水泥混凝土路面板早期断裂综合处治技术研究

王佃永

【摘要】随着我国道路交通基础设施的日益完善，公路的高质量养护成为相关领域追求的目标。本文根据长期的工程实践经验，试图从断裂力学的角度，在对水泥混凝土路面板早期断裂的原因进行分析的基础上，寻找可行的解决方案，分析裂缝，找出水泥混凝土路面板早期断裂的综合治理方案，以期启迪行业发展。

【关键词】公路工程;水泥混凝土路面;路面面板;疲劳断裂;机制;策略

【中图分类号】TU37

【文献标识码】A

【文章编号】1671-3362（2020）08-0048-02

随着交通流量逐年明显增加和超载车辆数量的不断增加，水泥混凝土路面板出现裂缝等各种病害。一旦道路开始破坏，它往往会迅速拓展，严重影响路面性能，导致越来越多的水泥混凝土路面需要进行维护和维修工作。近年来，中国现有的水泥混凝土路面，相当一部分路面板在早期就发生了断裂，急需维修和改造。目前，很多研究都在试图刨铣水泥混凝土路面板早期的断裂原因，包括：结构设计存在问题，施工造成的质量缺陷，土基、基层水稳性不好，或强度不够，不均匀等等，但是很少有研究对其根本的机理进行解释，笔者根据长期的工程实践经验，试图从断裂力学的角度，对水泥混凝土路面板早期断裂的原因进行深入剖析，并给出一些水泥混凝土路面板早期断裂的综合治理建议与方案，以期对行业的发展献言献策。

1.水泥混凝土路面板早期断裂机理分析

1.1研究现状

标准设计的混凝土路面在通车后的使用寿命至少为20年。然而，在施工两到三年后，在有接缝的普通混凝土路面（JPCP）中发现了横向中板裂缝。现场实际来看，多数裂缝为自顶向下的开裂模式：裂缝从面板顶部开始，横向穿过面板中部，向下至面板底部[1]，如图1所示。这种横向裂缝是由于超载车辆的重复碾压板条由于向上卷曲或基础侵蚀导致的早期断裂。通常用于路面寿命预测的常规疲劳模型，如波特兰水泥协会（PCA）模型，针对自底向上的疲劳失效模式和未开裂路面进行校准。因此，对于有裂纹的路面，考虑裂纹在疲劳载荷作用下的扩展行为，为了预测其剩余疲劳寿命和有必要建立一个新的模型。该模型的建立对及时维修调度具有重要意义[2]。然而，笔者检索现有文献来看，这一部分鲜有报道。

1.2 裂缝模型及其参数

裂纹路面的主要问题是裂纹萌生后的扩展规律及其对剩余疲劳寿命的影响。在此之前，需要确定一些基本的断裂性能。之前的研究基于非线性断裂力学，提出了Ⅰ准脆性断裂的双参数模型。该模型特别适用于混凝土材料。根据该模型，当满足以下两个条件时，不同几何形状的结构将失效：

如图1所示，上式中，K1c为断裂韧性或临界应力强度因子;σmax是极限应力;CMOD，是临界裂纹张开位移;a为裂纹长度;ac为断裂韧性达到且裂纹扩展不稳定时的临界裂纹长度;b是混凝土构件深度。Kc和CTOD是基于开槽混凝土梁的四点弯曲试验得到的。在实际工程中，经过一段时间的运行后，有些面板通常出现裂缝，如图所示2。混凝土由于其固有性质和环境影响，在早期就经历了热湿变形。限制变形对路面表层微观开裂的影响。这些微裂纹在交通荷载作用下，随着时间的推移，特别是在早期，横向向下传播。这种情况可能是严重的，如果向上卷曲的条件存在于人行道，对此类裂缝路面剩余疲劳寿命的估算，对及时进行养护具有重要意义。基于无裂纹梁试验建立的传统疲劳模型已不再适用于此类情况，有必要建立断裂力学的路面裂纹疲劳模型。

本研究为有裂缝路面的疲劳寿命预测提供了一种新的方法。模型预测和试验结果均表明，混凝土在早期出现局部深度裂缝会显著降低疲劳寿命。这些结果可以用来解释混凝土路面裂缝的早期破坏。裂纹扩展行为可以分为三个阶段，其中稳定阶段是最重要的一个阶段，此时需要及时维修以避免结构失效。因此，确定混凝土裂缝的特征十分重要。根据断裂力学理论，混凝土中裂缝的主要问题是确定裂缝的塑性区范围、裂缝扩展的临界状态和破裂角。

2.路面板早期断裂综合处治技术解决方案

通過上述的机理分析我们可以看到，裂缝的出现很大程度上是车辆超载和施工不规范等问题造成的。实际使用和设计规范的偏差是面板出现早期裂缝的主要原因，那么该如何治理这些早期断裂问题就成为非常重要的议题。

为了减少替换水泥混凝土路面板的损害，在运行中，需要特别注意以下几点：

（1）要特别确保在公路两侧的排水系统畅通，实践中发现，很多面板的早期断裂有一部分是由于面板下的积水无法顺利排出造成的，所以，确保排水系统通常可以有效地避免面板早期断裂。

（2）在确保无积水的情况下，要尽量控制路面的清洁，通过上面的机理我们可以知道，很多面板的早期断裂是由于微裂纹的拓展造成的，也就是说，如果不能有效地控制微裂纹的产生，就无法从根本上杜绝面板的早期断裂，所以当路面有异物存在时，超载的车辆和异物会产生瞬态的高应力，超过极限应力（σmax），而导致裂纹（主要是微裂纹）的产生。所以，实际维护中要保持路面清洁，无积水，且路肩不阻水。

（3）当然在实际运行中，很多裂纹是无法避免的，这就需要相关维护人员季节性地对路面微裂纹、横裂纹、纵裂纹，浇灌热沥青，防止路面水渗入基层而引发更为严重的断裂事件[3]。

鉴于此，对于早期的断缝，必须先对水泥混凝土路面板损害进行处理。以某高速公路路面板铺设为例，水泥混凝土路面板早期断裂的治理方案是：

（1）替换：挖掘机挖掘新路路面，取代天然砾石开挖置换深度小于2米，使用分层充填、分层压实，分层压实度的检测方法，改变地基的承载力特性，提高抗变形能力和稳定性。

（2）碎石：采用多锤设备将水泥混凝土路面处理成柔性碎块结构，其细小的粒径由于破碎的力学模式往往不仅具有一定的承载能力，而且可以有效地防止或限制微裂缝的发生和发展。

（3）夯实：对板底脱空造成下沉、错台的混凝土板，采取板底压浆进行修复。通过破碎和路基的二次压实，消除了新路基的空洞松动等一系列病害，并最大限度地防止裂缝的发生和发展。

（4）加铺：采取沥青灌缝，严重的位置采取破碎修复，防止断裂板范围扩大，在置换砼板时根据不同公路等级和交通量采用厚27厘米（±1厘米）抗折强度5兆帕的混凝土面层，厚16厘米的C15～20混凝土基层，并严格按规范要求完成每一工序施工[4]。

当然，部分水泥混凝土路面板状况良好，不进行处理，裂纹的情况可以用下面的公式进行评估：

水泥混凝土路面的断裂（DBL）是对破坏程度的调查，根据不同的断层裂缝程度和严重程度，采用不同的权重系数进行修正，得到如下公式：

（3）式中：DBij为面板i型裂纹数（横向裂纹）与j型裂纹数;Wij为修正系数;BS评估面板的总数量。笔者根据实际情况统计了DBL的值，发现当DBL大于等于10%则是严重的断裂的路段，需要特别进行治理。

3. 结论

综上所述，可以看出水泥混凝土路面的早期断裂的综合治理问题，是行业内待解决的关键问题。本文从断裂力学的角度，用新的断裂模型表征公路混凝土的断裂性能，分析裂缝成因和发展规律（裂纹扩展为三阶段扩展），找出水泥混凝土路面板早期断裂的综合治理方案，启迪行业发展。在未来，可以考虑将本文所探索的机理和策略方案用在更多的实际工程当中，以便积累大量工程实际数据，对现有理论做进一步的修正和完善。

参考文献

[1] 谭金涛. 水泥混凝土路面早期断板病害成因分析[D].重庆交通大学，2018.

[2] 王建文. 破损水泥混凝土路面重载车辆的动荷载分析[D].重庆交通大学，2018.

[3] 王孝贤，陈忠达，吴永军，郭健，刘万共.水泥混凝土路面板下的沥青混凝土层功能分析[J].施工技术，2017，46（S2）：992-995.

[4] 陈洪凯，周福川，唐红梅.沿河公路平行悬空混凝土路面板断裂力学模型[J].中国公路学报，2016，29（03）：25-34.

（作者单位：灵丘县路政管理大队）