寒區(qū)混凝土路面病害分析

蓋曉連，王成程，張榮華，趙 磊

(哈爾濱石油學(xué)院 土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150028)

1 凍害機(jī)理分析

(1)路基底部的水分向上聚集，冰結(jié)冰后膨脹，形成路面裂拱，原路面出現(xiàn)斷板現(xiàn)象。寒冷地區(qū)結(jié)冰期間，冰穿透了路面材料和路基土壤。路面結(jié)構(gòu)的凍結(jié)作用會(huì)引起間隙水的膨脹，在失去粘性的粗糙集料上形成分凝冰；在路面粗糙的集料中出現(xiàn)集料松弛現(xiàn)象。

(2)道路兩側(cè)的積雪會(huì)影響路基溫度差，使道路的中心比兩側(cè)凍結(jié)得更深，道路的不均勻霜可能與道路橫截面施加的彎矩相同，這樣會(huì)使拉伸應(yīng)力過大，并且會(huì)產(chǎn)生縱向或彎曲的裂紋。當(dāng)裂縫橫跨路基流，將會(huì)嚴(yán)重影響道路的耐用性。

(3)霜凍現(xiàn)象將導(dǎo)致冬季路面發(fā)生變形。降低路面的平坦度，增加路面的裂縫發(fā)生，產(chǎn)生不均勻的霜凍主要是因?yàn)橐韵滤膫€(gè)原因:①與一維凍結(jié)過程的不穩(wěn)定性有關(guān)，在一維霜的土性和環(huán)境條件的影響下發(fā)展成多維度凍結(jié)；②地下土壤凍脹靈敏度的差異，包括水的有效性；③溫度場(chǎng)的差異；④地形或土壤結(jié)構(gòu)及性質(zhì)等各方面的不同。

2 寒冷地區(qū)凍害影響因素

2.1 水泥混凝土路面分析

(1)氯鹽破壞

黑龍江等地區(qū)位于寒冷的地區(qū)，降雪量豐富，給道路運(yùn)輸帶來了沉重的負(fù)擔(dān)。大部分都采用以“氯鹽”為主要成分的無機(jī)溶解劑，通過噴灑來降低冰雪的溫度并使之融化。導(dǎo)致路面混凝土大面積腐蝕損傷大部分原因是因?yàn)槌﹦┰谘┧诨?，有害氯離子滲入混凝土。

融化的耐久性周期與使用融化劑引起的氯離子遷移，形成了融化和熔融劑結(jié)合引起的侵蝕破壞，進(jìn)一步基于路面混凝土的耐久性破壞。其明顯的特點(diǎn)是，混凝土路面的表面剝落程度比簡(jiǎn)單的凍融侵蝕損傷更嚴(yán)重，因此，大范圍的拱門和殼脫落，混凝土越來越松散，暴露出粗糙的骨料，鋼筋混凝土路面容易引起內(nèi)部流入的暴露和腐蝕。

(2)水分凍結(jié)

隨著我國(guó)寒冷地區(qū)道路行駛距離的增加，水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)凍融造成的損失正在增加，凍融作用下混凝土的破壞機(jī)理一直作為研究課題廣泛開展。凍融周期導(dǎo)致混凝土斷裂的形式取決于結(jié)構(gòu)的類型、位置、水分狀態(tài)等。

①水的凍結(jié)壓力

從物理原理可以看出，在不太高的溫度下水通常只有兩相。因?yàn)榛炷量估瓘?qiáng)度最高可達(dá)5 MPa，為了防止水在-10 ℃處固定，材料必須抵抗100 MPa的壓力。單靠材質(zhì)本身就很難阻止水的凍結(jié)，因?yàn)樗膬鼋Y(jié)壓力比材質(zhì)固有的強(qiáng)度大很多。路基被水的凍結(jié)壓力壓壞的可能性就大了，所以我們?cè)谟貌姆矫鎽?yīng)考慮到用什么樣的材料來解決水的凍結(jié)壓力。

②混凝土中水的結(jié)冰

凍害現(xiàn)象會(huì)隨著混凝土凍融周期的不同也會(huì)有所不同?；炷恋谝淮蝺鋈诤?，一般經(jīng)過每個(gè)凍融周期的輕骨料混凝土，溫度下降到0 ℃，隨著溫度下降膨脹的增加，凍害也很嚴(yán)重，最后還剩下很大的殘留變形。這種現(xiàn)象不能用水的相變來解釋。一般來說，水的體積會(huì)0 ℃時(shí)迅速增加，但結(jié)冰后會(huì)出現(xiàn)熱收縮現(xiàn)象，溫度下降時(shí)體積會(huì)減少，水泥混凝土在負(fù)溫度條件下發(fā)生膨脹，該膨脹會(huì)隨著溫度的降低而增加。

③粗骨料中水的結(jié)冰

混凝土凍害因素中粗骨料起著非常重要的影響作用。在同一個(gè)水紋維持不變條件下，由于選擇不同的粗糙骨料，浮動(dòng)額差異很大?；炷谅坊杏捎诖至Ａ峡讖酱蟆⑼杆院?，因此，使路基機(jī)構(gòu)中充滿孔隙水，當(dāng)外界溫度達(dá)到負(fù)溫時(shí)水體積急速結(jié)冰膨脹，從而導(dǎo)致路面機(jī)構(gòu)破壞。

2.2 瀝青混凝土路面凍害分析

(1)車轍

瀝青混凝土路面常見病害主要是車轍，因此降低路面平整度，易引發(fā)交通事故，當(dāng)車轍達(dá)到一定深度時(shí)，易引起車輛水箱積水，發(fā)生汽車滑行，造成交通事故。而車轍主要是由于路面設(shè)計(jì)不當(dāng)或車輛過載嚴(yán)重造成的。影響瀝青路面車轍深度的主要因素有：瀝青混合料油石比例過大；表面磨損過大；雨水侵入瀝青混凝土內(nèi)部；地面有不穩(wěn)定的中間層，道路向一邊推，形成波浪形車削。

(2)瀝青路面的松散破壞

路面松散是直接影響駕駛安全的路面疾病。松散可能會(huì)出現(xiàn)在整個(gè)路面表面，也可以出現(xiàn)在局部區(qū)域，但通常由于車輛駕駛而在車輪區(qū)域更加嚴(yán)重。主要原因包括:①局部地下層和底基層不均勻沉降導(dǎo)致路面損壞；②碎石含有風(fēng)化顆粒，水侵入，引起瀝青剝落。

(3)瀝青路面基礎(chǔ)的沉降破壞

基礎(chǔ)的沉降破壞是瀝青路面變形中常見的一種，主要出現(xiàn)在挖方和填方交點(diǎn)處。常見原因：①因?yàn)橥临|(zhì)排水不暢，且路基底部濕潤(rùn)，形成不均勻沉降，導(dǎo)致路面部分下沉；②當(dāng)不能適應(yīng)日益增長(zhǎng)的交通量，容易發(fā)生疲勞破壞；③路基或基層的強(qiáng)度達(dá)不到設(shè)計(jì)強(qiáng)度時(shí)，在大荷載作用下路基或基層結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不夠而被破壞，從而引起不均勻沉降；④橋頭堡路面變形不均，與頂板不平，導(dǎo)致沉降。

(4)Rutting破壞

Rutting是在行駛的重復(fù)載荷下，由于鋪裝層結(jié)構(gòu)和底座的補(bǔ)充壓縮，結(jié)構(gòu)層材質(zhì)側(cè)向位移累積的永久變形。Rutting是一個(gè)變形類，表示深度大于1.5 m的道路上沿車輪痕跡產(chǎn)生的垂直帶狀凹槽。Rutting是一個(gè)帶狀凹槽，通過重復(fù)行車載荷，鋪裝路面由永久變形積累形成。

2.3 瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)層分析

(1)鋪裝層

根據(jù)層面位置及其作用，鋪裝層結(jié)構(gòu)可以分為三個(gè)主要級(jí)別:裝飾層、基層和墊層。有些路只使用飾面層和底基層兩層結(jié)構(gòu)，另一些只使用一個(gè)飾面層。為路面排水做路拱。通過住宅、風(fēng)景名勝區(qū)和療養(yǎng)院的路特別注意灰塵，減少噪音。

(2)涂層

可分為磨損層和關(guān)聯(lián)層。為了提高路面的抗滑性能，可以防止路面磨損和泄漏，使用年限、中低級(jí)表面通常使用堅(jiān)硬的碎石作為磨損層，而高級(jí)或低級(jí)表面通常使用瀝青石混合、瀝青混凝土、瀝青砂等作為磨損層。

(3)基層

基層位于涂層下方，可承受涂層傳遞的車輪的垂直壓力，并平均分布在下方的墊子或托基上。基層材質(zhì)必須具有足夠的強(qiáng)度、水穩(wěn)定性和漫射載荷的性能。常用材料是由碎石、碎石、碎石、天然碎石、各種石灰、水泥或?yàn)r青穩(wěn)定處理材料和渣、煤渣、硬質(zhì)鈣渣、粉煤灰和其他工業(yè)廢棄物以及相同的土壤、沙子和石材組成的混合物，以及低級(jí)水泥混凝土。在交通繁忙的道路上，需要再鋪上兩層基層。下層叫底層，可以利用廉價(jià)的當(dāng)?shù)刭Y料。上層叫頂層，要使用強(qiáng)度高的材料。

(4)墊層

墊層是位于基層和土基層之間的結(jié)構(gòu)層，以改善土層的水溫狀態(tài)，提高土層的強(qiáng)度，防止路面上不均勻的霜凍和倒灌，并防止路基土壤滲入基層，從而影響其穩(wěn)定性。為了阻止地下水的上升和地表水的滲透而設(shè)置的墊層，通常稱為隔離層。同時(shí)，具有儲(chǔ)水和排水效果的墊層也稱為排水層。用作防止或緩解道路不均勻霜凍的墊層，稱為防凍層。軟墊材料必須具有良好的水穩(wěn)定性，以及所需的透水或隔熱性能。

3 結(jié)束語

綜合寒區(qū)病害問題，我們必須在道路、路基結(jié)構(gòu)和組成方面開展，并加快研究適合寒區(qū)使用的道路修復(fù)材料，將繼續(xù)深入研究公路修復(fù)后結(jié)構(gòu)層的工作機(jī)理從而，提高寒區(qū)道路的耐久性、舒適性。