水泥混凝土路面破壞機理分析

戶清華

新鄉(xiāng)市方正公路工程監(jiān)理咨詢公司，河南 新鄉(xiāng) 453003

水泥混凝土路面破壞機理分析

戶清華

新鄉(xiāng)市方正公路工程監(jiān)理咨詢公司，河南 新鄉(xiāng) 453003

水泥混凝土路面因使用壽命長，施工簡便、養(yǎng)護工作量小等特點，在高等級路網(wǎng)結(jié)構(gòu)中占據(jù)重要地位。但對于早年的水泥混凝土路面，因脫空、斷裂等病害大大影響了使用壽命。如半剛性基層路面的雨水沖刷問題，剛性基層路面基層與面層在溫度翹曲應(yīng)力下的破壞等問題。本研究將圍繞水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)，就沖刷和疲勞破壞等機理進行分析，為提出改進方法提供技術(shù)參考依據(jù)。

水泥混凝土路面；功能層；斷裂；脫空；破壞機理

從水泥混凝土路面使用現(xiàn)狀來看，剛性基層路面承載力高，抗雨水等沖刷能力強，但受到溫度翹曲影響較大，容易帶來路面斷裂等結(jié)構(gòu)性問題；半剛性基層剛度大，承載力好，但也存在抗水損壞能力弱等不足，特別是因基層形變而帶來路面開裂問題。

1 水泥混凝土路面常見破損模式

1.1 半剛性基層沖刷脫空破壞分析

對于半剛性基層混凝土路面，在使用中多出現(xiàn)唧泥現(xiàn)象，尤其是因唧泥而導(dǎo)致路面版塊的錯臺、脫空，以及板角破裂等問題，嚴重影響了路面的承載力，在行車荷載作用下引發(fā)路面板與基層間的遷移。在有水沖刷條件下，路面基層細集料因行車荷載的反復(fù)作用而積少成多，逐漸在接縫或裂縫處形成細砂漿，并與動水相作用，受到路面板的擠壓而致唧泥現(xiàn)象。另外，對于車輛荷載下的路面基層自由水沖擊的唧泥型脫空，也是路面板底脫空的主要形式。通常是由于水泥路面板與面板發(fā)生反復(fù)碰撞，在接縫處出現(xiàn)部分脫落，或在路肩側(cè)形成邊緣縫隙，在雨水侵蝕下形成滯留水，最終將導(dǎo)致基層頂面出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性脫空。針對底板脫空及擴展問題，其影響因素較多，但總體與水通道，及結(jié)構(gòu)性脫空有關(guān)，特別是在行車作用下，對滯留水的作用而形成流速和沖刷壓力。另外，與接縫出地面雨水的入滲，以及車輛荷載的反復(fù)作用有關(guān)。

1.2 剛性基層路面疲勞斷裂分析

從混凝土路面自身體積敏感性來看，因溫度變化而帶來的混凝土伸縮變形，也可能帶來混凝土面板與基層間形成摩擦力，特別是在面板自重及路基反作用力下，而導(dǎo)致板內(nèi)產(chǎn)生伸縮應(yīng)力、翹曲應(yīng)力。當(dāng)混凝土路面基層剛度較大時，在溫度梯度作用下所產(chǎn)生的約束力就越強，由此帶來的面板翹曲應(yīng)力而導(dǎo)致面板板角受到破壞。從路面疲勞斷裂分析來看，對于溫度變化、車輛荷載等共同作用，特別是重載車輛的對混凝土路面的軸重更大，所產(chǎn)生的荷載應(yīng)力水平也較高，在長期作用下就會破壞水泥混凝土路面的完整性，形成開裂。另外，無論是車輛載荷，溫度應(yīng)力變形、唧泥等問題帶來的面板脫空，也會因荷載疲勞而影響路面的使用壽命。通常情況下，混凝土路面板底脫空，加之車輛荷載作用是導(dǎo)致路面使用壽命的最主要因素；而路基剛性，以及自由水沖刷破壞，也是誘發(fā)路基網(wǎng)裂的主要因素。一旦路基網(wǎng)裂面積增大，將直接帶來路面行駛的舒適性和安全性。

2 水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)破壞的因素分析

從水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)破壞的主要表現(xiàn)來看，錯臺脫空、路面板角斷裂是常見問題。對于雨水等浸入而帶來的唧泥現(xiàn)象，主要與路面基層在自由水沖刷下形成的脫空，而導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)破壞。針對這些問題，在探討其關(guān)鍵因素時，需要從車輛載荷、混凝土路面功能層、基層材料性能、溫度等方面來歸納。

2.1 車輛荷載的作用

道路在使用中，車輛荷載是影響路面結(jié)構(gòu)問題的主要因素之一。由于車輛在行駛過程中，以自身荷載的不同、行駛速度的不同、車輪類型的不同，再加上加速、減速等軸載變化，所形成的作用力是多樣的，而最主要的因素是車輛行駛速度及荷載大小。通常情況下，在車輛荷載較小時，因路面在豎向上的彎曲變形較小，對混凝土路面、路基所產(chǎn)生的作用力較小，無法形成對基層的表面沖刷作用；但當(dāng)車輛荷載增加到足夠大時，由于路面彎曲變形較大，特別是在載荷下所形成的巨大的層間作用力，將加劇路面與基層間的摩擦，使其脫落；當(dāng)長期出現(xiàn)重載作用時，基層與路面間的積水會形成動力水壓，逐漸在接縫及裂縫處形成唧泥現(xiàn)象。同時，對于車速變化，當(dāng)速度較低時，因荷載作用時間長，路面與基層之間的荷載應(yīng)力頻率較低，所形成的沖刷壓力和沖刷頻率較低；當(dāng)車速足夠快時，由此帶來的對基層的荷載應(yīng)力頻率加大，相應(yīng)所激發(fā)的集聚水壓和頻率更高，所帶來的唧泥現(xiàn)象則更突出；另外，不同車輛不同車型輪胎、軸距，以及接地壓力的變化，也對層間沖刷動力水壓帶來不同影響。

2.2 路面板結(jié)構(gòu)變化

對于混凝土路面結(jié)構(gòu)，主要與路面的尺寸、路面板厚度、路面的彈性模量，以及路面板之間接縫間距控制等有關(guān)。通常情況下，對于不同路面板多以矩形為主，橫向尺寸約為 4-6m，縱向尺寸約為 3-4m，矩形路面長寬比不超 1.3。對于混凝土路面厚度，隨著厚度的增大，其承載力越高，對車輛的荷載應(yīng)力吸收得越多，由此帶來的對路面板及板底水壓的影響較小，沖刷力也越??；同時，對于混凝土路面的彈性模量來說，其剛度越大，對車輛荷載的變形也越小，所形成的板面底層水流壓力也越小。對于路面板接縫及大小，其對路面基層的影響較大。當(dāng)路面接縫嚙合力較高時，在車輛荷載作用下，所形成的荷載強度被傳遞給臨近面板，而對板下的水流沖刷及壓力較??；當(dāng)然，如果在路面接縫設(shè)置傳力桿，也能夠?qū)崿F(xiàn)對車輛荷載應(yīng)力的快速傳遞，降低對路面路基的影響。

2.3 基層不同材料的抗沖刷能力分析

對于基層材料的不同，其所對應(yīng)的抗沖刷能力也不同。由于板面下沖刷力在不同材料影響下，會直接導(dǎo)致路面破壞類型的變化。當(dāng)基層材料抗沖刷力強時，所帶來的唧泥程度較小。當(dāng)前，我國在公路基層材料選擇上，有水泥穩(wěn)定類，二灰穩(wěn)定類，及柔性基層、粒料基層等，其中水泥穩(wěn)定類、二灰穩(wěn)定類使用較廣。同時，在相同水泥劑量、相同集料配比下，水泥穩(wěn)定類要高于二灰碎石類的抗沖刷能力；二灰碎石類要高于二灰土類。另外，在剛性基層條件下，對于溫度的變化是引發(fā)翹曲應(yīng)力的主要因素，因此，也需要從溫度分析中來探討不同基層類型的翹曲變形。對于水泥混凝土，因溫度變化而帶來路面翹曲變形的變化具有不均勻性，當(dāng)形成溫度梯度時，則容易誘發(fā)翹曲變形，再加之路面板自重及地基的約束將產(chǎn)生翹曲應(yīng)力變化。同樣，對于溫度的上升及下降的不同，所引發(fā)的翹曲變形呈現(xiàn)相反，而對于負向溫度變化還容易引發(fā)板底脫空問題。

2.4 水對路面、路基的沖刷作用分析

由于水泥混凝土路面在自然環(huán)境下，易受到溫度、濕度的影響而發(fā)生脹縮形變。同時，在水泥混凝土施工中，由于水泥砂漿的自身下滲，使其路面板、基層之間形成抗剪力。在溫濕度變化下所帶來的反復(fù)脹縮形變，將引發(fā)抗剪力下降。特別是在溫度梯度變化下，加之車輛荷載作用，使其翹曲應(yīng)力更加突出。另外，隨著面板層與基層之間的分離，對于水的下滲可能形成存貯空間，長期水蝕將對基層及填縫料帶來影響，使得基層軟化。從路面唧泥現(xiàn)象的表現(xiàn)來看，對于路面及基層間的水蝕作用，會在車輛荷載的反復(fù)作用下，誘發(fā)路面底板發(fā)生脫空、錯臺現(xiàn)象，并加劇對面板板邊、板角的破壞，最終形成斷裂。對于路面板角是最先斷裂處，而在水的下滲作用，加之車輛荷載的反復(fù)沖擊，唧泥現(xiàn)象的擴展，又加劇了路面板角的斷裂，最終形成路基網(wǎng)裂問題，隨著下滲水的增多，其唧泥現(xiàn)象所帶來的自由水沖刷作用，將加速對基層材料的侵蝕和摩擦，導(dǎo)致基層頂面發(fā)生脫落，最終導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)的整體破壞。

3 總結(jié)

從水泥混凝土路面破壞機理的分析來看，其誘因較多，也較為復(fù)雜。整體來看，水泥混凝土路面病害問題的出現(xiàn)，與車輛荷載作用、路面結(jié)構(gòu)的設(shè)計，以及路基基層材料的選擇，抗沖刷性能的大小有關(guān)，同時，在自然條件下，因溫度、濕度的變化，特別是對于剛性路基因溫度梯度的影響，很容易誘發(fā)翹曲變形，帶來對路面的直接危害。另外，隨著車輛荷載的加劇，特別是重載下所形成的路面板斷裂、錯臺等問題，在各類因素的綜合作用下而受到破壞，從而影響路面的使用壽命。當(dāng)然，在對水泥混凝土路面的疲勞斷裂問題，與路面的長期使用，以及溫度應(yīng)力變化的反復(fù)影響有關(guān)。有研究發(fā)現(xiàn)，對于水泥混凝土翹曲變形，在溫度應(yīng)力下能夠達到2.65MPa，可見，路面的疲勞破壞作用也是很大的。

[1] 束懿,魏建明.重交通下半剛性基層材料抗沖刷性能的研究[J]. 路基工程. 2009(05).

[2] 李春梅 ,宋祥紅 ,王桂師 .水泥混凝土路面開裂機理及破壞過程研究[J]. 中國建材科技. 2015(02).

戶清華，男，1965.09。新鄉(xiāng)市方正公路工程監(jiān)理咨詢公司，現(xiàn)任交通類工程師，主要從事公路工程、監(jiān)理、試驗等方面工作。