混凝土或沥青路面常见裂缝危害及防治措施

2018-11-27王晋斌关敏杰胡浩然

城市道桥与防洪 2018年11期

王治,王晋斌,关敏杰,尹蕊,胡浩然

（1.河南省科学院质量检验与分析测试研究中心，河南郑州 450002；2.河南金拇指防水科技股份有限公司，河南许昌 461502；3.河南建筑材料研究设计院有限责任公司，河南郑州 450002）

0 引言

俗语云“要致富先修路”，一个区域内公路运输网络尤其是高速公路的发达程度基本决定了该区域人才、物资、信息的输入与输出，进而决定了该区域的经济发展水平。至2017年底，我国公路通车总里程已达477万km，其中高速公路通车总里程达到13.6万km；2018年2月7日，交通运输部部长李小鹏指出，目前全国农村公路总里程已达396万km，99.2%的乡镇和98.3%的建制村修建了沥青路、水泥路，99.1%的乡镇和96.5%的建制村已通行了客车[1]。

随着我国公路体量不断增大，各种道路病害也与日俱增，已建道路陆续面临维护保养问题。目前最常见的道路病害是路面裂缝，在交通荷载、环境因素和路面基层材料的共同作用下，裂缝逐渐形成并扩展，伴随路面的整个使用期，并随着路龄增长而加重[2]，路面沿裂缝持续破坏，直至影响交通安全或道路使用寿命，造成人员伤亡或物资浪费。

路面裂缝有多种类型，每种类型由不同原因引起，对道路性能的影响不同，防治处理方法也不同。水泥混凝土路面或沥青路面产生裂缝都是由于非弹性形变的应力大于混合材料的内部粘结力，区别在于形变应力产生的原因和裂缝的表现形式。

1 水泥混凝土路面常见裂缝及成因

常见的混凝土路面裂缝主要有沉降裂缝、温度裂缝、干缩裂缝、荷载裂缝及施工裂缝等[3-4]，见图1，裂缝产生原理见图2，裂缝对整个路面的破坏过程见图3[5]。

图1 混凝土路面裂缝的表现形式

综合分析内外部因素，水泥混凝土路面裂缝的成因主要包括以下几点。

1.1 基材质量低劣

材料是支撑路体的骨架和内容物，水泥混凝土基材的优劣直接影响到整个道路的品质和寿命。实际建设时，应充分考虑道路用途、周围环境与气候条件，避免使用不适宜的原料，原料运输过程中需即时监测原料质量、保证存储条件，以防原料掺假或变质[6]。若水泥选择不慎或骨料级配不合理，混凝土强度将会降低，路面裂缝随之产生。

图2 混凝土路面裂缝的产生原理

图3 裂缝对混凝土路面的破坏过程

1.2 施工不当

施工不当是引起路面裂缝的重要人为因素，也是最容易控制的因素[7]，具体包括：

（1）施工中因计量不准等因素令水灰比不稳定，直接影响混凝土质量，造成强度不均或不足，最终导致混凝土路面在早期即出现大量裂缝[8]。

（2）运输或贮存条件差、时间长令混凝土产生离析现象，影响振捣效果，催生路面早期裂缝。

（3）施工中振捣次数不够且过早拆除模具，造成混凝土强度不足，导致路面表层或边缘开裂。

（4）施工中切缝时间把握不好，导致路面产生横向裂缝。一般来说，切缝时间应遵循“宁早勿晚、能切便切”的原则[9]。

（5）浇注完成后的养护不及时、养护中断或养护方法失当使路面水分丧失过快，若未及时补充，混凝土收缩会明显加快，从而导致裂缝产生。

1.3 气候影响

（1）高温环境下，水泥混凝土内部会积蓄大量热能，浇筑入模的温度过高或早期热量过大将使混凝土内部因应力不均发生形变，最终形成裂缝。

（2）当环境温差较大时，水泥混凝土因本身热传导性较差，表面和内部会形成温差，表里收缩不一致引发的温差应力催生路面裂缝，一般10℃左右的温差就能使混凝土板产生较强的翘曲应力。

（3）干热或大风天气时，水泥混凝土终凝前后的水分流失会加快[10]，水分蒸发面从路面向下移动，导致路面表层形成负压、出现大量毛细管、产生毛细管应力，而此时的水泥混凝土强度很低或几乎没有强度，极易产生形变，最终形成裂缝。这样的裂缝一般较窄且分布在路面表层。

1.4 水化反应

水化反应是一个放热反应，而水泥混凝土本身热传导性较差，若水化热过高或不能及时传导，路面表层的散热将快于里层，导致表层和里层的收缩应力不一致，而此时的水泥混凝土强度很低，极易产生形变，最终形成裂缝[11]。

1.5 基材干缩

水泥混凝土硬化过程中，随着水分(化学结合水/层间水/物理吸附水等)流失产生收缩变形，进而产生收缩应力，当收缩应力大于混凝土内部粘结应力时，即会产生干缩裂缝，因此，要严格控制水泥混凝土的体积收缩率，防止出现这类裂缝。

1.6 基层沉降

若基层平整度差，混凝土面层厚度不匀，就会在薄弱处产生沉降裂缝；若基层长期遭受雨水冲刷而损坏，损坏处就极易产生裂缝甚至塌陷；地基软弱未压实、强度不均/不足、沉降量过大，混凝土板受力弯曲，路基填料混杂、压实不好等因素，也会导致水泥混凝土路面产生裂缝。

1.7 荷载压力

荷载裂缝出现的主要原因：（1）道路荷载设计不合理，不能满足车辆运输或通行需求；（2）道路施工不合理导致道路荷载不均匀或偏小，荷载能力偏弱的地方可能出现开裂；（3）道路运输长期严重超载催生道路开裂、缩短其使用寿命。

2 水泥混凝土路面裂缝危害及防治措施

若建造之初水泥混凝土路面形成了微裂缝，雨水和侵蚀性介质容易通过裂缝渗入路面内部，使混凝土发生水解、内部金属部件遭受腐蚀，同时，混凝土碳化引发的体积收缩将加剧裂缝产生。收缩裂缝一般相互平行，长几厘米至几十厘米、深1～5 cm且不可自愈合，严重影响混凝土路面基层承载力。道路投入使用后，由于荷载作用，微裂缝逐渐变成宏观裂缝，加之冬季低温冻胀，裂缝进一步扩展，更多雨水渗入路基，导致裂缝两侧的路面或土基含水量增加。其结果是路基层变软、稀浆化、极易被挤出直至掏空，引发混凝土路面的错板、破碎、断裂，在破坏公路稳定性和安全性的同时，严重影响水泥混凝土路面的性能和使用年限[12]。

水泥混凝土路面损坏后，修复难度大、周期长、费用高，极大地影响交通，因此裂缝出现时，应采取适当措施及时修补，避免病害扩大。当前常用的预防及修复措施主要包括以下几点。

2.1 完善设计

合理设计路面的厚度和强度，能够在一定程度上减少或避免道路裂缝。道路设计人员应全面了解当地的实际需求，如车流量、经济条件、周围环境、发展规划等，并对未来的车辆增加做出科学评估，确定合理的道路承载量及倒库设计等，控制或避免因设计不合理催生的路面裂缝[13]。

2.2 基层施工控制

道路基层施工在整个道路建设中起关键作用，基层的优劣直接关系到整个道路质量及使用寿命。铺设基层时，应严格执行《公路路面基层施工技术细则[14]》的相关规定，确保道路基层密实、稳定、均匀且具有足够的强度。

2.3 温度控制

温度变化对混凝土路面状况有很大影响，避免温度裂缝产生应做到：确保良好的施工条件，尽量避免在混凝土水分流失过快的大风、干热和高温环境中施工；尽量选择水化热较低的水泥品种，降低水化放热引起的混凝土表里温差。

2.4 水灰比控制

水灰比直接影响混凝土的强度和体积收缩率，控制不好便会导致裂缝产生。施工时应根据不同的工法、温度和环境设计最恰当的水灰比，也可以根据实际需要加入适当的添加剂，以改善水泥混凝土质量、减少道路裂缝产生。

2.5 裂缝后期处理[15]

混凝土路面裂缝形成后，应针对不同类型的裂缝选用不同功能的修补材料，目前最常用的有高模量补强材料和底模密封材料，见表1[16]。

表1 混凝土路面常用修补材料

若裂缝宽而明显，可进行灌缝处理，防止裂缝扩大，且最好安排在气温较低、缝隙较宽的时节（2～18℃最佳）。不同宽度裂缝的处理方法见表2。

表2 混凝土路面灌缝处理方法

3 沥青路面常见裂缝及成因

沥青路面裂缝通常有纵向、横向和网状等表现形式[17-18]，见图4，按产生原因论则有荷载型和非荷载型裂缝。荷载型裂缝通常因路面设计或施工不合理导致的强度不均而产生，起初为纵向开裂，逐渐发展成网状，形式上主要表现为沿轮迹方向的纵向裂缝和龟裂[19]；非荷载裂缝主要是反射裂缝和低温裂缝。我国大多数沥青路面采用半刚性基层，故荷载裂缝的危害相对较小。

图4 沥青路面裂缝的表现形式

3.1 沥青路面低温裂缝成因

随着温度下降，沥青路面面层会收缩变形，由于路面是连续延展的，不存在伸缩缝，收缩变形会受到来自基层的摩擦约束和沥青混合料本身的应力约束。若温度持续下降，收缩变形的应力会越来越强，当应力超过该温度下沥青的抗拉极限时，路面就会产生低温裂缝，形式上主要表现为横向和块状，有时也表现为纵向[20]。下面对影响因素进行分析。

3.1.1 沥青本身性质

（1）不同油源产出的沥青成分不同，通常胶质含量较高的稠油沥青抗拉强度高、低温抗裂性佳，而蜡含量越高，沥青温度敏感性越强、抗裂性越差。

（2）同一油源产出的沥青，针入度偏大的通常延展性更好、低温抗裂性佳，如15℃延展沥青。

（3）沥青老化后将变硬变脆，针入度/延展性下降、低温抗裂性明显变差，故老化性能优越的沥青有利于延长道路使用寿命、延缓低温裂缝产生。

3.1.2 沥青混合料组成

（1）混合料中的沥青含量影响体系的低温抗裂性能。通常沥青含量越高，混合料的应力松弛性越好，但收缩应力也相应增大，故沥青配料的具体用量需通过大量试验方能确定。

（2）矿料的级配选择直接影响沥青路面质量。通常粒径和空隙率较大的混合料，内部微小空隙也多，应力松弛极限温度会比较低，矿粉的加入可使混合料更加粘稠，但会降低其低温抗裂性能。

（3）集料与沥青的粘附性影响体系的低温抗裂性能。粘附性越小，沥青与集料的结合力越低，混合料的抗拉强度越低、低温抗裂性能越差。

3.1.3 施工质量

（1）沥青路面的施工不是一蹴而就的，施工接缝在所难免。若处理不好各种纵横向的施工接缝，接缝处的低温抗裂性就会变差，路面的收缩应力就会集中在接缝处释放，造成较严重的开裂。

（2）路面施工中，若摊铺和碾压温度偏低，施工机械就会在沥青面层产生拉应力，导致新铺路面表层产生微小裂缝，在持续使用中形成开裂。

3.2 沥青路面反射裂缝成因

反射裂缝是指道路基层由于温缩或干缩产生开裂，在温度和行车荷载的反复作用下，裂缝慢慢反射到沥青路面表面，位置和形状与基层裂缝基本一致。对于半刚性基层来说，横向裂缝较多。

3.2.1 温缩开裂引起

半刚性基层一旦出现温度裂缝，就会使路面产生反射裂缝。裂缝形成后，雨水不断通过裂缝渗入沥青面层和基层之间，引发基层唧泥，并进一步破坏基层与面层之间的连接，最终破坏沥青路面。

3.2.2 干缩开裂引起

新铺设的半刚性基层混合料会随水分减少不可避免地出现干缩及干缩应力，水分流失越快，干缩应力越大，越容易形成基层干缩裂缝。在已产生干缩裂缝的半刚性基层上铺设沥青混合料面层，若面层较薄，基层干缩裂缝会在温度应力或行车载荷应力的反复作用下使沥青面层底部形成开裂，然后迅速形成反射裂缝；若面层较厚，基层干缩裂缝会在温度应力的作用下使沥青面层表面发生开裂，然后逐渐向下延伸形成反射裂缝。

4 沥青路面裂缝危害及防治措施

沥青路面的横向裂缝早期多出现在路面两侧，在温度应力的作用下迅速延伸，逐渐发展成贯通路幅的横缝；纵向裂缝一般在路基或基层沉降作用下产生，或由施工接缝质量差、结构承载力低导致；网状裂缝通常因路面长期遭受表层水渗透和冲刷进而发生以缝为中心的下陷而形成，多伴生新的路面裂缝或破碎现象。

沥青路面的低温裂缝多在沥青表面开始生成，不断朝下方延伸，若遭遇持续低温或再次降温，裂缝尖端会产生较大的应力集中，使裂缝向下延伸并贯穿整个沥青面层，由于面层底部与基层表面的联结作用，裂缝呈上宽下窄的形态[21]。反射裂缝对路面性能和耐久性也有多种不利影响：（1）路表的裂缝使雨水有机会进入路面内部，甚至进入对温度敏感的路基土中，降低路面的防水性；（2）裂缝的存在使路面板体不连续，行车荷载又加大了板体边缘的变形，通过裂缝向路基顶面传递巨大的压应力；（3）上述路面板体边缘变形会在路面结构（尤其基层）内产生很大的应力和变形，在行车荷载作用下这些结构层的寿命将缩短；（4）在车辆、水分、霜冻等因素的综合作用下，磨耗层常会沿裂缝发生骨料或小块沥青的剥落[22]，形成慢性损坏。

沥青路面裂缝形成后，不仅使路面快速老化，影响行车舒适性，并且导致路表雨水下浸、裂缝两侧的路面结构层含水量增大、路面承载力明显降低，影响路基的强度与稳定性；更重要的是，在行车荷载反复作用和环境温度周期性变化的影响下，裂缝迅速向四周扩展，而半刚性基层的稳定性较差，极易产生水损害，造成基层松散破坏和路面结构损坏，大大缩短了路面的使用寿命，加大了公路的养护成本。因此，需及时治理道路裂缝。

4.1 低温裂缝防治措施[23]

（1）尽量选用针入度偏大、15℃延展性较强、蜡含量较低、耐老化性较好的稠油沥青。

（2）改善配合比设计及矿料级配组成，严格控制矿粉掺量和粉胶比，调整混合料的空隙率与稳定度，通过优化工艺提高混合料的强度。

（3）选用与沥青能良好粘附的碱性碎石，提高沥青与集料间的结合力及混合料的低温抗裂性能。

（4）沥青道路施工中应严格把控沥青混合料的摊铺及碾压温度，减少低温裂缝产生。

（5）谨慎处理横向、纵向接缝处，施工前应涂刷粘层油并用摊铺机熨平板预热，保证接缝两端连接紧密，避免在接缝处出现低温裂缝。

4.2 反射裂缝防治措施

4.2.1 科学设计

（1）半刚性基层最好选择干缩/温缩系数小、抗拉强度高、抗冲刷性好的半刚性原材料。

（2）应综合考虑道路等级、实际交通量、工程地质情况、道路基层情况和施工环境等各种因素，确定沥青路面的设计厚度。

（3）沥青用量直接影响混合料的骨架嵌挤作用，应综合考虑道路性能、交通情况和使用环境，确定沥青混合料的设计级配，在符合规范的前提下，可适当降低沥青用量，油石比控制在4%～4.5%、空隙率控制在3%～5%（以4%为宜）[21]。

（4）粘层油能有效隔断或吸收基层开裂应力、去除反射裂缝，适合广泛采用。

4.2.2 基层裂缝控制

（1）基层分段施工，即每段预留一段混合料，待下一段混合料摊铺之后再行碾压，有利于基层段与段之间的衔接；对于分层碾压的基层，上下层的接头应错开，降低裂缝出现的几率。

（2）混合料应合理配比，把握好细骨料数量；注意基层养护，养护结束后应尽早铺筑沥青面层或进行封层，以减少基层开裂的机会。

（3）路面加盖沥青时，可刨去原老化路面表层或铺设土工布、格栅后再施工，延缓裂缝形成时间。

4.2.3 严格控制施工

严格控制沥青道路各结构层的施工质量，能够有效预防路面裂缝产生。基层养护应满足要求，防止基层开裂损坏、产生反射裂缝；严格控制沥青加热温度和时间，防止沥青老化；严格控制摊铺、碾压温度，并及时摊铺，减少由于混合料表面温度降低或混合料离析而产生的裂缝；沥青混合料的碾压要充分，达到较高密实度；施工接缝处理要得当。

4.2.4 加强道路养护

加强道路养护，表面出现裂缝的路面要及时修补，避免道路病害扩大。确保路面排水畅通，避免雨水进入基层与面层之间，对基层造成冲刷。