新建水泥混凝土路面早期破裂成因分析

李帥帥，陳啟嬋

(廣西交通設計集團有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

水泥混凝土路面因強度高、穩定性好、造價低、壽命長等特點[1]，廣泛應用于高溫多雨、石材豐富的廣西國省干線公路。然而，部分水泥混凝土路面建成通車后在很短時間內即出現各種病害，其中以裂縫類(橫縫、縱縫、板角斷裂、破碎板)的結構性損壞最為突出，嚴重影響行車質量及安全，增加了養護維修成本，使水泥混凝土路面長壽命、低成本的優勢沒有得到充分發揮，造成不良社會影響。為此，不少專家學者對水泥混凝土路面早期破損原因進行了分析研究[1-2]。

本文以南寧市某國道新建水泥混凝土路面為依托，制定科學檢測方案，根據路面破損、承載能力、結構層厚度及強度等檢測結果，對該混凝土路面病害成因進行鑒定分析，以期為該項目竣工驗收前的病害處治及后期運營過程養護決策提供依據，同時作為典型案例也可為其他類似工程提供參考。

1 工程概況

本文依托工程為南寧市某國道新建水泥混凝土路面，二級公路，檢測路段長10.25 km，路基寬度為8.5 m，其中水泥混凝土板寬2×3.75 m，土路肩寬2×0.5 m。路面結構自下往上為：15 cm厚未篩分碎石墊層+15 cm厚級配碎石底基層+ 20 cm厚4.5%水泥穩定碎石基層+煤油稀釋液體瀝青透層+1.0 cm厚瀝青碎石下封層+24 cm厚水泥混凝土面層。該路段于2018年底建成通車，至2020年已運營近2年，準備竣工驗收，但目前部分路段出現沿道路縱向中心線的混凝土板斷裂、破碎等病害。

2 檢測方案

為全面掌握該路段路面技術狀況，查找路面早期破損原因，經現場勘查，制訂檢測方案如下：

(1)采用道路檢測車每車道連續檢測路面破損狀況PCI。

(2)選取3段病害路段、1段正常路段，采用Dynatest 8002 FWD落錘式彎沉儀檢測路面承載力，包含基頂回彈模量、板底脫空、接縫傳荷能力等。

(3)選檢4段病害路段、1段正常路段，鉆取路面結構層芯樣，檢測結構層厚度及強度。

(4)交通量調查：調查斷面交通量，尤其是大型重載車輛的通行狀況，調查石場運輸車型及車重情況。

(5)其他路況調查：查看有無路面積水、排水不暢路段，及路基浸泡、沖刷路段。

(6)資料收集：收集原路面設計資料，如路面結構組成、路面結構計算書，路基勘察資料(是否有特殊路基處置路段)等。

3 檢測結果分析

3.1 路面破損狀況檢測與評價

路面破損狀況采用ZOYON-RTM-T道路檢測車全線連續檢測，輔以人工調查，并將所有檢測的路面損壞現象分類記錄，結果匯總如表1所示。主要病害為板角斷裂、破碎板、縱橫向裂縫等結構性破壞，其中板角斷裂占到路面病害總數的50%以上，破碎板占到35%以上。現場進一步調查發現，該類破裂病害多數沿道路中線縱縫兩側分布，上、下行路面病害差異不大。典型病害如圖1所示。

表1 路面病害分類統計表

圖1 典型病害現狀圖(破碎板)

根據路面破損統計數據，以每車道每公里為1個評價單元，計算路面破損狀況指數PCI(見圖2)。依據評定標準[3]，對各評價單元PCI進行等級劃分(見圖3)。

圖3 PCI等級評價分布圖

由圖2～3可以看出，該路段PCI整體上呈中間差兩端好的趨勢，上下行差別不大，K764+573～K767+573段、K768+573～K769+573段路面破損較嚴重，PCI<70。該路段PCI優良路率僅50%，次、差率占到35%以上。

3.2 路面承載能力檢測與評價

根據路面破損狀況檢測與評價結果，選取4段(其中1段路面完好，3段路面破損嚴重)路面，采用落錘式彎沉儀(FWD)進行路面結構的承載能力檢測，檢測參數包括板邊彎沉、彎沉差、接縫傳荷系數、基頂回彈模量及板底脫空情況等。

3.2.1 板邊彎沉檢測

逐塊檢測4個路段的每塊混凝土板板邊彎沉，破碎板和裂縫板跳過不打，每個路段的彎沉單點值如圖4～5所示。

圖4 上行路面板邊彎沉單點值分布圖

根據彎沉檢測結果，抽檢的4個路段板邊彎沉值主要集中在5～10(0.01 mm)范圍內，完好段的彎沉平均值為7.0(0.01 mm)，破損段的彎沉平均值為7.5(0.01 mm)。破損段最大彎沉值達到30.5(0.01 mm)，彎沉值波動性較完好段的大。可能是4個路段板邊彎沉檢測的均是完好板的緣故，完好段和破損段差異不明顯。為此，特地對鉆芯取樣的破損混凝土板檢測板邊彎沉，結果顯示破損板的板邊彎沉平均值達14.0(0.01 mm)，最大值為37.7(0.01 mm)，破損板板邊彎沉明顯大于完好板。

圖5 下行路面板邊彎沉單點值分布圖

3.2.2 接縫傳荷能力及板底脫空檢測

落錘式彎沉儀測點布置于鄰近接縫的路表，使位移傳感器的測點位于接縫兩側的邊緣處。實測接縫兩側邊緣的彎沉值，按設計規范[4]式(8.3.2)計算接縫傳荷系數，并對接縫傳荷能力進行分級。

根據相關規范[4-6]和文獻[7]，本文以板邊彎沉值>0.14 mm或者板邊彎沉差>0.06 mm作為板底脫空判定標準。本次采用兩者相結合的方式綜合判定，滿足條件之一即判定為板底脫空，破裂板不進行檢測，結果如表2所示。

由表2對比發現，檢測路段整體接縫傳荷系數較好，破損路段接縫傳荷系數相對較小。各路段完好板塊的脫空率較低，均在10%以下，實際上若板塊脫空嚴重，在行車荷載作用下很快將出現破裂。因此現狀破裂板也相當于脫空板。表中統計的脫空率僅是完好板塊的脫空率，脫空板塊應及時處治，避免發展為裂縫板。

表2 水泥混凝土板接縫傳荷能力檢測結果表

3.2.3 基層頂面當量回彈模量

對選取的4段路面，按20 m一個測點，采用落錘式彎沉儀檢測水泥混凝土板板中彎沉值，按設計規范[4]式(8.4.4-1)和式(8.4.4-1)計算基層頂面當量回彈模量，如圖6所示。結果表明：4個路段基頂回彈模量代表值差異不大，介于531.6～758.1 MPa之間，但每一段段變異性均較大，變異系數達到15%～30%，最大值達到1 514.9 MPa，最小值為339.2 MPa。

圖6 水泥混凝土板基頂回彈模量代表值變化柱狀圖

3.3 路面結構層厚度及強度檢測與評價

3.3.1 路面結構層芯樣外觀缺陷

選取5段(1段完好路面+4段破損路面)路面鉆取芯樣35個。為探究混凝土板破裂的原因，分別跨縫鉆芯和在裂縫附近不跨縫鉆芯，并選取完好路段的混凝土板鉆芯作為基準用于對比。

(1)10處跨縫鉆芯：有2處混凝土板芯樣顯示裂縫從上往下發展，尚未完全貫穿混凝土板厚度。說明混凝土板在輪載作用下頂面受拉，拉應力大于混凝土板抗拉強度時產生拉裂，然后板角下撓與基層接觸，脫空消除裂縫暫停發展，當板底脫空進一步發展時裂縫就繼續向下發展直到貫穿整個板厚。另外8處裂縫完全貫穿混凝土板厚，有2處基層頂部局部松散，其他基層成型完整。

(2)35處芯樣中有25處水穩基層完整成型，1處水穩基層完全松散，2處水穩基層斷層，7處水穩基層成型但頂部或底部局部松散或蜂窩等明顯缺陷。這10處水穩基層有缺陷的，其中有7處頂部混凝土板為裂縫板或破碎板，占比70%。

(3)35處芯樣中有6處未見瀝青碎石封層，這6處中有5處混凝土板為破裂板。多數瀝青碎石封層厚度未達到設計的1 cm，個別瀝青碎石封層存在頂面含泥、瀝青與集料剝離松散等問題。

3.3.2 路面結構層厚度

采用鉆芯法共抽取5段(1段完好路面+4段破損路面)，鉆取芯樣35個，采用鋼直尺量測統計路面結構層(水泥混凝土板+水泥穩定碎石基層)厚度，匯總見表3，并依據設計規范[4]計算標準值，依據質量檢驗評定標準[8]計算厚度代表值。

表3 路面結構層厚度檢測結果匯總表

由表3對比發現：

(1)混凝土板和水穩基層厚度變異性較大。質量檢驗評定標準[8]表7.2.2中規定，二級公路混凝土板厚度代表值允許偏差為-5 mm，合格值允許偏差為-10 mm，極值允許偏差為-15 mm，而該檢測路段最大值達到273 mm，最小值僅215 mm，最小值極值偏差為-25 mm，超過允許偏差；二級公路穩定粒料基層厚度代表值允許偏差為-10 mm，合格值允許偏差為-20 mm，而該檢測路段最大值達到293 mm，最小值僅178 mm，最小值極值偏差為-22 mm，超過允許偏差。

(2)結構層厚度與路面破損狀況呈現出較好的一致性。完好板厚度代表值為246 mm，裂縫板厚度代表值為238 mm，而破碎板厚度代表值為230 mm。可見裂縫和破碎混凝土板厚度明顯小于完好板，且水穩基層也呈現出相似特點。

3.3.3 路面結構層強度

鉆取35個芯樣，其中10個為跨縫鉆芯，無法進行劈裂試驗。依據《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》(JTG E30-2005)，對另外25個完整的水泥混凝土面層芯樣進行劈裂試驗，計算舊水泥混凝土路面彎拉強度標準值在6.601～6.839 MPa，滿足彎拉強度設計值5.0 MPa要求；彎拉彈性模量標準值在42 500～ 43 400 MPa。破損板和完好板無明顯差異。

對水泥穩定碎石基層完整成型的25個芯樣中的19個進行無側限抗壓強度檢測，另外分別選取完好混凝土板下的3個水穩基層芯樣和破損混凝土板下的3個基層芯樣進行劈裂強度檢測，匯總結果如表4所示。

表4 無機結合料基層強度檢測結果匯總表

可以看出，水泥穩定碎石基層無側限抗壓強度代表值變異性大，最大達到24.6 MPa，而最小僅為4.3 MPa，最大值是最小值的5.7倍，過大的變異性會導致不同位置基層的剛度和模量迥異，難以為上層混凝土板提供均勻支撐，行車荷載作用下混凝土板彎拉應力增大，容易誘發斷板。水泥穩定碎石基層劈裂強度標準值在1.232～1.669 MPa之間，完好板和破碎板無明顯區別。

3.4 交通量調查

對檢測路段進行交通量調查，依據《公路工程技術標準》(JTG B01-2014)，將各車型折算為當量小客車，日交通量為4 930輛，較設計文件預測的2020年當量小客車日交通量4 416輛多了11.6%。將大貨車和拖掛車換算成標準車的占比，實際為51.2%，是預測30.2%的1.7倍。現場調查發現，該路段典型交通車輛為4軸貨車。經走訪沿線砂石場，砂石材料多由其運輸。該車型額定總質量為31 t，實際載貨后總質量可高達68.5 t，超載超過100%。

設計規范[4]在確定混凝土板厚時，要求面層板在設計基準期內，在行車荷載和溫度梯度綜合作用下不產生疲勞斷裂，并在最重軸載和最大溫度梯度共同作用下不產生極限斷裂。相關文獻[9]指出，由于軸載換算采用16次方指數形式，汽車超載會極大地影響水泥混凝土路面的使用壽命，使其在極短的時間內達到疲勞破壞，實際算例發現當超載100%時，使用壽命直接由20年縮減到了6 d。

4 破壞成因分析

通過以上檢測結果綜合分析，該新建水泥混凝土路面產生早期破壞的主要原因如下：

(1)局部水泥混凝土板厚度未達到設計和規范要求。設計混凝土板厚為240 mm，而檢測發現完好板的厚度代表值為246 mm，破碎板的厚度代表值僅有230 mm。厚度為220 mm和215 mm的板塊均為破碎板。水泥混凝土路面板厚度較薄時難以承受重型行車荷載作用，容易在板角、縱縫中部等受力不利位置產生破壞，而道路中心縱縫附近受到雙向行車荷載作用，更容易產生沿中心縱縫分布的破碎板和板角斷裂。

(2)水泥穩定碎石基層強度及厚度變異性大。厚度最大值達到293 mm，最小值僅178 mm；無側限抗壓強度最大值24.6 MPa是最小值4.3 MPa的5.6倍，基頂回彈模量最大值1 514.9 MPa是最小值339.2 MPa的4.5倍。基層強度變異性大難以為混凝土面板提供均衡穩定的支撐，行車荷載和溫度翹曲應力綜合作用下容易產生脫空，導致混凝土板斷裂。

(3)瀝青碎石封層污染、松散剝落、厚薄不均。抽查發現厚度在0～10 cm范圍內變化，厚薄不均容易使混凝土板產生應力集中。若封層施工時水穩基層清掃不干凈，含有泥土和粉塵，或者封層施工完成后沒有及時攤鋪水泥混凝土面層，造成封層頂面被泥土等污染，在面層與基層之間形成軟弱夾層，為混凝土板破壞埋下隱患。

(4)汽車超載造成單軸軸載過大。當量標準軸次換算采用16次方指數形式，超載100%(即軸載由100 kN增加到200 kN)時，換算系數為65 536，從而過早達到設計累積軸次而出現疲勞破壞。同時過大的軸載容易在混凝土板較薄、強度不足且受力最不利位置產生極限斷裂破壞。

5 結語

(1)混凝土板作為水泥混凝土路面的主要受力層，其厚度不足將難以承受重載交通作用以致出現早期破壞。建議設計時充分考慮交通量組成和超載現象，必要時提高設計軸載，采用強基厚面，確保路面板厚度滿足交通需求。施工時各結構層也要嚴格把關，確保質量符合要求。

(2)水泥穩定碎石基層作為混凝土板的支撐結構層，其厚度及強度的均勻穩定將對混凝土路面使用壽命產生重要影響。瀝青碎石封層作為混凝土板和水穩基層之間的功能層，可以減小基層對面層板的變形約束，防止基層頂面沖刷造成的板底脫空。但由于厚度薄容易忽視，施工前應清除基層表面浮土和雜物，均勻撒布瀝青、碎石，適量碾壓。

(3)超載不僅會對車輛造成損傷，影響行車安全，而且也會對路面造成極大破壞，使其在短時間內產生疲勞破壞，甚至直接產生極限斷裂破壞，應嚴格限載。