水泥路面断板关键影响因素调查及分析

刘佳 杜荣耀 倪应谦 黄瑞德

摘要：文章选取广西地区通车10年以上的2条水泥混凝土高速公路，抽取了16个不同断板率的水泥混凝土路面典型路段，进行钻芯取样及FWD弯沉检测分析，计算了各典型路段的基层顶当量回弹模量代表值、接缝传荷系数、路面脱空率及路面的弯拉强度。研究结果表明：接缝传荷系数和水泥路面断板率相关性较高，相关系数达到0.74。研究成果对新建水泥路面、水泥路面维修及加铺沥青层具有指导意义。

关键词：水泥混凝土路面;接缝传荷系数;基层顶当量回弹模量

0 引言

水泥混凝土路面具有承载能力大、路面强度高、耐磨性和稳定性好、日常养护费用低等优点，而且设计期限都为20年以上，比沥青混凝土路面的设计年限长。广西地区在早期修建了約800 km的水泥混凝土路面高速公路，修建时间主要集中在1999—2004年期间。经过10年的使用，由于水泥路面使用品质迅速恶化，在2010年以后，部分水泥路面的高速公路陆续进行了加铺沥青层改造。截止2018年，广西地区只有柳宜高速公路、全黄高速公路、都南高速公路等少数高速公路水泥路面未进行加铺沥青层改造。其中柳宜高速已经通车17年，全黄高速通车14年，路面使用状况良好，基本达到了设计使用寿命。

国内外对水泥混凝土路面断板的研究主要集中在板底脱空的原因、检测和处治方法上，而对路面传荷系数、基层顶当量回弹模量等因素研究较少。本研究对广西地区通车10年以上仍在运营的水泥混凝土路面高速公路进行调查分析，研究路面状况较好及路面病害产生的原因，为新建水泥混凝土路面、水泥混凝土路面维修及水泥路面加铺沥青层提供技术支持。

1 研究工程概述

宜州至柳州高速公路是广西壮族自治区连接柳州市与河池市的一条高速公路，1998年10月开工，2000年12月通车，是G78汕昆高速宜柳段的重要组成部分，全长112.7 km，路基宽度为26 m，水泥混凝土路面，双向四车道。其路面结构为26 cm厚C35水泥混凝土面层，18 cm二灰基层，18 cm级配碎石，路面总厚度为62 cm。

泉南高速公路全州至黄沙河段于2002年开工，2004年12月建成通车。北连湖南衡阳至枣木铺高速公路，经全州县黄沙河镇、永岁乡和全州镇，跨越湘江、湘桂铁路，终点为全州县城东北面的新彰甲村。路线全长22.3 km，路基宽度为26 m，水泥混凝土路面，双向四车道。其路面结构为26 cm厚C35水泥混凝土面层，1 cm沥青石屑，39 cm水稳基层，20 cm级配碎石，路面总厚度为86 cm。

2 研究方案

2.1 检测内容

本研究共抽检16个检测路段，其中柳宜路12个，全黄路4个。在16个路段中，每个路段长500 m，水泥路面病害严重程度各不相同。检测内容有：（1）FWD检测完好板中弯沉，计算基层顶面模量;（2）在横缝处，采用FWD在驶入板施加三级荷载检测板底脱空，计算横缝传荷系数;（3）在慢车道钻取混凝土芯样，量测芯样厚度、观测芯样和基层情况，检测芯样劈裂强度，换算路面弯拉强度;（4）调查路面破损状况，计算断板率。

2.2 基层顶当量回弹模量检测及计算

对慢车道的板中进行FWD弯沉检测，根据板中FWD弯沉盆，按现行公路水泥混凝土路面设计规范（2011）计算板底的基层顶当量回弹模量[1]，计算式如下：

2.3 路面接缝传荷系数检测及计算

无传力杆的横缝传荷依赖于横缝间的凹凸材料啮合效应。随着使用期的增加和行车作用，凹凸材料逐渐被磨平，同时混凝土还会随使用期收缩，导致横缝间距逐步增大，材料啮合效应会降低。这两个因素导致接缝传荷系数随累计交通量增多而下降，进而导致板底荷载应力逐年增加。本研究采用现行水泥路设计规范的传荷系数定义计算[1]，如下式：

本研究在检测横缝时分三级荷载，计算机自动记录荷载和对应弯沉，计算传荷系数时取该3个数据的平均值。路面横缝传荷系数检测如图1所示。

2.4 路面弯拉强度检测及计算

对典型路段进行钻芯取样，芯样切割两端后，采用现行《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》（GN E30-2005）检测芯样劈裂强度，根据现行交通运输部《公路水泥混凝土路面设计规范（2011年）》换算弯拉强度和弯拉模量[1]，换算式如下：

2.5 路面断板率检测及计算

采用人工步行对典型路段路面病害状况进行调查，对行车道断板、板角断裂、破碎板的板块数量进行记录。为了体现从通车运营到检测期间路面的损坏状况，本次将更换的新板计入路面的断板，且如果路面板块有一道中等级以上裂缝同样记为断板[2]。

计算确定该路段的断板率（DBL），以百分数表示。

DBL=100×DB/BS（7）

式中：DB——评定路段内断板的数量及新换板的数量之和;

BS——评定路段内的板块总数。

2.6 路面脱空检测及计算

落锤式弯沉仪（FWD）是检测混凝土板底脱空最有效的工具。现行交通部《水泥混凝土路面养护技术规范》推荐采用贝克曼梁检测，板角弯沉（100 kN标准轴重）>200 μm时判定为脱空。ASSHO推荐采用FWD多级荷载检测，线性回归后截距b>50 μm时判定为脱空[3]。邱丽章和王端宜（2006）承担的国家自然科学基金项目，采用人工预设脱空，分别采用FWD和多级荷载检测，结果表明，FWD检测判定的准确率达87%[4]。张立敏（2011）在合肥-六安一级水泥混凝土公路检测中也曾采用横缝单点弯沉值>200 μm和多级荷载回归截距>50μm这一标准确定的脱空板[5]。

现行水泥路养护规范推荐的贝克曼梁检测，一侧轮组重50 kN，压强为0.7 [HTSS]MPa[6]。FWD承载盘直径为300 mm，50 kN荷载对应的板底压强为0.7 [HTSS]MPa。因此可近似认为二者对路面作用相近，因而FWD荷载50 kN对应的中心弯沉>200 μm时，判定板底脱空。为偏于安全计，本研究保守地采用2个标准判定板底脱空：

（1）3级荷载线性回归，截距b>50 μm时判定为脱空;

（2）50 kN荷载对应的FWD弯沉>200 μm判定为脱空。

3 试验检测结果

全黄高速公路水泥路面基层当量回弹模量代表值、传荷系数平均值、弯拉强度平均值、脱空率及厚度平均值见表1，柳宜高速公路检测结果见表2。为了分析水泥路面损坏的原因，根据表1和表2中的試验结果分别分析了水泥路面断板率和基层顶当量回弹模量代表值、接缝传荷系数平均值、弯拉强度平均值和路面脱空率的相关性，分别见图2～5。

由表1、表2及图2～5可知：

（1）水泥路面断板率和基层顶当量回弹模量相关性不明显，但是当基层顶当量回弹模量代表值<200 [HTSS]MPa时，水泥路面断板率较大，如路段4和路段11，这说明在一定的强度之下，基层顶当量回弹模量不是影响水泥路面损坏的关键原因。

（2）水泥路面断板率和接缝传荷系数相关性较[KG（0.1mm]高，相关系数达到0.741。当接缝的传荷系数在0.7以下时，水泥混凝土路面的断板率>30%，分析主要原因是接缝处于水泥路面不利荷载位置，如果接缝处板边有过大的弯沉或弯沉差，在荷载的作用下易导致边角断裂、板底脱空、唧泥、错台等病害。

（3）本次水泥混凝土路面弯拉强度和断板率未见明显的相关关系，主要是因为本次检测的弯拉强度值较大，满足《公路水泥混凝土路面设计规范》（2011年）中水泥混凝土弯拉强度标准值极重、特重、重等级交通量的要求。

（4）水泥路面脱空率和断板率未见明显相关关系，但是如果检测路面脱空率较大路面病害同样较严重，如路段12的脱空率为17%，路面断板率达到89%。

4 结语

（1）影响水泥路面病害的关键是水泥混凝土板间的传荷系数。当接缝传荷系数<0.7时，水泥路面容易发生板块断裂破坏，因此在水泥路面维修及加铺沥青层时应注重恢复水泥混凝土板间的传荷能力，使其≥0.7。

（2）基层顶承载能力的高低对路面破坏有一定影响。当基层当量回弹模量<200 [HTSS]MPa时，水泥混凝土路面易发生断裂损坏，因此在水泥路面维修及加铺沥青层时对基层顶当量回弹模量<200 [HTSS]MPa的路段进行厚度补强设计。

（3）水泥路面脱空也对水泥路面病害有一定的影响，因此在水泥路面维修及加铺沥青层时应对脱空板块进行注浆处理。

[1]G D40-2011，公路水泥混凝土路面设计规范[S].

[2]G H20-2007，公路技术状况评定标准[S].

[3]AASHTO.Guide for Design of Pavement Structures[Z].1993.

[4]邱丽章，王端宜.水泥混凝土路面板底脱空的弯沉判据研究[J].公路，2006（11）：5-9.

[5]张立敏.FWD在水泥混凝土路面检测中的应用[J].交通标准化，2011（13）：141-143.

[6]J 073.0-2001，公路水泥混凝土路面养护技术规范[S].

[7]GN E30-2005，公路工程水泥及水泥混凝土试验规程[S].

作者简介：刘 佳（1983—），高级工程师，硕士，研究方向：路基路面;

杜荣耀（1983─），高级工程师，硕士，研究方向：路基路面。

基金项目：广西交通投资集团有限公司科研项目（项目编号：桂交科合智2018-089）