水泥混凝土路面破壞成因及治理措施

黃興亮，周勝波，梁小英，孫曉虎

(1.陜西省建筑科學研究院，西安710082;2.長安大學 公路學院，西安710064;3.陜西鐵路工程職業技術學院，陜西渭南714000;4.淄博市建筑科學研究中心，山東淄博255000)

當前道路建設采用的路面材料主要是水泥混凝土和瀝青混凝土兩種，相對于瀝青路面來說，水泥混凝土路面具有剛度大、承載能力強、環境污染小、造價低等優點，在目前有鋪裝的高等級路面中，路面材料使用水泥混凝土的占65%以上［1-2］.隨著經濟的高速發展，交通運輸持續增長，超載車輛不斷增加，道路使用條件越來越惡劣，使得水泥混凝土路面面臨嚴峻的考驗.水泥混凝土在使用早期出現開裂、斷板、錯臺、唧泥、表面空洞、脫皮露骨等病害［3-9］，直接影響路面的使用性能.如何建設耐久性好、行車舒適的高質量水泥混凝土路面，是路面建設中面臨的一道難題.本文通過分析水泥混凝土路面病害類型及成因，探討水泥混凝土材料性能和施工方面普遍存在的問題，提出改善水泥混凝土路面質量的一些改進措施.

1 水泥混凝土路面材料應用的國內外發展現狀

水泥混凝土用作筑路材料最早是1828年，英國在倫敦郊外用水泥混凝土鋪筑道路基層，1914年第一次世界大戰后，水泥混凝土在路面建設中得到了廣泛的應用，水泥混凝土真正作為路面材料只有七八十年的歷史.在經濟危機持續以及石油價格居高不下的形勢下，水泥混凝土顯得越來越重要.在歐洲，水泥混凝土在德國路面建設中普及最早，20世紀60年代以前的高速公路路面材料幾乎都是水泥混凝土，比利時有50%的高速公路的路面是水泥混凝土;法國每年建成的高速公路路面材料約有30%使用水泥混凝土;英國1970年以后建設的主要道路路面材料有22%為水泥混凝土;美國高速公路網中，路面建設中使用水泥混凝土材料占49%左右［10-11］.

我國修建水泥混凝土路面較晚，但是發展速度很快.1960年主要路面材料使用水泥混凝土的里程為60 km，1970年全國公路水泥混凝土路面里程為200 km，至1980年混凝土路面里程為1600 km，1990年以后每年新增10000 km左右，2000年以后每年則以數萬千米的速度增長.根據交通運輸部最新公布的數據，到2010年底，全國有鋪裝路面和簡易鋪裝路面公路里程244.22萬 km，比上年末增加18.97萬km，占總里程的60.9%，比上年末提高2.6個百分點，比“十五”末提高20.2個百分點.各類型路面里程中有鋪裝路面191.80萬km，其中瀝青混凝土路面54.25萬km，水泥混凝土路面137.55萬km，比上年末分別增加19.80萬km、5.35萬km和14.45萬km，可見路面發展速度是相當驚人的.如此增長速度，如果路面材料不耐久，后期使用過程中因路面材料問題造成巨額維修和養護費用將會帶來沉重的經濟負擔.

2 水泥混凝土路面常見問題及形成原因

路面中使用水泥混凝土雖然剛度大、承載能力強，但是隨著國民經濟的發展，交通量迅速增大，超載、重載車輛增加，使得水泥混凝土在早期出現了一些病害，耐久性和功能性下降.

2.1 水泥混凝土的開裂、斷板、錯臺

水泥混凝土的開裂、斷板以及錯臺，直接影響著路面的使用功能.路面出現以上破壞后，雨水會由此破壞處滲入基層，長時間對基層的沖刷、軟化造成板底脫空，在荷載作用下出現唧泥、斷板以及錯臺.路面以上問題在早期和運行期間都有可能出現，主要原因有早期路基自然沉降不均勻、耐沖刷性差、結構排水不暢以及部分路面在縮縫處未設置傳力桿.此外，基層表面粗糙度大、摩擦系數高，面板收縮會使混凝土路面產生過大的拉應力而斷板.當然施工關鍵技術也起著決定的作用，溫差過大時施工、切縫不及時，溫度應力高于混凝土的抗彎拉強度，風速大、蒸發快時養護不及時，表面易出現收縮裂縫.

2.2 水泥混凝土表面蜂窩、脫皮露骨

水泥混凝土的脫皮露骨以及蜂窩空洞主要形成原因是原材料控制不當、工作性控制不好、施工操作不符合規范要求等.如果碎石、砂的含泥量大，會造成混凝土出現坑洞和脫皮露骨現象.施工時振搗不足、漏振，使顆粒間空隙未能被砂漿填滿，特別是顆粒移動阻力大的模板處更易出現蜂窩.若混合料坍落度小或者夏季高溫時施工，這樣混凝土凝結速度快以致待輥筒滾壓收水時石子殘留表面，表面抹平后造成石子外露.此外，混凝土水灰比過大或水泥的耐磨性差，在行車荷載作用下表面磨損或剝落形成露石.

2.3 水泥混凝土的平整度差、噪音高

與瀝青混凝土路面相比，水泥混凝土平整度較低.目前我國水泥混凝土路面平整度主要取決于施工技術和管理.路面施工機械水平對路面平整度起著至關重要的作用，滑膜攤鋪機路面施工水平相對較高.此外施工單位配置人員機械操作手技術水平經驗不足，不能根據施工環境調整攤鋪環節等都會造成路面行車舒適度下降.

3 提高水泥混凝土路面質量的途徑

路面水泥混凝土出現破壞導致耐久性不足和行車功能性變差，這些問題主要是由于混凝土結構設計、材料性能和施工關鍵技術等方面造成的.要提高路面水泥混凝土的工程質量，必須有針對性地在每一個環節上采取必要的措施，這對于實現路面水泥混凝土耐久性以及推廣具有重要意義.

3.1 路面結構設計是保證混凝土耐久性的前提

路面結構組合設計方法的研究主要包括路面混凝土荷載效應與抗力效應隨時間變化規律的分析.目前路面結構設計方法主要是在可靠度理論基礎上，利用荷載疲勞應力和溫度疲勞應力之和小于混凝土彎拉強度進行設計的［12-16］.路面實際使用環境條件下，除了荷載和溫度作用外，還有溫濕度變化，而且這些因素之間存在相互作用是耦合的，因此在路面結構設計方法中，應更多地考慮多場之間的耦合作用.

路面厚度設計偏薄，也是容易引起路面混凝土早期破壞的因素［17-18］.路面混凝土的使用壽命與其厚度5次方成比例.而路面厚度是根據設計使用期內的交通等級進行確定的，因此路面設計階段的交通量調查分析很重要.此外，隨著交通的發展，對超載和重載交通考慮不周全，根據軸載等效換算系數，超重軸載的作用與標準軸載的作用是16次方的關系.

板塊平面尺寸對混凝土的溫度應力影響很大.溫度的變化會使混凝土在不斷地伸縮和翹曲中處于拉應力和壓應力的反復交替作用狀態，混凝土板越長，溫度應力就越大，因此選用合理的設計板長或長寬比例，從而使溫度應力在容許范圍內，對避免路板的開裂、斷板很重要.

路面在長期使用過程中，路基的穩定支撐與斷板有直接關系，路面排水設計不當及基層排水狀況不良，都會引起路基失穩或強度不足，使路面產生不規則裂縫，因此設計時應結合交通、地形條件全面考慮.

3.2 改善混凝土材料性能是實現混凝土耐久性的保障

以往路面材料設計主要是抗彎拉強度滿足要求，為了實現路面材料的耐久性，在滿足混凝土路面施工規范的基礎上，應引入耐久性指標對路面材料進行設計［19-22］.混凝土是以膠凝材料、粗細集料和水為主要組分，礦物摻合料和化學外加劑為輔助組分組成的復合材料，通過添加礦物摻合料和化學外加劑可以有效改善其性能，提高混凝土的抗凍性和抗滲性以及體積穩定性、耐磨性等耐久性能，即摻合料的摻加、化學減水劑的使用以及與各種原材料之間配合比例對混凝土是否耐久有重要影響［23-29］，通過控制混凝土耐久性指標的混凝土配合比設計［30-31］，可以獲得性能優良的高性能混凝土，從而改善路面混凝土材料的耐久性能.孫強、于志前等［32］認為在水灰比一定的情況下，粗細集料顆粒級配與混凝土抗折強度關系顯著;周世生、李文華等［33］認為配合比設計原則應該是在滿足抗折疲勞情況下，水泥用量與膠凝材料漿體體積盡可能低，必須選用減水效果及流動性保持能力好的高效減水劑，根據耐久性要求，選用粉煤灰等礦物摻合料來降低成本，采用盡可能低的水膠比與工作性最優的砂率等.

高性能混凝土(HPC)［34-37］具有強度高、穩定性好、耐久性好、工作壽命長、結構維修費用小等特點，因此其應用越來越廣泛.近年來，高性能水泥混凝土的研究開發更是受到了各國政府的高度重視.早在1990年初，美國國家標準與技術研究所(NIST)與美國混凝土協會(ACI)就提出了高性能水泥混凝土的概念:混凝土材料布料均勻，便于振搗，不離析，力學性能穩定，早期強度高，具有韌性和體積穩定性能.為達到這一目標提出了采用優質原材料，嚴格控制集料級配，采用六組分摻加超細粉的方法與手段來提高混凝土的性能.1993年美國戰略公路研究計劃(SHRP-C-205)也提出了高性能混凝土用于公路工程的要求:W/C≤0.35;300次凍融循環，相對動彈模量≥80%;澆筑后4 h達到21 MPa;24 h≥34 MPa;28 d≥67 MPa.美國公路橋梁由于除冰鹽作用損壞嚴重，維琴尼亞州C.OZyildirim認為，鋼筋銹蝕破壞的主要原因是與除冰鹽和海洋環境中的氯離子接觸引起的，要減少或延緩橋梁與路面的破壞，延長使用期限，需要應用低或很低滲透性混凝土，在維琴尼亞州，某些條件下摻加粉煤灰、粉煤灰或礦渣與硅灰復合的輔助膠凝材料，水灰比一般等于或小于0.40，采用普通混凝土施工設備與養護技術施工，也可以應用乳膠改性混凝土(LMC)，因乳膠改性混凝土具有很低的滲透性.

1986—1993年，法國政府組織了全國23個單位開展了“混凝土新方法”的項目研究，在1996年又投入到了“高性能混凝土2000”的國家項目研究中.法國Y.Malier認為，高性能混凝土(HPC)應具備良好的施工性能，高強度及高早期強度，提高整個工程的經濟型和高耐久性.特別適用于橋梁、海港建筑，核反應堆和高速公路等.試件為Φ15 cm×30 cm的HPC抗壓強度為60～80 MPa.

自20世紀70年代開始，國內對水泥混凝土耐久性方面進行了不斷的探索和研究，隨著對水泥混凝土路面破損病害認識的不斷提高，逐漸發現解決混凝土材料本身耐久性的問題是關鍵所在.高性能混凝土在我國的發展歷史，最早是由清華大學的吳中偉院士于1992年將高性能混凝土的概念引入國內，1994年他又針對我國水泥混凝土工業存在的可持續發展問題提出“環保型膠凝材料”“綠色高性能混凝土”等重要理念.清華大學的馮乃謙教授也對高性能混凝土在我國的發展方向作了一定概括:人類與環境共生是高性能水泥混凝土發展的新方向，使高性能混凝土組成材料的發展又邁進了一大步.南京水利科學研究院研究開發了耐磨蝕的高性能混凝土，提供了這類混凝土的綜合參數和性能，如滲水性、氣孔率、坍落度損失、凝結時間、力學性能、尺寸穩定性、耐久性、耐磨蝕性等.中南大學鐵道校區土建學院開發的粉煤灰高性能混凝土，經過抗疲勞200萬次試驗及徐變試驗，證明可以用于32 m跨徑的預應力鋼筋混凝土鐵路橋.我國近年修筑的一些大型建筑物和大跨徑橋梁，也采用了高性能混凝土技術，1991年廣東國貿大廈試驗應用C60高性能混凝土以來，我國HPC的研究、應用和發展較快，上海金茂大廈、北京西客站、北京靜安中心大廈、遼寧物產大廈、南京郵電中心、長春國際商貿城、廣州虎門大橋和合銀廣場、湖南洞庭湖大橋、四川萬縣長江大橋(1996年)、汕頭海灣大跨懸索橋預應力混凝土箱梁等都采用了高性能混凝土.此外，京津塘高速公路橋、北京的部分立交橋和高架橋也使用了C50～C60的高性能混凝土.巴東長江大橋也在承臺大體積混凝土、主塔、主梁、橋面鋪裝等結構中應用了高性能混凝土.以上成功的實例足以證明，混凝土路面材料的耐久性是可以實現的.

3.3 合理的施工技術是實現混凝土路面耐久性的關鍵

混凝土路面的結構設計、原材料控制和配合比設計是基礎，而施工技術的優劣以及施工管理是否符合規范，則是實現路面耐久性的關鍵［38-41］.水泥混凝土路面的質量控制包括路基質量控制和路面質量控制.水泥混凝板底面基層強度不均勻，強度弱的地方容易發生變形，甚至會下沉，造成面層與基層之間局部脫空，面層應力急劇增加，從而導致面板斷裂.路基的施工質量主要從兩方面控制，分別是壓實度指標和平整度指標.選擇合適的筑路材料，控制好含水量，根據壓路機噸位選擇攤鋪厚度、碾壓速度和遍數，最終保證壓實度和平整度.路面的施工控制則主要是溫度控制，由于混凝土是多相體系，其熱膨脹系數不是定值.溫度升高混凝土內部毛細管水的表面張力減小水泥石膨脹，混凝土體積增大;溫度下降混凝土體積減小，零度以下水泥石孔中水因結冰而體積膨脹.反復的伸長與收縮產生的應變超過了材料的極限應變，將產生直接的受拉裂縫，因此在施工期間要采取合理的措施進行溫度控制.原材料要防止暴曬、雨淋，嚴格控制適當的時候采取降溫措施對原材料進行降溫.路面養護期間，水泥混凝土路面板板體溫度與環境之間會有吸熱和散熱作用，因此，也可采用在路面板表面鋪設草袋、噴灑養生劑等相應的措施，減緩吸熱、散熱速度，達到控制水泥混凝土路面板溫度變化幅度，達到降低溫度應力的目的.

提高水泥混凝土路面的施工機械化水平，強化施工管理.目前我國水泥混凝土路面施工機械化水平普遍較低，有些地區人工和小型機具施工占主導地位，混凝土攪拌設備落后使得拌和料質量不高.水泥混凝土路面施工質量不高的另外一個重要原因是施工隊伍缺乏路面施工經驗，振搗不充分造成混凝土不密實，偷工減料現象嚴重，因此從施工組織上強化管理是提高水泥混凝土路面工程質量的前提.

4 展望

水泥混凝土路面質量問題取決于多方面因素，目前的設計理論和施工技術都存在不足，這就要求我們優化設計，加強施工管理，提高施工質量，嚴格按照規范施工.為達到混凝土路面耐久性的目的，需要從原材料控制入手，通過合理的結構設計和混凝土配合比設計，提高施工技術水平，加強施工管理等幾方面進行控制.深入開展路面水泥混凝土原材料技術指標、材料組成與耐久性之間的關系、混凝土混合料組成設計方法、耐久性評價指標等方面的研究，進行合理的耐久性設計，通過摻加礦物摻合料和高效減水劑等措施降低混凝土水泥的用量、水灰比，從而改善混凝土內部的結構以及空隙率，基于此建立道路水泥混凝土的力學性能與耐久性評價指標體系等.通過道路工作者和研究者的共同努力，相信長壽命水泥混凝土路面目標是可以實現的.

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