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(shè)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(wěn)定性好、造價低、壽命長等特點[1]，廣泛應(yīng)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(nèi)即出現(xiàn)各種病害，其中以裂縫類(橫縫、縱縫、板角斷裂、破碎板)的結(jié)構(gòu)性損壞最為突出，嚴(yán)重影響行車質(zhì)量及安全，增加了養(yǎng)護維修成本，使水泥混凝土路面長壽命、低成本的優(yōu)勢沒有得到充分發(fā)揮，造成不良社會影響。為此，不少專家學(xué)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(xué)檢測方案，根據(jù)路面破損、承載能力、結(jié)構(gòu)層厚度及強度等檢測結(jié)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(yǎng)護決策提供依據(jù)，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(jié)構(gòu)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(wěn)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(zhǔn)備竣工驗收，但目前部分路段出現(xiàn)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(shù)狀況，查找路面早期破損原因，經(jīng)現(xiàn)場勘查，制訂檢測方案如下：

(1)采用道路檢測車每車道連續(xù)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(jié)構(gòu)層芯樣，檢測結(jié)構(gòu)層厚度及強度。

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

(5)其他路況調(diào)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(shè)計資料，如路面結(jié)構(gòu)組成、路面結(jié)構(gòu)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(jié)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(xù)檢測，輔以人工調(diào)查，并將所有檢測的路面損壞現(xiàn)象分類記錄，結(jié)果匯總?cè)绫?所示。主要病害為板角斷裂、破碎板、縱橫向裂縫等結(jié)構(gòu)性破壞，其中板角斷裂占到路面病害總數(shù)的50%以上，破碎板占到35%以上。現(xiàn)場進一步調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該類破裂病害多數(shù)沿道路中線縱縫兩側(cè)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(tǒng)計表

圖1 典型病害現(xiàn)狀圖(破碎板)

根據(jù)路面破損統(tǒng)計數(shù)據(jù)，以每車道每公里為1個評價單元，計算路面破損狀況指數(shù)PCI(見圖2)。依據(jù)評定標(biāo)準(zhǔn)[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(yán)重，PCI<70。該路段PCI優(yōu)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(jù)路面破損狀況檢測與評價結(jié)果，選取4段(其中1段路面完好，3段路面破損嚴(yán)重)路面，采用落錘式彎沉儀(FWD)進行路面結(jié)構(gòu)的承載能力檢測，檢測參數(shù)包括板邊彎沉、彎沉差、接縫傳荷系數(shù)、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(jù)彎沉檢測結(jié)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(nèi)，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(jié)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(cè)的邊緣處。實測接縫兩側(cè)邊緣的彎沉值，按設(shè)計規(guī)范[4]式(8.3.2)計算接縫傳荷系數(shù)，并對接縫傳荷能力進行分級。

根據(jù)相關(guān)規(guī)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(biāo)準(zhǔn)。本次采用兩者相結(jié)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(jié)果如表2所示。

由表2對比發(fā)現(xiàn)，檢測路段整體接縫傳荷系數(shù)較好，破損路段接縫傳荷系數(shù)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(yán)重，在行車荷載作用下很快將出現(xiàn)破裂。因此現(xiàn)狀破裂板也相當(dāng)于脫空板。表中統(tǒng)計的脫空率僅是完好板塊的脫空率，脫空板塊應(yīng)及時處治，避免發(fā)展為裂縫板。

表2 水泥混凝土板接縫傳荷能力檢測結(jié)果表

3.2.3 基層頂面當(dāng)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(shè)計規(guī)范[4]式(8.4.4-1)和式(8.4.4-1)計算基層頂面當(dāng)量回彈模量，如圖6所示。結(jié)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(shù)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(jié)構(gòu)層厚度及強度檢測與評價

3.3.1 路面結(jié)構(gòu)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(zhǔn)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(fā)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(yīng)力大于混凝土板抗拉強度時產(chǎn)生拉裂，然后板角下?lián)吓c基層接觸，脫空消除裂縫暫停發(fā)展，當(dāng)板底脫空進一步發(fā)展時裂縫就繼續(xù)向下發(fā)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(wěn)基層完整成型，1處水穩(wěn)基層完全松散，2處水穩(wěn)基層斷層，7處水穩(wěn)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(wěn)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(shù)瀝青碎石封層厚度未達到設(shè)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(jié)構(gòu)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(tǒng)計路面結(jié)構(gòu)層(水泥混凝土板+水泥穩(wěn)定碎石基層)厚度，匯總見表3，并依據(jù)設(shè)計規(guī)范[4]計算標(biāo)準(zhǔn)值，依據(jù)質(zhì)量檢驗評定標(biāo)準(zhǔn)[8]計算厚度代表值。

表3 路面結(jié)構(gòu)層厚度檢測結(jié)果匯總表

由表3對比發(fā)現(xiàn)：

(1)混凝土板和水穩(wěn)基層厚度變異性較大。質(zhì)量檢驗評定標(biāo)準(zhǔn)[8]表7.2.2中規(guī)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(wěn)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(jié)構(gòu)層厚度與路面破損狀況呈現(xiàn)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(wěn)基層也呈現(xiàn)出相似特點。

3.3.3 路面結(jié)構(gòu)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(jù)《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)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(biāo)準(zhǔn)值在6.601～6.839 MPa，滿足彎拉強度設(shè)計值5.0 MPa要求；彎拉彈性模量標(biāo)準(zhǔn)值在42 500～ 43 400 MPa。破損板和完好板無明顯差異。

對水泥穩(wěn)定碎石基層完整成型的25個芯樣中的19個進行無側(cè)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(wěn)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(jié)果如表4所示。

表4 無機結(jié)合料基層強度檢測結(jié)果匯總表

可以看出，水泥穩(wěn)定碎石基層無側(cè)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(dǎo)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(yīng)力增大，容易誘發(fā)斷板。水泥穩(wěn)定碎石基層劈裂強度標(biāo)準(zhǔn)值在1.232～1.669 MPa之間，完好板和破碎板無明顯區(qū)別。

3.4 交通量調(diào)查

對檢測路段進行交通量調(diào)查，依據(jù)《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JTG B01-2014)，將各車型折算為當(dāng)量小客車，日交通量為4 930輛，較設(shè)計文件預(yù)測的2020年當(dāng)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(biāo)準(zhǔn)車的占比，實際為51.2%，是預(yù)測30.2%的1.7倍。現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該路段典型交通車輛為4軸貨車。經(jīng)走訪沿線砂石場，砂石材料多由其運輸。該車型額定總質(zhì)量為31 t，實際載貨后總質(zhì)量可高達68.5 t，超載超過100%。

設(shè)計規(guī)范[4]在確定混凝土板厚時，要求面層板在設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)，在行車荷載和溫度梯度綜合作用下不產(chǎn)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(chǎn)生極限斷裂。相關(guān)文獻[9]指出，由于軸載換算采用16次方指數(shù)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(nèi)達到疲勞破壞，實際算例發(fā)現(xiàn)當(dāng)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(jié)果綜合分析，該新建水泥混凝土路面產(chǎn)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(shè)計和規(guī)范要求。設(shè)計混凝土板厚為240 mm，而檢測發(fā)現(xiàn)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(chǎn)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(chǎn)生沿中心縱縫分布的破碎板和板角斷裂。

(2)水泥穩(wěn)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(cè)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(wěn)定的支撐，行車荷載和溫度翹曲應(yīng)力綜合作用下容易產(chǎn)生脫空，導(dǎo)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(fā)現(xiàn)厚度在0～10 cm范圍內(nèi)變化，厚薄不均容易使混凝土板產(chǎn)生應(yīng)力集中。若封層施工時水穩(wěn)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(dāng)量標(biāo)準(zhǔn)軸次換算采用16次方指數(shù)形式，超載100%(即軸載由100 kN增加到200 kN)時，換算系數(shù)為65 536，從而過早達到設(shè)計累積軸次而出現(xiàn)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(chǎn)生極限斷裂破壞。

5 結(jié)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(xiàn)早期破壞。建議設(shè)計時充分考慮交通量組成和超載現(xiàn)象，必要時提高設(shè)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(jié)構(gòu)層也要嚴(yán)格把關(guān)，確保質(zhì)量符合要求。

(2)水泥穩(wěn)定碎石基層作為混凝土板的支撐結(jié)構(gòu)層，其厚度及強度的均勻穩(wěn)定將對混凝土路面使用壽命產(chǎn)生重要影響。瀝青碎石封層作為混凝土板和水穩(wěn)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(yīng)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(nèi)產(chǎn)生疲勞破壞，甚至直接產(chǎn)生極限斷裂破壞，應(yīng)嚴(yán)格限載。