季凍區(qū)水泥混凝土路面病害類型調(diào)查研究

林 超，高秀鑫，王 敏

(山西省交通建設(shè)工程質(zhì)量檢測中心(有限公司)，太原 山西 030006)

0 引 言

內(nèi)部開裂與表面剝落是路面混凝土凍融循環(huán)作用下典型的兩種破壞特征[1]。凍融作用前后水泥混凝土面板表面、內(nèi)部顯微結(jié)構(gòu)將會發(fā)生很大改變，使得水泥混凝土面板的宏觀物理性能發(fā)生變化[2]，因此對凍融作用下水泥混凝土的表面以及內(nèi)部顯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，探討水泥混凝土路面破壞的原因。

1 凍融作用下水泥混凝土路面破壞過程分析

1.1 凍融作用下水泥混凝土路面表面破壞分析

對水泥混凝土面板分別完成50次、100次、150次、200次時的凍融循環(huán)試驗(yàn)，然后分別觀察凍融作用前、凍融循環(huán)50次、100次、150次、200次后水泥混凝土表面衰變情況。經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)凍融作用前，水泥混凝土面板表面光滑平整、無空洞、無裂縫；經(jīng)凍融循環(huán)50次后，小部分水泥漿剝落；凍融循環(huán)達(dá)到100次后，水泥混凝土表面出現(xiàn)部分水泥漿剝落、微小孔洞及細(xì)小裂紋；凍融循環(huán)達(dá)到150次后水泥混凝土表面的水泥漿出現(xiàn)部分剝蝕，裸露小部分骨料；凍融循環(huán)達(dá)到200次后水泥混凝土表面的水泥漿出現(xiàn)嚴(yán)重剝蝕，裸露大部分骨料及大顆粒砂礫，失去承載能力。

1.2 凍融作用下水泥混凝土面板斷裂面及裂紋分析

水泥混凝土在凍融循環(huán)前其斷裂面多數(shù)為平整，斷裂面上的空洞及裂紋極少，大部分骨料處于被拉斷狀態(tài)，骨料被拔出的情況極少；凍融循環(huán)作用后，其斷裂面的骨料基本處于被拔出的狀態(tài)，斷裂面多為空洞及裂紋，斷裂面的粗糙度增加，斷裂韌度及承載能力都嚴(yán)重下降。凍融循環(huán)前水泥混凝土在通過斷裂韌度測試后的宏觀裂紋沿受力方向緩緩延伸擴(kuò)展；凍融循環(huán)后水泥漿脫落嚴(yán)重，受粗集料強(qiáng)度影響宏觀裂紋方向曲折。

1.3 水泥混凝土路面凍融破壞微觀機(jī)理

微孔洞、微裂縫是微觀破壞形態(tài)的主要表現(xiàn)形式，其對材料結(jié)構(gòu)的破壞過程被稱為損傷，通過對凍融循環(huán)作用后的水泥混凝土進(jìn)行CT掃描試驗(yàn)，得到了其內(nèi)部損傷演化的CT微觀結(jié)構(gòu)圖像[3]。利用CT微觀結(jié)構(gòu)圖像呈現(xiàn)的微裂縫、微孔洞、骨料變化做定性分析，探知水泥混凝土在凍融循環(huán)作用下的損傷演化趨勢；利用CT微觀結(jié)構(gòu)圖像的分割手段，定量分析CT微觀結(jié)構(gòu)圖像灰度值、孔徑大小、孔隙率和粗集料損傷等特征來全面評價水泥混凝土的抗凍融性能。

2 季凍區(qū)水泥混凝土路面病害類型及產(chǎn)生原因

季凍區(qū)由于溫差大、氣溫交替快、車載量大等原因使水泥混凝土路面受到凍融循環(huán)、車輛荷載、溫度梯度的頻繁作用，其典型病害主要為裂縫類病害、接縫類病害、變形類病害、表面類病害[4-6]。

2.1 裂縫類病害原原因分析

通過調(diào)查研究，季凍區(qū)裂縫類病害主要分為橫向裂隙、縱向裂隙、網(wǎng)狀裂縫、角隅斷裂四種。

(1)水泥混凝土路面橫向裂隙的產(chǎn)生主要是由于混凝土收縮應(yīng)力、大溫差溫度交替變化、不良設(shè)計(jì)與施工、不良路面材料、大距離橫向接縫等各種因素綜合或者單獨(dú)作用造成的。

(2)水泥混凝土路面縱向裂隙的產(chǎn)生主要是由于交通重載超荷、散失路基支撐、溫度翹曲應(yīng)力、路基凍脹沉陷等因素造成，尤以交通重載超荷更使水泥混凝土路面縱向裂縫不斷擴(kuò)展貫穿。

(3)水泥混凝土路面網(wǎng)狀裂隙的產(chǎn)生主要是由于在溫度變化、浸水軟化路基及輪載作用下產(chǎn)生的微橫向、縱向裂隙受到交通重載超荷作用不斷發(fā)展成交叉裂隙，隨著重載的反復(fù)作用，裂隙寬度不斷增加，裂隙長度不斷變長，最終形成嚴(yán)重的網(wǎng)狀裂隙。

(4)當(dāng)雨水侵入路面角隅接縫處時，接縫處就會出現(xiàn)板底脫空、唧泥現(xiàn)象，致使傳荷能力與承載能力下降，在交通重載的反復(fù)作用下引起路面角隅斷裂。

2.2 接縫類病害原因分析

遇到雨水天氣，如果路面養(yǎng)護(hù)修繕不完善，雨水會從接縫浸入形成混凝土面板脫空、唧泥、錯臺等病害現(xiàn)象，從而引起面板斷裂影響使用壽命，原因分析如下。

(1)水泥混凝土路面接縫破裂的產(chǎn)生主要是由于在路面施工過程中對傳力桿或拉力桿的設(shè)置不正確，在縫隙內(nèi)填入不能壓縮的材料、切割縮縫的時間不當(dāng)，加之交通重載的反復(fù)作用下引起路面接縫破裂。

(2)水泥混凝土路面填縫料散失的產(chǎn)生主要是由于不及時更換縫隙填料導(dǎo)致在車輛動載作用下將已經(jīng)老化的縫隙填料擠出或者填縫料本身就不合格在很短的時間內(nèi)就老化、脆裂、擠出現(xiàn)象，導(dǎo)致與路面板塊脫離。

(3)水泥混凝土路面接縫拉開的產(chǎn)生主要是由于路面沒有設(shè)置傳力桿或者設(shè)置的傳力桿不當(dāng)導(dǎo)致荷載作用下路面板塊的下滑力大于基層與路面板塊之間的摩阻力使接縫拉開。

(4)水泥混凝土路面錯臺的產(chǎn)生主要是由于雨水沿接縫、裂隙滲入基層，在荷載的反復(fù)作用下產(chǎn)生的高壓水不斷沖刷基層表面，水與基層細(xì)集料不斷被擠出導(dǎo)致板底脫空，形成不均勻支撐，最終形成錯臺。

2.3 表面類病害原因分析

季凍區(qū)水泥混凝土路面表面類病害由內(nèi)在因素和外在因素共同作用產(chǎn)生，其中內(nèi)在因素是由于水泥混凝土路表層強(qiáng)度不足；外在因素是由于在自然環(huán)境和車輛荷載作用下，受凍融循環(huán)的影響，路面的抗?jié)B、抗凍性能下降，混凝土表面結(jié)構(gòu)變脆、強(qiáng)度降低，在連續(xù)不斷的荷載作用下使水泥混凝土細(xì)料剝落產(chǎn)生起皮、麻面、露骨等病害。經(jīng)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)造成季凍區(qū)水泥混凝土路面表面類病害最重要的外在因素是凍融循環(huán)環(huán)境，其病害類別劃分為起皮、剝落、麻面、露骨等。

(1)水泥混凝土路面起皮剝落主要是由于水泥混凝土配合比設(shè)計(jì)不合理引起的，致使施工過程中水灰比過大、混凝土強(qiáng)度不滿足要求。

(2)水泥混凝土路面麻面露骨的產(chǎn)生主要是由于施工工藝與材料不足造成面層的耐磨性很差，表面的水泥砂漿在車輛荷載的長期不斷作用下逐漸被磨去，導(dǎo)致粗集料外露。

3 山西地區(qū)路面凍融作用頻次與分布規(guī)律

3.1 山西太原市自然氣候調(diào)查及分析

山西太原地處中緯度，四季分明，年平均氣溫在-4.5～25 ℃之間。最冷出現(xiàn)在12月，平均溫度在-0.5～-4.5 ℃；最熱出現(xiàn)在7月，平均溫度在21～23 ℃。圖1～圖3分別為太原地區(qū)不同年份溫度的變化趨勢，2019年、2020年、2021年近三年該地區(qū)月平均溫度分別為-4.5～25 ℃、-4.5～23 ℃、-3.5～22.5 ℃，月平均最高溫分別為2～31 ℃、0～30 ℃、4～29 ℃，月平均最低溫分別為-11～19 ℃、-9～18 ℃、-11～19 ℃，月極端最高溫度分別為7～35 ℃、6～36 ℃、11～35 ℃，月極端最低溫度分別為-16～15 ℃、-21～16 ℃、-21～16 ℃；2019年月平均氣溫差值為29.5 ℃，全年月最高平均氣溫與月最低平均氣溫差值為42 ℃，極端最高溫度與極端低溫差值為51 ℃；2020年月平均氣溫差值為27.5 ℃，全年月最高平均氣溫與月最低平均氣溫差值為39 ℃，極端最高溫度與極端低溫差值為57 ℃；2021年1～11月平均氣溫差值為26 ℃，1～11月最高平均氣溫與月最低平均氣溫差值為40 ℃，極端最高溫度與極端低溫差值為56 ℃，四季溫差較大。

圖1 2019年1～12月太原地區(qū)溫度變化

圖2 2020年1～12月太原地區(qū)溫度變化

太原季凍區(qū)降雨主要集中在夏季，冬季降雨較少，圖4～圖6分別為太原地區(qū)不同年份降雨量的變化，2019年太原地區(qū)年平均降雨量為455 mm，2020年太原地區(qū)年平均降雨量為414 mm，2021年太原地區(qū)1～11月年平均降雨量為399 mm。2019年夏季降雨占全年降雨量的62.2%，春季節(jié)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%，春季節(jié)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%，春季節(jié)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%。

圖4 2019年1～12月太原地區(qū)降雨量變化

圖5 2020年1～12月太原地區(qū)降雨量變化

圖6 2021年1～11月太原地區(qū)降雨量變化

依據(jù)水泥混凝土在凍融循環(huán)作用下環(huán)境的量化研究結(jié)果，太原季凍區(qū)2019～2021年的年凍融循環(huán)次數(shù)分別高達(dá)105次、101次、98次，頻繁的凍融循環(huán)作用對太原季凍區(qū)水泥混凝土路面的使用性能產(chǎn)生嚴(yán)重破壞作用，成為影響季凍區(qū)水泥混凝土路面路用性能的典型氣候環(huán)境因素。

3.2 山西太原季冬區(qū)病害調(diào)查及分析

通過山西太原季凍區(qū)X259線水泥混凝土路面病害進(jìn)行調(diào)查，調(diào)查結(jié)果如表1所示。

表1 水泥路面病害調(diào)查表

將水泥混凝土路面不同病害進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖7所示。從圖7中可以看出該水泥混凝土路段裂隙類病害占比46.7%，接縫類病害占比6.0%，變形類病害占比0.1%，表面類病害占比47.2%。由此可以看出裂隙類與表面類為季凍區(qū)最為主要的病害類型。

圖7 水泥混凝土路面各類病害分布情況

4 結(jié) 論

通過對凍融作用下水泥混凝土路面破壞機(jī)理及主要病害的調(diào)查分析，結(jié)合山西太原季凍區(qū)水泥混凝土路面破壞形態(tài)調(diào)查，得出以下結(jié)論：通過宏觀與微觀兩方面對凍融作用下水泥混凝土路面破壞過程分析，得到了不同凍融作用頻次下，水泥混凝土破壞的宏微觀表現(xiàn)狀態(tài)。山西地區(qū)春、冬季氣溫正負(fù)交替變化、雨雪凍融現(xiàn)象頻繁發(fā)生，水泥混凝土路面年平均凍融循環(huán)次數(shù)高達(dá)100次以上，存在較為嚴(yán)重的凍融循環(huán)作用，引起水泥混凝土路面病害的主要表現(xiàn)形式為裂縫類病害與表面類病害，變形類病害與接縫類病害相對較少。