农村公路水泥混凝土路面破坏机理及防治措施

李世山

(湖南省益阳市资阳区公路建设养护中心应急抢险中心，湖南 益阳 413000)

0 引 言

农村基础设施发展是我国惠民政策的关注焦点，农村村村通公路建设的速度不断加快。农村公路采取的水泥混凝土路面具备承载能力强、经济环保的特点，低等级公路施工质量需要得到稳步提升。考虑到山区农村水泥公路存在弯急、路窄、坡陡等路段，水泥混凝土路面在长周期使用中经常出现断板、开裂、错台、沉降等病害，这不仅造成了路面维修养护的困难，而且对行车安全稳定造成了严重威胁。公路建设单位需要充分结合农村公路实际环境，加强技术指标的利用，养护单位则需要对水泥混凝土路面病害出现的诱因进行分析，针对性的开展养护处治，以改善公路运营效率。

1 工程概况

湖南省某农村公路起终点分别衔接于邻近乡镇次干路交接处，是当地农村交通运输及经济产业发展的重要通道，该公路设计起终点里程K0+000～K5+250，设计全长5.25 km，三级公路设计标准，设计车速40 km/h，双向二车道，公路路面设计宽度9 m，沿线穿越地质结构较为简单，地形较陡，沿线分布有较多软土，且多为填方路基，填土高度平均达到了3～5 m。路面结构为水泥混凝土路面，路面中央不设计分隔带，单块水泥混凝土面板长度5 m，宽度4.5 m，板块之间没有填缝剂，仅填充有砂石料。钻芯试验得知混凝土面板平均厚度为20 cm，芯样抗压强度较小，平均值为50 kPa[1]。该公路路段周围存在3个石料厂，局部路段的车辆通行量较大，超重载车辆通行量较多，这导致路段出现严重的结构破损情况，行车平整度及安全性下降。经养护单位现场调查，该公路建设完成至运营4个月，路面出现断裂、凹凸不平等病害，选取试验段K0+000～K2+250进行路段行驶质量丧失、面层结构破坏、路面病害情况、外观质量评定分析，并且针对路面破损的原因确定路段整治范围，提出路面整治方案。路面结构如表1所示。

表1 路面结构示意图

2 水泥混凝土路面破坏类型

2.1 裂缝

图1 裂缝破坏类型

试验路段主要存在以下几种裂缝：横向裂缝，垂直于行车方向，且在混凝土结构面层上多表现为有规则贯穿形式，见图1(a)；纵向裂缝，主要平行于行车方向，纵向裂缝大多贯穿于整个水泥混凝土路面结构层；路面龟裂，水泥混凝土路面多表现为细碎、密集的裂纹，剧烈深度较浅，一般产生在水泥混凝土路面施工阶段(混凝土浇筑-初凝)，龟裂和混凝土体积收缩密切相关，见图1(b)。

2.2 接缝

接缝破坏则表现为唧泥和错台、接缝破碎两种类型。唧泥则主要是水泥混凝土路面接缝处在外界荷载、环境侵蚀等作用下产生泥浆喷溅的情况，唧泥现象往往伴随着面板错台病害，错台则是水泥混凝土路面接缝两侧板块产生相对偏移及不均匀沉降的情况。唧泥和错台病害见图2(a)[2]。路面结构层出现错台病害则会直接影响行车稳定性、安全性；接缝破碎则表现为接缝两侧混凝土面板出现剪切破坏情况，该病害类型产生范围有限，但是极影响路面美观和平整性，一般产生在接缝两侧20 cm范围之间，接缝两侧混凝土表现为碎屑状，见图2(b)。

图2 路面接缝破坏

3 病害机理分析

3.1 裂缝

(1)横向裂缝

横向裂缝主要分为干缩裂缝、冷缩裂缝、切缝三种类别。干缩裂缝主要由水泥混凝土干缩所造成的，水泥混凝土水化阶段内部水主要表现为层间水、化学结合水、物理吸附水及毛细水四种形式，混凝土水化过程中水泥水化会释放大量热量，继而造成水分的蒸发，导致水泥浆体产生体积收缩。混凝土路面结构病害在少量体积收缩下并不会产生，只有在结构内部的收缩应力大于结构强度时，才会产生表面的干缩裂缝。试验路段的夏季气温相对较高，路面施工阶段水分蒸发较为明显，因此路面结构才会产生较多的干缩裂缝；水泥混凝土具备热胀冷缩特性，自然也会产生冷缩裂缝，路面结构的热胀冷缩主要在边界条件限制下出现，冷缩主要表现为路面板块的拉伸破坏，继而产生表面的开裂破坏。根据相关研究资料表明，水泥混凝土硬化后路面温度每下降10 ℃，混凝土板块1 m 收缩0.01 mm，温度变形对混凝土路面的稳定性极为不利，外界气温变化差较大的情况下，冷缩变形会造成明显的横向裂缝。切缝不及时处理也会产生路面横向力裂缝，切缝作为避免出现冷、干缩裂缝的重要手段，需要严格依照相关规范进行路面切缝，纵向缩缝的间距一般控制在3～4.5 m之间(由车道宽度、路面宽度所决定)，横向缩缝间距则需要大于板宽，板宽、板长比例小于1∶1.3，一般控制在4～5 m之间。实际需要在混凝土水化阶段就开展切缝处理，此时切缝需要注意避免对未形成强度路面的破坏[3]。

(2)纵向裂缝破坏

混凝土路面纵向裂缝主要有以下几个因素造成。路基压实度不足、沉降不均匀及厚度强度不足的碎石基层造成混凝土面板出现一定程度下沉，继而产生纵向裂缝。混凝土面板强度、厚度不足也会造成路面纵向裂缝。压实度欠缺的路基或者路基填筑采取含水率较大的填料则会在行车荷载作用下逐渐密实化，造成面板脱空情况。基层渗水也会造成基层逐渐软化，丧失路面结构的支承力，面板不足以支持行车荷载长周期运行，最终导致纵向裂缝的产生。

(3)路面龟裂

水泥混凝土配制阶段的材料成分不同、密度差异性较大，则会在新浇筑混凝土中产生明显离析情况，即混合料中粗骨料外露及下沉，水分上移则会在表面会出现较多的泌水。当混凝土表面的水分丧失速率较快，而水分上移泌水速度较小时，则会在固体颗粒间产生导致颗粒凝聚的毛细管力，在混凝土硬化阶段容易出现表面不规则裂缝。

3.2 唧泥、错台破坏

唧泥的产生主要是不断累加塑性变形的基层和混凝土上层面板之间产生脱离情况，面板之间的填料失效而产生的。地表径流下渗至路基表层，和路基中的土颗粒相互结合，在行车荷载作用下，混凝土面板下传一定压力，促使板下泥浆从接缝位置喷溅出来。在长期作用下，混凝土板块之间的裂缝会不断扩大，板块错台现象也会出现。错台主要由接缝两侧混凝土板块出现一定高差而形成的，当板底出现脱空，且接缝位置能够传递部分荷载情况下，错台现象就会加剧。农村低等级水泥混凝土公路基层承载强度低，行车荷载作用下面板受力不均匀，错台病害非常显著；错台程度可以分为以下几种情况：轻度错台，接缝两侧板块高度差10～15 mm。严重错台，接缝两侧板块高度差15 mm以上[4]。

3.3 接缝破碎

接缝破碎病害则较为常见，施工缝宽度整体随着外界温度的变化而变化，该地区的夏天温度相对较高，填缝料极容易被膨胀面板挤出，导致外界杂质进入面板之间的缝隙之中，在面板挤压下，则会造成面板的剪切破坏。接缝破碎主要表现为接缝两侧20 cm范围内的不规则分布裂缝，在外界荷载作用下，接缝会逐渐脱落，路面板块强度不断下降，唧泥、错台等病害则会出现[5]。

4 病害防治

4.1 裂缝处治

该试验路段的断裂病害数量不多，现场逐板弯沉检测中存在弯沉差异性较大的测点，且路基填方边坡并不存在坍塌病害，水稳基层和混凝土面板之间层间脱空情况显著，养护单位主要采取扩缝注浆技术对大范围存在的裂缝进行修复。该技术对存在细微裂缝、使用性能并没有大幅度下降的混凝土面板，在不扩大裂缝宽度的前提下具备较差的灌浆应用效果，这主要归因于裂缝清洁较为困难，且混凝土界面和灌浆材料之间的接触并不充分。针对缝隙超过15 mm的的裂缝则需要进行扩缝处理，采取锯缝机将裂缝扩成2 cm左右宽度，裂缝槽深则控制在3～5 cm，碎屑清除之后，则将环氧树脂通过灌缝器灌入缝中，最后加热2 h。养护单位也需要从源头上进行裂缝病害的预防，施工阶段做好切缝工作(板厚1/3)，切缝时间如表2所示，切缝能够避免混凝土收缩，减少裂缝数量[6]。

表2 切缝施工时间

4.2 唧泥、错台

唧泥、错台可以采取面板以下空隙进行砂浆灌注的措施来优化面板、基层整体性及路面支承性。养护单位可以进行面板逐板的弯沉检测，以此断定空板位置；继而在混凝土板50 cm位置处均匀化布孔，灌浆孔压浆面积需要均匀合理，灌浆孔钻孔需要全部贯穿路面结构层；灌注砂浆乳液时，周围孔冒出砂浆乳液则可以停止灌孔处理[7]。灌孔压浆工艺流程见图3。

图3 灌孔压浆工艺流程

4.3 接缝破碎

接缝破碎则需要在破碎边缘进行切割机切割，清除碎块及杂物，保持处理范围的干燥，采取高强度材料进行填充处理，最后恢复交通。接缝破碎也可以采取灌浆密实填充，灌缝处理。

5 小 结

随着我国不断加大农村公路建设，公路建设单位需要避免重建轻养的理念，尤其对于低等级水泥混凝土公路，需要加强监管力度。水泥混凝土路面极容易出现裂缝、接缝破碎、唧泥错台等病害，养护单位需要及时分析病害产生原因，制定针对性养护措施，延长路面的使用寿命。