水泥混凝土路面裂縫成因分析中的關鍵技術研究

束 兵 彭建和

（安徽省水利部淮河水利委員會 水利科學研究院 合肥 233000）

水泥混凝土路面裂縫成因分析中的關鍵技術研究

束 兵 彭建和

（安徽省水利部淮河水利委員會 水利科學研究院 合肥 233000）

某市主干道在運行期間，混凝土面板大面積產生裂縫、斷角，嚴重影響到路面的正常使用，需進行檢測并提出修復建議。本文針對該工程檢測工作中的關鍵技術問題，從路面和路基兩個方面進行闡述，對路面混凝土厚度、路面混凝土強度、路面土的壓實度、路面土的液塑限及自由膨脹率等指標進行檢測和分析，最后根據各指標的檢測結果總結分析裂縫成因，供相關單位參考。

道路工程；關鍵技術；檢測；路面；路基；裂縫

某主干道長約3.4km，道路斷面為城市道路四塊板形式，其中，快車道8.0m×2，慢車道4.0m×2，人行道及綠化帶10.0m×2，快車道道路結構層從路面至下分別為：24cm厚35#水泥混凝土面層，30cm厚石灰、粉煤灰、碎石基層（比例為1∶2∶3），素土夯實。道路南半側目前已經出現混凝土面板大面積裂縫、破碎、斷角，有的地段出現路面脫空、錯臺，出現接縫剝落、接縫填料損壞病害，嚴重影響到路面的正常使用，給來往車輛的行車安全及車輛的使用壽命造成不利影響。為了解該道路質量現狀，調查道路破損成因，需對該條道路進行檢測，其中關鍵的技術指標有：（1）路面混凝土厚度；（2）路面混凝土強度；（3）回填土的壓實度；（4）回填土的液塑限及自由膨脹率；（5）基層成型情況；（6）車輛行駛情況調查及其他破壞原因分析等。筆者對以上關鍵技術進行研究，分析道路出現裂縫原因，以期為下一步處理提供依據。

1 路面病害調查及分析

對該路破損處逐一按對應道路樁號、板號順序進行破損情況直觀描述、拍照取證并分析，記錄混凝土路面外觀缺陷，按照其破壞類型與破壞程度，分析損壞規律，并作為初步分析其破損原因的重要依據。根據實際情況，在裂縫描述中，將水泥混凝土路面的病害分為4大類，分別為：一般斷裂病害（線裂、交叉裂縫等）、嚴重破碎病害（面板裂縫多于三條的、網狀的，錯臺、拱起嚴重的等）、板角斷裂病害、接縫破損病害（接縫料破損、邊角剝落等）。該整條路共有板塊2704塊，一般斷裂病害破損板數為555塊、破損率為20.5%，板角斷裂病害破損板數為54塊、破損率為2.0%，嚴重破碎病害99塊、破損率為3.7%，接縫破損病害破損板數為4塊、破損率為0.1%。左倉（南側）較右倉（北側）破損嚴重。

1.1 路面混凝土厚度檢測

根據文獻[1-3]，采用鉆芯法鉆取芯樣，直接量測水泥混凝土路面的實際厚度，該路共抽測18處，其中有破損路面抽測15處，完好路抽測3處。由計算可得，該路段水泥混凝土路面面層厚度的均值h＝223mm、面層厚度的標準差s＝31.0mm、厚度的標準值H＝191mm。

1.2 路面混凝土強度檢測

路面混凝土強度共進行了水泥混凝土圓柱體劈裂抗拉強度試驗，并換算成混凝土抗彎拉強度；水泥混凝土小梁法抗彎拉試驗；水泥混凝土抗彎拉試件斷塊抗壓強度試驗，并進行整體分析。

1.2.1 水泥混凝土圓柱體劈裂抗拉強度試驗

根據文獻[3-5]，對水泥混凝土路面鉆取直徑為150mm的芯樣，檢測路面混凝土現有劈裂抗拉強度，并換算成混凝土抗彎拉強度。該路共鉆取18個芯樣，其中在路面破損處鉆取15個芯樣，完好路面鉆取3個芯樣。按文獻[4]中水泥混凝土圓柱體劈裂抗拉強度試驗方法將芯樣在進行強度試驗前先進行調濕，在標準養護室養護24h后，取出試件，用濕布覆蓋，并測量出直徑、高度，檢查外形；在試件中部劃出劈裂面位置線后，置于壓力試驗機實測芯樣劈裂強度，加荷速度嚴格控制在0.05～0.08MPa/s內。

1.2.2 水泥混凝土小梁法抗彎拉試驗

現場采用切割機切取水泥混凝土路面，并在試驗室內加工成150mm×150mm×550mm的試件。其中，該路段共制作4個試件，按文獻[4]中水泥混凝土抗彎拉強度試驗方法要求，采用專用混凝土彎折試驗機進行小梁的抗彎拉強度測試，加荷速度嚴格控制在0.05～0.08MPa/s內。

1.2.3 水泥混凝土抗彎拉試件斷塊抗壓強度試驗

室內試驗及數據處理依據文獻[4]進行。在完成抗彎拉試驗后，將斷塊進行切割，制作成150mm×150mm×150mm的標準立方體試件，采用壓力試驗機測試其抗壓強度，加荷速度嚴格控制在0.5～0.8MPa/s內。

1.2.4 強度分析意見

（1）該路混凝土設計標號為C35，水泥混凝土抗彎拉試件斷塊抗壓強度值為37.3～57.8 MPa。

（2）該路現場切割小梁法測得水泥混凝土抗彎拉強度為3.91～5.33 MPa，平均值為4.46 MPa。現場取芯圓柱劈裂抗拉換算彎拉強度法共抽測18處，其中有破損路面抽測15處，完好路抽測3處。所有抽測部位的面層混凝土彎拉強度標準值為4.46 MPa；破損路面處面層混凝土彎拉強度標準值為4.41 MPa；完好路面處面層混凝土彎拉強度標準值為4.63 MPa。從上述數據可見，路面面層混凝土實測彎拉標準值小梁法與圓柱劈裂抗拉換算彎拉強度法結果基本一致，基本能達到4.5 MPa要求；且完好路面面層混凝土彎拉強度標準值與破損路面的彎拉強度標準值相差不大，這些差異與混凝土板斷裂破損后產生的內部微裂縫引起彎拉強度降低有關。

2 回填土的檢測情況

2.1 回填土的壓實度檢測

該路現場挖除混凝土面層與三渣基層各6處，對路床回填的土體性質進行檢驗。取土重新進行擊實試驗（重型）測其最大干密度、最優含水量；分別選取破損路面與完好路面，在挖方段與填方段，挖除混凝土面層及三渣基層，對路床回填土不同部位取樣進行含水率、干密度試驗；結合相同類型土的擊實試驗結果計算回填土不同部位的壓實度。現場檢測、室內試驗及數據處理依據文獻[6]進行。該路土樣最大干密度（重型擊實）為1.83g/cm3，最優含水量為15.0%。檢測結果見表1。

2.2 土的液塑限及自由膨脹率檢測

膨脹土是一種吸水膨脹、失水收縮、脹縮變形顯著的粘性土，其主要工程性質是具有多裂隙性、強超固結性、強親水性和反復脹縮性，其礦物成分以強親水性礦物蒙脫石和伊利石為主。由于膨脹土的這些特性，決定其對公路有比較強的破壞作用，使得膨脹土地區的公路經常遭受巨大的破壞。為了解路段土的膨脹性能，均現場取土在試內進行了土的液塑限及自由膨脹率測試。

現場檢測、室內試驗及數據處理依據文獻[6]進行。該路回填土的液限指數Wl17介于30.1～47.5之間，Wl10介于26.3～37.8，塑性指數Ip介于12.6～25.7之間。

膨脹土的判別采用自由膨脹率、標準吸濕含水率、塑性指數等三項指標進行判斷，當符合下表兩項指標時，即應判定為膨脹土[7]。

3 基層成型情況

從現場開挖情況來看，該路的基層情況較差，三渣層基本沒有凝聚力，處于濕散狀態，鉆機鉆孔、人工開挖均無法取得成型樣品。

4 裂縫成因分析

4.1 混凝土路面厚度

該路設計厚度值為240mm，均值為223mm，標準差為31.0mm，標準值為191mm，按文獻[2]合格厚度范圍為（設計值-5～設計值 +20），即（235～260mm），合格點率為33.3%。從上述數據可見，路面面層混凝土實測厚度普遍不能滿足設計要求。混凝土面層厚度的減小，降低了混凝土板的剛度，增大了板的荷載應力。路面板越薄，板內所產生的彎拉應力就越大。當板的彎拉應力大于混凝土的極限抗彎拉強度時，路面板將發生板角斷裂及整板斷裂破壞。為此路面板應具有足夠的強度和一定的厚度。降低了對混凝土板承受荷載及溫度應力的綜合疲勞作用的能力，從水泥混凝土面板計算理論計算可知，當其他參數不變，僅混凝土面板厚度減少10mm，則荷載與溫度共同產生的疲勞應力將增加3%～5%；

4.2 混凝土面層強度

該路水泥混凝土抗彎拉強度均基本能達到4.5MPa要求，且完好路面面層混凝土彎拉強度標準值與破損路面的彎拉強度標準值相差不大，這些差異與混凝土板斷裂破損后產生的內部微裂縫，引起彎拉強度降低有關。

表1 該路土體物理性能參數匯總表

表2 膨脹土的判別標準表

表3 膨脹土的分級標準

4.3 回填土的壓實度

該路回填土的含水量為22.5%～27.2%，壓實度為84.7%～91.3%，其中完好路面處為91.3%和89.1%；該路雨水管頂部回填土壓實度略低于其他路面。壓實度均未達到設計壓實度95%的要求?；靥钔梁可源螅幱跐褴洜顟B，未達到充分固結，壓實度達不到設計要求，壓實不夠充分，從而一定程度上降低了土的回彈模量，直接影響到整個路面的承載能力；在自重應力和持續時間作用下，嚴重的甚至會發生路基沉降，造成半剛性結構層和混凝土面板底層脫空，直接導致混凝土板斷裂。部分區域回填土地下水位高，土質條件差，地基軟弱，強度低，承載力不足，車輛行駛時變形過大而導致混凝土板塊斷裂或缺角。地基強度分布不均勻，在車輛荷載的重復作用下使地基產生塑性累積變形和地基不均勻沉降，致使混凝土板應力集中而過早開裂，特別是新舊路基的交界線和路填挖分界線上，地基強度很難做到一致，混凝土路面板產生嚴重開裂[10]。

混凝土開裂后，雨水進入回填土致使回填土的含水量進一步增加，軟化現象更加嚴重，在車輛荷載作用下產生動水壓力引起基層的沖刷，使基層承載力降低，進而造成唧泥、錯臺以至板塊破碎，甚至出現大面積的網狀斷裂現象。嚴重影響了水泥混凝土路面的使用性能和使用壽命，增加了行車的不安全因素[11]。

4.4 回填土的膨脹性

通過對該路回填土的試驗結果可判斷出該路的填土大部分區域屬于弱膨脹土。從現場取土的情況看，回填土未采取有效的改良措施，使膨脹土親水性減弱，增加自身的穩定，遇水以后會產生不同程度的膨脹，失水則會產生很大程度的收縮，使得混凝土路面板受到地基的膨脹力作用，這將容易導致道路出現裂縫。

4.5 基層成型情況

從現場開挖情況來看，該路的基層情況均較差，三渣層基本沒有凝聚力，處于濕散狀態，鉆機鉆孔、人工開挖均無法取得成型樣品。低強度的三渣基層一定程度上降低了基層的回彈模量，從而降低了道路路面的承載能力?；鶎硬牧系乃€定性欠佳，從混凝土路面接縫等處滲透到基層的少量水使基層軟化，在基層與混凝土板之間形成間隙，從而使混凝土面板失去支撐而斷裂[10]。

基層平整度差，導致混凝土面層厚度不均勻，在行車荷載及溫度翹曲應力作用下，使得路面應力集中。當應力超過極限強度時，就會在厚度薄弱處產生裂縫[12]。

4.6 車輛行駛情況調查及其他破壞原因分析

根據現場調研，該路南半側均屬進市區聯結道路，由于市區建設任務較重，裝載建筑材料的重車明顯多于另半側，致使路面實際承受的當量軸次遠遠大于作為其設計依據的設計年限內的累計當量軸次，對應荷載疲勞應力即增大，致使道路更易出現破壞，實際現場破壞的情況南半側破損嚴重，證明路面的破損程度與重車經過有一定關系。

接縫破損主要是由于填縫材料在高溫季節縫隙最窄，材料被擠出，而在低溫季節縫隙最寬，擠出的材料不能恢復原位使縫中形成凹陷狀空隙，加之接縫材料老化及冷熱循環往復作用使填縫材料與板壁脫開，此時沒有得到及時的養護和維修，導致泥沙、石屑等極易侵入，成為板塊再次伸脹時的障礙，加之汽車碾壓作用，接縫處破損。

5 結束語

水泥混凝土路面是一種高級路面，它有許多優點，但也容易產生病害，尤其是裂縫，一旦產生裂縫將使路面進一步破壞，造成路面滲水，引起路基受損，降低路面使用壽命。水泥混凝土路面由于其組成材料復雜的物理性質和特定的環境條件，引起裂縫的原因很多。從以上6個參數指標分析可知，主要原因可歸納為兩大類，即變形(溫度變化，混凝土收縮等)受阻和車輛荷載的作用使混凝土板塊受拉或彎拉應力超過極限抗拉強度而開裂

[1]JTGE60-2008.公路路基路面現場測試規程[S].

[2]CJJ01-90.市政道路工程質量檢驗評定標準[S].

[3]CECS03：88.鉆芯法檢測混凝土強度技術規程[S].

[4]JTG E30-2005.公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程[S].

[5]JTG D40-2002.公路水泥混凝土路面設計規范[S].

[6]GB/T50123-1999.土工試驗方法標準[S].

[7]GB50330-2002.建筑邊坡工程技術規范[S].

[8]CJJ37-90.城市道路路設計規范[S].

[9]韓森，李志玲，張東省等.露石水泥混凝土路面關鍵技術研究[J].中國公路學報，2004，17（4）:17-20.

[10]王明懷.水泥混凝土路面裂縫成因與修補方法[J].上海市政工程，1997（4）:19-25.

[11]張慶學，周明川.水泥混凝土路面裂縫成因及防治措施[J].濟南交通高等?？茖W報，2001，9（2）：38-41.

[12]陳新泉.水泥混凝土路面裂縫成因分析與預防[J].科技資訊，2005（23）：23-24.

束兵（1981-），男，工程師，主要從事地基基礎、市政檢測工作。

E-mail：shubing0112@tom.com