李華超

(云南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)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(guó)工匠Leads和J.Aspadin發(fā)明的，最開(kāi)始在英國(guó)修筑了全球第一條水泥混凝土路面。我國(guó)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?lái)，國(guó)家交通運(yùn)輸管理部門(mén)對(duì)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(jī)。水泥混凝土路面病害很多，探討其分類(lèi)和成因有一定實(shí)踐價(jià)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(guó)石灰石資源豐富，因此水泥混凝土路面投資相對(duì)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(chē)輛油耗低、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，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(diǎn)。其對(duì)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(chē)載荷，避免路面產(chǎn)生過(guò)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(shí)，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(chē)輪在下雨、高速行駛、轉(zhuǎn)彎、爬坡等過(guò)程中，如果車(chē)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(huì)積滯雨水，影響行車(chē)速度和行車(chē)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(chē)輛對(duì)路面的沖擊力，提高行車(chē)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(jì)和路面施工

水泥混凝土路面設(shè)計(jì)的內(nèi)容包括結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)、面層接縫構(gòu)造和配筋設(shè)計(jì)、路面排水設(shè)計(jì)、路肩鋪面結(jié)構(gòu)層組合設(shè)計(jì)、層面厚度設(shè)計(jì)、各結(jié)構(gòu)層材料組成設(shè)計(jì)、路面表面特性設(shè)計(jì)等［1］。路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的步驟一般分為七個(gè):采集數(shù)據(jù)→初擬路面類(lèi)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(jì)和力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)→選擇確定有關(guān)設(shè)計(jì)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(fèi)用分析→綜合各方面的分析和考慮，選擇最終設(shè)計(jì)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(duì)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(gè)部分的配合比例，小工程中一般采用經(jīng)驗(yàn)公式法，大工程中一般采用正交實(shí)驗(yàn)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(chǎng)地的方式;其次進(jìn)行材料試驗(yàn)和混凝土配比設(shè)計(jì)，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(shí)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(shí)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(huì)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?yàn)樵牧鲜褂貌缓细瘛⑹┕すに嚥划?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(jì)不當(dāng)、大噸位車(chē)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(shí)，稱(chēng)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(guò)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(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力或拉應(yīng)變，一旦超過(guò)水泥混凝土的抗拉強(qiáng)度或極限拉應(yīng)變，面層就會(huì)開(kāi)裂［2］;當(dāng)持續(xù)升溫時(shí)，水泥混凝土積聚膨脹，當(dāng)溫度應(yīng)力超過(guò)水泥混凝土的極限抗壓應(yīng)力，也會(huì)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(méi)有得到及時(shí)修補(bǔ)，就會(huì)形成破碎的情況。此外，水泥混凝土路面在重載車(chē)輛的反復(fù)碾壓下，路面內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力會(huì)超過(guò)結(jié)構(gòu)抗力，路面材料就會(huì)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(diǎn)距角點(diǎn)均在一個(gè)板厚以上和半個(gè)邊長(zhǎng)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(chē)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(guò)大，超過(guò)疲勞極限開(kāi)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(shí)，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(jiàn)的另一類(lèi)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(cuò)臺(tái)、拱起和沉陷等。

在類(lèi)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(chē)輛通過(guò)脫空的路面板時(shí)會(huì)有明顯的活動(dòng)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(chē)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(huì)影響到車(chē)輛的行車(chē)安全，這就是路面錯(cuò)臺(tái)病害。路基不均勻沉降是引起水泥混凝土路面錯(cuò)臺(tái)的主要原因，而在路基填土壓實(shí)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(shí)，就會(huì)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(huì)發(fā)生明顯抬高現(xiàn)象，就會(huì)導(dǎo)致路面拱起。路面拱起的處置方法一般通過(guò)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(guò)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(kāi)、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(gè)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(méi)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(méi)設(shè)拉桿或拉桿數(shù)量設(shè)計(jì)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(chēng)為縱縫張開(kāi)病害。當(dāng)相鄰兩塊面板板邊之間發(fā)生相對(duì)位移(不是多塊面板的集體位移)時(shí)，就會(huì)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(chē)輪帶出，接縫就會(huì)開(kāi)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(yíng)運(yùn)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(duì)混凝土面板的整體性影響很小，但隨著時(shí)間推移也會(huì)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(shí)，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(shí)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?？佣吹某霈F(xiàn)，是由局部表面層砂石材料含泥量過(guò)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(gè)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(lèi)。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(shù)脂、改性環(huán)氧樹(shù)脂、酚醛和各種改性酚醛樹(shù)脂類(lèi)膠粘劑;密封材料主要有聚氨酯類(lèi)、烯類(lèi)、橡膠類(lèi)、瀝青類(lèi)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(shù)脂、日產(chǎn)BI-GROUP等高分子樹(shù)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(shù)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(shí)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(shí)，要注意控制溝槽的深度，最大深度不應(yīng)超過(guò)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(shí)，溫度控制在50℃ ～60℃為宜。第二種:全厚式開(kāi)槽法。當(dāng)裂縫較大時(shí)，一般采用全厚式開(kāi)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(wú)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(shí);路面板發(fā)生脫空斷裂、斷角等損壞時(shí);因行車(chē)需要緊急搶修工程時(shí)。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(lèi)、聚氨酯類(lèi)、M950灌縫膠和硅酮嵌縫膠。選擇材料時(shí)，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(shí)，應(yīng)將填縫料加熱到灌入的溫度，過(guò)濾雜物;常溫式填縫料修補(bǔ)時(shí)，無(wú)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(kāi)的維修。相鄰車(chē)道面板橫向位移、縱向接縫張開(kāi)寬度小于10 mm時(shí)，采用聚氯乙烯膠泥、橡膠瀝青等加熱填縫料;相鄰車(chē)道面板橫向位移、縱向接縫張開(kāi)寬度在10 mm～15 mm時(shí)，采用聚氨酯類(lèi)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(shí)，用瀝青砂填縫。

c.接縫板邊出現(xiàn)碎裂時(shí)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(chē)強(qiáng)度后可以開(kāi)放。

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