水泥混凝土路面破壞成因及治理措施

黃興亮，周勝波，梁小英，孫曉虎

(1.陜西省建筑科學(xué)研究院，西安710082;2.長安大學(xué) 公路學(xué)院，西安710064;3.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西渭南714000;4.淄博市建筑科學(xué)研究中心，山東淄博255000)

當(dāng)前道路建設(shè)采用的路面材料主要是水泥混凝土和瀝青混凝土兩種，相對于瀝青路面來說，水泥混凝土路面具有剛度大、承載能力強(qiáng)、環(huán)境污染小、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，在目前有鋪裝的高等級路面中，路面材料使用水泥混凝土的占65%以上［1-2］.隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，交通運(yùn)輸持續(xù)增長，超載車輛不斷增加，道路使用條件越來越惡劣，使得水泥混凝土路面面臨嚴(yán)峻的考驗(yàn).水泥混凝土在使用早期出現(xiàn)開裂、斷板、錯(cuò)臺、唧泥、表面空洞、脫皮露骨等病害［3-9］，直接影響路面的使用性能.如何建設(shè)耐久性好、行車舒適的高質(zhì)量水泥混凝土路面，是路面建設(shè)中面臨的一道難題.本文通過分析水泥混凝土路面病害類型及成因，探討水泥混凝土材料性能和施工方面普遍存在的問題，提出改善水泥混凝土路面質(zhì)量的一些改進(jìn)措施.

1 水泥混凝土路面材料應(yīng)用的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

水泥混凝土用作筑路材料最早是1828年，英國在倫敦郊外用水泥混凝土鋪筑道路基層，1914年第一次世界大戰(zhàn)后，水泥混凝土在路面建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用，水泥混凝土真正作為路面材料只有七八十年的歷史.在經(jīng)濟(jì)危機(jī)持續(xù)以及石油價(jià)格居高不下的形勢下，水泥混凝土顯得越來越重要.在歐洲，水泥混凝土在德國路面建設(shè)中普及最早，20世紀(jì)60年代以前的高速公路路面材料幾乎都是水泥混凝土，比利時(shí)有50%的高速公路的路面是水泥混凝土;法國每年建成的高速公路路面材料約有30%使用水泥混凝土;英國1970年以后建設(shè)的主要道路路面材料有22%為水泥混凝土;美國高速公路網(wǎng)中，路面建設(shè)中使用水泥混凝土材料占49%左右［10-11］.

我國修建水泥混凝土路面較晚，但是發(fā)展速度很快.1960年主要路面材料使用水泥混凝土的里程為60 km，1970年全國公路水泥混凝土路面里程為200 km，至1980年混凝土路面里程為1600 km，1990年以后每年新增10000 km左右，2000年以后每年則以數(shù)萬千米的速度增長.根據(jù)交通運(yùn)輸部最新公布的數(shù)據(jù)，到2010年底，全國有鋪裝路面和簡易鋪裝路面公路里程244.22萬 km，比上年末增加18.97萬km，占總里程的60.9%，比上年末提高2.6個(gè)百分點(diǎn)，比“十五”末提高20.2個(gè)百分點(diǎn).各類型路面里程中有鋪裝路面191.80萬km，其中瀝青混凝土路面54.25萬km，水泥混凝土路面137.55萬km，比上年末分別增加19.80萬km、5.35萬km和14.45萬km，可見路面發(fā)展速度是相當(dāng)驚人的.如此增長速度，如果路面材料不耐久，后期使用過程中因路面材料問題造成巨額維修和養(yǎng)護(hù)費(fèi)用將會帶來沉重的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān).

2 水泥混凝土路面常見問題及形成原因

路面中使用水泥混凝土雖然剛度大、承載能力強(qiáng)，但是隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，交通量迅速增大，超載、重載車輛增加，使得水泥混凝土在早期出現(xiàn)了一些病害，耐久性和功能性下降.

2.1 水泥混凝土的開裂、斷板、錯(cuò)臺

水泥混凝土的開裂、斷板以及錯(cuò)臺，直接影響著路面的使用功能.路面出現(xiàn)以上破壞后，雨水會由此破壞處滲入基層，長時(shí)間對基層的沖刷、軟化造成板底脫空，在荷載作用下出現(xiàn)唧泥、斷板以及錯(cuò)臺.路面以上問題在早期和運(yùn)行期間都有可能出現(xiàn)，主要原因有早期路基自然沉降不均勻、耐沖刷性差、結(jié)構(gòu)排水不暢以及部分路面在縮縫處未設(shè)置傳力桿.此外，基層表面粗糙度大、摩擦系數(shù)高，面板收縮會使混凝土路面產(chǎn)生過大的拉應(yīng)力而斷板.當(dāng)然施工關(guān)鍵技術(shù)也起著決定的作用，溫差過大時(shí)施工、切縫不及時(shí)，溫度應(yīng)力高于混凝土的抗彎拉強(qiáng)度，風(fēng)速大、蒸發(fā)快時(shí)養(yǎng)護(hù)不及時(shí)，表面易出現(xiàn)收縮裂縫.

2.2 水泥混凝土表面蜂窩、脫皮露骨

水泥混凝土的脫皮露骨以及蜂窩空洞主要形成原因是原材料控制不當(dāng)、工作性控制不好、施工操作不符合規(guī)范要求等.如果碎石、砂的含泥量大，會造成混凝土出現(xiàn)坑洞和脫皮露骨現(xiàn)象.施工時(shí)振搗不足、漏振，使顆粒間空隙未能被砂漿填滿，特別是顆粒移動阻力大的模板處更易出現(xiàn)蜂窩.若混合料坍落度小或者夏季高溫時(shí)施工，這樣混凝土凝結(jié)速度快以致待輥筒滾壓收水時(shí)石子殘留表面，表面抹平后造成石子外露.此外，混凝土水灰比過大或水泥的耐磨性差，在行車荷載作用下表面磨損或剝落形成露石.

2.3 水泥混凝土的平整度差、噪音高

與瀝青混凝土路面相比，水泥混凝土平整度較低.目前我國水泥混凝土路面平整度主要取決于施工技術(shù)和管理.路面施工機(jī)械水平對路面平整度起著至關(guān)重要的作用，滑膜攤鋪機(jī)路面施工水平相對較高.此外施工單位配置人員機(jī)械操作手技術(shù)水平經(jīng)驗(yàn)不足，不能根據(jù)施工環(huán)境調(diào)整攤鋪環(huán)節(jié)等都會造成路面行車舒適度下降.

3 提高水泥混凝土路面質(zhì)量的途徑

路面水泥混凝土出現(xiàn)破壞導(dǎo)致耐久性不足和行車功能性變差，這些問題主要是由于混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料性能和施工關(guān)鍵技術(shù)等方面造成的.要提高路面水泥混凝土的工程質(zhì)量，必須有針對性地在每一個(gè)環(huán)節(jié)上采取必要的措施，這對于實(shí)現(xiàn)路面水泥混凝土耐久性以及推廣具有重要意義.

3.1 路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是保證混凝土耐久性的前提

路面結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)方法的研究主要包括路面混凝土荷載效應(yīng)與抗力效應(yīng)隨時(shí)間變化規(guī)律的分析.目前路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法主要是在可靠度理論基礎(chǔ)上，利用荷載疲勞應(yīng)力和溫度疲勞應(yīng)力之和小于混凝土彎拉強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)的［12-16］.路面實(shí)際使用環(huán)境條件下，除了荷載和溫度作用外，還有溫濕度變化，而且這些因素之間存在相互作用是耦合的，因此在路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法中，應(yīng)更多地考慮多場之間的耦合作用.

路面厚度設(shè)計(jì)偏薄，也是容易引起路面混凝土早期破壞的因素［17-18］.路面混凝土的使用壽命與其厚度5次方成比例.而路面厚度是根據(jù)設(shè)計(jì)使用期內(nèi)的交通等級進(jìn)行確定的，因此路面設(shè)計(jì)階段的交通量調(diào)查分析很重要.此外，隨著交通的發(fā)展，對超載和重載交通考慮不周全，根據(jù)軸載等效換算系數(shù)，超重軸載的作用與標(biāo)準(zhǔn)軸載的作用是16次方的關(guān)系.

板塊平面尺寸對混凝土的溫度應(yīng)力影響很大.溫度的變化會使混凝土在不斷地伸縮和翹曲中處于拉應(yīng)力和壓應(yīng)力的反復(fù)交替作用狀態(tài)，混凝土板越長，溫度應(yīng)力就越大，因此選用合理的設(shè)計(jì)板長或長寬比例，從而使溫度應(yīng)力在容許范圍內(nèi)，對避免路板的開裂、斷板很重要.

路面在長期使用過程中，路基的穩(wěn)定支撐與斷板有直接關(guān)系，路面排水設(shè)計(jì)不當(dāng)及基層排水狀況不良，都會引起路基失穩(wěn)或強(qiáng)度不足，使路面產(chǎn)生不規(guī)則裂縫，因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)結(jié)合交通、地形條件全面考慮.

3.2 改善混凝土材料性能是實(shí)現(xiàn)混凝土耐久性的保障

以往路面材料設(shè)計(jì)主要是抗彎拉強(qiáng)度滿足要求，為了實(shí)現(xiàn)路面材料的耐久性，在滿足混凝土路面施工規(guī)范的基礎(chǔ)上，應(yīng)引入耐久性指標(biāo)對路面材料進(jìn)行設(shè)計(jì)［19-22］.混凝土是以膠凝材料、粗細(xì)集料和水為主要組分，礦物摻合料和化學(xué)外加劑為輔助組分組成的復(fù)合材料，通過添加礦物摻合料和化學(xué)外加劑可以有效改善其性能，提高混凝土的抗凍性和抗?jié)B性以及體積穩(wěn)定性、耐磨性等耐久性能，即摻合料的摻加、化學(xué)減水劑的使用以及與各種原材料之間配合比例對混凝土是否耐久有重要影響［23-29］，通過控制混凝土耐久性指標(biāo)的混凝土配合比設(shè)計(jì)［30-31］，可以獲得性能優(yōu)良的高性能混凝土，從而改善路面混凝土材料的耐久性能.孫強(qiáng)、于志前等［32］認(rèn)為在水灰比一定的情況下，粗細(xì)集料顆粒級配與混凝土抗折強(qiáng)度關(guān)系顯著;周世生、李文華等［33］認(rèn)為配合比設(shè)計(jì)原則應(yīng)該是在滿足抗折疲勞情況下，水泥用量與膠凝材料漿體體積盡可能低，必須選用減水效果及流動性保持能力好的高效減水劑，根據(jù)耐久性要求，選用粉煤灰等礦物摻合料來降低成本，采用盡可能低的水膠比與工作性最優(yōu)的砂率等.

高性能混凝土(HPC)［34-37］具有強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好、耐久性好、工作壽命長、結(jié)構(gòu)維修費(fèi)用小等特點(diǎn)，因此其應(yīng)用越來越廣泛.近年來，高性能水泥混凝土的研究開發(fā)更是受到了各國政府的高度重視.早在1990年初，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所(NIST)與美國混凝土協(xié)會(ACI)就提出了高性能水泥混凝土的概念:混凝土材料布料均勻，便于振搗，不離析，力學(xué)性能穩(wěn)定，早期強(qiáng)度高，具有韌性和體積穩(wěn)定性能.為達(dá)到這一目標(biāo)提出了采用優(yōu)質(zhì)原材料，嚴(yán)格控制集料級配，采用六組分摻加超細(xì)粉的方法與手段來提高混凝土的性能.1993年美國戰(zhàn)略公路研究計(jì)劃(SHRP-C-205)也提出了高性能混凝土用于公路工程的要求:W/C≤0.35;300次凍融循環(huán)，相對動彈模量≥80%;澆筑后4 h達(dá)到21 MPa;24 h≥34 MPa;28 d≥67 MPa.美國公路橋梁由于除冰鹽作用損壞嚴(yán)重，維琴尼亞州C.OZyildirim認(rèn)為，鋼筋銹蝕破壞的主要原因是與除冰鹽和海洋環(huán)境中的氯離子接觸引起的，要減少或延緩橋梁與路面的破壞，延長使用期限，需要應(yīng)用低或很低滲透性混凝土，在維琴尼亞州，某些條件下?lián)郊臃勖夯摇⒎勖夯一虻V渣與硅灰復(fù)合的輔助膠凝材料，水灰比一般等于或小于0.40，采用普通混凝土施工設(shè)備與養(yǎng)護(hù)技術(shù)施工，也可以應(yīng)用乳膠改性混凝土(LMC)，因乳膠改性混凝土具有很低的滲透性.

1986—1993年，法國政府組織了全國23個(gè)單位開展了“混凝土新方法”的項(xiàng)目研究，在1996年又投入到了“高性能混凝土2000”的國家項(xiàng)目研究中.法國Y.Malier認(rèn)為，高性能混凝土(HPC)應(yīng)具備良好的施工性能，高強(qiáng)度及高早期強(qiáng)度，提高整個(gè)工程的經(jīng)濟(jì)型和高耐久性.特別適用于橋梁、海港建筑，核反應(yīng)堆和高速公路等.試件為Φ15 cm×30 cm的HPC抗壓強(qiáng)度為60～80 MPa.

自20世紀(jì)70年代開始，國內(nèi)對水泥混凝土耐久性方面進(jìn)行了不斷的探索和研究，隨著對水泥混凝土路面破損病害認(rèn)識的不斷提高，逐漸發(fā)現(xiàn)解決混凝土材料本身耐久性的問題是關(guān)鍵所在.高性能混凝土在我國的發(fā)展歷史，最早是由清華大學(xué)的吳中偉院士于1992年將高性能混凝土的概念引入國內(nèi)，1994年他又針對我國水泥混凝土工業(yè)存在的可持續(xù)發(fā)展問題提出“環(huán)保型膠凝材料”“綠色高性能混凝土”等重要理念.清華大學(xué)的馮乃謙教授也對高性能混凝土在我國的發(fā)展方向作了一定概括:人類與環(huán)境共生是高性能水泥混凝土發(fā)展的新方向，使高性能混凝土組成材料的發(fā)展又邁進(jìn)了一大步.南京水利科學(xué)研究院研究開發(fā)了耐磨蝕的高性能混凝土，提供了這類混凝土的綜合參數(shù)和性能，如滲水性、氣孔率、坍落度損失、凝結(jié)時(shí)間、力學(xué)性能、尺寸穩(wěn)定性、耐久性、耐磨蝕性等.中南大學(xué)鐵道校區(qū)土建學(xué)院開發(fā)的粉煤灰高性能混凝土，經(jīng)過抗疲勞200萬次試驗(yàn)及徐變試驗(yàn)，證明可以用于32 m跨徑的預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土鐵路橋.我國近年修筑的一些大型建筑物和大跨徑橋梁，也采用了高性能混凝土技術(shù)，1991年廣東國貿(mào)大廈試驗(yàn)應(yīng)用C60高性能混凝土以來，我國HPC的研究、應(yīng)用和發(fā)展較快，上海金茂大廈、北京西客站、北京靜安中心大廈、遼寧物產(chǎn)大廈、南京郵電中心、長春國際商貿(mào)城、廣州虎門大橋和合銀廣場、湖南洞庭湖大橋、四川萬縣長江大橋(1996年)、汕頭海灣大跨懸索橋預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁等都采用了高性能混凝土.此外，京津塘高速公路橋、北京的部分立交橋和高架橋也使用了C50～C60的高性能混凝土.巴東長江大橋也在承臺大體積混凝土、主塔、主梁、橋面鋪裝等結(jié)構(gòu)中應(yīng)用了高性能混凝土.以上成功的實(shí)例足以證明，混凝土路面材料的耐久性是可以實(shí)現(xiàn)的.

3.3 合理的施工技術(shù)是實(shí)現(xiàn)混凝土路面耐久性的關(guān)鍵

混凝土路面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、原材料控制和配合比設(shè)計(jì)是基礎(chǔ)，而施工技術(shù)的優(yōu)劣以及施工管理是否符合規(guī)范，則是實(shí)現(xiàn)路面耐久性的關(guān)鍵［38-41］.水泥混凝土路面的質(zhì)量控制包括路基質(zhì)量控制和路面質(zhì)量控制.水泥混凝板底面基層強(qiáng)度不均勻，強(qiáng)度弱的地方容易發(fā)生變形，甚至?xí)鲁?，造成面層與基層之間局部脫空，面層應(yīng)力急劇增加，從而導(dǎo)致面板斷裂.路基的施工質(zhì)量主要從兩方面控制，分別是壓實(shí)度指標(biāo)和平整度指標(biāo).選擇合適的筑路材料，控制好含水量，根據(jù)壓路機(jī)噸位選擇攤鋪厚度、碾壓速度和遍數(shù)，最終保證壓實(shí)度和平整度.路面的施工控制則主要是溫度控制，由于混凝土是多相體系，其熱膨脹系數(shù)不是定值.溫度升高混凝土內(nèi)部毛細(xì)管水的表面張力減小水泥石膨脹，混凝土體積增大;溫度下降混凝土體積減小，零度以下水泥石孔中水因結(jié)冰而體積膨脹.反復(fù)的伸長與收縮產(chǎn)生的應(yīng)變超過了材料的極限應(yīng)變，將產(chǎn)生直接的受拉裂縫，因此在施工期間要采取合理的措施進(jìn)行溫度控制.原材料要防止暴曬、雨淋，嚴(yán)格控制適當(dāng)?shù)臅r(shí)候采取降溫措施對原材料進(jìn)行降溫.路面養(yǎng)護(hù)期間，水泥混凝土路面板板體溫度與環(huán)境之間會有吸熱和散熱作用，因此，也可采用在路面板表面鋪設(shè)草袋、噴灑養(yǎng)生劑等相應(yīng)的措施，減緩吸熱、散熱速度，達(dá)到控制水泥混凝土路面板溫度變化幅度，達(dá)到降低溫度應(yīng)力的目的.

提高水泥混凝土路面的施工機(jī)械化水平，強(qiáng)化施工管理.目前我國水泥混凝土路面施工機(jī)械化水平普遍較低，有些地區(qū)人工和小型機(jī)具施工占主導(dǎo)地位，混凝土攪拌設(shè)備落后使得拌和料質(zhì)量不高.水泥混凝土路面施工質(zhì)量不高的另外一個(gè)重要原因是施工隊(duì)伍缺乏路面施工經(jīng)驗(yàn)，振搗不充分造成混凝土不密實(shí)，偷工減料現(xiàn)象嚴(yán)重，因此從施工組織上強(qiáng)化管理是提高水泥混凝土路面工程質(zhì)量的前提.

4 展望

水泥混凝土路面質(zhì)量問題取決于多方面因素，目前的設(shè)計(jì)理論和施工技術(shù)都存在不足，這就要求我們優(yōu)化設(shè)計(jì)，加強(qiáng)施工管理，提高施工質(zhì)量，嚴(yán)格按照規(guī)范施工.為達(dá)到混凝土路面耐久性的目的，需要從原材料控制入手，通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和混凝土配合比設(shè)計(jì)，提高施工技術(shù)水平，加強(qiáng)施工管理等幾方面進(jìn)行控制.深入開展路面水泥混凝土原材料技術(shù)指標(biāo)、材料組成與耐久性之間的關(guān)系、混凝土混合料組成設(shè)計(jì)方法、耐久性評價(jià)指標(biāo)等方面的研究，進(jìn)行合理的耐久性設(shè)計(jì)，通過摻加礦物摻合料和高效減水劑等措施降低混凝土水泥的用量、水灰比，從而改善混凝土內(nèi)部的結(jié)構(gòu)以及空隙率，基于此建立道路水泥混凝土的力學(xué)性能與耐久性評價(jià)指標(biāo)體系等.通過道路工作者和研究者的共同努力，相信長壽命水泥混凝土路面目標(biāo)是可以實(shí)現(xiàn)的.

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