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0、前言
    水泥混凝土路面具有強度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，在公路和城市道路中得到廣泛應用。隨著水泥混凝土路面建設數(shù)量的增加和使用年限的延長，需要維修和改造的數(shù)量越來越多。因此，選擇優(yōu)化的水泥混凝土路面修復方案成為路面工程師共同關心的問題。早期采用直接在水泥混凝土路面上直接加鋪瀝青混凝土。這種方法在使用初期對改善行車性能是有效的，但是在使用過程中會出現(xiàn)反射裂縫，并且發(fā)展很快，從而縮短路面服務期。解決這一問題的根本方法是在瀝青混凝土開裂之前縮短混凝土板體的長度以減小路面結構水泥混凝土基層在瀝青混凝土面層中產(chǎn)生的脹縮效應。
    自共振破碎技術發(fā)明后，在美國廣泛用于水泥混凝土路面碎石化工程。1998年，經(jīng)過全美國50個州的工程應用調(diào)查表明，共振破碎碎石化是舊混凝土路面徹底改造過程中防止反射裂縫的有效措施，且具有減輕白色污染等優(yōu)點。此外，共振破碎技術在加拿大等發(fā)達國家也得到廣泛應用。2004年3月在中國舉辦的第二屆全國公路科技創(chuàng)新高層論壇上，羅伯特·萊蒙斯先生向中國推薦了共振破碎機，但到目前為止，中國還沒有共振破碎機工程應用的報道。
1、反射裂縫的形成及特征
1.1溫度型反射裂縫
    瀝青混凝土和水泥混凝土2種材料熱脹冷縮性質(zhì)不一樣。因此，當溫度沿著板厚呈均勻變化時，產(chǎn)生不等效水平移動，這種水平移動積累到一定的程度使得水泥混凝土板原來存在的接縫和裂縫產(chǎn)生不均勻伸縮，從而導致接縫和裂縫處的瀝青混凝土面層產(chǎn)生不連續(xù)的應力。不連續(xù)應力首先在瀝青混凝土的底面裂縫或接縫處產(chǎn)生積累。
  瀝青混凝土是溫度敏感性材料，溫度升高時抵抗變形的能力提高，但強度降低；溫度降低時強度增加，但抵抗變形的能力降低。因此，瀝青混凝土開裂主要發(fā)生在溫度降低的過程中，通常稱為低溫開裂。從斷裂力學的角度來看，這種裂縫尖端應力集中系數(shù)不是很大，因而斷裂面通常表現(xiàn)為拉斷型的破壞型式。
    當溫度表現(xiàn)為驟然降低時，路面結構層內(nèi)從上到下存在溫度梯度。這時水泥混凝土板內(nèi)產(chǎn)生翹曲變形而產(chǎn)生翹曲應力，翹曲應力使接縫或裂縫處的瀝青混凝土底面首先開裂。同時瀝青面層本身在溫度梯度作用下表面收縮大，下部收縮小，也會引起面層底部開裂。從斷裂力學的角度來看，裂縫尖端的應力集中系數(shù)較大，從而使瀝青混凝土表現(xiàn)為張開型的破壞型式。
    拉斷型和張開型裂縫共同構成了路面結構的溫度型反射裂縫。
1.2荷載型反射裂縫
   水泥混凝土板存在接縫或裂縫，在車輛荷載作用下，板的傳荷能力不良就會引起縫兩側板塊產(chǎn)生相對豎直位移。豎直位移使瀝青混凝土面層產(chǎn)生剪應力。當剪應力超過材料的抗剪強度時，就會產(chǎn)生剪切裂縫，通常把這種裂縫稱為荷載型裂縫。從斷裂力學角度來看，這種裂縫呈剪切破壞型式。
1.3顆粒粒徑效應
  溫度型裂縫除與溫度有關外，直接受板的平面尺寸影響。一般假定溫度引起的變形與板長和板厚呈線性變化．溫度變化越大、溫度梯度越大、板平面尺寸越大，板的熱脹冷縮效應越明顯。但尺寸也不能太小，否則會由于承載力不足而導致結構破壞。
    作為瀝青混凝土面層的基層結構，如果結構強度不均勻、奇異部位突出、存在硬點或軟點、硬點在車輛荷載作用下不會彎．時間一長就會傾斜，從而導致應力集中而引起反射裂縫；軟點會由于強度不足而產(chǎn)生過大變形導致面層底部開裂。根據(jù)美國RMI公司的實踐經(jīng)驗，舊混凝土路面破碎后的顆粒尺寸在8～20 cm之間時，可取得較為理想的效果。
1.4反射裂縫的形成
    瀝青混凝土面層在溫度荷載作用下引起裂縫的產(chǎn)生，并參與最初的擴展。車輛荷載產(chǎn)生的應力加速了裂縫的進一步擴展，最終在面層的表面上反映出來，即形成反射裂縫。
1.5水和雜物的危害
    最初的反射裂縫對行車性能影響不大，但是反射裂縫的存在使雜物進入可以加劇裂縫本身的惡化，而雨水、污水的滲入可以導致土基的軟化，從而使路面結構的表面性能惡化，乃至整體結構遭受破壞。
2、共振破碎的原理
    從上面分析可知，要充分利用舊水泥混凝土路面，必須對混凝土進行破碎，并使破碎后顆粒尺寸控制在目標區(qū)內(nèi)、顆粒之間相互嚙合、具有良好的荷載分散作用和保持路基的完整性等。
2.1共振碎石化
    美國瀝青學會將碎石化定義為一種將水泥混凝土路面破碎成小碎粒的工藝。碎粒的大小從上面部分的呈沙粒大小到下面部分的最大為23 cm。鋼筋應與破碎路面的所有顆粒分離，破碎的顆粒應呈一定角度互相嚙合。
    碎石化消除了熱瀝青混合料(Hot Mixed Asph?lt，HMA)罩面固有的反射裂紋、層面分離與脫落、潮氣造成的損壞、顛簸、錯層、水泥堿化反應和其他變質(zhì)反應。
    碎石化不僅是一種破碎路面的工藝，更是一種混凝土路面修復方法。它由采用共振梁破碎混凝土路面、正確設計和安裝路邊緣和地下排水系統(tǒng)、正確設計瀝青罩面3個主要部分組成。
2.2共振破碎設備
    美國共振機器公司(Resonant Machine Incorpora-tion，RMI)先后開發(fā)了RB400、RB500系列共振破碎機，其中RB500型共振式破碎機是經(jīng)過技術改造后的最新產(chǎn)品。其主要技術參數(shù)為：振動梁寬度為457—660mm，破碎錘頭152.4～304.8 mm，振動頻率35—53 Hz，振幅約20 mm，振動梁配重5 443—9 070 kg，總重量27216—31 753 kg，最大破碎深度660 mm。
2.3共振破碎原理
    共振式破碎機利用振動梁帶動工作錘頭振動，錘頭與路面接觸。通過調(diào)節(jié)錘頭的振動頻率，使其接近水泥面板的固有頻率，激發(fā)其共振，將水泥混凝土面板擊碎。工作錘頭上裝有專用傳感器，感應路面的振動反饋，由電腦自動調(diào)節(jié)振動頻率，搜尋被擊物的自有頻率，并引起水泥面板在錘頭下局部范圍內(nèi)產(chǎn)生共振，使混凝土內(nèi)部顆粒間的內(nèi)摩擦阻力迅速減小而崩潰。
2.4共振破碎的特點
    共振破碎力發(fā)生在整個水泥板塊范圍之內(nèi)，板破碎后顆粒尺寸均勻。通過微調(diào)振動頻率，改變振動的力度，可使破碎后的碎塊尺寸接近目標區(qū)范圍。
    由于振動力從上向下存在衰減梯度，同時錘頭快速向前移動著，并使沖擊的合力指向前下方，從而使上部的破碎顆粒較小，下部的破碎顆粒較大，并使振碎的裂紋與路面形成35。—40。夾角，使碎石塊之間相互嚙合。這樣表層小的顆粒有利于消除反射裂縫和路面滲水的橫向排出：下部較大的顆粒可以提高路基的承載能力和阻止?jié)B水向下滲透。粒料經(jīng)壓實后相互嚙合的更緊，形成穩(wěn)定的基層。
    高頻低幅共振產(chǎn)生的裂紋在穿透路面時就消散了，不會破壞原路基層的強度和均勻性，對地下設施也不會產(chǎn)生影響，并能使鋼筋很容易與混凝土顆粒有效分離。
    施工振動小、噪音低、時間短、效率高，對環(huán)境影響小。可半幅施工，不影響車輛通行。與全部重修相比，費用為3.3:1—4:1，具有高性價比。選擇合適的設計方法，可使改造后的路面壽命達到22年，具有較長的壽命。
3、幾個關鍵問題
3.1適用條件
    當舊混凝土路面有多于12%—15%的道路需要進行路面修復：當50%以上的建設成本用于混凝土路面修復：修復的道路使用壽命在15年以上時應考慮舊水泥混凝土路面的碎石化方案。
3.2適用范圍
    在地勢較低，地下水位較高，路基積水，或者含有較濕的粘土和混入泥沙的粘土地區(qū)以及當路基材料損壞太厲害，不能承受破碎路面負荷的地區(qū)不宜采用碎石化處理。
    對于碎石化改造技術的適用范圍，一般采用圖5所示的判定方法。一般來說，只要原路基CBR值大于7，且水泥混凝土路面基層與面層總厚度超過33 cm．便可以采用碎石化技術。
3.3施工技術
    調(diào)查表明，大多數(shù)顆粒粒徑應位于25.4—76.2 mm之間。對于鋼筋混凝土下面或者邊緣部位難以破碎的地方最大尺寸可以達到76.2 mm。可接受的粒徑范圍為127—381 mm。在施工中，可以根據(jù)混凝土路面材料和厚度等不同，建立機械運行參數(shù)與路面材料參數(shù)的經(jīng)驗關系，以控制顆粒的組成。
    對碎石化的混凝土，采用輪胎和振動壓路機相配合最好。一般先用振動壓路機碾壓一兩遍，接著用輪胎壓路機壓一兩遍，最后用振動壓路機壓一兩遍。
    當然，也有僅僅采用鋼輪壓路機或35～50 t的重型壓路機施工的經(jīng)驗。碾壓使顆粒進一步嚙合形成更高的強度和為面層提供平整的表面。
    設置良好的排水系統(tǒng)，使混凝土破碎過程中產(chǎn)生的細小顆粒保存下來，并和粗顆粒形成整體，提高整體強度。同時保持路基干燥，避免土基變軟和瀝青混凝土面層產(chǎn)生水損害。
    排水設施可以采用盲溝、集水溝或集水管等，形成完整的排水系統(tǒng)。一般應該在碎石化之前完成，若不能在碎石化之前完成，在碎石化后也應該盡早完成。
3.4路面設計
    碎石化后瀝青路面設計多采用AASHTO設計方法和設計程序，也有采用專門為碎石化路面設計開發(fā)的專用NAPA程序。
    采用AASHTO設計程序需要決定各層的結構系數(shù)。結構系數(shù)主要受各層的集料類型、形狀、尺寸影響。因此，決定結構層系數(shù)必須充分考慮的因素。瀝青面層厚度根據(jù)路面結構數(shù)(SN)和結構層系數(shù)確定。
    ASHTO推薦結構層系數(shù)：瀝青面層為0.20-0.44，碎石化層為0.14-0.30，基層為0.00~0.14。按照這種假定得出水泥混凝土碎石化基層上瀝青混凝土加鋪層的厚度為32.5 cm;而實際應用中有76—330 mm的不同厚度。因而，必須建立一個適用的確定面層設計厚度的指南。
4、工程應用及效果評價
    在美國許多州際公路改造中都應用了該項技術施工。北卡羅萊納州波特林的1-440公路的瑞萊思修復工程為一個碎石化和拓寬工程，贏得了國家質(zhì)量首創(chuàng)(NQI)成就獎。2000年阿肯色州開始了至今為止最大的碎石化工程，一條有近480km長的四車道州際公路被選擇采用碎石化。對共振和多錘頭2種破碎方法進行了試驗和評估，共振方法被選為能進行真正碎石化的惟一一種方法，并被選中應用在整個阿肯色州工程中，圖
6、是共振破碎后的實際效果。
    從2002年開始，美國絕大多數(shù)碎石化項目都鋪瀝青混凝土罩面層。經(jīng)正確設計的罩面，加上正確破碎的混凝土路面和精心設計的排水系統(tǒng)，預計公路壽命達22年以上。罩面的厚度根據(jù)每個項目的平均日交通流量、貨車的百分比、地基和低基層的模量、環(huán)境以及設計標準等具體情況而定。從目前效果來看，碎石化消除了熱瀝青混合料罩面固有的缺陷。
5、結語
    雖然中國的瀝青路面設計規(guī)范屬于理論法，而AASHTO屬于經(jīng)驗設計法，2者是不同的體系，但其結果高度相關。而共振破碎作為反射裂縫防止的一項有效措施，已在許多發(fā)達國家達成共識。相信在不久的將來，中國一定會在舊水泥路面改造中引進或開發(fā)共振破碎技術，并進行相關設計和施工方面的研究，推動中國水泥混凝土路面改造進展。