陶瓷厚板广场和道路铺贴技术探索

2020-05-19庄德辉

广东建材 2020年4期

庄德辉

(广东金意陶陶瓷集团有限公司)

目前广场和道路使用石材或广场砖等铺贴，虽有施工规范、验收标准等，投入使用后出现的问题很多，比如断板、断角、接缝挤碎、空鼓、拱起、错台等。行业内对这些问题产生的原因缺乏系统分析与研究，预防和整改措施基本上从经验出发，没有可靠的理论支持，无法从根本上解决问题。

混凝土路面板是一种脆性材料，抗压强度高，抗弯拉强度低，基本可以视作一个小挠度弹性薄板，其受力和损坏机理与瓷砖、石材有一定的相似性，而且混凝土路面板工况更复杂更严苛，承受的荷载更大，国内外对它的破坏机理研究更久更深入。

为此本文试图借鉴相对成熟的混凝土路面板受力和破坏理论，分析广场和道路铺装石材、广场砖等面板装饰层破坏的机理，提出适合于广场和道路陶瓷厚板铺贴系统解决方案，希望对广场砖和天然石材户外铺贴也能起到一定的参考作用。

1 混凝土路面破坏机理

混凝土路面板的破坏形式主要有板下脱空、唧泥、断裂、交叉开裂、接缝挤碎、错台等。

断裂是混凝土路面最主要的损坏形式，它是由车辆荷载和温度应力综合反复作用导致路面板所承受的应力超过混凝土的极限强度引起的。

混凝土路面板断裂原因主要有疲劳破坏和一次性破坏。

疲劳破坏：由于基层施工压实度不匀，在车辆荷载应力和温度应力的综合反复作用下，基层局部软弱区被压实，产生不均匀塑性变形，进而发展为板下脱空，改变了路面板的受力状态，路面板近似于悬臂梁工作，产生过量的弯沉和应力，最终超出混凝土的极限强度而引起断裂。这是路面板产生早期破坏的主要原因之一。

路面板破坏最易从板角隅发生。不论是否存在板下脱空，板角挠度始终远大于板边挠度，挠度越大，板的泵吸力越大，越易发生唧泥现象，唧泥又引起脱空扩大，脱空再导致板角挠度急剧增大，从而进一步促进唧泥发生和脱空区的增大。

当路面板均匀支承时，无论荷载作用于板边还是板角，应力都较小。一旦发生板底脱空现象，改变了路面板的受力状态，局部应力迅速集中，当达到路面板极限抗弯拉强度时就会导致路面板断裂破坏。试验和计算数据（表1，数据来自文献1）表明，最大弯拉应力大小依次为板角＞纵缝边缘中部＞横缝边缘中部＞板中心部。当荷载作用于板角时，路面板受到最大拉应力约为板中心的2.4 倍，这就是板角、板边极易发生一次性断裂破坏的原因。

表1 接地压力为1.4MPa（超出标准轴载0.7MPa一倍）时不同荷载形式和位置最大拉应力计算结果

另外路面板接缝施工不当，或填缝不当，填缝剥落、挤出、老化后，接缝被硬石子等卡入阻塞，当混凝土路面板受温度等影响发生伸胀时，板边缘产生集中压应力，当压应力超过混凝土抗剪强度时，板即发生接缝挤碎；当压应力未超过混凝土抗剪强度但大于基层与面板之间的摩擦力时，路面就可能发生拱起重叠等现象。

一次性破坏：过重荷载（车辆荷载应力和温度应力叠加作用）超出路面结构的极限强度（极限承载力）则会造成一次性破坏。正常情况下路面板承受的极限荷载取决于混凝土抗压强度；当存在板下脱空时，路面板的局部破坏由受压破坏变为弯拉破坏，混凝土的抗弯拉强度远远小于抗压强度，因此更容易发生破坏。特别是双联轴双轮和三联轴双轮情况下，最大应力（表1）已超出混凝土路面板弯拉设计标准（5MPa）标准，当板底脱空时就可能发生一次性静载破坏。

2 广场和道路铺贴石材或广场砖的破坏机理

广场和道路铺贴石材或广场砖的破坏形式主要是断裂（板角断裂、整板断裂等）、接缝挤碎、错台、空鼓和拱起（剥离）等，对于破坏机理的研究目前处于空白，预防和解决方案多从经验出发，且基本限于面板的铺贴施工，对路基、基层和混凝土面层的设计和改进措施几乎没有涉及。

实际上作为常用路面板装饰材料的花岗岩，其抗弯强度大于8MPa，抗压强度大于100MPa（50mm 厚度），即使接地压力超出标准轴载0.7MPa 一倍，最大拉应力也没有超过石材的抗弯拉强度。石材路面破坏的原因主要是天然石材存在内部缺陷（如微裂纹等），厚度不足，面层施工空鼓，结合层结合力不足，基层和路基局部软弱区产生不均匀塑性变形、破坏等引起的。工程实践中，在做好路基、基层和混凝土面层设计施工的前提下，采用20mm 厚的花岗岩可以满足消防车通道的荷载要求。

将瓷砖或石材面板装饰层和水泥砂浆找平层以及混凝土面层视为弹性地基面层复合板，其受力和损坏机理与混凝土路面板有一定的相似性，可借鉴混凝土路面的破坏机理进行分析。

空鼓（包括施工过程产生的空鼓、胶粘剂和水泥砂浆干燥收缩产生的空鼓以及使用过程中荷载和温度应力的综合反复作用产生的空鼓等）形成了最严重的原始脱空区，改变了面层的受力状态，面层局部由受压破坏转变为弯拉破坏（石材、瓷砖和混凝土的弯曲强度远小于抗压强度），一旦外部应力（车辆荷载应力和温度应力叠加作用）达到面层极限抗弯拉强度，面层就可能发生断裂破坏。

面层拱起和接缝挤碎：如果面板接缝施工不当，接缝过小或填缝料被挤出，硬石子卡入，面层发生伸胀时，面板之间产生挤压作用，当挤压力超过混凝土面层-水泥砂浆找平层-瓷砖或石材装饰层的结合力时，瓷砖或石材就会发生剥离甚至拱起现象；当应力超过瓷砖或石材抗弯（抗剪）强度时，瓷砖或石材就会发生接缝挤碎甚至整片碎裂。

路基或基层受到破坏，容易产生错台、断板等问题。当基层出现沉降、变形或开裂时，由于路基不均匀支撑，使面板在受荷时底部产生过大的应力，一旦超过面板的极限抗弯拉强度，就会导致面板被破坏；即使没有超过面板的极限抗弯拉强度，也使得面板和基层的结合力降低而易于发生剥离等问题。

一次性破坏：过重荷载（车辆荷载应力和温度应力叠加作用）超过面层的极限强度，就会造成一次性破坏。正常情况下，极限强度为抗压强度；当存在板底脱空时，荷载超出面层材料的极限抗弯拉强度或剪切强度（远小于极限抗压强度）时就会发生断板，更容易发生一次性静载破坏。

3 陶瓷厚板广场和道路铺贴系统解决方案

陶瓷厚板是近年出现的一种新材料，指厚度超过20mm 吸水率小于0.5%（一般小于0.1%）的瓷质板材，抗压强度相当于40mm～60mm 的花岗岩，弯曲强度是花岗岩的2～4 倍，承载力相当于1.5～2 倍厚度的花岗岩；陶瓷厚板可以仿制大多数石材纹理，并消除天然石材的表面瑕疵和内在缺陷；可通过成形模具直接做出石材的机切面、喷砂面、火烧面、剁斧面、荔枝面等效果；在耐磨、抗污、耐候、强度等方面，陶瓷厚板优于天然石材；使用过程中不会出现石材常出现的水斑、白华、锈斑、变黄等问题，基本不需要后期维护。采用陶瓷厚板替代或部分替代天然石材，在满足设计要求的前提下，可有效降低工程造价、保证供应和减少石材开采对环境的破坏，符合生态环保绿色发展的形势和政策，具有广阔的应用前景。

在实际工程中，陶瓷厚板与广场砖和石材一样，也存在破坏问题，破坏机理相似，解决方案基本可以通用。要解决广场和道路铺贴陶瓷厚板、广场砖和石材破坏问题，需从系统整体考虑，从设计时就介入，单纯从面板装饰层材料和铺贴方面考虑，无法根本解决问题，因为破坏不仅与面板材料性能和铺贴有关，更和基层以及路基的处理相关。

3.1 适当提高路基压实度和防止土基流失

路基最重要的作用是提供稳定而均匀的支承。面板传递到基层的荷载应力很小，对路基强度和承载力要求并不是很高。试验数据显示，路基压实度对面板底部拉应力的影响很小，但面板的挠度对路基压实度的变化敏感性很强，适当提高路基压实度有利于减小面板挠度，缓解基层底部脱空，提高面板的使用寿命。

⑴路基应分层碾压，压实度不低于90%（重型击实试验标准），分层厚约为30cm，下层填土验收合格后，方可进行上层填筑。路基完成后，沿线应按规范要求做回弹模量试验。

⑵沙性土基是最优良的路基类型。粉性和粘性土基要尽量回避，可采用掺配砂石的方法予以改良，对原土基进行一定厚度的换填。如遇特殊情况，土基另行处理。

⑶在路基上表面铺设透水土工布，可以防止土基流失造成道路结构性破坏，一定程度上提高路面整体强度和增加路面使用寿命。

⑷路基长期浸水会发生变形甚至沉陷，引起路面发生断板、错台等破坏，应做好道路排水和防止绿化带水下渗穿蚀路基。

3.2 适当提高基层模量和采用耐冲刷的基层

面板断裂、错台、剥离等损坏大多与基层的不良支承有关。目前基层大多为半刚性的密实基层，含有较多细集料，在雨水和荷载作用下，必然产生唧泥造成板底脱空最终导致断板和错台等破坏。

基层建议采用水泥稳定开级配碎石，厚度180mm～200mm 为宜，有利于排除路表渗水和隔断地下毛细水上升、有效减少水对基层的侵蚀，延缓塑性变形脱空区的产生，减小面板角隅处挠度，减轻唧泥和脱空发展。用厚基层来提高路基的支承力，或者说借以降低面层应力一般不经济，但随着稳定类基层厚度的增加，基层底面的弯拉应力随之降低，因此基层厚度不宜太薄。

试验数据表明，随着基层模量的提高，板底最大拉应力会呈曲线式下降，继续提高模量，下降趋势趋于平缓，提高基层模量的作用已经不大，设计时应从性能和经济两方面综合考虑。

3.3 提高石材/ 瓷板装饰层- 水泥砂浆找平层-混凝土面层之间的结合力，可有效减少板下脱空和唧泥的发生

⑴采用强力瓷砖胶粘剂而不是水泥砂浆粘贴石材或瓷砖、采用抹浆的方式铺贴，以增大石材或瓷砖装饰层与找平层之间的结合力。不建议单独采用淋浆的方式铺贴，以减少出现空鼓等质量问题。

⑵采用界面剂而不是素水泥浆处理混凝土面层界面，可增强找平层对混凝土面层的粘接强度，减少空鼓和剥离的发生。铺贴瓷砖和石材时，往往路基、基层和混凝土面层设计和施工已完成，无法更改，这种情况下，采用界面剂处理混凝土面层表面可以提高找平层与混凝土面层的粘接强度。

⑶在长期受到振动影响的区域宜采用弹（柔）性瓷砖胶和弹（柔）性填缝剂。

⑷保证施工质量，尽量减少施工造成的空鼓（这是最严重的原始脱空区）。铺贴前清除混凝土面层表面杂物，铺贴过程中轻轻推放，使石材/瓷板与铺贴面平行，然后用木槌或橡胶锤轻敲面板，让板底能全面吃浆；铺贴完24 小时后方可行走。

3.4 减小面板挠度，以减少唧泥和板底脱空的发生和发展

影响板角和板边挠度的主要因素是面板的模量和厚度、基层模量和路基模量等。

⑴提高面板厚度。试验显示，提高混凝土面层和瓷砖/石材装饰层厚度可以减小板底弯拉应力，提高面板极限承载力和减小面板的挠度，有效提高道路使用寿命，但相应的成本也会提高，需要综合考虑。建议采用200mm 厚的C30 混凝土面层，弹性模量2000MPa，泊松比0.20。

在工程实践中，普通轻载和人行路面花岗岩一般采用要求20mm～30mm 厚，有的要求30mm 以上，消防车行道一般要求40mm～60mm 厚。但实际上如果做好路基、垫层、基层和混凝土面层的设计施工，20mm 厚花岗岩基本可以满足消防车通道荷载要求，这样可以大大降低石材成本，施工关键是基础要夯实，路基各层压实度至少达到90%（重型击实试验标准），基层采用180mm～200mm厚水泥稳定开级配碎石，面层采用200mm 厚C30 混凝土。

陶瓷厚板的承载力大约相当于1.5～2 倍厚度的花岗岩。人行路面和普通轻载路面宜采用15mm 以上厚度瓷板，消防车通道和重型卡车停车场等宜采用18mm 以上厚度瓷板。

⑵当出现板底脱空和唧泥时，应及早进行修复，以免破坏加重。

3.5 做好面板接缝和伸缩缝设计

⑴接缝宽度：受温度和荷载影响广场和道路面板会产生伸胀，石材或瓷板之间需留出合适的接缝，宽度建议不小于5mm。

⑵填缝：尽量选用耐候型弹性密封胶，填缝要饱满密实，一般低于石材或瓷板表面1～2mm 左右为宜，以防止硬石子嵌入接缝导致面板装饰层在伸胀时相互挤压拱起（剥离）或挤碎，还可减轻雨水对基层的冲刷，减少唧泥和板底脱空的发生。

⑶伸缩缝或沉降缝：因基层或路基发生伸缩、沉降等而导致面层开裂，一般需设置伸缩缝，宽度不宜小于20mm，分割面积不宜超过36m2（纵横缝间距不宜大于6m），采用弹性耐候密封胶密封，防止雨水和杂物进入。伸缩缝应从结构层断开，并一直延伸到面板装饰层，面板不能跨越伸缩缝，否则面板局域悬空，处于悬臂梁受力状态，容易出现脱空、错台、开裂和断板等破坏。

实际户外工程中，因所用石材或瓷板板材规格小、板间接缝大，为面板的伸胀提供了空间，有时并不设置伸缩缝，但确实存在开裂和挤碎的现象，建议根据实际情况考虑。