1、关于水泥混凝土路面常见病害与预防性养护技术研究常锦 长沙理工大学 摘 要：水泥混凝土路面是高等级公路路面结构的主要型式之一，但往往由于各种主客观原因，相当多的路面在使用 2-5 年甚至更短时间后就产生了板底脱空、卿泥、裂缝和断板等病害。同时，水泥混凝土路面的维修成本高，养生时间长，维修期间交通干扰严重，一旦破坏就很难修复。因而，认清水泥混凝土路面产生病害的原因并进行预防性养护，是当今工程界需要解决的问题。本文研究围绕着水泥混凝土路面的养护问题，对水泥混凝土路面的常见病害及产生的原因，路况调查及性能评价，路面使用性能预测，预防性养护措施与时机选择行了研究。关键词：病害；路面性能评价；使用性能预测
2、；预防性养护；时机选择About the disease with common cement concrete pavement preventive maintenance technology researchChang jin(Changsha University of Science pavement performance evaluation; performance prediction; preventive maintenance; opportunity election1 引言水泥混凝土路面作为一种高级路面结构形式，以其强度高、稳定性和耐久性好、耐高温、耐磨耗以及养护
3、费用少等优点而得到了广泛的应用。然而水泥混凝土路面一旦损坏，修复非常困难，这必然加大路面改造的难度和养护管理工作的繁重程度。随着通车里程和使用年限的不断增长，我国公路交通事业开始由快速建设阶段向养护管理阶段过渡。为了有效缓解养护管理工作量快速增加和养护资金缺口巨大带来的压力，提高路网效率，除了加快养护管理体制与养护运行机制改革、加大养护资金的投入外，还必须转变养护管理指导思想、变革养护管理模式，全面调整一些传统的养护观念和习惯做法，使公路养护由被动养护向科学养护转变，由单一养护、粗放型养护向复合型、集约型养护转变，全面推行预防性养护，从而建立起具有主动性、预见性和系统性的公路养护工作体系。2
4、水泥混凝土路面常见病害及原因分析水泥混凝土路面的使用性能在行车和自然因素的不断作用下逐渐恶化，以至出现各种类型的损坏现象。混凝土路面的破坏形式的分类方法很多。本文将其分为二大类：一类是接缝处破坏，第二类是混凝土面板内破坏 1。这种分类方式不仅反映了水泥混凝土的破坏部位，也反应了其破坏原因，前者的破坏主要是因应力集中和行车冲击引起，后者是因为过载或混凝土自身劣化引起。2.1 接缝处损坏接缝处是混凝土板体的应力分布比较集中的地方，是最容易引起破坏的部位。初期的病害主要是集中在接缝处的破坏，接缝处的破坏可分为:错台、拱起、板块活动和唧泥、填缝材料的破坏等。2.1.1 错台错台现象常常与唧泥现象、填缝
5、料丧失、路基的不均匀变形等密切相关。一方面，填缝料的丧失，会造成路面水的渗入，在车辆荷载的作用下，产生唧泥，随着唧泥的连续不断发生，路基游离土被不断带走，路基表面标高不断降低，产生错台。另一方面，路基若处理不好，如压实程度不一致，则会随着通车时间的增长，不均匀沉降和变形也会增加，也可产生错台。此外，以下原因也可造成错台：1）下部嵌缝板与上部缝隙未能对齐，或胀缝两侧混凝土壁面不垂直，使缝旁两板在伸胀挤压过程中，会上、下错开而形成错台;2）地面水通过接缝渗入基础使其软化，或者接缝传荷能力不足，或传力效果降低时，都会导致错台 23;3) 当交通量或基础承载力在横向各幅板上分布不均匀，各幅板沉降不一致
6、时，纵缝也会产生错台。图 2.1 错台示意图2.1.2 挤碎和拱起在横向接缝、特别是胀缝两侧数十厘米范围内，由于胀缝内的滑动传力杆位置不正确、滑动端的滑动功能失效、施工时胀缝内部有混凝土搭连、使用期间胀缝内落入坚硬杂屑等原因，阻碍了板的伸长，使混凝土在膨胀时受到较高的挤压应力，当该应力超过混凝土的抗剪强度时，板即发生剪切挤碎。混凝土板在受热膨胀而受阻时，某一接缝两侧的板突然向上拱起。这是由于混凝土板收缩时缝隙张开，填缝料失效，坚硬碎屑等不可压缩材料塞满缝隙，使板在膨胀时产生较大的压应力，从而出现纵向压曲失稳。如图 2.2。图 2.2 拱起示意图2.1.3 脱空、板块活动和唧泥唧泥在车辆荷载作用
7、下，板下基层的细粒材料从接缝或裂缝处与水一同喷出，致使板体与基础逐步脱空 4，并在接缝或裂缝附近常有污迹存在；脱空是面板与基层之间存在一定间隙，脱空往往伴随唧泥的发生和发展而出现 5。水泥混凝土路面唧泥是由车辆荷载作用下，面板接缝、裂缝和板边下部产生的水和细粒土混合物的强制性位移造成的。它的产生原因是水泥面板直接铺筑在细粒高压缩性土和易冲刷的基层上产生的，唧泥往往是错台、断板、接缝附近断板等病害的诱因。路面唧泥的产生，一般需具备以下条件:(1) 路基或基层的土壤处于松散状态，亦即存在松散之细粒土；(2) 在面板与基层及路面之间有自由水存在，并与松散细粒土混合形成泥浆；(3) 频繁的重载车辆轴载
8、作用，水泥混凝土路面板产生泵吸作用将泥浆喷出、吸入。如图 2.3图 2.3 唧泥、脱空示意图2.1.4 填缝料的失效、损坏使用一段时间后常常会出现填缝料剥落、挤出、老化碎裂现象。填缝料的失效、损坏，接缝内逐渐被砂、石、土等填塞，阻碍了板的膨胀，从而引起板的压曲、破碎和接缝剥落等损坏。路面表面水流入基础，导致基础软化唧泥或冻胀，进而诱发其它病害。2.2 路面板内损坏混凝土路面裂缝可分为表面裂缝、贯穿裂缝。而裂缝发生的时期又可分为初期(或早期) 裂缝和使用期裂缝。早期裂缝是指水泥混凝土路面板浇筑完成后还未开放交通前出现的裂缝，早期裂缝主要是表面裂缝，使用期裂缝实际是在行使车辆荷载的作用下，加剧应力
9、集中而引起原有早期裂缝扩展或产生新的裂缝。2.2.1 表面裂缝及产生原因混凝土板面的表面裂缝的产生主要是由于混凝土混合料的早期过快失水干缩和炭化收缩引起的。路面混凝土收缩主要有：1)塑性收缩；2) 自收缩； 3)干燥收缩；4)碳化收缩。2.2.2 贯穿裂缝及断板水泥混凝土路面贯穿裂缝是指贯穿板全厚的裂缝，可分为横向裂缝、纵向裂缝、斜向裂缝、交叉裂缝、板角裂缝等，其明显特征是裂缝贯通混凝土板全厚。1)横向裂缝垂直于行车方向的有规则的裂缝称为横向裂缝，导致水泥混凝土路面出现横向裂缝的原因较多，大致可以归纳为如下几个方面。 干缩裂缝在水泥混凝土中，水在水泥石中是以化学结合水、层间水、物理吸附水，还有
10、毛细水等状态存在着。当这些水在混凝土硬化过程中失去时，水泥浆体就会收缩，这些是干缩。但是自由收缩，还不会导致裂缝发生，唯有收缩受到限制时而发生收缩应力时，才会引起干燥收缩裂缝。 冷缩裂缝和一般材料一样，水泥混凝土具有热胀冷缩性能。混凝土板块的热胀冷缩都是在相邻部分或整体性限制条件下发生的，故热胀属于变形压缩，而冷缩则属于拉伸变形，很容易引起开裂。切缝不及时为防止混凝土路面的干缩裂缝和冷缩裂缝，人们采用切缝浆路面分块，我国现行水泥混凝土路面设计规范规定，路面板长不大于 6m，板宽不大于 5m，但由于施工中切缝的时间难以控制得当，造成混凝土路面出现横向裂缝。从混凝土收缩因素考虑，最好是混凝土中水泥
11、水化初始阶段就切缝，但事实上很难做到，因抗压强度过低，根本无法切缝。2）纵向裂缝由于填料土质不均匀、湿度不均匀、膨胀性土、冻胀、压实不足等多种原因，很可能导致路基支承不均匀，在混凝土浇筑之前未严格检查基底弹性模量 Et 是否符合规范要求，而盲目施工，在路基稍有沉陷的情况下，在板块自重和行车压力作用下而产生纵向断裂。开始缝很细，一般小于 0.05mm。但随着雨水浸入和浸泡基层，使其表层软化、液化而产生唧泥、淘空，使裂缝加大。拓宽路基时，由于路基处理不当，新路基出现沉降，混凝土板下沿纵向出现脱空，在车轮荷载作用下，使混凝土板发生纵向断裂。3）交叉裂缝两条或两条以上相互交错的裂缝称为交叉裂缝。产生交
12、叉裂缝的主要原因：一是水泥混凝土强度不足，在轮载和温度作用下会出现交叉裂缝；其二，路基和基层的强度与水稳性差，一旦受到水的侵入，将会发生不均匀沉陷，在车轮荷载作用下，混凝土板块出现交叉裂缝；其三，水泥的水化反应和碱骨料反应水泥混凝土在拌合、运输、振捣、凝结、硬化的过程中，始终存在着水泥的水化反应。图 2.4 各种裂缝示意图4）水泥混凝土路面断板这些纵向、横向及斜向裂缝的发展会使水泥混凝土路面板完全折断成两块或两块以上形成断板。根据裂缝及断板发生的时间，可分为开放交通之前的断板(早期断板) 和使用期断板( 后期断板)。一般早期断板不多见。混凝土路面断板根据其损坏程度可分为三类 :轻微断裂裂缝无剥
13、落或轻微剥落，未封缝的裂缝宽度为 3mm，已封缝的裂缝宽度不限，但封缝良好;中等断裂裂缝处有中等剥落，未封缝的裂缝宽度为 325mm，己封缝的裂缝无剥落或剥落轻微，但填缝料明显损坏;严重断裂裂缝处有严重剥落; 未封缝的裂缝宽度大于 25mm。有的断板是在施工期间由于混凝土的初期收缩受到阻碍而产生的拉应力超过混凝土的抗拉强度而造成;有的是因为板块尺寸过大所产生的温度翘曲应力超过混凝土抗弯拉强度而引起的，也有因为车载过大、应力集中等造成的断板。3 路况调查及性能评价方法3.1 调查与评价目的路面调查的目的是运用各种仪器设备对路面状况的各种指标进行检测，以了解现有路面的使用性能，为制定养护管理方案提
14、供依据，以便进行科学管理和长远规划。水泥混凝土路面路段结构检测主要包括路面调查、FWD 动态弯沉检测、钻芯取样试验检测与排水系统调查几大方面内容，其中路面调查包括破损状况、结构强度、平整度及抗滑能力等四项内容。对水泥路面进行的 FWD 动态弯沉检测的主要目的是通过测量水泥混凝土板的动态弯沉，了解板的工作性能，以及估算水泥混凝土路基与路面各结构层的模量，为路面大、中修加铺层设计和罩面设计提供设计参数。钻芯取样试验检测主要是配合其他项目检测，钻取结构层芯样进行物理和力学试验，了解实际结构层厚度及结构层使用现状，为分析路面破损原因及确定维修方案提供强度和变形指标。排水系统调查主要是了解该路段当前排水
15、情况及排水设施的损坏情况，以便为今后大中修排水系统设计和保养提供依据。结构调查的目的在于:l)路面调查主要用于该路段的现状分析与评定;2)检测项目主要为今后大中修提供设计依据或参数，同时，辅助路面调查，对该路段现状进行分析。3.2 调查与评价方法根据公路水泥混凝土路面养护技术规范(JTJ073.1-2001)，对水泥混凝土路面结构进行调查检测的主要方法如表 3.1。水泥混凝土路面使用质量采用路面状况指数 PCI、断板率 DBL、行驶质量指数 RQI、横向力系数 SFC 来评价，为了评价路面的综合性能，参考 公路养护技术规范(JTJ073-96)，采用路面综合评定指标 SI 来评价。评价的标准分
16、为优、良、中、次、差五个等级，其评价标准见表 3.2。表 3.1 路况调查检测方法一览表表 3.2 水泥混凝土路面使用性能评价标准3.2.1 路况指数 PCI反映路面损坏状况的主要指标是路况指数 PCI，它是评价路面服务水平的最重要的一个指标。其数值范围为 0-100，数值越大，路况越好。依据路段破损状况调查得到的病害类型、轻重程度和密度数据按下列计算公式计算：（3-1）nimjijiWDPPCI10（3-2）ijijijBADijR5.22.0ijR（3-3）)2.0(680ij 5ijijW5.74.ij 8.ij).(91ijR0ij（3-4）nimjijijijDP1式中,i 和 j
17、分别为病害种类和轻重程度；n 为病害种类总数 ;mi 为 i 种病害的轻重程度等数;DPij 为 i 种病害和 j 种轻重程度的单项扣分值，它是破损密度 Dij 的函数;Dij 为 i 种病害 j 种轻重程度的板块数占调查路段板块总数的比例(%);A ij 和 Bij 为系数，见表 3.3;Wij 为同时出现破损时，i 种病害和 j 种轻重程度扣分值的修正系数;R ij 为各单项扣分值占总扣分值的比值。 表 3.3 计算单项扣分值的系数 Aij 和 Bij3.2.2 路面平整度指数 RQI道路服务水平是反映路面行驶质量最直观的指标，它同路面平整度、车辆的动态响应以及乘客对舒适性的要求和颠簸的接
18、受能力有关。研究表明: 平整度对路面行驶质量的影响最大，因此，将路面行驶质量近似看作是路面平整度的单变量函数，那么，RQI 的确定仅仅与平整度相关 6。采用连续式平整度仪或三米直尺连续测得路面不平整的统计标准差来作为平整度指标。平整度标准差以 S 表征，行驶质量指数以 RQI 表征。行驶质量指数 RQI 以 10 分制表示，同路面平整度指数从了之间的关系可参考下式计算：（3-5）IRRQI75.01本项目采用三米直尺连续测量，并以检测数据的标准差 分析路段平整度，为了求得RQI，通过比较公路水泥混凝土路面养护技术规范 (JTJ073.1-2001)中 RQI 的评价标准和公路养护技术规范(JT
19、J073-96)中的评价标准，采用回归分析可得到 RQI 和口的相关关系为：(3-6)987.0(,2.314RRQI由此，可采用上式由三米直尺得到的标准差 计算行驶质量指数 RQI。同时，本项目的表面抗滑能力采用摆式仪测得的数据进行评价，其标准参考公路沥青路面养护技术规范 (JTJ073.2-2001)选取，如表 3.2，对比 BPN 和 SFC 的评价标准，通过回归分析，可得到二者之间的相关关系为：(3-7)974.0(,58.146.2RBPNSFC上式可作为由摆值 BPN 计算横向力系数 SFC 的换算公式。3.2.3 路面综合评定指标 SI路面综合评定指标 SI，其值用分项指标加权计
20、算得出，取值范围为 0-10，用 SI 表示，采用下列公式计算：(3-8)321PSPSI(3-9)0/1C(3-10)RQI205SF(3-11)3S5.17.F38C式中，S1 为路面损坏状况所占分数；S2 为行驶质量所占分数；S3 为抗滑系数所占的分数；P1、P2 和 P3 为相应指标的权重，按公路性质、等级和相应指标的重要性确定。3.2.4 断板率 DBL依据路段破损状况调查得到的断裂类病害的板块数，按断裂种类和严重程度的不同，采用不同的权系数进行修正后，由下式确定该路段的断板率 DBL，以百分数表示:(3-12)nimjiji BSWDBL1/)(式中，DBL 为 i 种裂缝病害 j
21、 种轻重程度的板块数;W ij 为 i 种裂缝病害 j 种轻重程度的修正权系数，按表 3.4 确定；BS 为评定路段的板块总数。表 3.4 计算断板率的权系数 Wij 的取值3.3 数据处理方法1) 测定值的平均值、标准差、变异系数按下列各式分别进行计算:(3-13)10,1)(,21 XSCNXSXViiNi式中，Xi 为各测点的测定值;N 为一个评定路段内的测点数;X 为一个评定路段内测定值的平均值;S 为一个评定路段内测定值的标准差;Cv 为一个评定路段内测定值的变异系数 (%)。2)计算一个测定路段内测定值的代表值时，对单侧的检验的指标和双侧的检验指标，按下式各式分别计算:单侧检验：
22、（3-14）NtSX双侧检验： （3-15）t2/式中，X 为一个评定路段内测定值的代表值；t 或 t/2 :为 t 分布表中随自由度(N 一 1)和置信水平 a(保证率)而变化的系数。3)可疑数据舍弃。若无特殊要求时，可疑数据的舍弃宜按照 k 倍标准差作为舍弃标准，即在资料分析中，舍弃那些在 X 土 k.s 范围以外的测定值，然后再重新计算整理。当试验数据 N 为 3、4、5、6 个时，k 值分别为 1.15、1.46、1.67、1.82，大于或等于 7 时，k 值宜采用 3。4 路面使用性能预测路面在行车荷载和环境等因素的综合作用下，其使用性能随时间或行车荷载作用次数的增加不断衰减。当路面
23、使用性能下降到某一预定标准时，就必须采取相应的养护处理措施(如预防性养护处理或其它常用的养护处理对策) 以恢复或提高其使用性能。因此，有必要对路面的使用性能衰变过程进行准确的预测。4.1 预测方法4.1.1 力学法力学法是通过利用弹性理论模型(弹性层状体系或弹性地基板) 或粘弹性理论模型，通过结构分析得到路面在荷载作用下的应力、应变或位移反应。力学法有较为成熟的理论基础，但计算复杂，工作量大，而且养护工程师对相关的物理量应用很少而不甚关心收集这方面的数据，所以力学法由于缺乏足够的实际路面数据进行修正和验证而缺乏可行性。4.1.2 力学经验法力学经验法是利用由结构分析得到的路面在荷载作用下的应力
24、、应变或位移的反应来预估使用性能变量随时间的变化。这种方法由两部分组成：第一部分是力学分析，确定路面各结构层的模量值，计算在设计条件下的临界应力、应变或位移值；第二部分是建立路面反应(应力或应变等)同使用性能参数衰变速率之间的经验关系。4.1.3 经验(回归)法经验(回归) 法是利用多元回归分析技术建立回归方程，以预估使用性能变量随某些影响变量(如年数、交通、路面结构等) 的变化。采用经验(回归) 法建立的使用性能预测模型，结构简单，易于更新。尤其是当有些使用性能属性的衰变机理尚不清楚时，采用经验法具有明显的优势。然而采用经验法建立的模型，只是使用性能变量与其影响变量之间的某种程度的统计拟合，
25、并不反映影响变量对使用性能变量影响的物理性质的机理，其可靠性不仅取决于有关资料和数据的准确与充分，而且也依赖于建模人员对所选用的使用性能变量与其影响变量之间关系的理解和认识程度。4.2 模型分类各种使用性能预测模型可分为两种基本类型：确定型和概率型 7。4.2.1 确定型模型确定型模型是为路面寿命或某项使用性能指标预估出一个数值。确定型模型包括基本反应、结构性能、功能性能和使用寿命模型等。基本反应模型是预估路面在荷载和气候因素作用下的基本反应，如弯沉、应力和应变等。可以采用力学法、力学经验法或经验法，并通过应用野外观测数据进行标定后建模。结构性能模型既可以预估路面各种单项损坏，如开裂、车辙等，
26、也可以预估路面的综合损坏状况，如路面状况指数 PCI 等。多采用力学经验法或经验法建模。功能性模型用于预估路面行驶质量指数 RQI 或现时服务能力指数 PSI(Present Serviceability Index)、表面抗滑性能等。这些指标同使用者的舒适性、安全性和经济性密切相关。可采用力学经验法或经验法建模。使用寿命模型用于预估路面达到某预定损坏状况或服务水平时的使用寿命。如选用轴载作用次数指标，则适用于设计路面的养护和改建方案；如选用时间指标，则较多用于路面各种养护和改建方案之间的经济评价。可采用力学经验法和经验法建模。确定型模型根据力学或经验建立了一种具有特定数学形式的表达形式，虽然
27、该方法能够反映路面使用性能变化的一般规律，但由于数学形式的局限性，大多数模型只能考虑单一影响因素，无法反映路面使用性能复杂多变的特点 8。4.2.2 概率型模型概率型模型是预估路面寿命或某项使用性能指标的状态分布。概率模型包括残存曲线、马尔可夫(Markov)和半马尔可夫模型等。残存曲线是概率与时间关系曲线，反映路面经过一定使用年限或一定累计标准轴载作用后，在不采取大修和重建措施的情况下路面保持服务能力的概率。时间或轴载初始概率为 1.0，极限概率为 0。该曲线可以根据公路部门保存的有关路面修建、养护和改建活动的历史记录，确定新建或改建后每年需养护或改建的路面的比例后得到。概率型模型考虑了影响
28、路面使用性能变化的因素如荷载、环境、材料等的变异性，较好地反映了路面使用性能变化速率的不确定性，因此，采用概率型模型更能符合实际情况的变化，但在目前管理状况下，难以被管理者所接受，且其建立在回归的基础上，给模型带来了不容忽视的误差 9。除了确定型模型和概率型模型之外，随着人工智能技术的发展，更多的新技术已被应用到路面使用性能预测模型中，如专家系统模型和人工神经网络 ANN(Artificial Neural Networks)模型等。专家系统可融汇路面管理专家的经验，并建立一个知识库，从而使计算机能模拟人类专家对各条件下的路况进行预测。人工神经网络能够模拟人类的思考和判断过程，根据已有的历史数
29、据对其中的规律进行总结并对复杂预测问题提供实时的解答，预测时不需要专家的介入和专家的知识，在路面使用性能预测中有广泛的应用前景。5 预防性养护措施与时机选择5.1 水泥混凝土路面预防性养护措施5.1.1 封缝(Crack Sealing)封缝就是将掺有聚酯或聚丙烯纤维的结合料或改性结合料灌入路面裂缝的一种措施。封缝通过阻止水和不可压缩材料进入路面结构，减少了水的侵蚀，减缓了裂缝扩展速率，降低了水对基层材料的浸透，从而达到了延缓路面破坏速率和延长路面寿命的目的。然而封缝对当前的路面状况没有什么影响，如果仅采取封缝处理，混凝土路面的纵向开裂和横向开裂水平应当属于低级，而且路面没有出现其它缺陷 10。
