水泥混凝土路面病害產(chǎn)生原因及機(jī)理

1、水泥混凝土路面產(chǎn)生病害原因及機(jī)理水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)在車輛荷載和外部環(huán)境的作用下，路面使用性能逐漸下 降，以至于產(chǎn)生各種各種類型的破損現(xiàn)象。水泥混凝土路面的破壞形式及分類方 法很多，本報(bào)告綜合考慮路面病害的成因、表觀形態(tài)、對(duì)路面使用性能的影響等， 將水泥混凝土路面病害分為裂縫類、接縫類、變形類和表面破損等4大類，14種類型，見表1。表1水泥混凝土路面主要病害類型裂縫類貫穿裂縫、斷板、破碎板接縫類唧泥、脫空、錯(cuò)臺(tái)、拱起、接縫材料剝落及破損變形類沉陷表面破損露骨、坑洞、層狀剝落、表層裂縫一、裂縫類破壞（1）貫穿裂縫貫穿裂縫是指貫穿板全厚的裂縫，包括橫向裂縫、縱向裂縫、斜向裂縫、交叉裂縫等。路面板產(chǎn)生

2、貫穿裂縫的原因很多，可歸納為如下幾類： 溫縮裂縫溫度梯度是水泥混凝土路面板產(chǎn)生非荷載裂縫的主要原因之一。混凝土板在晝夜溫差周期性變化中，路面板混凝土隨溫度變化而出現(xiàn)體積變化， 路面板熱脹 冷縮，同時(shí)，因板頂面與底面之間的溫度梯度作用而出現(xiàn)翹曲變形，且受面板與基層之間的摩阻作用限制，板內(nèi)會(huì)產(chǎn)生彎拉應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力超過混凝土的極限彎拉 強(qiáng)度后，路面板會(huì)被拉裂。對(duì)于路面板混凝土強(qiáng)度尚未完全形成的初期， 溫度驟 變更容易引起這種裂縫。 干縮裂縫水泥混凝土具有濕脹干縮的變形特性。 混凝土在水中硬化時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生微量 的體積膨脹，而在空氣中硬化時(shí)，由于混凝土中水分的蒸發(fā)，其凝膠體發(fā)生收縮， 這就是干縮。當(dāng)自由干

3、收縮受到限制時(shí)，路面板內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生收縮裂縫，從而引 起干縮裂縫的產(chǎn)生?？諝庀鄬?duì)濕度是影響干縮裂縫的重要原因。混凝土收縮隨空氣相對(duì)濕度的增 加而減小，直至相對(duì)濕度為100%時(shí)表現(xiàn)為濕脹?？諝庀鄬?duì)濕度越低，對(duì)混凝土 收縮的影響越大。 水泥混凝土路面初期收縮裂縫中， 濕度變化引起的干縮裂縫占 有一定比例。 基層狀況的影響水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)基層采用的主要類型為水泥碎 （砂）石穩(wěn)定基層， 在溫 度應(yīng)力以及其他因素的影響下，澆筑后的路面基層在一定范圍內(nèi)可能產(chǎn)生裂縫， 若不及時(shí)進(jìn)行處理，將會(huì)反射到面層，使面板產(chǎn)生斷裂或裂縫等病害。 材料品質(zhì)的影響水泥安定性不良將使路面板產(chǎn)生裂縫； 水及砂石中有害雜質(zhì)含量高，

4、 則對(duì)混 凝土的腐蝕性較大， 路面板產(chǎn)生破壞； 此外， 砂石中的活性材料能夠與水泥中的 堿產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，從而破壞混凝土結(jié)構(gòu)。 施工質(zhì)量的影響路基路面的施工工藝及質(zhì)量控制是影響路面使用性能的非常重要原因， 也是 不可避免的一個(gè)原因。路基壓實(shí)度及密實(shí)度控制， 路面結(jié)構(gòu)澆筑工藝及時(shí)間控制， 都會(huì)影響路面病害的產(chǎn)生。為了防止和減小路面板內(nèi)的溫縮和干縮裂縫，需要對(duì)路面板進(jìn)行切縫分塊， 一般施工中切縫時(shí)間難以控制。 理論來說， 切縫的最佳時(shí)間是水泥水化的初始階 段，但由于此時(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度過低，切縫無法進(jìn)行，隨著水化過程的前進(jìn)，混 凝土抗壓強(qiáng)度增大， 而同時(shí)溫度的降低也降引起板內(nèi)溫度應(yīng)力增大， 就可能導(dǎo)致

5、 板塊的橫向斷裂。（2）斷板和破碎板縱、橫、斜等各種裂縫的發(fā)展， 會(huì)造成一個(gè)整的路面板塊破裂為兩塊或兩塊 以上，即為斷板，斷板發(fā)展嚴(yán)重時(shí)，將形成路面板的破碎。故而引起路面板貫穿 裂縫的各種單一因素或綜合因素，都可能是造成路面板塊斷裂和破碎的原因。此外，我國(guó)大部分公路都出現(xiàn)了比較嚴(yán)重的車輛超載現(xiàn)象， 所以路面斷板的 另外一個(gè)不可忽略的原因是車輛嚴(yán)重超載而造成的板內(nèi)應(yīng)力突然集中。二、接縫類破損接縫處是混凝土板塊中應(yīng)力分布最集中的地方， 故而也是最容易引起破壞的 部位。接縫處破壞主要包括：錯(cuò)臺(tái)、唧泥、脫空、拱起、接縫剝落及接縫材料損 壞等。（1）唧泥和脫空唧泥指路面板在行車荷載作用下， 板下基層的細(xì)

6、粒材料從接縫或裂縫處與水 一同噴出， 致使板體與基礎(chǔ)逐步脫空， 并在接縫或裂縫附近常有污跡存在； 脫空 是指面板與基層之間存在的一定間隙，脫空往往伴隨唧泥的發(fā)生和發(fā)展而出現(xiàn)。唧泥產(chǎn)生的原因 水泥混凝土路面在凝結(jié)硬化過程中具有較大的干縮變形和溫縮變形， 從而要 求混凝土路面設(shè)置間距很密的脹縫、 縮縫及符合施工要求的施工縫。 這些必須設(shè) 置的接縫必然成為路面最薄弱的最易損壞的部位。雖然接縫部位均經(jīng)填縫料處 理，但一般的填縫料在使用23年后都會(huì)有不同程度的滲水現(xiàn)象出現(xiàn)，從而為 雨水進(jìn)入路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部提供了條件。雨水通過接縫、裂縫及板邊縫隙滲入板底， 在車輛動(dòng)荷載的反復(fù)作用下， 形成高壓水流， 在板底接

7、縫、裂縫及板邊高速流動(dòng)， 對(duì)基層頂面進(jìn)行沖刷， 細(xì)顆粒從接縫、 裂縫和板邊被帶到路面， 即產(chǎn)生唧泥現(xiàn)象。路面唧泥的產(chǎn)生，一般需具備以下條件：a路基或基層的土壤處于松散狀態(tài)，亦即存在松散之細(xì)粒土；b、在面板與基層及路面之間有自由水存在，并與松散細(xì)粒土混合形成泥漿；c、頻繁的重載車輛軸載的作用，水泥混凝土路面板產(chǎn)生泵吸作用將泥漿噴 出、吸入。板底脫空 從板邊接縫或裂縫噴出到路面上的泥水，在在負(fù)壓作用下也會(huì)被吸入板底， 如此反復(fù)的將泥水帶出和吸入，混凝土板底就會(huì)逐漸脫空。（2）錯(cuò)臺(tái)錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象通常與唧泥現(xiàn)象、 填縫料破損、基層開裂及路基的不均勻變形有關(guān)。 錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象一般被認(rèn)為是填縫料丟失、水分侵入、基層斷

8、裂、行車荷載、溫度應(yīng)力 等共同作用的產(chǎn)生結(jié)果。楊國(guó)慶在 2008 年對(duì)水泥路面唧泥的研究認(rèn)為，切縫后的水泥路面基層會(huì)不 可避免地發(fā)生橫向和縱向斷裂， 成為非整體性板塊。 澆注好后的水泥混凝土應(yīng)及 時(shí)切縫， 切縫后， 接縫的頂端將產(chǎn)生應(yīng)力集中導(dǎo)致鋸出的裂紋向下擴(kuò)展， 在裂紋 貫穿板厚的瞬間， 混凝土板在裂紋兩端附近的拉應(yīng)力完全釋放， 混凝土板將產(chǎn)生 巨大的回復(fù)力而使面層收縮。 基層和面層在施工初期是粘結(jié)在一起的， 故而基層 將阻止面層的收縮運(yùn)動(dòng)， 這就使得面層與基層之間產(chǎn)生巨大的剪力， 剪力的作用 將會(huì)造成割縫兩端處的面層和基層之間產(chǎn)生水平裂縫， 當(dāng)水平裂縫擴(kuò)展到一定距 離后會(huì)偏轉(zhuǎn)侵入基層，使得

9、基層豎向開裂，并可能發(fā)展為斷裂。在路面板基層斷裂的情況下， 隨著填縫材料的破損， 雨水入侵路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部， 并從基層中的裂縫向路基方向入滲， 在行車荷載作用下， 由于水分聚集在基層頂 部和面層頂部，將使得基層產(chǎn)生巨大沖刷，產(chǎn)生泵吸、唧泥現(xiàn)象，嚴(yán)重的唧泥或 水對(duì)基層和路基的弱化都會(huì)導(dǎo)致路面板整體產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，表現(xiàn)為相鄰板塊出現(xiàn)高 差，也即錯(cuò)臺(tái)。（3）拱起拱起指縱向相鄰兩塊面板或多塊面板相對(duì)其臨近面板的平面向上的凸起。 主 要指橫縫處出現(xiàn)的拱起?；炷涟骞捌甬a(chǎn)生的原因主要是由于大氣溫度或者板塊內(nèi)部濕度的變化， 即 這些變化引起的板塊膨脹與收縮的反復(fù)作用而形成的。 當(dāng)混凝土板塊收縮時(shí)， 填 縫料失效，隨填

10、縫料損失， 碎屑雜質(zhì)材料進(jìn)入接縫處， 使得板在膨脹的時(shí)候產(chǎn)生 較大的壓應(yīng)力，從而出現(xiàn)縱向壓曲失穩(wěn)。（4）填縫材料剝落、破損路面在使用一段時(shí)間后， 必然會(huì)出現(xiàn)填縫料的剝落、 擠出、老化和碎裂現(xiàn)象。 填縫料的失效、損壞，接縫內(nèi)逐漸被砂、石、土等填塞，阻礙了板的膨脹，從而 引起板的壓曲、 破碎和接縫剝落等損壞。 路面表面水流入基礎(chǔ)， 導(dǎo)致基礎(chǔ)軟化唧 泥或凍脹，進(jìn)而誘發(fā)其它病害。三、變形類破壞變形類破壞主要指路面的沉陷。 路面沉陷多與路基的不均勻變形有關(guān)， 如路 基填筑材料性能較差， 或施工過程中壓實(shí)度不足， 在外部環(huán)境作用下， 路基將產(chǎn) 生局部或者整體沉陷， 從而導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)的整體沉陷， 沉陷往往伴

11、隨產(chǎn)生路面板 的錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象。四、表面破損表面破損主要包括路表面的露骨、坑洞、表面剝落及表面裂縫等。 露骨、坑洞及表面剝落水泥路面表面的露骨、 坑洞及表面剝落多與雨水對(duì)路表面材料的沖刷及行車 荷載的綜合作用有關(guān)。路面在外界自然環(huán)境與荷載的作用下， 隨時(shí)有可能產(chǎn)生各種類型的病害。 在 路面產(chǎn)生輕微病害的初始階段， 若不及時(shí)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)修補(bǔ)， 則會(huì)發(fā)生局部路面材料 的松散，網(wǎng)裂， 在車輛荷載和雨水沖刷的長(zhǎng)期作用下就會(huì)剝落形成坑槽， 坑槽再 進(jìn)一步磨損就會(huì)形成路面骨料裸露的現(xiàn)象，即露骨。 表面裂縫表面裂縫主要出現(xiàn)在混凝土板澆筑完成后還未開放交通前， 其產(chǎn)生主要是由 于混凝土混合料的早期過快失水干縮和碳化收縮

12、引起的。 造成混凝土表面收縮的 原因有以下幾種：a塑性收縮水泥混凝土路面在澆注后的硬化過程中， 混合料中的粗骨料在重力的影響下 會(huì)下沉，從而水分向上遷移， 形成表面泌水。 當(dāng)混合料表面水的蒸發(fā)速度比泌水 速度快時(shí)， 水的蒸發(fā)面就會(huì)深入到混合料表面內(nèi)， 毛細(xì)水面形成凹面， 產(chǎn)生較大 的表面張力，同時(shí)固體顆粒間產(chǎn)生毛細(xì)管張力， 促使顆粒凝集， 當(dāng)混凝土表面尚 未充分硬化， 不能抵抗這一張力時(shí)混凝土表面則出現(xiàn)裂縫。 裂縫的發(fā)生時(shí)間大致 與泌水時(shí)間相對(duì)應(yīng)， 在混凝土澆筑后數(shù)小時(shí)混凝土表面將普遍出現(xiàn)細(xì)微的、 各方 向均存在的裂縫，亦即龜裂。b、自收縮水泥在水化反應(yīng)中體積會(huì)縮小， 并且水化反應(yīng)是個(gè)吸水反應(yīng)

13、， 水泥內(nèi)部水分 減少而產(chǎn)生自收縮。同時(shí)，水泥水化反應(yīng)也是一個(gè)放熱反應(yīng)， 在水泥終凝 12h 后的水化溫度可達(dá) 到8090度，板內(nèi)部的溫度較高，產(chǎn)生膨脹，而板表面溫度較低，當(dāng)混凝土所 產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過混凝土的極限抗拉強(qiáng)度時(shí)（一般混凝土抗拉強(qiáng)度較低） ，就會(huì) 產(chǎn)生表面裂縫。c、干燥收縮在混凝土澆筑的初期，水分失去后，毛細(xì)水的張力加大，如果養(yǎng)生條件不好 的，會(huì)有千燥收縮裂紋產(chǎn)生。d、碳化收縮混凝土中的碳化收縮可引起表面龜裂。當(dāng)混凝土的水灰比較大時(shí)，空氣中的 C02極其容易滲入混凝土內(nèi)部，而與 混凝土中的堿性物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。 碳化反應(yīng)使得同相體積明顯降低，促進(jìn)了混 凝土的收縮。由于碳化引起的收縮僅

14、局限在路表面層較薄的深度范圍內(nèi)，故碳化反應(yīng)只會(huì)引起表面裂縫。綜合以上對(duì)水泥混凝土路面病害及病害原因的分析，將影響水泥路面病害發(fā)生的主要因素總結(jié)歸納如表2所示。表2水泥路面病害主要影響因素因素說明荷載應(yīng)力幾乎任何病害的產(chǎn)生都離不開行車荷載的作用，車輛超載嚴(yán)重時(shí)的集中荷載應(yīng)力還很有可能造成路面板的突然斷裂。溫度應(yīng)力水泥混凝土具有熱脹冷縮的性質(zhì)，是路面各種裂縫產(chǎn)生的主要原因之一。水水對(duì)混凝土路面的影響主要有兩個(gè)方面：一是水對(duì)路表和路面基層的沖刷和腐蝕作用，使得路面產(chǎn)生各種表面類及接縫類破壞；另一方面，混凝土的濕脹干縮性質(zhì)也 是路面各種裂縫產(chǎn)生的重要原因?；鶎訝顩r路面基層的強(qiáng)度影響路面的使用性能，基層裂縫類病害也是造成面層反