水泥混凝土路面裂縫成因及防治措施

孫 艷

（山西省公路局長治分局勘測設(shè)計所，山西 長治 046000）

水泥混凝土路面裂縫成因及防治措施

孫 艷

（山西省公路局長治分局勘測設(shè)計所，山西 長治 046000）

通過對水泥混凝土路面裂縫形成機理的分析，結(jié)合裂縫形成的影響因素，提出了水泥混凝土路面裂縫預(yù)防及處治措施。

水泥混凝土路面；裂縫；防治措施

1 前言

水泥混凝土路面的損壞類型較為復(fù)雜，通常包括結(jié)構(gòu)性損壞和非結(jié)構(gòu)性損壞兩類，其中嚴重裂縫（斷板）、錯臺、碎裂、沉陷、拱起等病害屬于結(jié)構(gòu)性損壞，磨光、麻面、露骨、接縫材料損壞、孔洞坑槽等病害屬于非結(jié)構(gòu)性損壞。在諸多損壞類型中，裂縫類損壞最為普遍，其表現(xiàn)形式一般有：表面裂縫（包括龜裂）、貫穿裂縫（包括橫向、縱向、交叉裂縫）、板角斷裂及化學(xué)反應(yīng)引起的裂縫等。每種裂縫的表觀形貌不同，形成機理不同，相應(yīng)的預(yù)防及處治方法也各不相同。

開裂現(xiàn)象在我國高速公路及城市道路水泥混凝土路面中普遍存在，這與我國水泥混凝土路面施工質(zhì)量差、設(shè)計強度低、面板薄等因素有關(guān)，還與路面建成后的養(yǎng)護維修不及時密切相關(guān)。經(jīng)大量調(diào)查發(fā)現(xiàn)，我國水泥混凝土路面多在使用5年后出現(xiàn)各種不同程度的損壞，有些重載地區(qū)病害出現(xiàn)的時間甚至更早，因此國內(nèi)一些公路管理部門將其形象地稱為“五年現(xiàn)象”。

2 裂縫分類

水泥混凝土路面裂縫的形式很多，其分類方法也各有不同。按裂縫寬度、是否有錯臺或沉陷現(xiàn)象，可將裂縫分為輕度裂縫、中等裂縫及嚴重裂縫3個等級；按裂縫在路面板中的位置，可將裂縫分為貫穿裂縫、表面裂縫和埋藏裂縫；按裂縫在外力作用下的擴張方式，可將裂縫分為張開型裂縫、滑開型裂縫、撕開型裂縫和復(fù)合型裂縫；按裂縫出現(xiàn)的時間，可將裂縫分為早期裂縫和使用期裂縫。裂縫類型不同，其相應(yīng)的特點和處治方法亦不相同。

3 裂縫形成機理

水泥混凝土路面開裂機理及破壞過程十分復(fù)雜，它不僅涉及到混凝土材料、路面設(shè)計理論和方法，還與交通荷載、溫度應(yīng)力的計算理論和方法以及其他學(xué)科密切相關(guān)。對于普通混凝土結(jié)構(gòu)物，有關(guān)文獻認為其開裂原因主要有4種：一是混凝土收縮變形受到約束產(chǎn)生裂縫；二是混凝土結(jié)構(gòu)受力產(chǎn)生裂縫；三是混凝土化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生脹裂；四是混凝土自身的塑態(tài)裂縫。道路混凝土由于在結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料設(shè)計、受力方式、性能要求及環(huán)境影響等方面有其獨特性，其開裂機理及過程明顯不同于其他混凝土工程。

在斷裂力學(xué)和損傷力學(xué)的基礎(chǔ)上，參考相關(guān)研究成果，水泥混凝土路面的開裂機理及過程可概述如下：

水泥混凝土路面板在投入使用前，其底部已經(jīng)存在了一些初始裂縫。這種裂縫導(dǎo)致路面板在荷載作用下產(chǎn)生了應(yīng)力強度因子，作用荷載越大，應(yīng)力強度因子越大。根據(jù)斷裂力學(xué)的基本原理，如果荷載在裂縫端部造成的應(yīng)力強度因子小于路面混凝土的穩(wěn)定開裂韌度時，則板底裂縫處于穩(wěn)定狀態(tài)；如果應(yīng)力強度因子大于穩(wěn)定開裂韌度時，則裂縫穩(wěn)定擴展；如果應(yīng)力強度因子等于斷裂韌度時，裂縫失穩(wěn)并造成路面板發(fā)生斷裂破壞。一般情況下，車輛荷載在裂縫尖端造成的應(yīng)力強度因子小于新鋪水泥混凝土路面的穩(wěn)定開裂韌度。所以，按照常理，只有隨著荷載的不斷增大，板底裂縫尖端附近區(qū)域混凝土的穩(wěn)定開裂韌度下降到一定水平時，應(yīng)力強度因子才會大于混凝土的穩(wěn)定開裂韌度。

此外，根據(jù)損傷力學(xué)的原理，車輛荷載的反復(fù)作用，使得水泥混凝土路面的損傷度不斷增加，穩(wěn)定開裂韌度會不斷降低。與此同時，由于路面早期裂縫的形成和受力的特點，水泥混凝土路面在荷載作用下，板底早期裂縫尖端附近區(qū)域內(nèi)的損傷最為嚴重，所以該區(qū)域的韌度下降的最快。在荷載的反復(fù)作用下，路面中性軸不斷上移，經(jīng)過一定量的損傷積累后，板底裂縫尖端附近區(qū)域的韌度下降速度非?？欤坏┫陆档綉?yīng)力強度因子可以逾越的水平，則路面板底裂縫穩(wěn)定擴展，尖端向上移動。新的裂縫尖端附近的混凝土又以較高的抗裂韌度阻止已有裂縫的繼續(xù)擴展，于是就開始了新一輪的損傷積累。隨著荷載作用次數(shù)的增加，上述過程周而復(fù)始地發(fā)生，路面裂縫逐步發(fā)展，損傷也逐漸積累。隨著裂縫深度的逐漸增加，荷載在裂縫尖端造成的應(yīng)力強度因子也越來越大，最終達到水泥混凝土路面失穩(wěn)時的開裂韌度，路面板隨即發(fā)生斷裂破壞。這就是水泥混凝土路面開裂和破壞的全過程。

4 影響因素

水泥混凝土路面發(fā)生開裂破壞的影響因素很多，其中影響因素較為重要的有：

（1）路面基層對混凝土面層開裂的影響。水泥混凝土路面直接澆注在基層表面，并與基層形成具有一定黏結(jié)力的過渡層。在道路混凝土凝結(jié)硬化過程中，一般情況下都會產(chǎn)生收縮現(xiàn)象，而路面與基層之間的過渡層制約了混凝土路面板的收縮，在板底產(chǎn)生拉應(yīng)力及層間水平剪應(yīng)力，致使路面板底出現(xiàn)早期微裂縫。此外，有些基層（如水泥穩(wěn)定類基層）的配比設(shè)計、施工不當，也會使基層頂面出現(xiàn)收縮裂縫，并直接反射到混凝土路面板上。路基不均勻沉降也是引發(fā)混凝土路面產(chǎn)生裂縫的重要原因。

（2）汽車動荷載及超載的影響。與其他混凝土結(jié)構(gòu)物的裂縫相比，混凝土路面裂縫的發(fā)展過程有其獨特性。一般情況下，普通混凝土結(jié)構(gòu)物只承受靜荷載，路面結(jié)構(gòu)雖然在設(shè)計時也按靜載考慮，但只適合于交通量小、軸載較輕、車速較低的情況，對于車輛高速行駛的情況，靜荷載模式與路面的實際受力狀態(tài)則相差甚遠，此時混凝土路面內(nèi)的微裂縫迅速發(fā)育、集結(jié)，并形成宏觀裂縫。另外，超載車輛的作用是目前水泥混凝土路面過早出現(xiàn)損壞以及裂縫普遍出現(xiàn)的重要誘因。

（3）排水不暢對路面裂縫的影響。在路面排水不暢的情況下，水沿孔隙和裂隙到達基層或混凝土面層中，使石灰粉、煤灰穩(wěn)定類或水泥穩(wěn)定類基層遭受沖刷，使混凝土產(chǎn)生濕脹應(yīng)力。一般無機結(jié)合料穩(wěn)定類基層材料在動水壓力作用下會產(chǎn)生溶蝕現(xiàn)象，基層中的Ca（OH）2流失，將使材料強度受到損失甚至變得松散，為裂縫、唧泥、錯臺的出現(xiàn)提供了條件。浸入面層混凝土內(nèi)的水如果不及時排出，在動荷載作用下，將導(dǎo)致水化物分解，而且水還會在凝膠與集料的黏結(jié)面上產(chǎn)生解吸作用，削弱界面黏粘結(jié)性能，干濕交替更加大了這種破壞。此外，水還可以使裂縫端部的化學(xué)應(yīng)力變?nèi)?，降低了對裂縫擴展的阻礙作用。因此，完善排水系統(tǒng)也是減少混凝土路面裂縫的根本措施之一。

5 裂縫的預(yù)防與處治

早期裂縫產(chǎn)生的原因主要是原材料不合格、基層標高失控和不平整、混凝土配合比不當、施工工藝不當；使用期裂縫產(chǎn)生的主要原因是設(shè)計不當、超重車的影響、基層不均勻沉陷、基層失穩(wěn)、排水不良。因此，針對不同成因的裂縫應(yīng)采取相應(yīng)的預(yù)防與處治措施。

對于早期裂縫的預(yù)防，重要的預(yù)防措施是保證原材料的質(zhì)量，盡量使用優(yōu)質(zhì)的各類原材料。特別是水泥，應(yīng)選用發(fā)熱量少、收縮量小的硅酸鹽道路水泥或普通硅酸鹽水泥，禁止使用穩(wěn)定性差的水泥；要嚴格控制基層頂面標高，確保水泥路面板厚度均勻一致；嚴格控制水泥混凝土配合比，各種材料稱量要準確；施工控制應(yīng)落到實處，如拌和及振搗時間、機械配置、施工縫處理、面板養(yǎng)生、切縫時間、傳力桿安裝等等。

對于使用期裂縫的預(yù)防，主要措施有：確保路面板設(shè)計能夠滿足交通發(fā)展的要求，特別是面板厚度設(shè)計應(yīng)有適宜的可靠度；加強路面的排水設(shè)計，注重混凝土材料的耐久性設(shè)計；依法治路，限制超載車輛通行；嚴格控制路基、路面基層施工質(zhì)量，對特殊地段要特殊處理；嚴防不均勻沉陷發(fā)生；處理好面層與基層間的結(jié)合；提高基層水穩(wěn)定性，防止唧泥。

水泥混凝土路面的裂縫處治應(yīng)根據(jù)破損程度不同而區(qū)別對待。對于路面早期輕微裂縫，或裂縫寬度＜3 mm的裂縫，應(yīng)選用適宜的灌縫材料及時封堵。對于伴有剝落的裂縫，或較寬的裂縫，應(yīng)局部開槽修補。對于裂縫伴有嚴重的剝落、錯臺或裂塊已活動的斷板，必須整板更換。

6 結(jié)論

對于水泥混凝土路面來說，由于其組成材料的固有特性，再加上路面施工過程中受到各種因素的影響，裂縫的出現(xiàn)是不可避免的。但通過對裂縫形成機理的研究，嘗試更加有效的預(yù)防處治措施，能夠有效地提高水泥混凝土路面的使用壽命和服務(wù)質(zhì)量。

The Causes and its Prevention Measures of the Cracking of Cement Concrete Pavement

Sun Yan

Analysised the mechanism of the cracking of cement concrete pavement，and combined with the impact factors，put forward the prevention and treatment measures to cracking of cement concrete pavement.

cement concrete;pavement；crack；prevention and treatment measure

U 416.216

A

1000-8136(2011)02-0087-02