浅谈水泥混凝土路面破碎板的治理

周武军 黄元辉

【关键词】板底脱空;破碎板;直接换板;先灌浆后换板

【中图分类号】U418.6 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2021）09-0071-03

0 引言

随着沥青混凝土技术的日益成熟和沥青路面的大量普及，水泥混凝土路面逐渐减少，目前存在的水泥混凝土路面基本是开通运营了10年以上的老路，路面病害较严重，具体表现为单块板多条横向裂缝、板角断裂、局部沉降明显，或多快板出现了连续的纵向裂缝，这些病害不加以处置会严重影响行车安全;目前，许多老路改建工程都采用“白加黑”工艺，对路面板及基层的完整有一定要求，因此如何更有效地处理破碎板显得尤为重要。本文通过北海运营管理中心更换破碎板及其相关工程实例，探讨水泥混凝土路面破碎板问题的治理。

1 破碎板成因分析

水泥混凝土路面指主要材料是水泥混凝土作为面层的路面，俗称混凝土路面，亦称刚性路面，于1868年由苏格兰人首次建造使用，在20世纪20年代末传入中国。水泥混凝土路面由垫层、基层、面层组成，具有稳定性和耐久性好、强度高、抗滑性能优良等优点。柳北高速合浦至北海段作为20世纪90年代修建的道路，是素混凝土路面，只在横缝位置设计一排传力杆，是比较传统的水泥混凝土路面，其路面病害的发生具有比较广泛的代表性，下面我们分析造成水泥混凝土板块破碎的原因。

混凝土板块破碎的根本原因是承受不住车辆荷载，不是混凝土板的强度不够，而是很多超重车辆行驶重压。在过去的20多年里，我国经济迅猛发展，交通量逐年增大，而且很多超载车辆从高速公路通过，特别是在K550+000～K566+764这段没有收费站的开放路段，许多超载车辆直接从合浦开往北海，水泥混凝土路面承受不住超载车辆的荷载，导致路面出现很多病害，久而久之发展成破碎板。以北海运营管理中心管辖路段合浦至北海段水泥混凝土路面为例，混凝土标号为C40，路面板厚26 cm，水稳层厚18 cm，级配碎石层厚16 cm，按照当初的设计规范可以计算出水泥混凝土板块的极限承载力，计算过程如下[1]。

（1）板底地基综合回弹模量计算。

α=0.26Ln（h0）+0.86=0.26×Ln（0.16）+0.86=0.384

Et=（ ）αE0=（ ）0.384×80=123.91 MPa

（2）混凝土板的弯曲刚度计算。

Dc= = =46.4 MN·m

（3）水稳层的弯曲刚度计算。

Db= = =1.013 MN·m

（4）路面结构总相对半径计算。

rg=1.21   =1.21   =0.878 m

（5）极限轴载应力计算。

σpmax= r  h  P  = ×0.8780.65×0.26-2P  =0.019 3P

（6）温度应力计算：最大温度梯度取86 ℃/m。

kn= （ + ）-1= （ + ）-1

=5 081.96 MPa/m

rβ=  =

=0.118 m

ξ=- =-

=0.190

t= = =1.71

CL=1-（ ） =1-

=0.887

BL=1.77e ×CL-0.131（1-CL）=0.475

σtmax= BL= ×0.475=1.81 MPa

其中，面层厚度hc=0.26 m，水稳厚度hb=0.18 m，级配碎石厚度hx=0.16 m，面层泊松比vc=0.15，水稳泊松比vb=0.20，面层弯拉弹性模量Ec=31 000 MPa，水稳弹性模量Eb=2 000 MPa，级配碎石弹性模量Ex=250 MPa。根据设计规范，水泥混凝土路面结构设计应以面层板在设计基准期内在行车荷载及温度梯度的综合作用下不产生疲劳断裂作为设计标准，并以最重轴载和最大温度应力作用下不产生极限断裂作为验算标准，具体表现形式如下：

γr（σpr+σtr）≤fr

γr（σp，max+σt，max）≤fr

其中，fr為水泥混凝土弯拉强度标准值，γr为水泥混凝土路面弯拉强度计算系数，取1.14[1]。根据上述极限轴载应力计算过程和水泥混凝土路面结构设计验算标准，最后得到不同荷载下水泥混凝土板块的极限弯拉应力（见表1）。

从表1中可看出，在轴载达到180 kN时，极限弯拉应力为4.96 MPa，即将达到水泥混凝土弯拉强度标准值。也就是说，当轴载超过180 kN时，可以认为水泥混凝土已经产生极限断裂，路面板开始产生明显裂缝并最终形成破碎板，影响路面使用性能和行车安全[2]。

板底脱空也是加速混凝土板块破碎的一大因素。所谓板底脱空是指水泥混凝土路面在正常使用后，受交通荷载和环境因素的影响，会逐渐在板块和基层之间产生局部空隙，这种空隙就叫作板底脱空（如图1所示）[3]。

板底脱空现象较为常见且分布广泛，脱空的出现对水泥混凝土路面板的受力非常不利，它改变了路面的力学结构，使原有的弹性路基上的弹性薄板受力形式不复存在，取而代之的是一种类似于悬臂梁或简支梁的受力模式（如图2所示）。

从图2中可以看到，混凝土板块没有脱空前是与地基整体受力的，主要承受荷载产生的压应力，当板底脱空后变成简支或悬臂形式，主要承受荷载产生的弯拉应力，而混凝土板的抗弯拉强度远远低于抗压强度，所以脱空后的路面会很快产生裂缝甚至发展成为破碎板[4];脱空一般都是在板中央或者板角及板边产生，因此板块的裂缝一般都是在混凝土板的1/2至1/3处，此处的弯拉应力是最大的，此时路面板一般就会在这些位置产生裂纹甚至破碎，若不及时采取相应的措施处治产生裂缝的板块，在雨水渗入和行车荷载的反复作用下，导致脱空范围进一步扩大，路面板更容易破碎，严重影响行车安全和路面板的使用寿命。

2 直接换板和先灌浆后换板的成果比较及分析

柳北高速合浦至北海段K500+000～K566+764上行线于2015—2016年兩年间更换了很多破碎板，也对很多板块实施灌浆补强工程，灌浆补强的钻孔孔径为φ45 mm，钻孔深度不少于2.5 m，采用双液化学灌浆技术。下面通过数据的分析对比换板的效果。

2015年共计更换破碎板9 370.35 m2，灌浆补强2 333.25 m2，其中先灌浆后换板2 333.25 m2，直接换板7 037.10 m2，根据后期调查统计，质保期满后直接换板断板917.99 m2，先灌浆后换板断板210.46 m2，断板率对比如图3所示。

2016年共计更换破碎板9 202.93 m2，灌浆补强6 182.79 m2，其中先灌浆后换板2 314.12 m2，直接换板6 888.81 m2，根据后期调查统计，质保期满后直接换板断板229.40 m2，先灌浆后换板断板57.39 m2，断板率对比如图4所示。

对比2015—2016年直接换板和先灌浆后换板质保期满断板率可以发现，直接换板的断板率要明显高于先灌浆后换板的，这是因为灌浆后，会把板底及基层脱空的部位填充密实，让其恢复到原先与地基均匀承受荷载的状态，即抗压状态，这时候混凝土强大的抗压能力就能表现出来，板块只有承受超过混凝土抗压强度标准值时的荷载才会产生破坏，远远大于达到极限弯拉强度时导致的破坏。

3 换板的若干建议

在路面使用过程中完全使板底和基层填充密实是不切实际的，只能尽可能地让它们的脱空范围变小。通过先灌浆后换板工程能够很好地填充密实板底及基层下面的空隙，改善面板和基层之间的联系，使其重新结合成为一个整体，一起承受车辆荷载，大大提升了路面的使用性能和行车舒适性。此外，要对水泥混凝土路面进行预防性养护，比如在发现板底脱空现象后（唧泥严重路段），要在其发展成破碎板前及时对该路段进行板底灌浆，确保脱空得到有效治理并不再进一步扩散，这样有利于提高路面的使用寿命。

4 结语

本文通过对柳北高速合浦至北海段水泥混凝土路面更换破碎板工程的数据统计及研究，分析了路面板破碎的成因并对换板提出了若干建议，希望对以后的水泥混凝土路面的养护有帮助。

参 考 文 献

[1]JTGD 40—2011，公路水泥混凝土路面设计规范[S].

[2]邓学钧.路基路面工程[M].北京：人民交通出版社，2009.

[3]陈拴发.水泥混凝土路面沥青加铺层设计与施工[M].北京：人民交通出版社，2011.

[4]赵队家.重载交通水泥混凝土路面结构设计[M].北京：人民教育出版社，2012.