水泥混凝土路面板早期斷裂綜合處治技術(shù)研究

王佃永

【摘要】隨著我國(guó)道路交通基礎(chǔ)設(shè)施的日益完善，公路的高質(zhì)量養(yǎng)護(hù)成為相關(guān)領(lǐng)域追求的目標(biāo)。本文根據(jù)長(zhǎng)期的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，試圖從斷裂力學(xué)的角度，在對(duì)水泥混凝土路面板早期斷裂的原因進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，尋找可行的解決方案，分析裂縫，找出水泥混凝土路面板早期斷裂的綜合治理方案，以期啟迪行業(yè)發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】公路工程;水泥混凝土路面;路面面板;疲勞斷裂;機(jī)制;策略

【中圖分類號(hào)】TU37

【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【文章編號(hào)】1671-3362（2020）08-0048-02

隨著交通流量逐年明顯增加和超載車輛數(shù)量的不斷增加，水泥混凝土路面板出現(xiàn)裂縫等各種病害。一旦道路開(kāi)始破壞，它往往會(huì)迅速拓展，嚴(yán)重影響路面性能，導(dǎo)致越來(lái)越多的水泥混凝土路面需要進(jìn)行維護(hù)和維修工作。近年來(lái)，中國(guó)現(xiàn)有的水泥混凝土路面，相當(dāng)一部分路面板在早期就發(fā)生了斷裂，急需維修和改造。目前，很多研究都在試圖刨銑水泥混凝土路面板早期的斷裂原因，包括：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在問(wèn)題，施工造成的質(zhì)量缺陷，土基、基層水穩(wěn)性不好，或強(qiáng)度不夠，不均勻等等，但是很少有研究對(duì)其根本的機(jī)理進(jìn)行解釋，筆者根據(jù)長(zhǎng)期的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，試圖從斷裂力學(xué)的角度，對(duì)水泥混凝土路面板早期斷裂的原因進(jìn)行深入剖析，并給出一些水泥混凝土路面板早期斷裂的綜合治理建議與方案，以期對(duì)行業(yè)的發(fā)展獻(xiàn)言獻(xiàn)策。

1.水泥混凝土路面板早期斷裂機(jī)理分析

1.1研究現(xiàn)狀

標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的混凝土路面在通車后的使用壽命至少為20年。然而，在施工兩到三年后，在有接縫的普通混凝土路面（JPCP）中發(fā)現(xiàn)了橫向中板裂縫?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際來(lái)看，多數(shù)裂縫為自頂向下的開(kāi)裂模式：裂縫從面板頂部開(kāi)始，橫向穿過(guò)面板中部，向下至面板底部[1]，如圖1所示。這種橫向裂縫是由于超載車輛的重復(fù)碾壓板條由于向上卷曲或基礎(chǔ)侵蝕導(dǎo)致的早期斷裂。通常用于路面壽命預(yù)測(cè)的常規(guī)疲勞模型，如波特蘭水泥協(xié)會(huì)（PCA）模型，針對(duì)自底向上的疲勞失效模式和未開(kāi)裂路面進(jìn)行校準(zhǔn)。因此，對(duì)于有裂紋的路面，考慮裂紋在疲勞載荷作用下的擴(kuò)展行為，為了預(yù)測(cè)其剩余疲勞壽命和有必要建立一個(gè)新的模型。該模型的建立對(duì)及時(shí)維修調(diào)度具有重要意義[2]。然而，筆者檢索現(xiàn)有文獻(xiàn)來(lái)看，這一部分鮮有報(bào)道。

1.2 裂縫模型及其參數(shù)

裂紋路面的主要問(wèn)題是裂紋萌生后的擴(kuò)展規(guī)律及其對(duì)剩余疲勞壽命的影響。在此之前，需要確定一些基本的斷裂性能。之前的研究基于非線性斷裂力學(xué)，提出了Ⅰ準(zhǔn)脆性斷裂的雙參數(shù)模型。該模型特別適用于混凝土材料。根據(jù)該模型，當(dāng)滿足以下兩個(gè)條件時(shí)，不同幾何形狀的結(jié)構(gòu)將失效：

如圖1所示，上式中，K1c為斷裂韌性或臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子;σmax是極限應(yīng)力;CMOD，是臨界裂紋張開(kāi)位移;a為裂紋長(zhǎng)度;ac為斷裂韌性達(dá)到且裂紋擴(kuò)展不穩(wěn)定時(shí)的臨界裂紋長(zhǎng)度;b是混凝土構(gòu)件深度。Kc和CTOD是基于開(kāi)槽混凝土梁的四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)得到的。在實(shí)際工程中，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行后，有些面板通常出現(xiàn)裂縫，如圖所示2?；炷劣捎谄涔逃行再|(zhì)和環(huán)境影響，在早期就經(jīng)歷了熱濕變形。限制變形對(duì)路面表層微觀開(kāi)裂的影響。這些微裂紋在交通荷載作用下，隨著時(shí)間的推移，特別是在早期，橫向向下傳播。這種情況可能是嚴(yán)重的，如果向上卷曲的條件存在于人行道，對(duì)此類裂縫路面剩余疲勞壽命的估算，對(duì)及時(shí)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)具有重要意義?；跓o(wú)裂紋梁試驗(yàn)建立的傳統(tǒng)疲勞模型已不再適用于此類情況，有必要建立斷裂力學(xué)的路面裂紋疲勞模型。

本研究為有裂縫路面的疲勞壽命預(yù)測(cè)提供了一種新的方法。模型預(yù)測(cè)和試驗(yàn)結(jié)果均表明，混凝土在早期出現(xiàn)局部深度裂縫會(huì)顯著降低疲勞壽命。這些結(jié)果可以用來(lái)解釋混凝土路面裂縫的早期破壞。裂紋擴(kuò)展行為可以分為三個(gè)階段，其中穩(wěn)定階段是最重要的一個(gè)階段，此時(shí)需要及時(shí)維修以避免結(jié)構(gòu)失效。因此，確定混凝土裂縫的特征十分重要。根據(jù)斷裂力學(xué)理論，混凝土中裂縫的主要問(wèn)題是確定裂縫的塑性區(qū)范圍、裂縫擴(kuò)展的臨界狀態(tài)和破裂角。

2.路面板早期斷裂綜合處治技術(shù)解決方案

通過(guò)上述的機(jī)理分析我們可以看到，裂縫的出現(xiàn)很大程度上是車輛超載和施工不規(guī)范等問(wèn)題造成的。實(shí)際使用和設(shè)計(jì)規(guī)范的偏差是面板出現(xiàn)早期裂縫的主要原因，那么該如何治理這些早期斷裂問(wèn)題就成為非常重要的議題。

為了減少替換水泥混凝土路面板的損害，在運(yùn)行中，需要特別注意以下幾點(diǎn)：

（1）要特別確保在公路兩側(cè)的排水系統(tǒng)暢通，實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，很多面板的早期斷裂有一部分是由于面板下的積水無(wú)法順利排出造成的，所以，確保排水系統(tǒng)通常可以有效地避免面板早期斷裂。

（2）在確保無(wú)積水的情況下，要盡量控制路面的清潔，通過(guò)上面的機(jī)理我們可以知道，很多面板的早期斷裂是由于微裂紋的拓展造成的，也就是說(shuō)，如果不能有效地控制微裂紋的產(chǎn)生，就無(wú)法從根本上杜絕面板的早期斷裂，所以當(dāng)路面有異物存在時(shí)，超載的車輛和異物會(huì)產(chǎn)生瞬態(tài)的高應(yīng)力，超過(guò)極限應(yīng)力（σmax），而導(dǎo)致裂紋（主要是微裂紋）的產(chǎn)生。所以，實(shí)際維護(hù)中要保持路面清潔，無(wú)積水，且路肩不阻水。

（3）當(dāng)然在實(shí)際運(yùn)行中，很多裂紋是無(wú)法避免的，這就需要相關(guān)維護(hù)人員季節(jié)性地對(duì)路面微裂紋、橫裂紋、縱裂紋，澆灌熱瀝青，防止路面水滲入基層而引發(fā)更為嚴(yán)重的斷裂事件[3]。

鑒于此，對(duì)于早期的斷縫，必須先對(duì)水泥混凝土路面板損害進(jìn)行處理。以某高速公路路面板鋪設(shè)為例，水泥混凝土路面板早期斷裂的治理方案是：

（1）替換：挖掘機(jī)挖掘新路路面，取代天然礫石開(kāi)挖置換深度小于2米，使用分層充填、分層壓實(shí)，分層壓實(shí)度的檢測(cè)方法，改變地基的承載力特性，提高抗變形能力和穩(wěn)定性。

（2）碎石：采用多錘設(shè)備將水泥混凝土路面處理成柔性碎塊結(jié)構(gòu)，其細(xì)小的粒徑由于破碎的力學(xué)模式往往不僅具有一定的承載能力，而且可以有效地防止或限制微裂縫的發(fā)生和發(fā)展。

（3）夯實(shí)：對(duì)板底脫空造成下沉、錯(cuò)臺(tái)的混凝土板，采取板底壓漿進(jìn)行修復(fù)。通過(guò)破碎和路基的二次壓實(shí)，消除了新路基的空洞松動(dòng)等一系列病害，并最大限度地防止裂縫的發(fā)生和發(fā)展。

（4）加鋪：采取瀝青灌縫，嚴(yán)重的位置采取破碎修復(fù)，防止斷裂板范圍擴(kuò)大，在置換砼板時(shí)根據(jù)不同公路等級(jí)和交通量采用厚27厘米（±1厘米）抗折強(qiáng)度5兆帕的混凝土面層，厚16厘米的C15～20混凝土基層，并嚴(yán)格按規(guī)范要求完成每一工序施工[4]。

當(dāng)然，部分水泥混凝土路面板狀況良好，不進(jìn)行處理，裂紋的情況可以用下面的公式進(jìn)行評(píng)估：

水泥混凝土路面的斷裂（DBL）是對(duì)破壞程度的調(diào)查，根據(jù)不同的斷層裂縫程度和嚴(yán)重程度，采用不同的權(quán)重系數(shù)進(jìn)行修正，得到如下公式：

（3）式中：DBij為面板i型裂紋數(shù)（橫向裂紋）與j型裂紋數(shù);Wij為修正系數(shù);BS評(píng)估面板的總數(shù)量。筆者根據(jù)實(shí)際情況統(tǒng)計(jì)了DBL的值，發(fā)現(xiàn)當(dāng)DBL大于等于10%則是嚴(yán)重的斷裂的路段，需要特別進(jìn)行治理。

3. 結(jié)論

綜上所述，可以看出水泥混凝土路面的早期斷裂的綜合治理問(wèn)題，是行業(yè)內(nèi)待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。本文從斷裂力學(xué)的角度，用新的斷裂模型表征公路混凝土的斷裂性能，分析裂縫成因和發(fā)展規(guī)律（裂紋擴(kuò)展為三階段擴(kuò)展），找出水泥混凝土路面板早期斷裂的綜合治理方案，啟迪行業(yè)發(fā)展。在未來(lái)，可以考慮將本文所探索的機(jī)理和策略方案用在更多的實(shí)際工程當(dāng)中，以便積累大量工程實(shí)際數(shù)據(jù)，對(duì)現(xiàn)有理論做進(jìn)一步的修正和完善。

參考文獻(xiàn)

[1] 譚金濤. 水泥混凝土路面早期斷板病害成因分析[D].重慶交通大學(xué)，2018.

[2] 王建文. 破損水泥混凝土路面重載車輛的動(dòng)荷載分析[D].重慶交通大學(xué)，2018.

[3] 王孝賢，陳忠達(dá)，吳永軍，郭健，劉萬(wàn)共.水泥混凝土路面板下的瀝青混凝土層功能分析[J].施工技術(shù)，2017，46（S2）：992-995.

[4] 陳洪凱，周福川，唐紅梅.沿河公路平行懸空混凝土路面板斷裂力學(xué)模型[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2016，29（03）：25-34.

（作者單位：靈丘縣路政管理大隊(duì)）