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【摘 要】近几年来,水泥混凝土路面以其经济、安全、舒适的特点如雨后春笋般出现,在交通运输中起着重要的作用。与此同时,水泥混凝土路面的病害也跟着肆意增长起来,最为常见的最易产生的当属啃边、掉角、错台、断板、唧泥等。本文通过多年的水泥混凝土路面施工经验,对此病害及产生结构性破坏的成因进行了分析。
【关键词】水泥混凝土;病害;成因分析
Defects Investigation and Analysis of Cement Concrete Pavement
Wen Chun-yan
(Luquan City highway administrative station Luquan Hebei 050200)
【Abstract】In recent years, cement concrete pavement with its economic, security, comfort features, such as mushroomed in public transport plays an important role. At the same time, cement concrete pavement of the disease also followed up wanton growth, the most common was undoubtedly the most easy to produce gnawing edge off angle, wrong units, broken plates, such as mud jack. In this article, the construction of cement concrete pavement many years of experience in this disease and cause structural damage to the causes were analyzed.
【Key words】Cement concrete; Disease; Reason analysis
随着我国经济的快速发展,高等级公路的建设里程也随之不断增加。水泥混凝土路面是高级公路最主要的路面结构形式之一。水泥混凝土路面往往达不到设计年限就已经发生了破坏,因此,如何提高水泥混凝土路面的使用寿命,充分分析现有路面的病害成因,从根本上揭示水泥混凝土路面病害的机理,提出在设计上可靠,施工中可行的科学有效方法是我们所研究的重点。
1. 水泥混凝土路面病害类型
1.1 表面损坏
(1)网裂、板面起皮和剥落。
(2)麻面、露骨。麻面是水泥混凝土路面板表面结合料磨失,路面板呈现过度的粗糙表面;露骨是路面混凝土保护层脱落导致骨料裸露。
(3)磨光。磨光是指水泥混凝土路面板在车轮荷载作用的重复辗磨后,表面磨擦系数下降到极限值以下。
(4)坑槽、孔洞。由于水泥混凝土混合料是种多相不均匀材料,因此在水泥混凝上路面板强度较低处易出现局部破损,并形成孔洞或坑槽。
1.2 混凝土路面的结构破坏
(1)裂缝
横向裂缝:横向裂缝是指垂直于路线方向的有规则的裂缝。
纵向裂缝:纵向裂缝是指跟路线走向平行或基本平行的裂缝。
交叉裂缝:两条或两条以上相互交叉的裂缝称为交叉裂缝。
板角断裂:板角断裂是指与板角两边接缝相等的贯穿水泥混凝土路面板全厚度的裂缝。
1.3 变形
水泥混凝土路面板的变形破坏是指水泥混凝土路面板接缝处产生的错台、唧泥和沉陷等现象。
(1)啃边、错台、唧泥。错台是指相邻水泥混凝土路面板在接缝处产生的垂直高差,相邻水泥混凝土路面板在车辆的重复荷载作用下,产生不均匀沉降。
(2)沉陷。沉陷则是指横缝两侧的混凝土路面板板体发生明显下沉的现象。
2. 水泥混凝土路面病害分析
2.1 水泥混凝土路面材料的特性。水泥混凝土路面刚度大、弹性模量高,混凝土面层材料的极限变形能力小,材料的脆性大,面层刚度也大,面层的变形适应能力就弱,面层与基层之间轻微的非无均匀脱空或者基层的弯沉超标均可使面层的承载力显著降低。水泥混凝土路面强度虽然很高,但实际刚性路面是否破坏往往取决于层间支承界面的位移边界条件,所以水泥混凝土路面往往是由脱空或弯沉位移控制的。水泥混凝土面层下基层的首要要求是给面层提供一个均匀的支撑面,要满足这个条件就要求基层的抗冲刷能力。不耐冲刷的基层表面,在渗入水和荷载的共同作用下,会产生泵吸、唧泥现象,造成板底脱空和错台等病害,引起路面行车颠簸,导致行车的不舒适,并加速和加剧板的断裂。提高基层的刚度,有利于改善接缝的传荷能力。然而,其作用只能是在基层未受冲刷的前提下才能得到保证,同时,其效果不如在接缝内设置传力杆。
可见,普通水泥混凝土路面不适应于基层和路基不均匀变形和不均匀沉降,要求具有相对稳固、均匀的路基和基层支撑条件。水泥混凝土路面的致命缺点之一在于水泥混凝土的脆性,致使刚性面层难以适应基层的较大变形或脱空,从而发生结构性破坏。
2.2 水造成板底脱空的机理。水沿着路面之间的横缝进入板下,会在路面板缝隙处聚集,因为路面板和基层间总是有缝隙的,在行车荷载作用下路面板产生泵吸、唧泥现象。如图,在车辆作用下,车轮首先将面板1压下,面板1下的水以一定速度向外喷挤,后车轮达到面板2,将面板2压下,面板2的水往外喷挤,与此同时,面板1回弹、面板1端部形成真空,将面板2底部喷出的水吸入面板1的底部,这一过程称为泵吸作用。由于水流速大,喷挤出的水流将基层中细料冲出,冲刷的细料一部分被挤到路表面,另一部分被喷挤到面板1下。这种细料被动水冲走的现象称为基层的冲刷。
这样反复作用,面板1的端部上升,面板的2端部脱空。这就是混凝土面板错台的原因,也是板端脱空的原因。
板端脱空和不均匀支撑在引起板端出现横向裂缝的同时,还会导致的角隅断裂;板中的不均匀支承导致板中部出现横向裂缝;另外,板底沿长边方向的脱空会导致板中出现纵向裂纹。
2.3 面层与基层间的界面状况分析
现行的水泥混凝土路面结构是将水泥混凝土直接浇筑在基层表面形成的,将混凝土直接浇筑在基层表面后,水泥砂浆渗入基层后形成的具有一定深度的,力学性质介于面层与基层之间的一个中间层(如图所示)。在面层混凝土浇筑在基层上后,中间层将面层与基层粘结为一个整体。
2.3.1 中间层的分离破坏。面层、基层和中间层紧密结合,形成了一个整体——这是水泥混凝土路面的层间结构初始状态。由于混凝土自身收缩、温度变形、外载的作用,割缝的顶端将由于应力集中而产生裂纹并向下扩展,在裂缝贯穿板厚的瞬间,混凝土板在裂纹两端附近的拉应力完全释放,就像一个拉紧的弹簧突然断开一样,混凝土板将产生巨大的回复力而使面层收缩,这种突然产生的回复力是非常巨大的。但是,基层将阻止这种回复运动,这就必然在连结界面产生巨大的剪力,剪力的作用将很快使中间层剪坏而形成水平方向的裂纹,这一裂纹使面层与基层沿中间层分离,形成分离界面,实际的分离界面可能是不规则的(如图所示)。这一界面把本来融为一体的面层、基层分为两部分,分离后的面层和基层各自存在一个破坏面,因分离界面附近材料破坏而形成了一个松散破碎层。混凝土面层底面面附近严重损伤且极不平整,极不均匀,有个别位置甚至会有粒径较大的碎石颗粒。
2.3.2 中间层对路面支承状况的影响。水泥混凝土面层与基层分离后,面层底面严重损伤且极不平整,层间将出现非均匀脱空。层间支承状况与路面破坏之间存在因果关系,面层与基层从初始的结合状态逐渐发展演变,这一过程中,路面结构的层间支承边界条件将发生变化,这些变化直接影响路面的受力状态。
面层与基层之间破碎层的出现,将对路面的破坏产生多种综合性的影响:
(1)破碎层非均匀膨胀,加剧路面非均匀脱空,使路面承载力下降;
(2)破碎层附近的界面损坏严重,在外载和环境因素作用下,积聚附着于面层底面的中间层的破坏;
(3)水沿着路面接缝进入面层与基层的界面后,在车辆荷载冲击作用下,会引起松散破碎层的冲刷脱空,使面层与基层接触状况进一步恶化。
因此,层间破碎层对路面破坏的影响是综合的,它既加剧附着于面层底面的中间层的损坏,有加剧非均匀的影响,并随水冲刷的掏空,使路面层间状况恶化。
基层表面特性的劣性导致不均匀支承和局部脱空,另外,这些变化破坏了路面板和基层之间预期的结构特性,使路面板不均匀地支承在不连续、且局部松散的层基上。因此,路面板的承载力大幅下降,在荷载的作用下,会引发路面板出现的诸多结构性病害。总之,基层的不均匀支承是水泥混凝土路面板断板、水泥混凝土路面产生结构性破坏的主要原因。
[文章编号]1006-7619(2010)12-25-234
【关键词】水泥混凝土;病害;成因分析
Defects Investigation and Analysis of Cement Concrete Pavement
Wen Chun-yan
(Luquan City highway administrative station Luquan Hebei 050200)
【Abstract】In recent years, cement concrete pavement with its economic, security, comfort features, such as mushroomed in public transport plays an important role. At the same time, cement concrete pavement of the disease also followed up wanton growth, the most common was undoubtedly the most easy to produce gnawing edge off angle, wrong units, broken plates, such as mud jack. In this article, the construction of cement concrete pavement many years of experience in this disease and cause structural damage to the causes were analyzed.
【Key words】Cement concrete; Disease; Reason analysis
随着我国经济的快速发展,高等级公路的建设里程也随之不断增加。水泥混凝土路面是高级公路最主要的路面结构形式之一。水泥混凝土路面往往达不到设计年限就已经发生了破坏,因此,如何提高水泥混凝土路面的使用寿命,充分分析现有路面的病害成因,从根本上揭示水泥混凝土路面病害的机理,提出在设计上可靠,施工中可行的科学有效方法是我们所研究的重点。
1. 水泥混凝土路面病害类型
1.1 表面损坏
(1)网裂、板面起皮和剥落。
(2)麻面、露骨。麻面是水泥混凝土路面板表面结合料磨失,路面板呈现过度的粗糙表面;露骨是路面混凝土保护层脱落导致骨料裸露。
(3)磨光。磨光是指水泥混凝土路面板在车轮荷载作用的重复辗磨后,表面磨擦系数下降到极限值以下。
(4)坑槽、孔洞。由于水泥混凝土混合料是种多相不均匀材料,因此在水泥混凝上路面板强度较低处易出现局部破损,并形成孔洞或坑槽。
1.2 混凝土路面的结构破坏
(1)裂缝
横向裂缝:横向裂缝是指垂直于路线方向的有规则的裂缝。
纵向裂缝:纵向裂缝是指跟路线走向平行或基本平行的裂缝。
交叉裂缝:两条或两条以上相互交叉的裂缝称为交叉裂缝。
板角断裂:板角断裂是指与板角两边接缝相等的贯穿水泥混凝土路面板全厚度的裂缝。
1.3 变形
水泥混凝土路面板的变形破坏是指水泥混凝土路面板接缝处产生的错台、唧泥和沉陷等现象。
(1)啃边、错台、唧泥。错台是指相邻水泥混凝土路面板在接缝处产生的垂直高差,相邻水泥混凝土路面板在车辆的重复荷载作用下,产生不均匀沉降。
(2)沉陷。沉陷则是指横缝两侧的混凝土路面板板体发生明显下沉的现象。
2. 水泥混凝土路面病害分析
2.1 水泥混凝土路面材料的特性。水泥混凝土路面刚度大、弹性模量高,混凝土面层材料的极限变形能力小,材料的脆性大,面层刚度也大,面层的变形适应能力就弱,面层与基层之间轻微的非无均匀脱空或者基层的弯沉超标均可使面层的承载力显著降低。水泥混凝土路面强度虽然很高,但实际刚性路面是否破坏往往取决于层间支承界面的位移边界条件,所以水泥混凝土路面往往是由脱空或弯沉位移控制的。水泥混凝土面层下基层的首要要求是给面层提供一个均匀的支撑面,要满足这个条件就要求基层的抗冲刷能力。不耐冲刷的基层表面,在渗入水和荷载的共同作用下,会产生泵吸、唧泥现象,造成板底脱空和错台等病害,引起路面行车颠簸,导致行车的不舒适,并加速和加剧板的断裂。提高基层的刚度,有利于改善接缝的传荷能力。然而,其作用只能是在基层未受冲刷的前提下才能得到保证,同时,其效果不如在接缝内设置传力杆。
可见,普通水泥混凝土路面不适应于基层和路基不均匀变形和不均匀沉降,要求具有相对稳固、均匀的路基和基层支撑条件。水泥混凝土路面的致命缺点之一在于水泥混凝土的脆性,致使刚性面层难以适应基层的较大变形或脱空,从而发生结构性破坏。
2.2 水造成板底脱空的机理。水沿着路面之间的横缝进入板下,会在路面板缝隙处聚集,因为路面板和基层间总是有缝隙的,在行车荷载作用下路面板产生泵吸、唧泥现象。如图,在车辆作用下,车轮首先将面板1压下,面板1下的水以一定速度向外喷挤,后车轮达到面板2,将面板2压下,面板2的水往外喷挤,与此同时,面板1回弹、面板1端部形成真空,将面板2底部喷出的水吸入面板1的底部,这一过程称为泵吸作用。由于水流速大,喷挤出的水流将基层中细料冲出,冲刷的细料一部分被挤到路表面,另一部分被喷挤到面板1下。这种细料被动水冲走的现象称为基层的冲刷。
这样反复作用,面板1的端部上升,面板的2端部脱空。这就是混凝土面板错台的原因,也是板端脱空的原因。
板端脱空和不均匀支撑在引起板端出现横向裂缝的同时,还会导致的角隅断裂;板中的不均匀支承导致板中部出现横向裂缝;另外,板底沿长边方向的脱空会导致板中出现纵向裂纹。
2.3 面层与基层间的界面状况分析
现行的水泥混凝土路面结构是将水泥混凝土直接浇筑在基层表面形成的,将混凝土直接浇筑在基层表面后,水泥砂浆渗入基层后形成的具有一定深度的,力学性质介于面层与基层之间的一个中间层(如图所示)。在面层混凝土浇筑在基层上后,中间层将面层与基层粘结为一个整体。
2.3.1 中间层的分离破坏。面层、基层和中间层紧密结合,形成了一个整体——这是水泥混凝土路面的层间结构初始状态。由于混凝土自身收缩、温度变形、外载的作用,割缝的顶端将由于应力集中而产生裂纹并向下扩展,在裂缝贯穿板厚的瞬间,混凝土板在裂纹两端附近的拉应力完全释放,就像一个拉紧的弹簧突然断开一样,混凝土板将产生巨大的回复力而使面层收缩,这种突然产生的回复力是非常巨大的。但是,基层将阻止这种回复运动,这就必然在连结界面产生巨大的剪力,剪力的作用将很快使中间层剪坏而形成水平方向的裂纹,这一裂纹使面层与基层沿中间层分离,形成分离界面,实际的分离界面可能是不规则的(如图所示)。这一界面把本来融为一体的面层、基层分为两部分,分离后的面层和基层各自存在一个破坏面,因分离界面附近材料破坏而形成了一个松散破碎层。混凝土面层底面面附近严重损伤且极不平整,极不均匀,有个别位置甚至会有粒径较大的碎石颗粒。
2.3.2 中间层对路面支承状况的影响。水泥混凝土面层与基层分离后,面层底面严重损伤且极不平整,层间将出现非均匀脱空。层间支承状况与路面破坏之间存在因果关系,面层与基层从初始的结合状态逐渐发展演变,这一过程中,路面结构的层间支承边界条件将发生变化,这些变化直接影响路面的受力状态。
面层与基层之间破碎层的出现,将对路面的破坏产生多种综合性的影响:
(1)破碎层非均匀膨胀,加剧路面非均匀脱空,使路面承载力下降;
(2)破碎层附近的界面损坏严重,在外载和环境因素作用下,积聚附着于面层底面的中间层的破坏;
(3)水沿着路面接缝进入面层与基层的界面后,在车辆荷载冲击作用下,会引起松散破碎层的冲刷脱空,使面层与基层接触状况进一步恶化。
因此,层间破碎层对路面破坏的影响是综合的,它既加剧附着于面层底面的中间层的损坏,有加剧非均匀的影响,并随水冲刷的掏空,使路面层间状况恶化。
基层表面特性的劣性导致不均匀支承和局部脱空,另外,这些变化破坏了路面板和基层之间预期的结构特性,使路面板不均匀地支承在不连续、且局部松散的层基上。因此,路面板的承载力大幅下降,在荷载的作用下,会引发路面板出现的诸多结构性病害。总之,基层的不均匀支承是水泥混凝土路面板断板、水泥混凝土路面产生结构性破坏的主要原因。
[文章编号]1006-7619(2010)12-25-234