水泥混凝土路面破坏成因及治理措施

黄兴亮，周胜波，梁小英，孙晓虎

(1.陕西省建筑科学研究院，西安710082;2.长安大学 公路学院，西安710064;3.陕西铁路工程职业技术学院，陕西渭南714000;4.淄博市建筑科学研究中心，山东淄博255000)

当前道路建设采用的路面材料主要是水泥混凝土和沥青混凝土两种，相对于沥青路面来说，水泥混凝土路面具有刚度大、承载能力强、环境污染小、造价低等优点，在目前有铺装的高等级路面中，路面材料使用水泥混凝土的占65%以上［1-2］.随着经济的高速发展，交通运输持续增长，超载车辆不断增加，道路使用条件越来越恶劣，使得水泥混凝土路面面临严峻的考验.水泥混凝土在使用早期出现开裂、断板、错台、唧泥、表面空洞、脱皮露骨等病害［3-9］，直接影响路面的使用性能.如何建设耐久性好、行车舒适的高质量水泥混凝土路面，是路面建设中面临的一道难题.本文通过分析水泥混凝土路面病害类型及成因，探讨水泥混凝土材料性能和施工方面普遍存在的问题，提出改善水泥混凝土路面质量的一些改进措施.

1 水泥混凝土路面材料应用的国内外发展现状

水泥混凝土用作筑路材料最早是1828年，英国在伦敦郊外用水泥混凝土铺筑道路基层，1914年第一次世界大战后，水泥混凝土在路面建设中得到了广泛的应用，水泥混凝土真正作为路面材料只有七八十年的历史.在经济危机持续以及石油价格居高不下的形势下，水泥混凝土显得越来越重要.在欧洲，水泥混凝土在德国路面建设中普及最早，20世纪60年代以前的高速公路路面材料几乎都是水泥混凝土，比利时有50%的高速公路的路面是水泥混凝土;法国每年建成的高速公路路面材料约有30%使用水泥混凝土;英国1970年以后建设的主要道路路面材料有22%为水泥混凝土;美国高速公路网中，路面建设中使用水泥混凝土材料占49%左右［10-11］.

我国修建水泥混凝土路面较晚，但是发展速度很快.1960年主要路面材料使用水泥混凝土的里程为60 km，1970年全国公路水泥混凝土路面里程为200 km，至1980年混凝土路面里程为1600 km，1990年以后每年新增10000 km左右，2000年以后每年则以数万千米的速度增长.根据交通运输部最新公布的数据，到2010年底，全国有铺装路面和简易铺装路面公路里程244.22万 km，比上年末增加18.97万km，占总里程的60.9%，比上年末提高2.6个百分点，比“十五”末提高20.2个百分点.各类型路面里程中有铺装路面191.80万km，其中沥青混凝土路面54.25万km，水泥混凝土路面137.55万km，比上年末分别增加19.80万km、5.35万km和14.45万km，可见路面发展速度是相当惊人的.如此增长速度，如果路面材料不耐久，后期使用过程中因路面材料问题造成巨额维修和养护费用将会带来沉重的经济负担.

2 水泥混凝土路面常见问题及形成原因

路面中使用水泥混凝土虽然刚度大、承载能力强，但是随着国民经济的发展，交通量迅速增大，超载、重载车辆增加，使得水泥混凝土在早期出现了一些病害，耐久性和功能性下降.

2.1 水泥混凝土的开裂、断板、错台

水泥混凝土的开裂、断板以及错台，直接影响着路面的使用功能.路面出现以上破坏后，雨水会由此破坏处渗入基层，长时间对基层的冲刷、软化造成板底脱空，在荷载作用下出现唧泥、断板以及错台.路面以上问题在早期和运行期间都有可能出现，主要原因有早期路基自然沉降不均匀、耐冲刷性差、结构排水不畅以及部分路面在缩缝处未设置传力杆.此外，基层表面粗糙度大、摩擦系数高，面板收缩会使混凝土路面产生过大的拉应力而断板.当然施工关键技术也起着决定的作用，温差过大时施工、切缝不及时，温度应力高于混凝土的抗弯拉强度，风速大、蒸发快时养护不及时，表面易出现收缩裂缝.

2.2 水泥混凝土表面蜂窝、脱皮露骨

水泥混凝土的脱皮露骨以及蜂窝空洞主要形成原因是原材料控制不当、工作性控制不好、施工操作不符合规范要求等.如果碎石、砂的含泥量大，会造成混凝土出现坑洞和脱皮露骨现象.施工时振捣不足、漏振，使颗粒间空隙未能被砂浆填满，特别是颗粒移动阻力大的模板处更易出现蜂窝.若混合料坍落度小或者夏季高温时施工，这样混凝土凝结速度快以致待辊筒滚压收水时石子残留表面，表面抹平后造成石子外露.此外，混凝土水灰比过大或水泥的耐磨性差，在行车荷载作用下表面磨损或剥落形成露石.

2.3 水泥混凝土的平整度差、噪音高

与沥青混凝土路面相比，水泥混凝土平整度较低.目前我国水泥混凝土路面平整度主要取决于施工技术和管理.路面施工机械水平对路面平整度起着至关重要的作用，滑膜摊铺机路面施工水平相对较高.此外施工单位配置人员机械操作手技术水平经验不足，不能根据施工环境调整摊铺环节等都会造成路面行车舒适度下降.

3 提高水泥混凝土路面质量的途径

路面水泥混凝土出现破坏导致耐久性不足和行车功能性变差，这些问题主要是由于混凝土结构设计、材料性能和施工关键技术等方面造成的.要提高路面水泥混凝土的工程质量，必须有针对性地在每一个环节上采取必要的措施，这对于实现路面水泥混凝土耐久性以及推广具有重要意义.

3.1 路面结构设计是保证混凝土耐久性的前提

路面结构组合设计方法的研究主要包括路面混凝土荷载效应与抗力效应随时间变化规律的分析.目前路面结构设计方法主要是在可靠度理论基础上，利用荷载疲劳应力和温度疲劳应力之和小于混凝土弯拉强度进行设计的［12-16］.路面实际使用环境条件下，除了荷载和温度作用外，还有温湿度变化，而且这些因素之间存在相互作用是耦合的，因此在路面结构设计方法中，应更多地考虑多场之间的耦合作用.

路面厚度设计偏薄，也是容易引起路面混凝土早期破坏的因素［17-18］.路面混凝土的使用寿命与其厚度5次方成比例.而路面厚度是根据设计使用期内的交通等级进行确定的，因此路面设计阶段的交通量调查分析很重要.此外，随着交通的发展，对超载和重载交通考虑不周全，根据轴载等效换算系数，超重轴载的作用与标准轴载的作用是16次方的关系.

板块平面尺寸对混凝土的温度应力影响很大.温度的变化会使混凝土在不断地伸缩和翘曲中处于拉应力和压应力的反复交替作用状态，混凝土板越长，温度应力就越大，因此选用合理的设计板长或长宽比例，从而使温度应力在容许范围内，对避免路板的开裂、断板很重要.

路面在长期使用过程中，路基的稳定支撑与断板有直接关系，路面排水设计不当及基层排水状况不良，都会引起路基失稳或强度不足，使路面产生不规则裂缝，因此设计时应结合交通、地形条件全面考虑.

3.2 改善混凝土材料性能是实现混凝土耐久性的保障

以往路面材料设计主要是抗弯拉强度满足要求，为了实现路面材料的耐久性，在满足混凝土路面施工规范的基础上，应引入耐久性指标对路面材料进行设计［19-22］.混凝土是以胶凝材料、粗细集料和水为主要组分，矿物掺合料和化学外加剂为辅助组分组成的复合材料，通过添加矿物掺合料和化学外加剂可以有效改善其性能，提高混凝土的抗冻性和抗渗性以及体积稳定性、耐磨性等耐久性能，即掺合料的掺加、化学减水剂的使用以及与各种原材料之间配合比例对混凝土是否耐久有重要影响［23-29］，通过控制混凝土耐久性指标的混凝土配合比设计［30-31］，可以获得性能优良的高性能混凝土，从而改善路面混凝土材料的耐久性能.孙强、于志前等［32］认为在水灰比一定的情况下，粗细集料颗粒级配与混凝土抗折强度关系显著;周世生、李文华等［33］认为配合比设计原则应该是在满足抗折疲劳情况下，水泥用量与胶凝材料浆体体积尽可能低，必须选用减水效果及流动性保持能力好的高效减水剂，根据耐久性要求，选用粉煤灰等矿物掺合料来降低成本，采用尽可能低的水胶比与工作性最优的砂率等.

高性能混凝土(HPC)［34-37］具有强度高、稳定性好、耐久性好、工作寿命长、结构维修费用小等特点，因此其应用越来越广泛.近年来，高性能水泥混凝土的研究开发更是受到了各国政府的高度重视.早在1990年初，美国国家标准与技术研究所(NIST)与美国混凝土协会(ACI)就提出了高性能水泥混凝土的概念:混凝土材料布料均匀，便于振捣，不离析，力学性能稳定，早期强度高，具有韧性和体积稳定性能.为达到这一目标提出了采用优质原材料，严格控制集料级配，采用六组分掺加超细粉的方法与手段来提高混凝土的性能.1993年美国战略公路研究计划(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次冻融循环，相对动弹模量≥80%;浇筑后4 h达到21 MPa;24 h≥34 MPa;28 d≥67 MPa.美国公路桥梁由于除冰盐作用损坏严重，维琴尼亚州C.OZyildirim认为，钢筋锈蚀破坏的主要原因是与除冰盐和海洋环境中的氯离子接触引起的，要减少或延缓桥梁与路面的破坏，延长使用期限，需要应用低或很低渗透性混凝土，在维琴尼亚州，某些条件下掺加粉煤灰、粉煤灰或矿渣与硅灰复合的辅助胶凝材料，水灰比一般等于或小于0.40，采用普通混凝土施工设备与养护技术施工，也可以应用乳胶改性混凝土(LMC)，因乳胶改性混凝土具有很低的渗透性.

1986—1993年，法国政府组织了全国23个单位开展了“混凝土新方法”的项目研究，在1996年又投入到了“高性能混凝土2000”的国家项目研究中.法国Y.Malier认为，高性能混凝土(HPC)应具备良好的施工性能，高强度及高早期强度，提高整个工程的经济型和高耐久性.特别适用于桥梁、海港建筑，核反应堆和高速公路等.试件为Φ15 cm×30 cm的HPC抗压强度为60～80 MPa.

自20世纪70年代开始，国内对水泥混凝土耐久性方面进行了不断的探索和研究，随着对水泥混凝土路面破损病害认识的不断提高，逐渐发现解决混凝土材料本身耐久性的问题是关键所在.高性能混凝土在我国的发展历史，最早是由清华大学的吴中伟院士于1992年将高性能混凝土的概念引入国内，1994年他又针对我国水泥混凝土工业存在的可持续发展问题提出“环保型胶凝材料”“绿色高性能混凝土”等重要理念.清华大学的冯乃谦教授也对高性能混凝土在我国的发展方向作了一定概括:人类与环境共生是高性能水泥混凝土发展的新方向，使高性能混凝土组成材料的发展又迈进了一大步.南京水利科学研究院研究开发了耐磨蚀的高性能混凝土，提供了这类混凝土的综合参数和性能，如渗水性、气孔率、坍落度损失、凝结时间、力学性能、尺寸稳定性、耐久性、耐磨蚀性等.中南大学铁道校区土建学院开发的粉煤灰高性能混凝土，经过抗疲劳200万次试验及徐变试验，证明可以用于32 m跨径的预应力钢筋混凝土铁路桥.我国近年修筑的一些大型建筑物和大跨径桥梁，也采用了高性能混凝土技术，1991年广东国贸大厦试验应用C60高性能混凝土以来，我国HPC的研究、应用和发展较快，上海金茂大厦、北京西客站、北京静安中心大厦、辽宁物产大厦、南京邮电中心、长春国际商贸城、广州虎门大桥和合银广场、湖南洞庭湖大桥、四川万县长江大桥(1996年)、汕头海湾大跨悬索桥预应力混凝土箱梁等都采用了高性能混凝土.此外，京津塘高速公路桥、北京的部分立交桥和高架桥也使用了C50～C60的高性能混凝土.巴东长江大桥也在承台大体积混凝土、主塔、主梁、桥面铺装等结构中应用了高性能混凝土.以上成功的实例足以证明，混凝土路面材料的耐久性是可以实现的.

3.3 合理的施工技术是实现混凝土路面耐久性的关键

混凝土路面的结构设计、原材料控制和配合比设计是基础，而施工技术的优劣以及施工管理是否符合规范，则是实现路面耐久性的关键［38-41］.水泥混凝土路面的质量控制包括路基质量控制和路面质量控制.水泥混凝板底面基层强度不均匀，强度弱的地方容易发生变形，甚至会下沉，造成面层与基层之间局部脱空，面层应力急剧增加，从而导致面板断裂.路基的施工质量主要从两方面控制，分别是压实度指标和平整度指标.选择合适的筑路材料，控制好含水量，根据压路机吨位选择摊铺厚度、碾压速度和遍数，最终保证压实度和平整度.路面的施工控制则主要是温度控制，由于混凝土是多相体系，其热膨胀系数不是定值.温度升高混凝土内部毛细管水的表面张力减小水泥石膨胀，混凝土体积增大;温度下降混凝土体积减小，零度以下水泥石孔中水因结冰而体积膨胀.反复的伸长与收缩产生的应变超过了材料的极限应变，将产生直接的受拉裂缝，因此在施工期间要采取合理的措施进行温度控制.原材料要防止暴晒、雨淋，严格控制适当的时候采取降温措施对原材料进行降温.路面养护期间，水泥混凝土路面板板体温度与环境之间会有吸热和散热作用，因此，也可采用在路面板表面铺设草袋、喷洒养生剂等相应的措施，减缓吸热、散热速度，达到控制水泥混凝土路面板温度变化幅度，达到降低温度应力的目的.

提高水泥混凝土路面的施工机械化水平，强化施工管理.目前我国水泥混凝土路面施工机械化水平普遍较低，有些地区人工和小型机具施工占主导地位，混凝土搅拌设备落后使得拌和料质量不高.水泥混凝土路面施工质量不高的另外一个重要原因是施工队伍缺乏路面施工经验，振捣不充分造成混凝土不密实，偷工减料现象严重，因此从施工组织上强化管理是提高水泥混凝土路面工程质量的前提.

4 展望

水泥混凝土路面质量问题取决于多方面因素，目前的设计理论和施工技术都存在不足，这就要求我们优化设计，加强施工管理，提高施工质量，严格按照规范施工.为达到混凝土路面耐久性的目的，需要从原材料控制入手，通过合理的结构设计和混凝土配合比设计，提高施工技术水平，加强施工管理等几方面进行控制.深入开展路面水泥混凝土原材料技术指标、材料组成与耐久性之间的关系、混凝土混合料组成设计方法、耐久性评价指标等方面的研究，进行合理的耐久性设计，通过掺加矿物掺合料和高效减水剂等措施降低混凝土水泥的用量、水灰比，从而改善混凝土内部的结构以及空隙率，基于此建立道路水泥混凝土的力学性能与耐久性评价指标体系等.通过道路工作者和研究者的共同努力，相信长寿命水泥混凝土路面目标是可以实现的.

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