范围内。通过数据分析可知，下行线4、14、15、16等测试点位不满足其测点值减去平均值大于2两倍标准差的要求。因此需要进行局部补强处理。

后续经过局部注浆处理，重新进行不合格测点弯沉检测，根据现场复测数据（图3）结果可知，下行线4、14、15、16等不合格点位弯沉值分别降低至20、18、26、21，下行线补强后平均弯沉值为21.35，标准差为6.65，对应的弯沉值变异系数为0.31，最终满足中等变异水平要求。经后续施工质量跟踪与现场勘察可知，一年后该路段路况保持良好，无反射裂缝等病害发生。

4 结语

（1）针对当前旧水泥混凝土路面白改黑过程中存在的反射裂缝问题，分析了当前碎石化施工中质量检验方法的不足，依托于实际工程项目，开展了碎石化施工质量控制研究。

（2）碎石化施工中，在破碎粒径方面，受车道不同交通量影响，破碎前期已出现较多病害车道，破碎粒径波动较大，合格率相对较低。

（3）在破碎参数方面，碎石化后混凝土板所剩余回弹模量随着冲击势能的增大而减小，在变异系数方面，随着锤头间距增大，变异系数逐渐增大，随着落锤高度增加，变异系数先减小后增大，在一定的锤头间距与落锤高度组合范围内，能够使得变异系数保持在较低水平。

（4）在碎石化混凝土板强度均匀性方面，通过使用弯沉值变异系数替代基层顶面回弹模量变异系数进行评价，可有效减少现场工作量，通过数据分析可发现不合格测点，经过相应处治后能够有效解决反射裂缝等问题。

参考文献：

［1］谢振华.落锤式弯沉仪在水泥混凝土路面检测中的应用［J］.建筑技术开发，2019，46（10）：130-131.

［2］张恒德.旧水泥混凝土路面碎石化后加铺沥青层施工检测研究［J］.西部交通科技，2019（4）：77-81.

［3］卢强利.碎石化技术在公路养护工程中的应用分析［J］.运输经理世界，2023（27）：140-142.

［4］郑华川.既有水泥混凝土路面共振碎石化施工工艺研究［J］.交通科技与管理，2023，4（18）：168-170.

［5］冯泉泉.共振碎石化技术在旧水泥混凝土改造中的应用探究［J］.交通科技与管理，2023，4（7）：136-138.

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