水泥混凝土路面破坏机理分析

户清华

新乡市方正公路工程监理咨询公司，河南 新乡 453003

水泥混凝土路面破坏机理分析

户清华

新乡市方正公路工程监理咨询公司，河南 新乡 453003

水泥混凝土路面因使用寿命长，施工简便、养护工作量小等特点，在高等级路网结构中占据重要地位。但对于早年的水泥混凝土路面，因脱空、断裂等病害大大影响了使用寿命。如半刚性基层路面的雨水冲刷问题，刚性基层路面基层与面层在温度翘曲应力下的破坏等问题。本研究将围绕水泥混凝土路面结构，就冲刷和疲劳破坏等机理进行分析，为提出改进方法提供技术参考依据。

水泥混凝土路面；功能层；断裂；脱空；破坏机理

从水泥混凝土路面使用现状来看，刚性基层路面承载力高，抗雨水等冲刷能力强，但受到温度翘曲影响较大，容易带来路面断裂等结构性问题；半刚性基层刚度大，承载力好，但也存在抗水损坏能力弱等不足，特别是因基层形变而带来路面开裂问题。

1 水泥混凝土路面常见破损模式

1.1 半刚性基层冲刷脱空破坏分析

对于半刚性基层混凝土路面，在使用中多出现唧泥现象，尤其是因唧泥而导致路面版块的错台、脱空，以及板角破裂等问题，严重影响了路面的承载力，在行车荷载作用下引发路面板与基层间的迁移。在有水冲刷条件下，路面基层细集料因行车荷载的反复作用而积少成多，逐渐在接缝或裂缝处形成细砂浆，并与动水相作用，受到路面板的挤压而致唧泥现象。另外，对于车辆荷载下的路面基层自由水冲击的唧泥型脱空，也是路面板底脱空的主要形式。通常是由于水泥路面板与面板发生反复碰撞，在接缝处出现部分脱落，或在路肩侧形成边缘缝隙，在雨水侵蚀下形成滞留水，最终将导致基层顶面出现结构性脱空。针对底板脱空及扩展问题，其影响因素较多，但总体与水通道，及结构性脱空有关，特别是在行车作用下，对滞留水的作用而形成流速和冲刷压力。另外，与接缝出地面雨水的入渗，以及车辆荷载的反复作用有关。

1.2 刚性基层路面疲劳断裂分析

从混凝土路面自身体积敏感性来看，因温度变化而带来的混凝土伸缩变形，也可能带来混凝土面板与基层间形成摩擦力，特别是在面板自重及路基反作用力下，而导致板内产生伸缩应力、翘曲应力。当混凝土路面基层刚度较大时，在温度梯度作用下所产生的约束力就越强，由此带来的面板翘曲应力而导致面板板角受到破坏。从路面疲劳断裂分析来看，对于温度变化、车辆荷载等共同作用，特别是重载车辆的对混凝土路面的轴重更大，所产生的荷载应力水平也较高，在长期作用下就会破坏水泥混凝土路面的完整性，形成开裂。另外，无论是车辆载荷，温度应力变形、唧泥等问题带来的面板脱空，也会因荷载疲劳而影响路面的使用寿命。通常情况下，混凝土路面板底脱空，加之车辆荷载作用是导致路面使用寿命的最主要因素；而路基刚性，以及自由水冲刷破坏，也是诱发路基网裂的主要因素。一旦路基网裂面积增大，将直接带来路面行驶的舒适性和安全性。

2 水泥混凝土路面结构破坏的因素分析

从水泥混凝土路面结构破坏的主要表现来看，错台脱空、路面板角断裂是常见问题。对于雨水等浸入而带来的唧泥现象，主要与路面基层在自由水冲刷下形成的脱空，而导致路面结构破坏。针对这些问题，在探讨其关键因素时，需要从车辆载荷、混凝土路面功能层、基层材料性能、温度等方面来归纳。

2.1 车辆荷载的作用

道路在使用中，车辆荷载是影响路面结构问题的主要因素之一。由于车辆在行驶过程中，以自身荷载的不同、行驶速度的不同、车轮类型的不同，再加上加速、减速等轴载变化，所形成的作用力是多样的，而最主要的因素是车辆行驶速度及荷载大小。通常情况下，在车辆荷载较小时，因路面在竖向上的弯曲变形较小，对混凝土路面、路基所产生的作用力较小，无法形成对基层的表面冲刷作用；但当车辆荷载增加到足够大时，由于路面弯曲变形较大，特别是在载荷下所形成的巨大的层间作用力，将加剧路面与基层间的摩擦，使其脱落；当长期出现重载作用时，基层与路面间的积水会形成动力水压，逐渐在接缝及裂缝处形成唧泥现象。同时，对于车速变化，当速度较低时，因荷载作用时间长，路面与基层之间的荷载应力频率较低，所形成的冲刷压力和冲刷频率较低；当车速足够快时，由此带来的对基层的荷载应力频率加大，相应所激发的集聚水压和频率更高，所带来的唧泥现象则更突出；另外，不同车辆不同车型轮胎、轴距，以及接地压力的变化，也对层间冲刷动力水压带来不同影响。

2.2 路面板结构变化

对于混凝土路面结构，主要与路面的尺寸、路面板厚度、路面的弹性模量，以及路面板之间接缝间距控制等有关。通常情况下，对于不同路面板多以矩形为主，横向尺寸约为 4-6m，纵向尺寸约为 3-4m，矩形路面长宽比不超 1.3。对于混凝土路面厚度，随着厚度的增大，其承载力越高，对车辆的荷载应力吸收得越多，由此带来的对路面板及板底水压的影响较小，冲刷力也越小；同时，对于混凝土路面的弹性模量来说，其刚度越大，对车辆荷载的变形也越小，所形成的板面底层水流压力也越小。对于路面板接缝及大小，其对路面基层的影响较大。当路面接缝啮合力较高时，在车辆荷载作用下，所形成的荷载强度被传递给临近面板，而对板下的水流冲刷及压力较小；当然，如果在路面接缝设置传力杆，也能够实现对车辆荷载应力的快速传递，降低对路面路基的影响。

2.3 基层不同材料的抗冲刷能力分析

对于基层材料的不同，其所对应的抗冲刷能力也不同。由于板面下冲刷力在不同材料影响下，会直接导致路面破坏类型的变化。当基层材料抗冲刷力强时，所带来的唧泥程度较小。当前，我国在公路基层材料选择上，有水泥稳定类，二灰稳定类，及柔性基层、粒料基层等，其中水泥稳定类、二灰稳定类使用较广。同时，在相同水泥剂量、相同集料配比下，水泥稳定类要高于二灰碎石类的抗冲刷能力；二灰碎石类要高于二灰土类。另外，在刚性基层条件下，对于温度的变化是引发翘曲应力的主要因素，因此，也需要从温度分析中来探讨不同基层类型的翘曲变形。对于水泥混凝土，因温度变化而带来路面翘曲变形的变化具有不均匀性，当形成温度梯度时，则容易诱发翘曲变形，再加之路面板自重及地基的约束将产生翘曲应力变化。同样，对于温度的上升及下降的不同，所引发的翘曲变形呈现相反，而对于负向温度变化还容易引发板底脱空问题。

2.4 水对路面、路基的冲刷作用分析

由于水泥混凝土路面在自然环境下，易受到温度、湿度的影响而发生胀缩形变。同时，在水泥混凝土施工中，由于水泥砂浆的自身下渗，使其路面板、基层之间形成抗剪力。在温湿度变化下所带来的反复胀缩形变，将引发抗剪力下降。特别是在温度梯度变化下，加之车辆荷载作用，使其翘曲应力更加突出。另外，随着面板层与基层之间的分离，对于水的下渗可能形成存贮空间，长期水蚀将对基层及填缝料带来影响，使得基层软化。从路面唧泥现象的表现来看，对于路面及基层间的水蚀作用，会在车辆荷载的反复作用下，诱发路面底板发生脱空、错台现象，并加剧对面板板边、板角的破坏，最终形成断裂。对于路面板角是最先断裂处，而在水的下渗作用，加之车辆荷载的反复冲击，唧泥现象的扩展，又加剧了路面板角的断裂，最终形成路基网裂问题，随着下渗水的增多，其唧泥现象所带来的自由水冲刷作用，将加速对基层材料的侵蚀和摩擦，导致基层顶面发生脱落，最终导致路面结构的整体破坏。

3 总结

从水泥混凝土路面破坏机理的分析来看，其诱因较多，也较为复杂。整体来看，水泥混凝土路面病害问题的出现，与车辆荷载作用、路面结构的设计，以及路基基层材料的选择，抗冲刷性能的大小有关，同时，在自然条件下，因温度、湿度的变化，特别是对于刚性路基因温度梯度的影响，很容易诱发翘曲变形，带来对路面的直接危害。另外，随着车辆荷载的加剧，特别是重载下所形成的路面板断裂、错台等问题，在各类因素的综合作用下而受到破坏，从而影响路面的使用寿命。当然，在对水泥混凝土路面的疲劳断裂问题，与路面的长期使用，以及温度应力变化的反复影响有关。有研究发现，对于水泥混凝土翘曲变形，在温度应力下能够达到2.65MPa，可见，路面的疲劳破坏作用也是很大的。

[1] 束懿,魏建明.重交通下半刚性基层材料抗冲刷性能的研究[J]. 路基工程. 2009(05).

[2] 李春梅 ,宋祥红 ,王桂师 .水泥混凝土路面开裂机理及破坏过程研究[J]. 中国建材科技. 2015(02).

户清华，男，1965.09。新乡市方正公路工程监理咨询公司，现任交通类工程师，主要从事公路工程、监理、试验等方面工作。