水泥混凝土路面板早期斷裂綜合處治技術研究

王佃永

【摘要】隨著我國道路交通基礎設施的日益完善，公路的高質量養護成為相關領域追求的目標。本文根據長期的工程實踐經驗，試圖從斷裂力學的角度，在對水泥混凝土路面板早期斷裂的原因進行分析的基礎上，尋找可行的解決方案，分析裂縫，找出水泥混凝土路面板早期斷裂的綜合治理方案，以期啟迪行業發展。

【關鍵詞】公路工程;水泥混凝土路面;路面面板;疲勞斷裂;機制;策略

【中圖分類號】TU37

【文獻標識碼】A

【文章編號】1671-3362（2020）08-0048-02

隨著交通流量逐年明顯增加和超載車輛數量的不斷增加，水泥混凝土路面板出現裂縫等各種病害。一旦道路開始破壞，它往往會迅速拓展，嚴重影響路面性能，導致越來越多的水泥混凝土路面需要進行維護和維修工作。近年來，中國現有的水泥混凝土路面，相當一部分路面板在早期就發生了斷裂，急需維修和改造。目前，很多研究都在試圖刨銑水泥混凝土路面板早期的斷裂原因，包括：結構設計存在問題，施工造成的質量缺陷，土基、基層水穩性不好，或強度不夠，不均勻等等，但是很少有研究對其根本的機理進行解釋，筆者根據長期的工程實踐經驗，試圖從斷裂力學的角度，對水泥混凝土路面板早期斷裂的原因進行深入剖析，并給出一些水泥混凝土路面板早期斷裂的綜合治理建議與方案，以期對行業的發展獻言獻策。

1.水泥混凝土路面板早期斷裂機理分析

1.1研究現狀

標準設計的混凝土路面在通車后的使用壽命至少為20年。然而，在施工兩到三年后，在有接縫的普通混凝土路面（JPCP）中發現了橫向中板裂縫。現場實際來看，多數裂縫為自頂向下的開裂模式：裂縫從面板頂部開始，橫向穿過面板中部，向下至面板底部[1]，如圖1所示。這種橫向裂縫是由于超載車輛的重復碾壓板條由于向上卷曲或基礎侵蝕導致的早期斷裂。通常用于路面壽命預測的常規疲勞模型，如波特蘭水泥協會（PCA）模型，針對自底向上的疲勞失效模式和未開裂路面進行校準。因此，對于有裂紋的路面，考慮裂紋在疲勞載荷作用下的擴展行為，為了預測其剩余疲勞壽命和有必要建立一個新的模型。該模型的建立對及時維修調度具有重要意義[2]。然而，筆者檢索現有文獻來看，這一部分鮮有報道。

1.2 裂縫模型及其參數

裂紋路面的主要問題是裂紋萌生后的擴展規律及其對剩余疲勞壽命的影響。在此之前，需要確定一些基本的斷裂性能。之前的研究基于非線性斷裂力學，提出了Ⅰ準脆性斷裂的雙參數模型。該模型特別適用于混凝土材料。根據該模型，當滿足以下兩個條件時，不同幾何形狀的結構將失效：

如圖1所示，上式中，K1c為斷裂韌性或臨界應力強度因子;σmax是極限應力;CMOD，是臨界裂紋張開位移;a為裂紋長度;ac為斷裂韌性達到且裂紋擴展不穩定時的臨界裂紋長度;b是混凝土構件深度。Kc和CTOD是基于開槽混凝土梁的四點彎曲試驗得到的。在實際工程中，經過一段時間的運行后，有些面板通常出現裂縫，如圖所示2。混凝土由于其固有性質和環境影響，在早期就經歷了熱濕變形。限制變形對路面表層微觀開裂的影響。這些微裂紋在交通荷載作用下，隨著時間的推移，特別是在早期，橫向向下傳播。這種情況可能是嚴重的，如果向上卷曲的條件存在于人行道，對此類裂縫路面剩余疲勞壽命的估算，對及時進行養護具有重要意義。基于無裂紋梁試驗建立的傳統疲勞模型已不再適用于此類情況，有必要建立斷裂力學的路面裂紋疲勞模型。

本研究為有裂縫路面的疲勞壽命預測提供了一種新的方法。模型預測和試驗結果均表明，混凝土在早期出現局部深度裂縫會顯著降低疲勞壽命。這些結果可以用來解釋混凝土路面裂縫的早期破壞。裂紋擴展行為可以分為三個階段，其中穩定階段是最重要的一個階段，此時需要及時維修以避免結構失效。因此，確定混凝土裂縫的特征十分重要。根據斷裂力學理論，混凝土中裂縫的主要問題是確定裂縫的塑性區范圍、裂縫擴展的臨界狀態和破裂角。

2.路面板早期斷裂綜合處治技術解決方案

通過上述的機理分析我們可以看到，裂縫的出現很大程度上是車輛超載和施工不規范等問題造成的。實際使用和設計規范的偏差是面板出現早期裂縫的主要原因，那么該如何治理這些早期斷裂問題就成為非常重要的議題。

為了減少替換水泥混凝土路面板的損害，在運行中，需要特別注意以下幾點：

（1）要特別確保在公路兩側的排水系統暢通，實踐中發現，很多面板的早期斷裂有一部分是由于面板下的積水無法順利排出造成的，所以，確保排水系統通常可以有效地避免面板早期斷裂。

（2）在確保無積水的情況下，要盡量控制路面的清潔，通過上面的機理我們可以知道，很多面板的早期斷裂是由于微裂紋的拓展造成的，也就是說，如果不能有效地控制微裂紋的產生，就無法從根本上杜絕面板的早期斷裂，所以當路面有異物存在時，超載的車輛和異物會產生瞬態的高應力，超過極限應力（σmax），而導致裂紋（主要是微裂紋）的產生。所以，實際維護中要保持路面清潔，無積水，且路肩不阻水。

（3）當然在實際運行中，很多裂紋是無法避免的，這就需要相關維護人員季節性地對路面微裂紋、橫裂紋、縱裂紋，澆灌熱瀝青，防止路面水滲入基層而引發更為嚴重的斷裂事件[3]。

鑒于此，對于早期的斷縫，必須先對水泥混凝土路面板損害進行處理。以某高速公路路面板鋪設為例，水泥混凝土路面板早期斷裂的治理方案是：

（1）替換：挖掘機挖掘新路路面，取代天然礫石開挖置換深度小于2米，使用分層充填、分層壓實，分層壓實度的檢測方法，改變地基的承載力特性，提高抗變形能力和穩定性。

（2）碎石：采用多錘設備將水泥混凝土路面處理成柔性碎塊結構，其細小的粒徑由于破碎的力學模式往往不僅具有一定的承載能力，而且可以有效地防止或限制微裂縫的發生和發展。

（3）夯實：對板底脫空造成下沉、錯臺的混凝土板，采取板底壓漿進行修復。通過破碎和路基的二次壓實，消除了新路基的空洞松動等一系列病害，并最大限度地防止裂縫的發生和發展。

（4）加鋪：采取瀝青灌縫，嚴重的位置采取破碎修復，防止斷裂板范圍擴大，在置換砼板時根據不同公路等級和交通量采用厚27厘米（±1厘米）抗折強度5兆帕的混凝土面層，厚16厘米的C15～20混凝土基層，并嚴格按規范要求完成每一工序施工[4]。

當然，部分水泥混凝土路面板狀況良好，不進行處理，裂紋的情況可以用下面的公式進行評估：

水泥混凝土路面的斷裂（DBL）是對破壞程度的調查，根據不同的斷層裂縫程度和嚴重程度，采用不同的權重系數進行修正，得到如下公式：

（3）式中：DBij為面板i型裂紋數（橫向裂紋）與j型裂紋數;Wij為修正系數;BS評估面板的總數量。筆者根據實際情況統計了DBL的值，發現當DBL大于等于10%則是嚴重的斷裂的路段，需要特別進行治理。

3. 結論

綜上所述，可以看出水泥混凝土路面的早期斷裂的綜合治理問題，是行業內待解決的關鍵問題。本文從斷裂力學的角度，用新的斷裂模型表征公路混凝土的斷裂性能，分析裂縫成因和發展規律（裂紋擴展為三階段擴展），找出水泥混凝土路面板早期斷裂的綜合治理方案，啟迪行業發展。在未來，可以考慮將本文所探索的機理和策略方案用在更多的實際工程當中，以便積累大量工程實際數據，對現有理論做進一步的修正和完善。

參考文獻

[1] 譚金濤. 水泥混凝土路面早期斷板病害成因分析[D].重慶交通大學，2018.

[2] 王建文. 破損水泥混凝土路面重載車輛的動荷載分析[D].重慶交通大學，2018.

[3] 王孝賢，陳忠達，吳永軍，郭健，劉萬共.水泥混凝土路面板下的瀝青混凝土層功能分析[J].施工技術，2017，46（S2）：992-995.

[4] 陳洪凱，周福川，唐紅梅.沿河公路平行懸空混凝土路面板斷裂力學模型[J].中國公路學報，2016，29（03）：25-34.

（作者單位：靈丘縣路政管理大隊）