水泥混凝土路面具有强度高、稳定性好等优点，在公路和城市道路中得到广泛应用。随着水泥混凝土路面建设数量的增加和使用年限的延长，需要维修和改造的数量越来越多。因此，选择优化的水泥混凝土路面修复方案成为路面工程师共同关心的问题。早期采用直接在水泥混凝土路面上直接加铺沥青混凝土。这种方法在使用初期对改善行车性能是有效的，但是在使用过程中会出现反射裂缝，并且发展很快，从而缩短路面服务期。解决这一问题的根本方法是在沥青混凝土开裂之前缩短混凝土板体的长度以减小路面结构水泥混凝土基层在沥青混凝土面层中产生的胀缩效应。
自共振破碎技术发明后，在美国广泛用于水泥混凝土路面碎石化工程。1998年，经过全美国50个州的工程应用调查表明，共振破碎碎石化是旧混凝土路面彻底改造过程中防止反射裂缝的有效措施，且具有减轻白色污染等优点。此外，共振破碎技术在加拿大等发达国家也得到广泛应用。2004年3月在中国举办的第二届全国公路科技创新高层论坛上，罗伯特·莱蒙斯先生向中国推荐了共振破碎机，但到目前为止，中国还没有共振破碎机工程应用的报道。
1、反射裂缝的形成及特征
1.1温度型反射裂缝
沥青混凝土和水泥混凝土2种材料热胀冷缩性质不一样。因此，当温度沿着板厚呈均匀变化时，产生不等效水平移动，这种水平移动积累到一定的程度使得水泥混凝土板原来存在的接缝和裂缝产生不均匀伸缩，从而导致接缝和裂缝处的沥青混凝土面层产生不连续的应力。不连续应力首先在沥青混凝土的底面裂缝或接缝处产生积累。
沥青混凝土是温度敏感性材料，温度升高时抵抗变形的能力提高，但强度降低；温度降低时强度增加，但抵抗变形的能力降低。因此，沥青混凝土开裂主要发生在温度降低的过程中，通常称为低温开裂。从断裂力学的角度来看，这种裂缝尖端应力集中系数不是很大，因而断裂面通常表现为拉断型的破坏型式。
当温度表现为骤然降低时，路面结构层内从上到下存在温度梯度。这时水泥混凝土板内产生翘曲变形而产生翘曲应力，翘曲应力使接缝或裂缝处的沥青混凝土底面首先开裂。同时沥青面层本身在温度梯度作用下表面收缩大，下部收缩小，也会引起面层底部开裂。从断裂力学的角度来看，裂缝尖端的应力集中系数较大，从而使沥青混凝土表现为张开型的破坏型式。
拉断型和张开型裂缝共同构成了路面结构的温度型反射裂缝。
1.2荷载型反射裂缝
水泥混凝土板存在接缝或裂缝，在车辆荷载作用下，板的传荷能力不良就会引起缝两侧板块产生相对竖直位移。竖直位移使沥青混凝土面层产生剪应力。当剪应力超过材料的抗剪强度时，就会产生剪切裂缝，通常把这种裂缝称为荷载型裂缝。从断裂力学角度来看，这种裂缝呈剪切破坏型式。
1.3颗粒粒径效应
温度型裂缝除与温度有关外，直接受板的平面尺寸影响。一般假定温度引起的变形与板长和板厚呈线性变化．温度变化越大、温度梯度越大、板平面尺寸越大，板的热胀冷缩效应越明显。但尺寸也不能太小，否则会由于承载力不足而导致结构破坏。
作为沥青混凝土面层的基层结构，如果结构强度不均匀、奇异部位突出、存在硬点或软点、硬点在车辆荷载作用下不会弯．时间一长就会倾斜，从而导致应力集中而引起反射裂缝；软点会由于强度不足而产生过大变形导致面层底部开裂。根据美国RMI公司的实践经验，旧混凝土路面破碎后的颗粒尺寸在8～20 cm之间时，可取得较为理想的效果。
1.4反射裂缝的形成
沥青混凝土面层在温度荷载作用下引起裂缝的产生，并参与最初的扩展。车辆荷载产生的应力加速了裂缝的进一步扩展，最终在面层的表面上反映出来，即形成反射裂缝。
1.5水和杂物的危害
最初的反射裂缝对行车性能影响不大，但是反射裂缝的存在使杂物进入可以加剧裂缝本身的恶化，而雨水、污水的渗入可以导致土基的软化，从而使路面结构的表面性能恶化，乃至整体结构遭受破坏。
2、共振破碎的原理
从上面分析可知，要充分利用旧水泥混凝土路面，必须对混凝土进行破碎，并使破碎后颗粒尺寸控制在目标区内、颗粒之间相互啮合、具有良好的荷载分散作用和保持路基的完整性等。
2.1共振碎石化
美国沥青学会将碎石化定义为一种将水泥混凝土路面破碎成小碎粒的工艺。碎粒的大小从上面部分的呈沙粒大小到下面部分的最大为23 cm。钢筋应与破碎路面的所有颗粒分离，破碎的颗粒应呈一定角度互相啮合。
碎石化消除了热沥青混合料(Hot Mixed Asph?lt，HMA)罩面固有的反射裂纹、层面分离与脱落、潮气造成的损坏、颠簸、错层、水泥碱化反应和其他变质反应。
碎石化不仅是一种破碎路面的工艺，更是一种混凝土路面修复方法。它由采用共振梁破碎混凝土路面、正确设计和安装路边缘和地下排水系统、正确设计沥青罩面3个主要部分组成。
2.2共振破碎设备
美国共振机器公司(Resonant Machine Incorpora-tion，RMI)先后开发了RB400、RB500系列共振破碎机，其中RB500型共振式破碎机是经过技术改造后的最新产品。其主要技术参数为：振动梁宽度为457—660mm，破碎锤头152.4～304.8 mm，振动频率35—53 Hz，振幅约20 mm，振动梁配重5 443—9 070 kg，总重量27216—31 753 kg，最大破碎深度660 mm。
2.3共振破碎原理
共振式破碎机利用振动梁带动工作锤头振动，锤头与路面接触。通过调节锤头的振动频率，使其接近水泥面板的固有频率，激发其共振，将水泥混凝土面板击碎。工作锤头上装有专用传感器，感应路面的振动反馈，由电脑自动调节振动频率，搜寻被击物的自有频率，并引起水泥面板在锤头下局部范围内产生共振，使混凝土内部颗粒间的内摩擦阻力迅速减小而崩溃。
2.4共振破碎的特点
共振破碎力发生在整个水泥板块范围之内，板破碎后颗粒尺寸均匀。通过微调振动频率，改变振动的力度，可使破碎后的碎块尺寸接近目标区范围。
由于振动力从上向下存在衰减梯度，同时锤头快速向前移动着，并使冲击的合力指向前下方，从而使上部的破碎颗粒较小，下部的破碎颗粒较大，并使振碎的裂纹与路面形成35。—40。夹角，使碎石块之间相互啮合。这样表层小的颗粒有利于消除反射裂缝和路面渗水的横向排出：下部较大的颗粒可以提高路基的承载能力和阻止渗水向下渗透。粒料经压实后相互啮合的更紧，形成稳定的基层。
高频低幅共振产生的裂纹在穿透路面时就消散了，不会破坏原路基层的强度和均匀性，对地下设施也不会产生影响，并能使钢筋很容易与混凝土颗粒有效分离。
施工振动小、噪音低、时间短、效率高，对环境影响小。可半幅施工，不影响车辆通行。与全部重修相比，费用为3.3:1—4:1，具有高性价比。选择合适的设计方法，可使改造后的路面寿命达到22年，具有较长的寿命。
3、几个关键问题
3.1适用条件
当旧混凝土路面有多于12%—15%的道路需要进行路面修复：当50%以上的建设成本用于混凝土路面修复：修复的道路使用寿命在15年以上时应考虑旧水泥混凝土路面的碎石化方案。
3.2适用范围
在地势较低，地下水位较高，路基积水，或者含有较湿的粘土和混入泥沙的粘土地区以及当路基材料损坏太厉害，不能承受破碎路面负荷的地区不宜采用碎石化处理。
对于碎石化改造技术的适用范围，一般采用图5所示的判定方法。一般来说，只要原路基CBR值大于7，且水泥混凝土路面基层与面层总厚度超过33 cm．便可以采用碎石化技术。
3.3施工技术
调查表明，大多数颗粒粒径应位于25.4—76.2 mm之间。对于钢筋混凝土下面或者边缘部位难以破碎的地方最大尺寸可以达到76.2 mm。可接受的粒径范围为127—381 mm。在施工中，可以根据混凝土路面材料和厚度等不同，建立机械运行参数与路面材料参数的经验关系，以控制颗粒的组成。
对碎石化的混凝土，采用轮胎和振动压路机相配合最好。一般先用振动压路机碾压一两遍，接着用轮胎压路机压一两遍，最后用振动压路机压一两遍。
当然，也有仅仅采用钢轮压路机或35～50 t的重型压路机施工的经验。碾压使颗粒进一步啮合形成更高的强度和为面层提供平整的表面。
设置良好的排水系统，使混凝土破碎过程中产生的细小颗粒保存下来，并和粗颗粒形成整体，提高整体强度。同时保持路基干燥，避免土基变软和沥青混凝土面层产生水损害。
排水设施可以采用盲沟、集水沟或集水管等，形成完整的排水系统。一般应该在碎石化之前完成，若不能在碎石化之前完成，在碎石化后也应该尽早完成。
3.4路面设计
碎石化后沥青路面设计多采用AASHTO设计方法和设计程序，也有采用专门为碎石化路面设计开发的专用NAPA程序。
采用AASHTO设计程序需要决定各层的结构系数。结构系数主要受各层的集料类型、形状、尺寸影响。因此，决定结构层系数必须充分考虑的因素。沥青面层厚度根据路面结构数(SN)和结构层系数确定。
ASHTO推荐结构层系数：沥青面层为0.20-0.44，碎石化层为0.14-0.30，基层为0.00~0.14。按照这种假定得出水泥混凝土碎石化基层上沥青混凝土加铺层的厚度为32.5 cm;而实际应用中有76—330 mm的不同厚度。因而，必须建立一个适用的确定面层设计厚度的指南。
4、工程应用及效果评价
在美国许多州际公路改造中都应用了该项技术施工。北卡罗莱纳州波特林的1-440公路的瑞莱思修复工程为一个碎石化和拓宽工程，赢得了国家质量首创(NQI)成就奖。2000年阿肯色州开始了至今为止最大的碎石化工程，一条有近480km长的四车道州际公路被选择采用碎石化。对共振和多锤头2种破碎方法进行了试验和评估，共振方法被选为能进行真正碎石化的惟一一种方法，并被选中应用在整个阿肯色州工程中，图
6、是共振破碎后的实际效果。
从2002年开始，美国绝大多数碎石化项目都铺沥青混凝土罩面层。经正确设计的罩面，加上正确破碎的混凝土路面和精心设计的排水系统，预计公路寿命达22年以上。罩面的厚度根据每个项目的平均日交通流量、货车的百分比、地基和低基层的模量、环境以及设计标准等具体情况而定。从目前效果来看，碎石化消除了热沥青混合料罩面固有的缺陷。
5、结语
虽然中国的沥青路面设计规范属于理论法，而AASHTO属于经验设计法，2者是不同的体系，但其结果高度相关。而共振破碎作为反射裂缝防止的一项有效措施，已在许多发达国家达成共识。相信在不久的将来，中国一定会在旧水泥路面改造中引进或开发共振破碎技术，并进行相关设计和施工方面的研究，推动中国水泥混凝土路面改造进展。
