水泥路面早期損壞原因分析及修復

趙耀輝

【摘 要】水泥路面是高等級公路主要路面結構型式之一。使用中的水泥路面，由于多種原因會 產生斷裂、裂縫、磨損等多種形式的損壞，嚴重影響道路運輸效果、經濟效益和社會效益。 因此，需要及時的保養維護或修復。針對水泥路面損壞的機理、原因，介紹了水泥路面狀 態現代檢測技術和修復機械。

【關鍵詞】水泥路面；損壞機理；修復

【Abstract】Cement road is one of the main highway pavement structure type. Use the cement pavement， due to various reasons will have various forms of damage fracture， crack， wear， etc.， seriously affecting the road transport effects， economic and social benefits. Therefore， the need for timely maintenance or repair. Mechanism for cement pavement damage reasons， introduces modern cement pavement state detection technology and repair machinery.

【Key words】Cement pavement；Damage mechanism；Repair

水泥混凝土路面（簡稱水泥路面，俗稱白色路面）是公路，特別是高等級公路的主要結構型式之一。它是以水泥與水拌和成水泥漿為結合料，以碎（礫）石、砂為集料，加入適量的添加劑，攪 拌成水泥混凝土來鋪筑的路面。

1. 水泥路面的優點：

（1）強度高、剛度大，具有較高的承載能力和擴散載荷的能力。

（2）穩定性好，受氣候條件等自然因素影響小，不易出現瀝青路面的某些因穩定性不足而產生的損壞如變軟、癰包、車轍、波浪等，也不存在瀝青路面的老 化、龜裂等損壞現象。

（3）耐久性好，抗磨耗能力強，而且能通行包括履帶式車輛在內的各種運行機械。

（4）水泥混凝土對油和大多數化學物質不敏感，有較強的抗侵蝕能力。

（5）表面較粗糙，抗滑性和附著性好，從而提高車輛行駛的穩定性和車輛行駛性能的發揮。

（6）水泥路面色澤鮮明，反光能力強，對夜間行車安全有利。

因此，在我國公路建設與發展中，水泥路面會占有越來越大的比例。

2. 水泥路面斷裂損壞機理

（1）水泥道路從斷面上來看，自上而下分為4個層次。其中最上面與車輪接觸的是面層——水泥路面板塊（簡稱水泥板塊）， 它直接承受各種行車載荷。接下來是基層與墊層，其作用是 擴散面層傳下來的集中載荷。最下面的是土基層，是整個公路的基礎。

（2）理論上水泥板塊與路基緊貼在一起，車輪載荷均勻地傳遞到土基層。水泥板塊主要承受壓應力，只要壓應力不超過水泥混凝土抗壓強度，水泥板塊便不會損壞。但是，由于用材不當，或施工工藝不合理，或施工質量控制不嚴等原因會造成水泥板塊與路 基之間出現先天性的或后天引起的貼合不良的現象，一旦兩者之間出現空隙——水泥板塊懸空，在車輪載荷的作用下，懸空處的水泥板塊承受彎曲變形造成的拉應力，而且水泥板塊承受的是脈動載荷、其抗拉強度僅是抗壓強度的1/5～1/10，因此水泥板塊很容易斷裂。

3. 水泥路面狀態檢測工藝

水泥板塊一旦斷裂，其維修 作業量大、費用高，而且要長時間影響交通。因此，對已投入使用的水泥路面應加強日常監控，盡早發現面層與基層之間的空隙，并及早采取補救措施，以保證公路暢通，并延長其使用壽命。

基于不同的基礎理論，水泥板塊是否懸空可以用不同的方法 檢測。最簡單、最直接，也是目前我國常用的傳統方法是鉆孔取 樣法，這是一種盲目的被動的方法。隨著科學技術的發展，聲波法、雷達法、振動分析法等無損檢測方法已開始應用于水泥路面 狀態檢測中。

3.1 超聲波檢測技術。

（1）由于超聲波具有激發容易、檢測工藝簡單、操作方便、價格 便宜等優點，因此在道路狀態檢測中，特別是高等級水泥路面路 基檢測中的應用有著較廣泛的前景。

（2）超聲波是一種頻率高于人耳能聽到的頻率（20Hz～20KHz）的 聲波。實踐證明，頻率愈高，檢測分辨率愈高，則檢測精度愈高。因此實踐中利用超聲波檢測水泥路面狀態時，其上限頻率為100KHz、下限頻率為20KHz。

（3）超聲波是一種波，因此它在傳輸過程中服從波的傳輸規律。 例如：超聲波在材料中保持直線行進；在兩種不同材料的界面處 發生反射；傳播速度服從波的傳輸定理：ν=λf（ν為波速，λ 為波長，f為波的頻率）。資料證明，波速對于水泥路面路基檢測 十分有用，因此一般也稱超聲波檢測法為波速法。

（4）波速法是超聲波檢測水泥路面路基狀態的最基本的方法。研究證明，波在介質材料中行進的速度愈大，則介質材料的堅硬性 愈大；反之，則介質材料愈松軟。而介質材料的堅硬性實質上也反 映了該種材料強度的高低，因此材料強度愈高，波速應愈大；材 料強度愈低，則波速應愈小。這樣，知道了波速，亦即知道了材 料強度。

（5）在土工試塊及某些巖體中利用波速法進行無損檢測有比 較成熟的經驗，用得也比較廣泛。但水泥路面路基情況比較 特殊，作為無損檢測的超聲波探頭無法生根或埋置，從而造 成檢測工作的難度。因此，應該采用波速法與回彈法相組合的綜合法。

3.2 雷達檢測技術。

（1）由于雷達檢測技術具有無損、快速、簡易、精度高等突出優點，我國于20世紀90年代開始應用于公路工程施工和養護質量的監控以及水泥路面路基狀態檢測中。

（2）雷達檢測技術實質上是一種高頻電磁波發射與接收技術。 雷達波由自身激振產生，直接向路面路基發射射頻電磁波，通過波的反射與接收獲得路面路基的采樣信號，再經過硬件、軟件及圖文顯示系統得到檢測結果。雷達所用的采樣頻率一般為數兆赫（MHz），而發射與接收的射頻頻率有的要達到吉赫（GHz）以上。

（3）頻電磁波的產生是依靠一種特制的固體共振腔獲得。雷達波雖然頻率很高、波長很短，但同樣遵守波的傳播規律，即也有入射、反射、折射與衰變等傳播特點，人們正是利用這些特點， 為公路工程質量監控和狀態檢測服務，滿足無損、快速、高精度 的檢測要求。

用于水泥路面路基狀態檢測的探地雷達主要由天線、發 射機、接收機、信號處理和終端設備（計算機）等組成。探地雷 達檢測是利用高頻電磁波以寬頻帶短脈沖的形式，其工作過程是由置于地面的發射天線發送入地下一高頻電磁脈沖波，地層系統的結構層可以根據其電磁特性如介電常數來區分，當相鄰的結構層材料的電磁特性不同時，就會在其界面間影響射頻信號的傳播，發生透射和反射。一部分電磁波能量被界面 反射回來，另一部分能量會繼續穿透界面而進入下一層介質材料。電磁波在地層系統內傳播過程中，每遇到不同的結構層就會在層間界面發生透射和反射。由于介質材料對電磁波信號有損耗作用。所以透射的雷達信號會越來越弱。各界面反射電磁波由天線中的接收器接收，并由主機記錄，利用采樣技術將其轉化為數 字信號進行處理。從測試結果剖面圖得到從發射經地下界面反射回到接收天線的雙程走時t，當地下介質材料的波速已知時，可根據測到的精確t值求得目標體的位置和深度。這樣，可對各測點進行快速連續地探測，并根據反射波組的波形與強度特征，通過數據處理得到探地雷達剖面圖像。通過多條測線的探測，即可知道場地目標體平面分布情況。通過對電磁波反射信號（即回波 信號）的時頻特征、振幅特征、相位特征等進行分析，便能得知地層的特征信息——介電常數、層厚、空洞等。

3.3 振動檢測技術。

（1）與聲波法、雷達法比較，振動檢測技術有其自身特點，理論 較為成熟，對測試設備和測試環境要求不高；利用計算機技術可 實時檢測、快速處理數據。

（2）振動檢測技術是采用動力學方法，分析水泥板塊在不同的支 撐條件下的固有振動特性及響應特性的變化，比較水泥板塊在懸 空狀態下振動響應特性的差異，從而找出水泥板塊是否懸空的判 定依據。

（3）用于水泥板塊振動檢測系統的原理是：通過聲卡記錄水泥板 塊的振動響應信號，首先把拾音器（麥克風）接到聲卡的接口上， 然后打開Win9附件中的錄音機應用程序，用鼠標單擊紅色的錄 音按鈕。使用基頻為440Hz的激振器激振水泥板塊，緊貼路面的 拾音器即記錄需要的記錄內容。錄音結束后再用鼠標單擊“停止”按鈕，計算機中就形成一個以WAV作擴展名的聲音文件， 錄音過程到此結束。此時單擊一下“回放”按鈕，即可播放剛才 記錄的文件，對采集的數據進行FFT處理，即可得出不同支撐條 件下水泥板塊的振動信號的頻率成分。

4. 水泥路面修復工藝及設備

水泥路面常見的損壞形式有：板塊裂縫與折斷，板塊邊緣 角隅破損，板塊垂直錯臺與拱起，板塊表面磨損與麻面等。水 泥路面維修常用的工藝有：擴縫、清縫、灌縫，鑿孔、切槽、攪拌、 攤鋪、振搗、拉毛、鉆孔、頂升，破碎和翻修等。水泥路面常用的 維修機具有：破碎機、鑿巖機、高壓水清洗機、切縫機、封層機、水 泥攪拌機、振搗器等。限于篇幅，本文僅簡單介紹3種具有現代技術水平的水泥路面破碎設備。

4.1 沖擊壓實機。斷裂穩固是一種在修筑加鋪層前處理原水泥路面的方法，在 國外尤其在美國是一種成熟的技術、有完善的工藝。

（1）沖擊壓實機的壓實輪有3邊、4邊、5邊和6邊形，輪體有 實體和可填式空體。目前我國使用的多為3邊輪和5邊輪。

（2）沖擊壓實機的壓實能來自兩個方面：一是沖擊輪的自重；二是 沖擊輪滾動時所產生的沖擊功能。同時由于多邊碾壓輪的蓄能 快速釋放，也加大了對水泥板塊的沖擊。其巨大的沖擊能以每秒 1.5～2.2次的低頻率沖擊水泥板塊，所產生的強烈沖擊波可向 水泥板塊下面的底基層和土基層傳播，從而使擊碎板塊得到壓實 穩固，不僅保持擊碎板塊的強度，還能使其成為塊狀料嵌鎖型 基層結構，緊密嵌壓在原路面底基層中，形成高強度的底基層， 從而減少或緩解原路面板塊反射裂縫，并減小面層的水平和垂直應力。

（3）沖擊壓實機實際施工效果顯示：沖壓一遍，在水泥板塊邊出 現數條裂縫；隨著沖壓遍數增加，縱向裂縫增大增多，橫向裂縫也 開始出現；沖壓5遍后水泥板塊已破碎，裂縫呈網狀并分布于整 幅板塊，部分板塊完全破碎，其尺寸為30～40cm；沖壓15～20遍 后水泥板塊尺寸變為20～30cm，且碎塊處于極佳的嵌鎖穩固狀態，完全符合施工工藝設計的要求。

4.2 液壓多錘頭破碎機。

（1）在較長一段時間里，人們曾利用液壓挖掘機的破碎器（俗稱 液壓破碎錘）和落錘式水泥路面破碎機對舊水泥路面板塊進行破碎。但由于它們作業速度慢、效率低，業已被液壓多錘頭破碎機所代替。

（2）液壓多錘頭破碎機（MHB-Multiplt Head Breaher）由兩部分組成：前半部分為動力裝置柴油機和液壓系統；后半部分工作 裝置破碎系統——中間設有兩排各3對錘頭，兩側各有一對翼錘。 柴油機驅動液壓泵，液壓泵為液壓缸提供壓力油。液壓缸的往復 運動帶動各錘頭交替地錘擊水泥板塊并使其破碎。每對錘頭提升 高度可獨立調節。液壓多錘頭破碎機的作業寬度可達4m/次，工 作速度可達62.5m/h。

4.3 共振式破碎機。上述沖擊壓實機和多錘頭破碎機均存在振動噪聲大，工人勞 動強度大，碎塊尺寸大且不均勻，需要多次重復作業、效率低 等缺點。特別是不均勻的碎塊作為基層使用，難以避免新路面反射裂縫的產生，使其實際使用受到很大限制，甚至有的國家如美 國已禁止使用重錘沖擊式破碎工藝來修復水泥路面。

4.3.1 共振破碎原理。共振式破碎機是利用振動梁帶動工作錘頭振動，其頻率約 44Hz、振幅為20mm。錘頭與水泥板接觸，通過調節錘頭的振動頻率使其與水泥板塊的固有頻率成整數倍時，激發其共振，將水泥板塊破碎。

安裝在工作錘頭2上的專用傳感器感應水泥板塊的振動反饋，由控制器自動調節工作錘頭的振動頻率，并搜尋水泥板塊的固有頻率。當兩者發生 共振時，水泥板塊因內部顆粒間的內摩擦阻力迅速減小而崩 潰——破碎。

共振式破碎機可同時控制水泥板塊的碎塊粒徑和破碎深度。

4.3.2 共振式破碎機的特點 。由于共振式破碎機工藝合理、自動控制工作參數，因此具有如下的特點：

（1）碎塊尺寸理想、均勻。由于共振破碎力發生在整個水泥板 塊厚度范圍內，能使工作錘頭下方的水泥板塊均勻破裂。通過微 調振動頻率，可以使碎塊粒徑達到8～20cm的理想尺寸。此外， 破碎后的水泥面層，其上部粒徑較小、下部的較大，不僅可有效 地阻止新鋪筑的路面的反射裂縫的產生，而且提高了路基的承載 能力。

（2）由于破碎深度可以控制，可以保持路基結構及其內的管線 設施完好無損。

（3）振動噪聲污染輕，施工適應范圍大。由于共振式破碎機使用的高頻低幅振動波衰減速度很快、傳遞范圍小（2～3m），因 此不影響道路下方及周圍的結構物和設施，可適用于水泥路面的 公路、機場、港口、城市道路等修復工程。

（4）破碎深度大，施工效率高。通過調節振動頻率和振幅， 共振式破碎機作業深度可達66cm、每天可完成2000m或近6400m 2的破碎作業量，并且由于單車道作業，可以不中斷交 通。

[文章編號]1619-2737（2015）07-29-017