季冻区水泥混凝土路面病害类型调查研究

林 超，高秀鑫，王 敏

(山西省交通建设工程质量检测中心(有限公司)，太原 山西 030006)

0 引 言

内部开裂与表面剥落是路面混凝土冻融循环作用下典型的两种破坏特征[1]。冻融作用前后水泥混凝土面板表面、内部显微结构将会发生很大改变，使得水泥混凝土面板的宏观物理性能发生变化[2]，因此对冻融作用下水泥混凝土的表面以及内部显微结构进行分析，探讨水泥混凝土路面破坏的原因。

1 冻融作用下水泥混凝土路面破坏过程分析

1.1 冻融作用下水泥混凝土路面表面破坏分析

对水泥混凝土面板分别完成50次、100次、150次、200次时的冻融循环试验，然后分别观察冻融作用前、冻融循环50次、100次、150次、200次后水泥混凝土表面衰变情况。经试验发现冻融作用前，水泥混凝土面板表面光滑平整、无空洞、无裂缝；经冻融循环50次后，小部分水泥浆剥落；冻融循环达到100次后，水泥混凝土表面出现部分水泥浆剥落、微小孔洞及细小裂纹；冻融循环达到150次后水泥混凝土表面的水泥浆出现部分剥蚀，裸露小部分骨料；冻融循环达到200次后水泥混凝土表面的水泥浆出现严重剥蚀，裸露大部分骨料及大颗粒砂砾，失去承载能力。

1.2 冻融作用下水泥混凝土面板断裂面及裂纹分析

水泥混凝土在冻融循环前其断裂面多数为平整，断裂面上的空洞及裂纹极少，大部分骨料处于被拉断状态，骨料被拔出的情况极少；冻融循环作用后，其断裂面的骨料基本处于被拔出的状态，断裂面多为空洞及裂纹，断裂面的粗糙度增加，断裂韧度及承载能力都严重下降。冻融循环前水泥混凝土在通过断裂韧度测试后的宏观裂纹沿受力方向缓缓延伸扩展；冻融循环后水泥浆脱落严重，受粗集料强度影响宏观裂纹方向曲折。

1.3 水泥混凝土路面冻融破坏微观机理

微孔洞、微裂缝是微观破坏形态的主要表现形式，其对材料结构的破坏过程被称为损伤，通过对冻融循环作用后的水泥混凝土进行CT扫描试验，得到了其内部损伤演化的CT微观结构图像[3]。利用CT微观结构图像呈现的微裂缝、微孔洞、骨料变化做定性分析，探知水泥混凝土在冻融循环作用下的损伤演化趋势；利用CT微观结构图像的分割手段，定量分析CT微观结构图像灰度值、孔径大小、孔隙率和粗集料损伤等特征来全面评价水泥混凝土的抗冻融性能。

2 季冻区水泥混凝土路面病害类型及产生原因

季冻区由于温差大、气温交替快、车载量大等原因使水泥混凝土路面受到冻融循环、车辆荷载、温度梯度的频繁作用，其典型病害主要为裂缝类病害、接缝类病害、变形类病害、表面类病害[4-6]。

2.1 裂缝类病害原原因分析

通过调查研究，季冻区裂缝类病害主要分为横向裂隙、纵向裂隙、网状裂缝、角隅断裂四种。

(1)水泥混凝土路面横向裂隙的产生主要是由于混凝土收缩应力、大温差温度交替变化、不良设计与施工、不良路面材料、大距离横向接缝等各种因素综合或者单独作用造成的。

(2)水泥混凝土路面纵向裂隙的产生主要是由于交通重载超荷、散失路基支撑、温度翘曲应力、路基冻胀沉陷等因素造成，尤以交通重载超荷更使水泥混凝土路面纵向裂缝不断扩展贯穿。

(3)水泥混凝土路面网状裂隙的产生主要是由于在温度变化、浸水软化路基及轮载作用下产生的微横向、纵向裂隙受到交通重载超荷作用不断发展成交叉裂隙，随着重载的反复作用，裂隙宽度不断增加，裂隙长度不断变长，最终形成严重的网状裂隙。

(4)当雨水侵入路面角隅接缝处时，接缝处就会出现板底脱空、唧泥现象，致使传荷能力与承载能力下降，在交通重载的反复作用下引起路面角隅断裂。

2.2 接缝类病害原因分析

遇到雨水天气，如果路面养护修缮不完善，雨水会从接缝浸入形成混凝土面板脱空、唧泥、错台等病害现象，从而引起面板断裂影响使用寿命，原因分析如下。

(1)水泥混凝土路面接缝破裂的产生主要是由于在路面施工过程中对传力杆或拉力杆的设置不正确，在缝隙内填入不能压缩的材料、切割缩缝的时间不当，加之交通重载的反复作用下引起路面接缝破裂。

(2)水泥混凝土路面填缝料散失的产生主要是由于不及时更换缝隙填料导致在车辆动载作用下将已经老化的缝隙填料挤出或者填缝料本身就不合格在很短的时间内就老化、脆裂、挤出现象，导致与路面板块脱离。

(3)水泥混凝土路面接缝拉开的产生主要是由于路面没有设置传力杆或者设置的传力杆不当导致荷载作用下路面板块的下滑力大于基层与路面板块之间的摩阻力使接缝拉开。

(4)水泥混凝土路面错台的产生主要是由于雨水沿接缝、裂隙渗入基层，在荷载的反复作用下产生的高压水不断冲刷基层表面，水与基层细集料不断被挤出导致板底脱空，形成不均匀支撑，最终形成错台。

2.3 表面类病害原因分析

季冻区水泥混凝土路面表面类病害由内在因素和外在因素共同作用产生，其中内在因素是由于水泥混凝土路表层强度不足；外在因素是由于在自然环境和车辆荷载作用下，受冻融循环的影响，路面的抗渗、抗冻性能下降，混凝土表面结构变脆、强度降低，在连续不断的荷载作用下使水泥混凝土细料剥落产生起皮、麻面、露骨等病害。经调查研究发现造成季冻区水泥混凝土路面表面类病害最重要的外在因素是冻融循环环境，其病害类别划分为起皮、剥落、麻面、露骨等。

(1)水泥混凝土路面起皮剥落主要是由于水泥混凝土配合比设计不合理引起的，致使施工过程中水灰比过大、混凝土强度不满足要求。

(2)水泥混凝土路面麻面露骨的产生主要是由于施工工艺与材料不足造成面层的耐磨性很差，表面的水泥砂浆在车辆荷载的长期不断作用下逐渐被磨去，导致粗集料外露。

3 山西地区路面冻融作用频次与分布规律

3.1 山西太原市自然气候调查及分析

山西太原地处中纬度，四季分明，年平均气温在-4.5～25 ℃之间。最冷出现在12月，平均温度在-0.5～-4.5 ℃；最热出现在7月，平均温度在21～23 ℃。图1～图3分别为太原地区不同年份温度的变化趋势，2019年、2020年、2021年近三年该地区月平均温度分别为-4.5～25 ℃、-4.5～23 ℃、-3.5～22.5 ℃，月平均最高温分别为2～31 ℃、0～30 ℃、4～29 ℃，月平均最低温分别为-11～19 ℃、-9～18 ℃、-11～19 ℃，月极端最高温度分别为7～35 ℃、6～36 ℃、11～35 ℃，月极端最低温度分别为-16～15 ℃、-21～16 ℃、-21～16 ℃；2019年月平均气温差值为29.5 ℃，全年月最高平均气温与月最低平均气温差值为42 ℃，极端最高温度与极端低温差值为51 ℃；2020年月平均气温差值为27.5 ℃，全年月最高平均气温与月最低平均气温差值为39 ℃，极端最高温度与极端低温差值为57 ℃；2021年1～11月平均气温差值为26 ℃，1～11月最高平均气温与月最低平均气温差值为40 ℃，极端最高温度与极端低温差值为56 ℃，四季温差较大。

图1 2019年1～12月太原地区温度变化

图2 2020年1～12月太原地区温度变化

太原季冻区降雨主要集中在夏季，冬季降雨较少，图4～图6分别为太原地区不同年份降雨量的变化，2019年太原地区年平均降雨量为455 mm，2020年太原地区年平均降雨量为414 mm，2021年太原地区1～11月年平均降雨量为399 mm。2019年夏季降雨占全年降雨量的62.2%，春季节降雨量占全年降雨量的13.8%，冬季降雨量占全年降雨量的3.3%；2020年夏季降雨量占全年降雨量的66.2%，春季节降雨量占全年降雨量的11.1%，冬季降雨量占全年降雨量的3.9%；2021年夏季降雨占1～11月降雨量的63.7%，春季节降雨量占1～11月降雨量的19.8%、冬(1～2月)季降雨量占1～11月降雨量的1.8%。

图4 2019年1～12月太原地区降雨量变化

图5 2020年1～12月太原地区降雨量变化

图6 2021年1～11月太原地区降雨量变化

依据水泥混凝土在冻融循环作用下环境的量化研究结果，太原季冻区2019～2021年的年冻融循环次数分别高达105次、101次、98次，频繁的冻融循环作用对太原季冻区水泥混凝土路面的使用性能产生严重破坏作用，成为影响季冻区水泥混凝土路面路用性能的典型气候环境因素。

3.2 山西太原季冬区病害调查及分析

通过山西太原季冻区X259线水泥混凝土路面病害进行调查，调查结果如表1所示。

表1 水泥路面病害调查表

将水泥混凝土路面不同病害进行统计，统计结果如图7所示。从图7中可以看出该水泥混凝土路段裂隙类病害占比46.7%，接缝类病害占比6.0%，变形类病害占比0.1%，表面类病害占比47.2%。由此可以看出裂隙类与表面类为季冻区最为主要的病害类型。

图7 水泥混凝土路面各类病害分布情况

4 结 论

通过对冻融作用下水泥混凝土路面破坏机理及主要病害的调查分析，结合山西太原季冻区水泥混凝土路面破坏形态调查，得出以下结论：通过宏观与微观两方面对冻融作用下水泥混凝土路面破坏过程分析，得到了不同冻融作用频次下，水泥混凝土破坏的宏微观表现状态。山西地区春、冬季气温正负交替变化、雨雪冻融现象频繁发生，水泥混凝土路面年平均冻融循环次数高达100次以上，存在较为严重的冻融循环作用，引起水泥混凝土路面病害的主要表现形式为裂缝类病害与表面类病害，变形类病害与接缝类病害相对较少。