水泥混凝土路面断板的原因与防治

　　摘要：目前，水泥混凝土路面面板断板已经成为公路工程的通病害之一，必须引起足够的重视，认真分析原因，积极采取措施加以防治。本文分析了水泥混凝土路面面板断板的原因，并提出水泥混凝土路面断板的预防措施。
　　关键词：水泥混凝土路面；路面断板；原因；预防措施
　　
　　一、 概述
　　作为高级路面的水泥混凝土路面，以其稳定性好，抗滑性能好
　　及养护费用低等优点越来越广泛被应用。在水泥混凝土路面修建技术不断提高的同时，路面也出现了上些开裂、断板、沉陷、错台等病害，给养护、修复带来了极大的困难，尤其是断板病害已经成为公路工程的通病之一，必须引起足够的重视，认真分析原因，积极采取措施加以防治。
　　二、水泥混凝土路面断板的分类
　　由纵向、横向、斜向裂缝发展而产生的已完全折断成两块以上的水泥混凝土路面板，被称为断板。其主要特征为裂缝贯通全厚和板面。
　　混凝土路面板浇筑完成后，未完全硬化和开放交通就出现的断板称为早期断板或施工断板。混凝土路面开放交通后出现的断板称为使用期断板或后期断板。
　　断板的计量方法是不论一块板上有多少处断裂均按一块板计算。水泥混凝土路面的断板率是已完全折成两块以上的水泥混凝土路面板的块数与路面板的总块数的比值，以百分数计。
　　水泥混凝土路面断板按其损坏程度分为三类：
　　1.轻微裂断：裂缝无剥落或轻微剥落，未封缝的裂缝宽度小于3mm；已封缝的裂缝的宽度不限，但封缝良好。
　　2.中等断裂：裂缝处有中等程度剥落，未封缝的裂缝宽度为3-25mm，已封缝的裂缝无剥落或轻微剥落，但填缝料明显损坏，板被分割成三块以内，但均属轻微裂缝。
　　3．严重断裂：裂缝处有严重剥落，未封缝的裂缝宽度大于25mm；板被分割成三块以上，裂缝损坏在中等以上，有错台，裂块已开始活动。
　　此外，按断板形式又分为纵向断板与横向断板。水泥混凝土断板已经严重影响了公路的正常使用，故对于断板采取措施预防和处理。
　　三、路面断板的原因
　　温度应力与荷载应力超过混凝土的抗拉强度，水泥混凝土路面板就会产生断裂并发展成为断板。这些断裂，有的是在施工期间由于混凝土的初期收缩受到阻碍而产生的拉应力超过了混凝土的抗拉强度而引起的横向裂缝；有的是由于板块尺寸过大所产生的温度翘曲应力超过了混凝土的抗弯拉强度而引起的横向裂缝；有的是由于地基不均匀沉降或地基受侵蚀而使底板出现脱空后，致使应力增加而引起的纵向、横向或角隅断裂，有的是由于车辆荷载的多次重复作用所产生的重复荷载应力超过了混凝土的疲劳强度而引起的纵向或横向裂缝。
　　水泥混凝土路面开裂的主要原因是混凝土的自身收缩（干燥收缩和温度收缩）及其与基层间强大的摩阻力（包括静摩擦力与层间粘结剪力），因此，减少或改善混凝土的自身收缩及其与基层的摩阻力，就能有效地防止开裂。
　　下面将早期开裂断板与使用期开裂断板的原因作以下分析：
　　（一）早期开裂断板的原因
　　1．原材料不合格
　　（1）水泥的安定性差，强度不足。水泥中的游离氧化钙在凝结过程中水化很慢，水泥凝结硬化后还在继续起水化作用，当游离的氧化钙超过一定限量时，就会破坏已经硬化的水泥石或使抗拉强度下降。水泥强度不足也会影响混凝土的初期强度，使开裂断板的机率大大增加。水泥的水化热高，收缩大也易导致开裂。
　　（2）集料（砂、碎石等）含泥量及有机质含量超标。水泥混凝土中水泥石与骨料的界面粘结不良往往是产生初期开裂的薄弱部位。集料的含泥量和有机质超过规范要求，必然会造成界面缺陷，容易开裂。另外有资料表明，在同样的水灰比条件下，石灰石，石英岩等亲水性骨料与水泥石界面粘合力大，花岗岩等亲水性差的骨料则反之。
　　2．基层标高失控和不平整
　　（1）基层标高失控，造成路面厚度不一致，过薄或厚薄交界处将承受集中应力，成为薄弱断面，在混凝土收缩时难以抵抗拉应力而开裂。
　　（2）基层不平整会大大增加其与混凝土界面的摩阻力，易在较薄弱路面开裂。
　　（3）用松散材料处理基层，标高失控或不平整时，上层混凝土拌合物的水分和砂浆会下渗或被基层吸收，使下部混凝土变得疏松，强度下降。
　　（4）基层干燥会吸收混凝土拌合物中的水分，使之与接触的混凝土失水，强度降低，导致开裂。
　　3．混凝土配合比不当
　　（1）单位水泥用量偏大。混凝土中引起收缩的主要水泥石部分，过多的水泥用量必然会导致较大的收缩。
　　（2）水灰比偏大。水泥完全水化的最低水灰比约为0.26-0.29，施工中采用较高的水灰比为了满足和易性的需要以利于施工。但偏大的水灰比增大了水泥水化初期骨料表面的水膜厚度，影响了混凝土强度。
　　（3）施工中计量不准，尤其是不根据集料中的含水量及时调整用水量，会影响混凝土的配合比的准确性，从而影响其初期强度。
　　（4）一般情况下，混凝土配合比按“饱和面干”状态设计，如使用长期在日光下爆晒的过干骨料，会大量吸收拌合用水而影响水灰比的准确性，影响混凝土的强度。
　　4．施工工艺不当
　　（1）搅拌不足或过分，振捣不密实，形成混凝土强度不足，或不均匀，易导致早期开裂或断板。振捣时间不易过长，否则会造成分层，粗骨料沉入底层，细骨料留在上层，强度不均匀，表面收缩裂缝增加。
　　（2）混凝土拌合时，如果水泥或集料温度过高，再加上水泥的水化热，会使混凝土拌合物的温度很高，在冷却硬化过程中会使温差收缩加大，导致开裂。
　　（3）混凝土浇筑间断。因停电、机械故障、运输不畅、气候突变、停料等原因使混凝土浇筑作业中断，再浇筑时未按施工缝处理，新旧混凝土由于结合不良和收缩不一致，会形成一条不规则的接缝。
　　（4）养生不及时或养护不当。尤其是气温高，湿度小，风速大，不利条件下，就会便混凝土表面水分蒸发太快，从而形成干缩裂缝。
　　（5）切缝不及时，由于机具故障或操作人员切缝时间掌握不准确或切缝深度不足，造成混凝土内应力集中，在混凝土板的薄弱处形成不规则的贯穿裂缝。
　　（6）施工中车辆过早通行。某些施工作业面，由于受到地理条件的限制或因混凝土养护作业需要在混凝土强度不足条件下，过早地通车，产生荷载应力，这是产生裂缝的又一个原因。
　　（7）采用真空吸水工艺时，如果因两吸垫之间未重垒而导致漏吸，则漏吸处水灰比较两侧大，混凝土强度较低，收缩也大，会形成薄弱环节而开裂。
　　（8）传力杆安装不当，上下翘曲，则在混凝土伸缩和传力过程中混凝土就会被破坏，形成裂缝损坏。
　　（9）在日温差较大季节和地区，混凝土表面修整过程中，要避免阳光直射，整修后要及时覆盖养生，防止混凝土白天过多的升温，造成夜间降温时收缩过大。
　　5．边界原因
　　（1）在双幅路面施工中，已浇筑一边的缩缝在另一边未开始浇筑前已经裂通，气温下降一定幅度时，断裂的缩缝两边混凝土板收缩，这样后浇筑还未切割的混凝土板受到较大的拉应力，而这时其混凝土强度还较低，拉应力大于混凝土初期抗拉强度时，就会在先浇筑板缩缝对应位置发生不规则裂缝。
　　（2）有中央分隔带路缘石等的高速公路和街道施工中，路缘石常设有混凝土平基背座，由于路缘石带先于路面施工，当温度下降时路缘带本身会收缩，路缘带下半部具有粗糙面会带动初期强度很低的混凝土面板在路缘带裂缝处产生边界裂缝。
　　（3）同样原因，如果基层稳定层已经发生裂缝，裂缝两边基层在气温下降时收缩，由于摩擦力作用，同样也会带动上面初期混凝土面板开裂。
　　（二）使用期开裂断板原因
　　1．设计不当
　　（1）路面厚度偏薄。根据美国的研究资料，路面的使用寿命与路面厚度成5次方关系，如果设计时交通量不准，路基、基层、底基层的模量和材料参数选用不当等原因而使路面厚度偏薄，就会使路面寿命缩短，过早地出现开裂断板。
　　（2）板块平面尺寸不当
　　（3）混凝土原材料配合比不当，混凝土产生碱—集料反应或抗冻融差等耐久性问题。
　　（4）排水设计不当
　　水泥混凝土路面直接暴露在大气之中，一年四季大气温度、湿度周期性的变化，以及每一昼夜气温的变化，都会使得混凝土路面板在不断的伸缩和翘曲中处于拉应力和压应力的反复交替作用状态，此拉、压应力称为温度应力。混凝土板越长，温度应力就越大。若设计时板块过长或过宽，比例不当，温度应力超出容许范围，路面板即产生开裂断板。
　　2．超重车的影响
　　由于交通运输业的迅猛发展，大吨位车也逐年增多。单轴轴载比原设计计算轴载增加几倍，由于轴载等效换算系数F=（PI/P0）16，即超重轴载与标准轴载换算成16次方关系，所以超重车的增加是水泥混凝土路面使用期开裂断板的重要原因。
　　3．路基不均匀沉降
　　路基不均匀沉降主要发生在
　　（1）填挖相交断面处，半填半挖结合处，新老路基交接处，土基密度不同部位。
　　（2）软弱地基，湿陷性黄土以及采空区，陷穴等特殊路段。
　　（3）桥涵构造物的台背等机械难以应实的部位。
　　（4）路基不同填料的界面或层面。
　　（5）压实度不足
　　压实不均匀路段，在路面长期使用过程中，由于水温条件的变化和行车荷载作用，路基产生不均匀沉降，致使沉降量不同的结合面产生错台，面板由于荷载作用导致断裂。
　　4．基层失稳
　　（1）基层施工质量不好，强度不均匀或较低，使用中基层松散或在渗水作用下，材料被吸往一边，面层脱空，当受到弯拉力大于混凝土板强度时，面板即发生断裂。
　　（2）面层接缝填料失效，板的弯沉使空隙内的积水，侵蚀冲刷基层，并沿接缝缝隙喷出，即产生唧泥。如果唧泥现象不断产生，面板边缘部分将失去支承，在荷载下产生断裂。
　　5．初期微裂缝的扩展
　　初期混凝土收缩形成未反映到表面的微小裂缝，使用一段时间后，受到车荷载及温度应力的双重作用，部分裂缝将逐渐增长，变深，以致造成面板断裂。
　　6．排水不良
　　（1）路基及基层排水不良，长期受水浸泡，引起路基失稳或强度不足，使路面产生不规则断裂。
　　（2）裂隙水或边沟水等渗入路基，基层和底基层冬季冻胀时使路面产生纵向开裂。
　　7．桥面铺装损坏
　　钢筋混凝土明盖板涵上的水泥混凝土路面铺装层，由于厚度不足或与盖板、涵台结合部处理不当，在行车作用和盖板胀缩下，产生层间搓动和面板断裂。
　　某些产生初期断板的原因也会在使用期继续强化，导致路面开裂、断板或使病害程度更趋恶化。
　　四、水泥混凝土路面断板预防措施
　　针对这些断板原因的分析，必须要采取可靠有效的预防措施，减少断板数量，延长混凝土路面的使用年限，提高行车的舒适性。
　　（一）早期开裂断板的预防
　　1．合格的原材料是保证混凝土质量的必要条件
　　（1）对于安全性差，游离氧化钙超标及强度不足的水泥禁止使用，不同厂家、不同种类、不同批产的水泥严禁混合使用，尽量采用发热量少，收缩的硅酸盐道路水泥或普通硅酸盐水泥。
　　（2）集料的含泥量及有机质含量不得超标，级配应符合配合比要求。
　　2．基层的控制
　　（1） 严格控制基层顶面标高，确保混凝土路面板厚度的均匀一致。
　　（2） 按水泥混凝土路面平整度要求控制基层平整度，采取加铺塑料薄膜等方法减少水泥混凝土路面板与基层的摩阻力。
　　（3）对于标高不足的基层应坚决返工，禁止采用抛撒松散基础层材料填补标高的方法。
　　（3） 加强基层养护工作，保持基层湿润状态，直至浇筑混凝土面
　　板。
　　3．严格控制混凝土配合比
　　（1） 按试验混凝土配合比准确配料，单位水泥用量要精确，误差值控制在1%以内。
　　（2）集料的含水量要及时试验取量，控制适宜的用水量，保持水灰比的准确，为减少用水量，改善和易性可使用合适的外掺剂，用水量误差不超过1%，外加剂控制在2%以内。
　　4．施工工艺的控制
　　（1）混凝土的拌合时间要根据机械性能准确掌握，最长拌合时间不应超过最短拌合时间的3倍，振捣均匀密实，避免漏振或过振现象发生。
　　（2）夏季施工混凝土拌合时，若集料温度过高，应采用降温措施后再配料拌合。若采用撒水降温的方法，应及时测定含水量，调整拌合用水量，保证水灰比不变。
　　（3）混凝土路面施工开盘前，要仔细检查电源、振捣器及运输车辆等设备，确保其正常使用。并且确定合理的运输到场时间，确保施工的连续性。如果暂停施工，在重新铺装时应按施工缝进行处理接缝。
　　（4）加强混凝土面板的养生。采用覆盖养生，保证混凝土面板表面湿润。
　　（5）及时切缝。根据施工现场气温及水泥品种试验确定最早切缝时间，一般应采用多台切缝机同时作业，以保证切缝及时。切缝深度为混凝土板厚的1/3至1/4，不宜切缝太浅（少于1/4）或太深（多于1/3），剩余断面部分能吸收由于高温产生的内应力。
　　（6）控制交通车辆，避免在混凝土强度不足条件下，过早开放交通，养护车辆也尽量避免直接在面板上通行。
　　（7）正确安装传力杆，防止上下翘动。浇筑下一混凝土板时要按设计要求安装塑料套管和涂沥青隔层。
　　5．边界影响的控制
　　（1） 要及时将后浇筑的面板切缝
　　（2） 有中央分隔带，路缘石等结构物施工时，应在与混凝土面板
　　接触处涂刷沥青，使双方自由伸缩。
　　（3）基层养生结束后，及时浇筑水泥混凝土路面，以防止基层因暴露时间长而产生干缩裂缝。若基层出现裂缝，应采取封闭裂缝处理，预防因基层裂缝反射到面板上来。
　　（二）使用期开裂断板的预防
　　1．设计上的考虑
　　（1）由于运输业的迅速发展，一些大型运输车辆的出现，这就要求设计要充分考虑混凝土路面的厚度，平面尺寸及砼标号。应保证在设计使用年限内的正常使用。
　　（2）选用适合当地环境条件的原材料，重视冻融性和耐久性。
　　（3）设计全面的排水系统，确保地表水、地下水不会对路基、路面造成浸蚀破坏。
　　2．依法治路，严格控制超载、超重、超限车辆通行。
　　3．路基质量控制
　　（1）路基压实质量要求达到规定的压实值和弯沉值，特别是桥涵等构造物的台背必须保证压实度，保证路基有足够的均匀的强度。
　　（2）排水设施应完善，并要充分考虑地下水对路基稳定的影响。
　　（3）路基填筑中，不同种类的土壤应分层填筑，避免土壤类型在路基上的突变造成沉降不一致，影响路面板结构性能。
　　（4）对于填挖交界，半填半挖结合处应按路面板的要求进行特殊设计，施工中要对路槽以下部分进行处理。
　　（5）对于路基不稳定特殊软弱土基，湿陷性黄土，采空区，陷穴，滑坡等路段，应避免采用水泥混凝土路面，其它特殊路基应经过特殊处理后方可进行水泥混凝土路面施工。
　　4．路面基层质量控制
　　基层应该有很大的稳定性和均匀性
　　（1）基层应尽可能采用水泥稳定基层，严格控制细料，以增加基层的水稳性，防止唧泥。
　　（2）严格控制基层的厚度，保证强度的均匀。
　　（3）采用厂拌法拌基层料，确保拌和均匀和配料准确。
　　（4）按照设计要求，保证基层的密实度。
　　5．及时采取措施，封填微裂缝，如灌注环氧树脂。
　　6．加强养护工作，对排水系统中发现的问题及时处理，避免造成较大的病害。
　　7．桥涵施工过程中，应结合桥面铺装，认真处理好路桥结合部位，防止不均匀沉降。
　　五、结语
　　混凝土路面断板的原因如上所述，施工生产中只有逐一落实控制，才能有效地预防断板的出现。

《水泥混凝土路面断板的原因与防治》

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