高速公路水泥混凝土路面病害分析与处治技术研究

2022-03-09赖永钦

交通建设与管理 2022年6期

赖永钦

（广西北部湾投资集团有限公司沿海高速公路分公司，广西南宁 530012）

0 引言

水泥混凝土路面具有悠久的历史，因为其高强度、长寿命、取材施工方便等优点，一直在公路建设领域占有重要地位。但是随着交通需求的急剧增长，对高等级公路使用性能的要求也不断提高。当前高等级公路主要以沥青混合料路面为主，但在我国基础设施建设前期修建的高速公路主要为水泥混凝土路面，由于诸多原因，或多或少地都出现了不同程度的损坏。若不加以处理就会发展成路面功能的严重丧失[1]。所以，随着公路建设数量的逐渐饱和，其道路养护维修的力度应该不断加强[2]。

水泥混凝土路面常见病害有板角断裂、板底脱空、错台、板破碎等，对于病害的维修处治，首先应该通过日常的定时养护阻止病害的发展，预防性养护不失为一种有效又经济的方式，不仅可以延缓路面需要大修重建的期限，延长道路使用寿命，减少建设单位的经济支出，还可以恢复路面的使用功能，提高行车舒适性。对于病害严重需要大中修的道路，需要采取一定的换板重铺、加铺沥青罩面层（白加黑）等措施[3-4]。

本文基于符合国内高速公路使用性能情况的评价方法，对病害进行系统分析，并结合水泥混凝土路面维修过程的实例，提出不同病害相对应的处治措施，为提高水泥混凝土路面的使用寿命和使用质量提供决策参考[5-6]。

1 路面病害分析及评价

1.1 路面病害分析

水泥路面病害主要的影响因素有接缝、材料、荷载等，导致的病害形式多种多样，不同病害之间不是相互独立的，而是相互关联影响的；部分病害则具有相同的引发机理。因此，水泥混凝土路面的病害没有依据病害的破坏现象分别分析，而是按照病害原因并考虑到病害的演变规律进行统筹分析。

1.1.1 与接缝有关的病害分析

因为填缝料的老化剥落、被行车荷载挤压流失等原因，失去了封闭接缝的作用。目前，使用较广的有橡胶改性沥青类、沥青玛蹄脂类、氨酯焦油类等。填缝材料受环境的影响会发生硬化，硬化后容易损坏和剥落。填缝料遭到自然破坏，地表水会进入路面结构，引发其他病害如唧泥和错台病害。

在行车荷载的反复作用下，内部材料在通过接缝溢出路表，无疑会导致基层材料逐渐损失，水泥板块底脱空现象随之而出。往往因为基层材料的流动，脱空不均匀，两块板间的高度不一致，导致常见的错台病害现象，严重降低了路面平整度，影响行车的安全性和舒适性。板底脱空又会使水泥板在受力状态下处于不利情况，很容易发生断板病害。

接缝的病害会导致接缝之间的传力杆受损，传力杆的不合理设置会加剧这一现象。传力杆的作用十分重要，主要承受板块之间由于相对运动产生的剪切力，传力杆若因质量不合格，直径不满足要求，会导致其强度不足以抵抗疲劳破坏，重载交通会加剧传力杆破坏。传力杆如若设置不当或是集中应力而产生松动，那么传力杆良好的使用性能就无法保证，所以水泥混凝土板在行车荷载作用易受到破坏。

在工程中，造成水泥路面拱起的因素比较复杂，如施工时横向接缝所切割的接缝不满足水泥板块的纵向膨胀的需求；唧泥病害使得淤泥堆积在接缝内，不再具有接缝填料所有的功能，以致缩缝不能恢复原位，胀缝也不能自由膨胀失去吸收应力的；两板间接触能力减弱，接触面积减少，加剧了路面拱起的产生。如果采用温缩系数较大的石料，会使得水泥混凝土的线收缩系数增大，从而接缝的吸收应力的能力远小于板块的温度膨胀变化，这是发生路面拱起病害的又一原因。

板角啃边不同于角隅断裂，板角啃边主要是由于纹裂导致的板角剥落。板角啃边的表现也不同于角隅断裂，板角啃边是斜向偏离板块，没有垂直方向上的板块穿透，主要表现为起皮磨损、掉块等现象，看起来板块不整洁、给人的视觉感不佳。由于坚硬物体进入接缝缝间，硬物周围在板块膨胀和荷载作用下会产生应力集中，也会发生啃边病害。

1.1.2 材料不良导致的损坏分析

水泥混凝土的原始材料特点如以配合比设计等也是影响水泥路面质量的重要因素，例如纹裂、网裂、脱皮等病害与材料本身有很大的关联性。

纹裂的主要原因是混凝土中的一些粗集料因温度发生膨胀，在板边自由端周围密集的细裂缝。规范中对粗集料的耐磨性有严格要求，因为耐磨性不好，在车辆轮胎的作用下会使得路表的粗集料磨损光滑，出现磨光病害。粗骨料的坚硬程度也有要求，粗集料强度不足，软弱颗粒较多，会容易因为破碎脱离混凝土造成掉粒不洁。

碱集料反应的危害较大，主要是由于集料的某些活性物质与混凝土中的碱发生化学反应时，会产生吸水性很强的膨胀物质，引发混凝土板内的膨胀应力而造成板块开裂。混凝土中的碱主要是因为水泥熟料和外加剂产生的，所以要严格控制碱含量。

1.1.3 荷载导致的损坏分析

由于荷载的作用，板块容易产生角隅断裂、断板现象。角隅断裂是板角荷载作用下的整体断裂，是典型的与荷载有关的病害。由于其他因素的综合作用，使得板块及周围会产生较大的拉应力，当超过混凝土板抗拉强度时，板角就会断裂。

由于各种各样的行车环境会导致水泥路面出现纵向和横向裂缝的现象并不断积累，以致产生断裂质变，断板的产生又会加剧各种病害，导致混凝土路面的使用性能严重下降，因此需要及时进行养护维修。

任何一种病害都是多重原因造成，并且互相影响发展，所以病害的处治也不能仅仅从单一方面进行，而应该调查清楚路面状况，通过多种手段进行综合处治。

1.2 道路使用状况评价

对高速公路的水泥混凝土路面进行维护前，首先应对此次项目工程路面的实际情况予以了解，再对其性能进行评价。目的主要是对之后道路的使用程度、养护以及维修的状况有针对性地制定相应的措施。建议可根据《公路技术状况评定标准》（JTG H20-2007）中的规范进行评价。评价内容由下面三个部分组成，即路面损坏、平整度、抗滑性能。

1.2.1 路面损坏检测

路面是否遭受损坏，以及损坏程度，由路面损坏检测结果这一指标栏进行评定。水泥混凝土在经受荷载、环境等各方面的综合作用后，路面会逐渐出现各种各样的损坏形式。所以，当路面前期出现一些损坏后，应当采取相应的措施来减缓或修复其损坏的部分。但是当损坏的程度较大，即超过了某一零界值时，就必须由专业工作人员采取一定措施来保证路面使用及其结构的完整性。在此次工程中，对其路面的损坏程度状况进行了定位定时的监控。同时，对路面之后的使用过程中，每年必须由专业工作人员配备最新的设备和采用最新的检测手段对其路面进行详细的检查。目的是评定道路的使用还是否满足规范要求，其路面现状是否需要采取相应的养护和维修措施。路面损坏状况评定见表1。

表1 路面损坏状况评定

1.2.2 路面平整度检测

在此次工程项目中，对路面平整度的检测于养护中的重要作用程度不言而喻。由于路面为水泥混凝土路面，所以路面的平整度对于行车的舒适性起到至关重要的作用。平整度的检测由其行驶质量指数(RQI)来评价，数据越小说明其平整度越差，具体评定级别见表2。测量的手段主要采用三米直尺、激光路面平整度仪。为了便于交流，一般将其结果转换为国际平整度指数(IRI)。在此次路面施工完成后，无论对其路面施工的验收，还是在之后的使用过程中，对其路面的平整度的测量都必须逐段去测定。

表2 行驶质量评定级别

1.2.3 路面抗滑能力检测

在道路的使用过程中，路面抗滑能力的高低对行驶安全起到重要作用。描述其抗滑能力的高低，一般使用构造深度和摩擦系数两个指标来评价。在道路使用一段时间后，由于环境的复杂性、行车环境的多变性等因素，应对全部路段进行若干划分。同时，根据之前制定的措施，在一定的路段一定的时间内对其进行定时检测，针对特定事故多发路段，其检测的次数也相应增加。其路面抗滑能力的评定指标见表3。在水泥混凝土路面中，分别用三个评价技术指标来评价水凝混凝土路面的路用性能。其路用性能评价由混凝土路面路用使用性能指数PQI 来评价。其指数详见下式（1），PQI 指数的分项指标权重见表4，其路面路用性能见表5 所示。

表3 抗滑能力等级评定指标

表4 PQI 分项指标加权重

表5 路面使用性能等级评定标准

最后，基于以上数据可以对此次工程路段等级进行详细的评定。

2 病害处治技术

对于原水泥路面，由专业工作人员进行评定后，对于不同等级损坏的路面，相应的措施也是不同的，其措施见流程图所示。

图1 不同损坏等级路面的维修措施

2.1 裂缝维修与接缝灌浆

对于路面产生的较大裂缝（裂缝宽度≥15mm），应采取的措施是大修，即对混凝土整块板进行局部切割，严重时需要进行更换处理。针对较小裂缝的情况，采取的措施为灌缝处理。灌缝时应根据不同情况，如施工环境、自然环境、裂缝的情况，使用不同的灌缝方式，即高渗透改性乳化沥青灌缝施工、乳化沥青冷拌料灌缝施工、改性冷拌料施工，填缝料采用的材料也不一样，即乳化沥青、聚氯乙烯胶泥、环氧砂浆。

2.2 破碎板换板处理

（1）路面板切割

当原有的水泥路面板块破碎时，先沿板边四周缩缝切割，切割至面板底，使需更换的路面板块与周边板块完全分离，之后对前面切割的板块，在其周围离板块缩缝一定的距离进行再次切割，切割的距离一直到板底，第二道缝内路面板用机械破除，两缝间人工凿除，一直切割到此次工程路面的基层。

（2）破除破碎路面板

使用配备破碎锤、履带设置胶垫的挖掘机进行面板破除，作业时设置挡板做好防护，防止混凝土破碎块溅入通车车道，危及过往车辆的安全。

（3）挖除混凝土破碎块及清理基层

使用一台挖掘机配备3 ～4 辆自卸车进行混凝土破碎块清运，人工清除残余部分和基层中松散的部分，并将基层顶面清理干净。自卸车装运混凝土破碎块时注意保证破碎块的牢固，杜绝在运输过程中破碎块跌落路面，造成路上安全事故。

（4）基层整平及沥青封层

基层松散部分按规范要求凿除清理干净后，基层面先铺设乳化沥青石屑作封层再采用边长大于基层面15cm 的单面防水短纤针刺非织造土工布铺设，乳化沥青石屑封层沥青用量0.8 ～1.2kg/m2，厚度不小于3mm 且将基层面调平。

（5）路面钢筋制作与安装

在浇筑混凝土之前，所有钢筋的装设和固定均需经过现场管理员的检查批准。按图纸要求，每块板均铺设抗裂钢筋网φ8＠150*150mm，新旧板交接处设钢筋笼主筋4φ14 箍筋φ8＠200，并满足规范中钢筋安装的要求。

（6）采用现场搅拌混凝土浇筑

（7）混凝土路面铺筑

摊铺

混凝土罐车将混凝土直接倒进入基坑内，人工找补均匀，如发生离析现象，用铲翻拌。摊铺厚度考虑振实预留高度，人工摊铺采用扣揪，严禁抛掷和耧耙，防止离析。

振捣

摊铺完成，立即进行振捣，采用插入式振动器按顺序全面振捣，振捣要充分、密实，严防漏振。混凝土密实程度以混凝土不再下沉、气泡不再上冒为准。同一位置不宜少于20S，振动器移动间距不大于其作用半径的1.5 倍。振捣的同时辅以人工找平，不平之处及时挖填补平，补填时用较细的混合料，但严禁用砂浆填补。有钢筋的部位，振捣时防止钢筋变位。振捣密实后用平直的滚杠滚揉表面，使表面初步整平并提浆均匀。然后采用铝合金刮尺进行混凝土表面粗平，人工进行精平。在对混凝土表面进行修整时，严禁混凝土面层上洒水、撒水泥粉。

（8）混凝土养生

混凝土表面修整完毕后，及时进行养护，一般浇筑12h 内即用薄膜覆盖并浇水养护，每天每隔4h 浇水一次，夜晚每隔6 ～7h浇水一次，浇水次数以始终保持混凝土表面湿润状态为准。在气温较高，日晒较烈时，混凝土表面修整完毕后即刻覆盖塑料薄膜养护，可有效防止混凝土表面早期裂缝的产生。

（9）平整度

混凝土表面刻槽前先利用三米直尺对混凝土路面进行平整度检测，不应大于3mm。达不到设计规范要求的需进行处理，直至达到规范要求时方可进行刻槽。

（10）刚性刻槽

当混凝土抗压强度达到40%后即可进行刚性刻槽，注意构造深度满足设计要求。在完成刻槽后，还需注意继续进行混凝土养生。

（11）填缝及热熔标线

在混凝土养生期满后开始进行填缝和热溶标线施工。