混凝土或瀝青路面常見裂縫危害及防治措施

王 治,王晉斌,關敏杰,尹 蕊,胡浩然

（1.河南省科學院質量檢驗與分析測試研究中心，河南 鄭州 450002；2.河南金拇指防水科技股份有限公司，河南 許昌 461502；3.河南建筑材料研究設計院有限責任公司，河南 鄭州 450002）

0 引言

俗語云“要致富先修路”，一個區(qū)域內公路運輸網絡尤其是高速公路的發(fā)達程度基本決定了該區(qū)域人才、物資、信息的輸入與輸出，進而決定了該區(qū)域的經濟發(fā)展水平。至2017年底，我國公路通車總里程已達477萬km，其中高速公路通車總里程達到13.6萬km；2018年2月7日，交通運輸部部長李小鵬指出，目前全國農村公路總里程已達396萬km，99.2%的鄉(xiāng)鎮(zhèn)和98.3%的建制村修建了瀝青路、水泥路，99.1%的鄉(xiāng)鎮(zhèn)和96.5%的建制村已通行了客車[1]。

隨著我國公路體量不斷增大，各種道路病害也與日俱增，已建道路陸續(xù)面臨維護保養(yǎng)問題。目前最常見的道路病害是路面裂縫，在交通荷載、環(huán)境因素和路面基層材料的共同作用下，裂縫逐漸形成并擴展，伴隨路面的整個使用期，并隨著路齡增長而加重[2]，路面沿裂縫持續(xù)破壞，直至影響交通安全或道路使用壽命，造成人員傷亡或物資浪費。

路面裂縫有多種類型，每種類型由不同原因引起，對道路性能的影響不同，防治處理方法也不同。水泥混凝土路面或瀝青路面產生裂縫都是由于非彈性形變的應力大于混合材料的內部粘結力，區(qū)別在于形變應力產生的原因和裂縫的表現形式。

1 水泥混凝土路面常見裂縫及成因

常見的混凝土路面裂縫主要有沉降裂縫、溫度裂縫、干縮裂縫、荷載裂縫及施工裂縫等[3-4]，見圖1，裂縫產生原理見圖2，裂縫對整個路面的破壞過程見圖3[5]。

圖1 混凝土路面裂縫的表現形式

綜合分析內外部因素，水泥混凝土路面裂縫的成因主要包括以下幾點。

1.1 基材質量低劣

材料是支撐路體的骨架和內容物，水泥混凝土基材的優(yōu)劣直接影響到整個道路的品質和壽命。實際建設時，應充分考慮道路用途、周圍環(huán)境與氣候條件，避免使用不適宜的原料，原料運輸過程中需即時監(jiān)測原料質量、保證存儲條件，以防原料摻假或變質[6]。若水泥選擇不慎或骨料級配不合理，混凝土強度將會降低，路面裂縫隨之產生。

圖2 混凝土路面裂縫的產生原理

圖3 裂縫對混凝土路面的破壞過程

1.2 施工不當

施工不當是引起路面裂縫的重要人為因素，也是最容易控制的因素[7]，具體包括：

（1）施工中因計量不準等因素令水灰比不穩(wěn)定，直接影響混凝土質量，造成強度不均或不足，最終導致混凝土路面在早期即出現大量裂縫[8]。

（2）運輸或貯存條件差、時間長令混凝土產生離析現象，影響振搗效果，催生路面早期裂縫。

（3）施工中振搗次數不夠且過早拆除模具，造成混凝土強度不足，導致路面表層或邊緣開裂。

（4）施工中切縫時間把握不好，導致路面產生橫向裂縫。一般來說，切縫時間應遵循“寧早勿晚、能切便切”的原則[9]。

（5）澆注完成后的養(yǎng)護不及時、養(yǎng)護中斷或養(yǎng)護方法失當使路面水分喪失過快，若未及時補充，混凝土收縮會明顯加快，從而導致裂縫產生。

1.3 氣候影響

（1）高溫環(huán)境下，水泥混凝土內部會積蓄大量熱能，澆筑入模的溫度過高或早期熱量過大將使混凝土內部因應力不均發(fā)生形變，最終形成裂縫。

（2）當環(huán)境溫差較大時，水泥混凝土因本身熱傳導性較差，表面和內部會形成溫差，表里收縮不一致引發(fā)的溫差應力催生路面裂縫，一般10℃左右的溫差就能使混凝土板產生較強的翹曲應力。

（3）干熱或大風天氣時，水泥混凝土終凝前后的水分流失會加快[10]，水分蒸發(fā)面從路面向下移動，導致路面表層形成負壓、出現大量毛細管、產生毛細管應力，而此時的水泥混凝土強度很低或幾乎沒有強度，極易產生形變，最終形成裂縫。這樣的裂縫一般較窄且分布在路面表層。

1.4 水化反應

水化反應是一個放熱反應，而水泥混凝土本身熱傳導性較差，若水化熱過高或不能及時傳導，路面表層的散熱將快于里層，導致表層和里層的收縮應力不一致，而此時的水泥混凝土強度很低，極易產生形變，最終形成裂縫[11]。

1.5 基材干縮

水泥混凝土硬化過程中，隨著水分(化學結合水/層間水/物理吸附水等)流失產生收縮變形，進而產生收縮應力，當收縮應力大于混凝土內部粘結應力時，即會產生干縮裂縫，因此，要嚴格控制水泥混凝土的體積收縮率，防止出現這類裂縫。

1.6 基層沉降

若基層平整度差，混凝土面層厚度不勻，就會在薄弱處產生沉降裂縫；若基層長期遭受雨水沖刷而損壞，損壞處就極易產生裂縫甚至塌陷；地基軟弱未壓實、強度不均/不足、沉降量過大，混凝土板受力彎曲，路基填料混雜、壓實不好等因素，也會導致水泥混凝土路面產生裂縫。

1.7 荷載壓力

荷載裂縫出現的主要原因：（1）道路荷載設計不合理，不能滿足車輛運輸或通行需求；（2）道路施工不合理導致道路荷載不均勻或偏小，荷載能力偏弱的地方可能出現開裂；（3）道路運輸長期嚴重超載催生道路開裂、縮短其使用壽命。

2 水泥混凝土路面裂縫危害及防治措施

若建造之初水泥混凝土路面形成了微裂縫，雨水和侵蝕性介質容易通過裂縫滲入路面內部，使混凝土發(fā)生水解、內部金屬部件遭受腐蝕，同時，混凝土碳化引發(fā)的體積收縮將加劇裂縫產生。收縮裂縫一般相互平行，長幾厘米至幾十厘米、深1～5 cm且不可自愈合，嚴重影響混凝土路面基層承載力。道路投入使用后，由于荷載作用，微裂縫逐漸變成宏觀裂縫，加之冬季低溫凍脹，裂縫進一步擴展，更多雨水滲入路基，導致裂縫兩側的路面或土基含水量增加。其結果是路基層變軟、稀漿化、極易被擠出直至掏空，引發(fā)混凝土路面的錯板、破碎、斷裂，在破壞公路穩(wěn)定性和安全性的同時，嚴重影響水泥混凝土路面的性能和使用年限[12]。

水泥混凝土路面損壞后，修復難度大、周期長、費用高，極大地影響交通，因此裂縫出現時，應采取適當措施及時修補，避免病害擴大。當前常用的預防及修復措施主要包括以下幾點。

2.1 完善設計

合理設計路面的厚度和強度，能夠在一定程度上減少或避免道路裂縫。道路設計人員應全面了解當地的實際需求，如車流量、經濟條件、周圍環(huán)境、發(fā)展規(guī)劃等，并對未來的車輛增加做出科學評估，確定合理的道路承載量及倒庫設計等，控制或避免因設計不合理催生的路面裂縫[13]。

2.2 基層施工控制

道路基層施工在整個道路建設中起關鍵作用，基層的優(yōu)劣直接關系到整個道路質量及使用壽命。鋪設基層時，應嚴格執(zhí)行《公路路面基層施工技術細則[14]》的相關規(guī)定，確保道路基層密實、穩(wěn)定、均勻且具有足夠的強度。

2.3 溫度控制

溫度變化對混凝土路面狀況有很大影響，避免溫度裂縫產生應做到：確保良好的施工條件，盡量避免在混凝土水分流失過快的大風、干熱和高溫環(huán)境中施工；盡量選擇水化熱較低的水泥品種，降低水化放熱引起的混凝土表里溫差。

2.4 水灰比控制

水灰比直接影響混凝土的強度和體積收縮率，控制不好便會導致裂縫產生。施工時應根據不同的工法、溫度和環(huán)境設計最恰當的水灰比，也可以根據實際需要加入適當的添加劑，以改善水泥混凝土質量、減少道路裂縫產生。

2.5 裂縫后期處理[15]

混凝土路面裂縫形成后，應針對不同類型的裂縫選用不同功能的修補材料，目前最常用的有高模量補強材料和底模密封材料，見表1[16]。

表1 混凝土路面常用修補材料

若裂縫寬而明顯，可進行灌縫處理，防止裂縫擴大，且最好安排在氣溫較低、縫隙較寬的時節(jié)（2～18℃最佳）。不同寬度裂縫的處理方法見表2。

表2 混凝土路面灌縫處理方法

3 瀝青路面常見裂縫及成因

瀝青路面裂縫通常有縱向、橫向和網狀等表現形式[17-18]，見圖4，按產生原因論則有荷載型和非荷載型裂縫。荷載型裂縫通常因路面設計或施工不合理導致的強度不均而產生，起初為縱向開裂，逐漸發(fā)展成網狀，形式上主要表現為沿輪跡方向的縱向裂縫和龜裂[19]；非荷載裂縫主要是反射裂縫和低溫裂縫。我國大多數瀝青路面采用半剛性基層，故荷載裂縫的危害相對較小。

圖4 瀝青路面裂縫的表現形式

3.1 瀝青路面低溫裂縫成因

隨著溫度下降，瀝青路面面層會收縮變形，由于路面是連續(xù)延展的，不存在伸縮縫，收縮變形會受到來自基層的摩擦約束和瀝青混合料本身的應力約束。若溫度持續(xù)下降，收縮變形的應力會越來越強，當應力超過該溫度下瀝青的抗拉極限時，路面就會產生低溫裂縫，形式上主要表現為橫向和塊狀，有時也表現為縱向[20]。下面對影響因素進行分析。

3.1.1 瀝青本身性質

（1）不同油源產出的瀝青成分不同，通常膠質含量較高的稠油瀝青抗拉強度高、低溫抗裂性佳，而蠟含量越高，瀝青溫度敏感性越強、抗裂性越差。

（2）同一油源產出的瀝青，針入度偏大的通常延展性更好、低溫抗裂性佳，如15℃延展瀝青。

（3）瀝青老化后將變硬變脆，針入度/延展性下降、低溫抗裂性明顯變差，故老化性能優(yōu)越的瀝青有利于延長道路使用壽命、延緩低溫裂縫產生。

3.1.2 瀝青混合料組成

（1）混合料中的瀝青含量影響體系的低溫抗裂性能。通常瀝青含量越高，混合料的應力松弛性越好，但收縮應力也相應增大，故瀝青配料的具體用量需通過大量試驗方能確定。

（2）礦料的級配選擇直接影響瀝青路面質量。通常粒徑和空隙率較大的混合料，內部微小空隙也多，應力松弛極限溫度會比較低，礦粉的加入可使混合料更加粘稠，但會降低其低溫抗裂性能。

（3）集料與瀝青的粘附性影響體系的低溫抗裂性能。粘附性越小，瀝青與集料的結合力越低，混合料的抗拉強度越低、低溫抗裂性能越差。

3.1.3 施工質量

（1）瀝青路面的施工不是一蹴而就的，施工接縫在所難免。若處理不好各種縱橫向的施工接縫，接縫處的低溫抗裂性就會變差，路面的收縮應力就會集中在接縫處釋放，造成較嚴重的開裂。

（2）路面施工中，若攤鋪和碾壓溫度偏低，施工機械就會在瀝青面層產生拉應力，導致新鋪路面表層產生微小裂縫，在持續(xù)使用中形成開裂。

3.2 瀝青路面反射裂縫成因

反射裂縫是指道路基層由于溫縮或干縮產生開裂，在溫度和行車荷載的反復作用下，裂縫慢慢反射到瀝青路面表面，位置和形狀與基層裂縫基本一致。對于半剛性基層來說，橫向裂縫較多。

3.2.1 溫縮開裂引起

半剛性基層一旦出現溫度裂縫，就會使路面產生反射裂縫。裂縫形成后，雨水不斷通過裂縫滲入瀝青面層和基層之間，引發(fā)基層唧泥，并進一步破壞基層與面層之間的連接，最終破壞瀝青路面。

3.2.2 干縮開裂引起

新鋪設的半剛性基層混合料會隨水分減少不可避免地出現干縮及干縮應力，水分流失越快，干縮應力越大，越容易形成基層干縮裂縫。在已產生干縮裂縫的半剛性基層上鋪設瀝青混合料面層，若面層較薄，基層干縮裂縫會在溫度應力或行車載荷應力的反復作用下使瀝青面層底部形成開裂，然后迅速形成反射裂縫；若面層較厚，基層干縮裂縫會在溫度應力的作用下使瀝青面層表面發(fā)生開裂，然后逐漸向下延伸形成反射裂縫。

4 瀝青路面裂縫危害及防治措施

瀝青路面的橫向裂縫早期多出現在路面兩側，在溫度應力的作用下迅速延伸，逐漸發(fā)展成貫通路幅的橫縫；縱向裂縫一般在路基或基層沉降作用下產生，或由施工接縫質量差、結構承載力低導致；網狀裂縫通常因路面長期遭受表層水滲透和沖刷進而發(fā)生以縫為中心的下陷而形成，多伴生新的路面裂縫或破碎現象。

瀝青路面的低溫裂縫多在瀝青表面開始生成，不斷朝下方延伸，若遭遇持續(xù)低溫或再次降溫，裂縫尖端會產生較大的應力集中，使裂縫向下延伸并貫穿整個瀝青面層，由于面層底部與基層表面的聯結作用，裂縫呈上寬下窄的形態(tài)[21]。反射裂縫對路面性能和耐久性也有多種不利影響：（1）路表的裂縫使雨水有機會進入路面內部，甚至進入對溫度敏感的路基土中，降低路面的防水性；（2）裂縫的存在使路面板體不連續(xù)，行車荷載又加大了板體邊緣的變形，通過裂縫向路基頂面?zhèn)鬟f巨大的壓應力；（3）上述路面板體邊緣變形會在路面結構（尤其基層）內產生很大的應力和變形，在行車荷載作用下這些結構層的壽命將縮短；（4）在車輛、水分、霜凍等因素的綜合作用下，磨耗層常會沿裂縫發(fā)生骨料或小塊瀝青的剝落[22]，形成慢性損壞。

瀝青路面裂縫形成后，不僅使路面快速老化，影響行車舒適性，并且導致路表雨水下浸、裂縫兩側的路面結構層含水量增大、路面承載力明顯降低，影響路基的強度與穩(wěn)定性；更重要的是，在行車荷載反復作用和環(huán)境溫度周期性變化的影響下，裂縫迅速向四周擴展，而半剛性基層的穩(wěn)定性較差，極易產生水損害，造成基層松散破壞和路面結構損壞，大大縮短了路面的使用壽命，加大了公路的養(yǎng)護成本。因此，需及時治理道路裂縫。

4.1 低溫裂縫防治措施[23]

（1）盡量選用針入度偏大、15℃延展性較強、蠟含量較低、耐老化性較好的稠油瀝青。

（2）改善配合比設計及礦料級配組成，嚴格控制礦粉摻量和粉膠比，調整混合料的空隙率與穩(wěn)定度，通過優(yōu)化工藝提高混合料的強度。

（3）選用與瀝青能良好粘附的堿性碎石，提高瀝青與集料間的結合力及混合料的低溫抗裂性能。

（4）瀝青道路施工中應嚴格把控瀝青混合料的攤鋪及碾壓溫度，減少低溫裂縫產生。

（5）謹慎處理橫向、縱向接縫處，施工前應涂刷粘層油并用攤鋪機熨平板預熱，保證接縫兩端連接緊密，避免在接縫處出現低溫裂縫。

4.2 反射裂縫防治措施

4.2.1 科學設計

（1）半剛性基層最好選擇干縮/溫縮系數小、抗拉強度高、抗沖刷性好的半剛性原材料。

（2）應綜合考慮道路等級、實際交通量、工程地質情況、道路基層情況和施工環(huán)境等各種因素，確定瀝青路面的設計厚度。

（3）瀝青用量直接影響混合料的骨架嵌擠作用，應綜合考慮道路性能、交通情況和使用環(huán)境，確定瀝青混合料的設計級配，在符合規(guī)范的前提下，可適當降低瀝青用量，油石比控制在4%～4.5%、空隙率控制在3%～5%（以4%為宜）[21]。

（4）粘層油能有效隔斷或吸收基層開裂應力、去除反射裂縫，適合廣泛采用。

4.2.2 基層裂縫控制

（1）基層分段施工，即每段預留一段混合料，待下一段混合料攤鋪之后再行碾壓，有利于基層段與段之間的銜接；對于分層碾壓的基層，上下層的接頭應錯開，降低裂縫出現的幾率。

（2）混合料應合理配比，把握好細骨料數量；注意基層養(yǎng)護，養(yǎng)護結束后應盡早鋪筑瀝青面層或進行封層，以減少基層開裂的機會。

（3）路面加蓋瀝青時，可刨去原老化路面表層或鋪設土工布、格柵后再施工，延緩裂縫形成時間。

4.2.3 嚴格控制施工

嚴格控制瀝青道路各結構層的施工質量，能夠有效預防路面裂縫產生。基層養(yǎng)護應滿足要求，防止基層開裂損壞、產生反射裂縫；嚴格控制瀝青加熱溫度和時間，防止瀝青老化；嚴格控制攤鋪、碾壓溫度，并及時攤鋪，減少由于混合料表面溫度降低或混合料離析而產生的裂縫；瀝青混合料的碾壓要充分，達到較高密實度；施工接縫處理要得當。

4.2.4 加強道路養(yǎng)護

加強道路養(yǎng)護，表面出現裂縫的路面要及時修補，避免道路病害擴大。確保路面排水暢通，避免雨水進入基層與面層之間，對基層造成沖刷。

4.3 裂縫后期處理[24]

路面裂縫一旦形成，應針對不同類型的裂縫采用不同的灌縫處理措施，施工流程見圖5[25]。

圖5 瀝青路面灌縫施工流程

灌縫處理最好安排在氣溫較低的時節(jié)（春秋季2℃～18℃最佳），此時的裂縫為一年中的平均寬度且較寬，便于選擇灌縫材料且可以大量填充[21]。不同寬度和情形裂縫的處理方法見表3。

表3 瀝青路面灌縫處理方法

5 結語

雖然水泥混凝土路面或瀝青路面產生裂縫的機理都是形變應力大于混合料的內部粘結力，但影響因素是多種多樣的。只有謹慎對待從道路設計、原材料選擇、施工控制、保養(yǎng)維護到裂縫修復的整個過程，才能確保道路安全性和使用壽命，使我國的公路網更加四通八達、持續(xù)拉動經濟增長。