水泥混凝土路面病害成因分析

李華超

(云南省交通規(guī)劃設(shè)計研究院，云南昆明 650011)

現(xiàn)代意義的水泥混凝土路面是由英國工匠Leads和J.Aspadin發(fā)明的，最開始在英國修筑了全球第一條水泥混凝土路面。我國的水泥混凝土路面始于1928年的浙江奉化，至今有84年歷史?！捌呶濉币詠?，國家交通運輸管理部門對水泥混凝土路面予以了高度重視和大力推廣，在技術(shù)上進(jìn)行了攻關(guān)，取得了較好成績。水泥混凝土路面病害很多，探討其分類和成因有一定實踐價值。

1 水泥混凝土路面概述

1.1 水泥混凝土路面的基本要求

我國石灰石資源豐富，因此水泥混凝土路面投資相對較少。水泥混凝土路面具有承載能力強(qiáng)、高溫穩(wěn)定性好、車輛油耗低、使用壽命長等優(yōu)點，但也存在舒適性差、面板不適應(yīng)大沉降差、維修力度大等缺點。其對路面的基本要求有:

1)有足夠的強(qiáng)度。路面整體結(jié)構(gòu)和各組成部分必須具備足夠的強(qiáng)度，才能抵抗行車載荷，避免路面產(chǎn)生過大的變形或破壞。

2)有足夠的穩(wěn)定性。當(dāng)溫度、濕度等變化時，路面結(jié)構(gòu)應(yīng)能承受各種變化，具有足夠的穩(wěn)定性，避免路面隨意產(chǎn)生翹曲、拱脹等現(xiàn)象。

3)有足夠的抗滑性能。車輪在下雨、高速行駛、轉(zhuǎn)彎、爬坡等過程中，如果車輪與路面的摩擦力不足，將產(chǎn)生打滑、空轉(zhuǎn)、耗油等情況，嚴(yán)重的可能導(dǎo)致交通事故。所以，水泥混凝土路面應(yīng)具有較好的抗滑性能，保證粗糙度。

4)有足夠的平整度。不平整的路面會積滯雨水，影響行車速度和行車舒適度，路面破壞速度更快。因此路面應(yīng)保持一定的平整度，減小車輛對路面的沖擊力，提高行車安全與舒適度，降低油耗。

1.2 水泥混凝土路面的結(jié)構(gòu)設(shè)計和路面施工

水泥混凝土路面設(shè)計的內(nèi)容包括結(jié)構(gòu)組合設(shè)計、面層接縫構(gòu)造和配筋設(shè)計、路面排水設(shè)計、路肩鋪面結(jié)構(gòu)層組合設(shè)計、層面厚度設(shè)計、各結(jié)構(gòu)層材料組成設(shè)計、路面表面特性設(shè)計等［1］。路面結(jié)構(gòu)設(shè)計的步驟一般分為七個:采集數(shù)據(jù)→初擬路面類型和結(jié)構(gòu)層組合方案→各結(jié)構(gòu)層混合料組成設(shè)計和力學(xué)性質(zhì)試驗→選擇確定有關(guān)設(shè)計參數(shù)→進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析→進(jìn)行各路面結(jié)構(gòu)方案的壽命周期費用分析→綜合各方面的分析和考慮，選擇最終設(shè)計方案。水泥混凝土路面施工在施工前要做好材料準(zhǔn)備工作，例如水泥、水、粗集料與細(xì)集料、外加劑等。然后根據(jù)對路面混凝土的強(qiáng)度、工作性、耐久性及經(jīng)濟(jì)性的要求，確定混凝土的水泥、水、粗集料、細(xì)集料、外加劑和摻合料各個部分的配合比例，小工程中一般采用經(jīng)驗公式法，大工程中一般采用正交實驗法。具體施工前，首先要選擇混凝土拌合產(chǎn)地，采取集中或沿線選擇場地的方式;其次進(jìn)行材料試驗和混凝土配比設(shè)計，最后是做好基層的檢查與整修。

2 水泥混凝土路面典型病害成因分析

水泥混凝土路面的病害形式很多，從實踐上看病害原因主要包括路面板斷裂、路面變形、路面接縫和一些表面病害。

2.1 路面板斷裂

在工程實例中，路面斷裂現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生。路面斷裂處置不當(dāng)，可能影響到路面的壽命，嚴(yán)重的直接影響交通安全。路面板斷裂病害一般分為裂縫、破碎、斷角和補(bǔ)塊四種。

1)路面板裂縫。由于水泥混凝土屬于脆性材料，在溫度和濕度變化的情況下，混凝土?xí)不a(chǎn)生體積變形。水泥混凝土中幾種不同材料互相約束會造成水泥石膠結(jié)面之間或水泥石本身產(chǎn)生微細(xì)裂縫，但外界因素作用下，就可以發(fā)展為宏觀裂縫。在初期產(chǎn)生的路面板裂縫，主要是因為原材料使用不合格、施工工藝不當(dāng)、混凝土配合比例不當(dāng)?shù)仍斐傻?而在公路使用期產(chǎn)生的裂縫，主要是由于設(shè)計不當(dāng)、大噸位車輛影響、路基不均勻沉降和基層失穩(wěn)等原因造成的。

2)路面板破碎。裂縫變大，路面板在3塊以上時，稱為水泥混凝土路面板破碎。路面板破碎產(chǎn)生的原因主要是溫度變化、荷載過大等造成的。由于水泥混凝土面層是受約束的，所以在低溫或者溫度突然降低的情況下，中間會產(chǎn)生拉應(yīng)力或拉應(yīng)變，一旦超過水泥混凝土的抗拉強(qiáng)度或極限拉應(yīng)變，面層就會開裂［2］;當(dāng)持續(xù)升溫時，水泥混凝土積聚膨脹，當(dāng)溫度應(yīng)力超過水泥混凝土的極限抗壓應(yīng)力，也會造成水泥混凝土面板的斷裂。當(dāng)?shù)蜏鼗蚋邷爻掷m(xù)反復(fù)，而路面沒有得到及時修補(bǔ)，就會形成破碎的情況。此外，水泥混凝土路面在重載車輛的反復(fù)碾壓下，路面內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力會超過結(jié)構(gòu)抗力，路面材料就會發(fā)生疲勞破壞形成裂縫。

3)路面板斷角。水泥混凝土路面發(fā)生的裂縫，當(dāng)發(fā)展到與路面板的縱橫接縫相交，且兩交點距角點均在一個板厚以上和半個邊長以下，這種情況就是路面板斷角病害。斷角病害是由于路基的沉降不均勻或產(chǎn)生了失穩(wěn)引起路面基層或土層發(fā)生塑性變形，使路面板角失去支撐，加上板塊厚度不足，在重車作用下板角豎向位移太大，造成路面板角上表面的拉應(yīng)力過大，超過疲勞極限開裂形成的。

4)路面補(bǔ)塊。當(dāng)水泥混凝土路面板損壞到只能用水泥混凝土進(jìn)行局部全厚式修補(bǔ)程度時，就是補(bǔ)塊病害。補(bǔ)塊病害主要是由補(bǔ)塊自身和補(bǔ)塊下基層的原因引起的。原材料較差、混凝土配合比不合理、面層養(yǎng)生不規(guī)范都是補(bǔ)塊自身的原因;而路基沉降不均勻、基層表面不平整、施工控制不嚴(yán)格是基層的原因。

2.2 路面變形

路面變形是水泥混凝土路面常見的另一類病害，在公路養(yǎng)護(hù)維護(hù)中經(jīng)常遇到。路面變形包括脫空唧泥、錯臺、拱起和沉陷等。

在類似云南這樣的多雨地區(qū)，脫空唧泥是破壞路面的主要形式:當(dāng)車輛通過脫空的路面板時會有明顯的活動感，發(fā)生唧泥現(xiàn)象，而且路面板接縫處有污染，基層材料較多。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因，主要是受到重載車輛的頻繁碾壓、路基或基層材料較松散以及面板和基層之間存在自由水。

當(dāng)路面板接縫兩邊發(fā)生3 mm以上高差，就會影響到車輛的行車安全，這就是路面錯臺病害。路基不均勻沉降是引起水泥混凝土路面錯臺的主要原因，而在路基填土壓實度不足、地基中存在軟弱土層、路基剛度差異顯著、路堤填料不均勻和地下水作用時，就會引起路基的不均勻沉降。

路面板橫縫兩側(cè)的板體由于受到熱脹會發(fā)生明顯抬高現(xiàn)象，就會導(dǎo)致路面拱起。路面拱起的處置方法一般通過切割拱起部位使其復(fù)位，然后再進(jìn)一步處理。導(dǎo)致路面拱起的原因主要是溫度應(yīng)力變化和伸脹變形。

沉陷是指由于路基頂面垂直變形過大而導(dǎo)致的路面產(chǎn)生嚴(yán)重下陷變形。路面沉陷主要是由路基的沉降引起的:路基的沉降一方面能引起地基沉降，另一方面是路堤填土自身的壓縮變形使填土顆粒間結(jié)構(gòu)體位變化。

2.3 路面接縫

路面接縫病害包括接縫剝落、縱縫張開、接縫填縫料損壞等，這種病害在路面維護(hù)中也占有一定比例。

接縫剝落是指沿路面板接縫每側(cè)約一個板厚的寬度范圍內(nèi)路面板發(fā)生的碎裂現(xiàn)象，而且裂縫面與板面呈一定的角度，但沒有全部貫通板厚。接縫剝落的原因，一方面是填縫料的老化，另一方面是施工不當(dāng)造成的。

路面板的縱縫如果沒設(shè)拉桿或拉桿數(shù)量設(shè)計不夠，或者拉桿損害而造成縱向接縫兩側(cè)板塊縫隙3 mm以上，稱為縱縫張開病害。當(dāng)相鄰兩塊面板板邊之間發(fā)生相對位移(不是多塊面板的集體位移)時，就會導(dǎo)致水泥混凝土路面的接縫寬度發(fā)生變化。

由于填縫料老化、與接縫壁剝離，或者接縫填縫料損壞、被擠出或被車輪帶出，接縫就會開裂、滲水或出現(xiàn)空隙。接縫填料損壞主要是由材料老化引起的，施工階段的熱老化占主導(dǎo)地位;而營運階段則是臭氧老化、光氧老化占主導(dǎo)地位。

2.4 路面表面病害

路面表面病害，主要是水泥混凝土路表面出現(xiàn)的各種裂紋、層狀剝落、露骨和坑洞等現(xiàn)象。裂紋是裂縫中較小的路面紋路，如發(fā)絲大小。雖然對混凝土面板的整體性影響很小，但隨著時間推移也會影響到路面的強(qiáng)度和使用壽命，增加混凝土板面斷裂破壞的可能性。裂紋出現(xiàn)的原因主要是混凝土的塑性收縮、自收縮和溫度收縮共同引起的。層狀剝落是路面因冰凍侵蝕、堿活性集料反應(yīng)等造成的淺層碎裂剝落的病害，一般采取淺層結(jié)合修補(bǔ)法進(jìn)行處治。路面露骨是指路面板表面面積大于1 m2以上時，細(xì)集料散失和粗集料暴露，路面表層出現(xiàn)麻面的情況。露骨病害的原因，主要包括水泥不合格、砂子不達(dá)標(biāo)、集料不良、配合比不準(zhǔn)確、攪拌時間不正確等造成。坑洞是由于面層集料局部脫落和面層的集料局部脫落出現(xiàn)的路面洞穴。坑洞的出現(xiàn)，是由局部表面層砂石材料含泥量過大、混凝土中有泥土等雜質(zhì)導(dǎo)致的。

3 水泥混凝土路面的養(yǎng)護(hù)與管理

公路養(yǎng)護(hù)以預(yù)防為主、防治結(jié)合，建養(yǎng)并重、協(xié)調(diào)發(fā)展是公路交通事業(yè)自身發(fā)展的客觀要求。水泥混凝土路面的養(yǎng)護(hù)和維護(hù)主要包括日常養(yǎng)護(hù)、路面破損處理和使用狀況改善，結(jié)合水泥混凝土路面的典型病害，談以下兩個方面的養(yǎng)護(hù)與管理辦法。

3.1 裂縫修補(bǔ)方法

1)維修材料的選擇。裂縫修補(bǔ)的材料可分為補(bǔ)強(qiáng)材料和密封材料兩類。補(bǔ)強(qiáng)材料:水泥混凝土路面由于裂縫造成強(qiáng)度不足，用補(bǔ)強(qiáng)材料可以恢復(fù)整板的傳荷能力;密封材料:水泥混凝土路面因干縮、溫縮等原因出現(xiàn)貫穿裂縫，為防止雨水、空氣等侵蝕、裂縫擴(kuò)大，可選用密封材料封閉裂縫。補(bǔ)強(qiáng)材料主要有環(huán)氧樹脂、改性環(huán)氧樹脂、酚醛和各種改性酚醛樹脂類膠粘劑;密封材料主要有聚氨酯類、烯類、橡膠類、瀝青類膠粘劑。

2)維修方法的選擇。第一種:注漿法。注漿法又分為灌入粘結(jié)劑法和擴(kuò)縫灌漿法。灌入粘結(jié)劑法可以選擇聚氨酯、聚硫環(huán)氧樹脂、日產(chǎn)BI-GROUP等高分子樹脂工程材料。裂縫寬度小于1.5 mm的裂縫，一般采用聚硫改性環(huán)氧樹脂;寬度在1.5 mm～2.5 mm的裂縫，一般采用聚氨酯多元醇和多異氰酸脂預(yù)聚體和固化劑;裂縫寬度大于2.5 mm時一般采用日產(chǎn)BI-GROUP高分子粘結(jié)劑。擴(kuò)縫灌漿法在操作時，要注意控制溝槽的深度，最大深度不應(yīng)超過2/3板厚;混凝土碎屑清除后，填入的清潔石屑粒徑約為0.3 cm～0.6 cm;灌縫材料需要加溫時，溫度控制在50℃ ～60℃為宜。第二種:全厚式開槽法。當(dāng)裂縫較大時，一般采用全厚式開槽法處理。這種方法又分集料嵌鎖法、倒T形法和整塊板更換等方法。集料嵌鎖法適用于無筋混凝土路面的斷裂維修，將修補(bǔ)的混凝土路面沿面板平行于橫向縮縫劃線，沿劃線用切割機(jī)進(jìn)行全深度切割，在補(bǔ)塊的外側(cè)4 cm位置鋸5 cm深的縫，澆筑與原混凝土材料、配比一致的混凝土。倒T形法適用于接縫間傳荷很差的位置，施工要求與集料嵌鎖法基本一致，只是在相鄰橫邊的下方要暗挖15 cm×15 cm的面積用于荷載傳遞。整塊板更換法適用于:路面板塊被幾條裂縫分割為3塊以上的破碎板，且有沉降時;路面板發(fā)生脫空斷裂、斷角等損壞時;因行車需要緊急搶修工程時。施工步驟是先將整塊板采用切割機(jī)和人工擊碎清除，然后處置好基層以及路基后，重新澆筑混凝土(或者用預(yù)制塊填補(bǔ))。

3.2 接縫修補(bǔ)方法

1)材料選擇。水泥混凝土路面接縫修補(bǔ)材料分為加熱施工式填縫料和常溫施工式填縫料，加熱施工式填縫料主要用聚氯乙烯膠泥、橡膠瀝青和ZJ型填縫料;常溫施工式填縫料有聚氨酯焦油類、聚氨酯類、M950灌縫膠和硅酮嵌縫膠。選擇材料時，根據(jù)材料特性功能、材料壽命、防水情況、成本等綜合考慮決定。

2)維修方法選擇。水泥混凝土路面的接縫包括縱向施工縫、縱向縮縫、橫向施工縫、橫向縮縫、橫向脹縫等，接縫容易引起水和砂子的進(jìn)入，導(dǎo)致面板的損壞。

a.接縫填縫料損壞的維修。首先用小扁鑿、清縫機(jī)把舊縫填料和雜物清除掉，然后作脹縫修理，用熱瀝青涂刷縫壁，把接縫板壓入縫內(nèi)。加熱式填縫料修補(bǔ)時，應(yīng)將填縫料加熱到灌入的溫度，過濾雜物;常溫式填縫料修補(bǔ)時，無需加熱，施工方法與加熱式填縫料修補(bǔ)一致。

b.縱向接縫張開的維修。相鄰車道面板橫向位移、縱向接縫張開寬度小于10 mm時，采用聚氯乙烯膠泥、橡膠瀝青等加熱填縫料;相鄰車道面板橫向位移、縱向接縫張開寬度在10 mm～15 mm時，采用聚氨酯類常溫施工式填縫料進(jìn)行維修;當(dāng)縱向接縫口寬度在15 mm～30 mm時，用瀝青砂填縫。

c.接縫板邊出現(xiàn)碎裂時的維修。首先，在破碎部位的邊上用切割機(jī)切成規(guī)則的圖形，底面確保平整;然后清除混凝土碎塊，吹干凈灰塵，保證干燥;用高模量補(bǔ)強(qiáng)材料填充，達(dá)到通車強(qiáng)度后可以開放。

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