李华超
(云南省交通规划设计研究院，云南昆明 650011)
现代意义的水泥混凝土路面是由英国工匠Leads和J.Aspadin发明的，最开始在英国修筑了全球第一条水泥混凝土路面。我国的水泥混凝土路面始于1928年的浙江奉化，至今有84年历史。“七五”以来，国家交通运输管理部门对水泥混凝土路面予以了高度重视和大力推广，在技术上进行了攻关，取得了较好成绩。水泥混凝土路面病害很多，探讨其分类和成因有一定实践价值。
1 水泥混凝土路面概述
1.1 水泥混凝土路面的基本要求
我国石灰石资源丰富，因此水泥混凝土路面投资相对较少。水泥混凝土路面具有承载能力强、高温稳定性好、车辆油耗低、使用寿命长等优点，但也存在舒适性差、面板不适应大沉降差、维修力度大等缺点。其对路面的基本要求有:
1)有足够的强度。路面整体结构和各组成部分必须具备足够的强度，才能抵抗行车载荷，避免路面产生过大的变形或破坏。
2)有足够的稳定性。当温度、湿度等变化时，路面结构应能承受各种变化，具有足够的稳定性，避免路面随意产生翘曲、拱胀等现象。
3)有足够的抗滑性能。车轮在下雨、高速行驶、转弯、爬坡等过程中，如果车轮与路面的摩擦力不足，将产生打滑、空转、耗油等情况，严重的可能导致交通事故。所以，水泥混凝土路面应具有较好的抗滑性能，保证粗糙度。
4)有足够的平整度。不平整的路面会积滞雨水，影响行车速度和行车舒适度，路面破坏速度更快。因此路面应保持一定的平整度，减小车辆对路面的冲击力，提高行车安全与舒适度，降低油耗。
1.2 水泥混凝土路面的结构设计和路面施工
水泥混凝土路面设计的内容包括结构组合设计、面层接缝构造和配筋设计、路面排水设计、路肩铺面结构层组合设计、层面厚度设计、各结构层材料组成设计、路面表面特性设计等［1］。路面结构设计的步骤一般分为七个:采集数据→初拟路面类型和结构层组合方案→各结构层混合料组成设计和力学性质试验→选择确定有关设计参数→进行结构分析→进行各路面结构方案的寿命周期费用分析→综合各方面的分析和考虑，选择最终设计方案。水泥混凝土路面施工在施工前要做好材料准备工作，例如水泥、水、粗集料与细集料、外加剂等。然后根据对路面混凝土的强度、工作性、耐久性及经济性的要求，确定混凝土的水泥、水、粗集料、细集料、外加剂和掺合料各个部分的配合比例，小工程中一般采用经验公式法，大工程中一般采用正交实验法。具体施工前，首先要选择混凝土拌合产地，采取集中或沿线选择场地的方式;其次进行材料试验和混凝土配比设计，最后是做好基层的检查与整修。
2 水泥混凝土路面典型病害成因分析
水泥混凝土路面的病害形式很多，从实践上看病害原因主要包括路面板断裂、路面变形、路面接缝和一些表面病害。
2.1 路面板断裂
在工程实例中，路面断裂现象经常发生。路面断裂处置不当，可能影响到路面的寿命，严重的直接影响交通安全。路面板断裂病害一般分为裂缝、破碎、断角和补块四种。
1)路面板裂缝。由于水泥混凝土属于脆性材料，在温度和湿度变化的情况下，混凝土会硬化并产生体积变形。水泥混凝土中几种不同材料互相约束会造成水泥石胶结面之间或水泥石本身产生微细裂缝，但外界因素作用下，就可以发展为宏观裂缝。在初期产生的路面板裂缝，主要是因为原材料使用不合格、施工工艺不当、混凝土配合比例不当等造成的;而在公路使用期产生的裂缝，主要是由于设计不当、大吨位车辆影响、路基不均匀沉降和基层失稳等原因造成的。
2)路面板破碎。裂缝变大，路面板在3块以上时，称为水泥混凝土路面板破碎。路面板破碎产生的原因主要是温度变化、荷载过大等造成的。由于水泥混凝土面层是受约束的，所以在低温或者温度突然降低的情况下，中间会产生拉应力或拉应变，一旦超过水泥混凝土的抗拉强度或极限拉应变，面层就会开裂［2］;当持续升温时，水泥混凝土积聚膨胀，当温度应力超过水泥混凝土的极限抗压应力，也会造成水泥混凝土面板的断裂。当低温或高温持续反复，而路面没有得到及时修补，就会形成破碎的情况。此外，水泥混凝土路面在重载车辆的反复碾压下，路面内产生的应力会超过结构抗力，路面材料就会发生疲劳破坏形成裂缝。
3)路面板断角。水泥混凝土路面发生的裂缝，当发展到与路面板的纵横接缝相交，且两交点距角点均在一个板厚以上和半个边长以下，这种情况就是路面板断角病害。断角病害是由于路基的沉降不均匀或产生了失稳引起路面基层或土层发生塑性变形，使路面板角失去支撑，加上板块厚度不足，在重车作用下板角竖向位移太大，造成路面板角上表面的拉应力过大，超过疲劳极限开裂形成的。
4)路面补块。当水泥混凝土路面板损坏到只能用水泥混凝土进行局部全厚式修补程度时，就是补块病害。补块病害主要是由补块自身和补块下基层的原因引起的。原材料较差、混凝土配合比不合理、面层养生不规范都是补块自身的原因;而路基沉降不均匀、基层表面不平整、施工控制不严格是基层的原因。
2.2 路面变形
路面变形是水泥混凝土路面常见的另一类病害，在公路养护维护中经常遇到。路面变形包括脱空唧泥、错台、拱起和沉陷等。
在类似云南这样的多雨地区，脱空唧泥是破坏路面的主要形式:当车辆通过脱空的路面板时会有明显的活动感，发生唧泥现象，而且路面板接缝处有污染，基层材料较多。产生这种现象的原因，主要是受到重载车辆的频繁碾压、路基或基层材料较松散以及面板和基层之间存在自由水。
当路面板接缝两边发生3 mm以上高差，就会影响到车辆的行车安全，这就是路面错台病害。路基不均匀沉降是引起水泥混凝土路面错台的主要原因，而在路基填土压实度不足、地基中存在软弱土层、路基刚度差异显著、路堤填料不均匀和地下水作用时，就会引起路基的不均匀沉降。
路面板横缝两侧的板体由于受到热胀会发生明显抬高现象，就会导致路面拱起。路面拱起的处置方法一般通过切割拱起部位使其复位，然后再进一步处理。导致路面拱起的原因主要是温度应力变化和伸胀变形。
沉陷是指由于路基顶面垂直变形过大而导致的路面产生严重下陷变形。路面沉陷主要是由路基的沉降引起的:路基的沉降一方面能引起地基沉降，另一方面是路堤填土自身的压缩变形使填土颗粒间结构体位变化。
2.3 路面接缝
路面接缝病害包括接缝剥落、纵缝张开、接缝填缝料损坏等，这种病害在路面维护中也占有一定比例。
接缝剥落是指沿路面板接缝每侧约一个板厚的宽度范围内路面板发生的碎裂现象，而且裂缝面与板面呈一定的角度，但没有全部贯通板厚。接缝剥落的原因，一方面是填缝料的老化，另一方面是施工不当造成的。
路面板的纵缝如果没设拉杆或拉杆数量设计不够，或者拉杆损害而造成纵向接缝两侧板块缝隙3 mm以上，称为纵缝张开病害。当相邻两块面板板边之间发生相对位移(不是多块面板的集体位移)时，就会导致水泥混凝土路面的接缝宽度发生变化。
由于填缝料老化、与接缝壁剥离，或者接缝填缝料损坏、被挤出或被车轮带出，接缝就会开裂、渗水或出现空隙。接缝填料损坏主要是由材料老化引起的，施工阶段的热老化占主导地位;而营运阶段则是臭氧老化、光氧老化占主导地位。
2.4 路面表面病害
路面表面病害，主要是水泥混凝土路表面出现的各种裂纹、层状剥落、露骨和坑洞等现象。裂纹是裂缝中较小的路面纹路，如发丝大小。虽然对混凝土面板的整体性影响很小，但随着时间推移也会影响到路面的强度和使用寿命，增加混凝土板面断裂破坏的可能性。裂纹出现的原因主要是混凝土的塑性收缩、自收缩和温度收缩共同引起的。层状剥落是路面因冰冻侵蚀、碱活性集料反应等造成的浅层碎裂剥落的病害，一般采取浅层结合修补法进行处治。路面露骨是指路面板表面面积大于1 m2以上时，细集料散失和粗集料暴露，路面表层出现麻面的情况。露骨病害的原因，主要包括水泥不合格、砂子不达标、集料不良、配合比不准确、搅拌时间不正确等造成。坑洞是由于面层集料局部脱落和面层的集料局部脱落出现的路面洞穴。坑洞的出现，是由局部表面层砂石材料含泥量过大、混凝土中有泥土等杂质导致的。
3 水泥混凝土路面的养护与管理
公路养护以预防为主、防治结合，建养并重、协调发展是公路交通事业自身发展的客观要求。水泥混凝土路面的养护和维护主要包括日常养护、路面破损处理和使用状况改善，结合水泥混凝土路面的典型病害，谈以下两个方面的养护与管理办法。
3.1 裂缝修补方法
1)维修材料的选择。裂缝修补的材料可分为补强材料和密封材料两类。补强材料:水泥混凝土路面由于裂缝造成强度不足，用补强材料可以恢复整板的传荷能力;密封材料:水泥混凝土路面因干缩、温缩等原因出现贯穿裂缝，为防止雨水、空气等侵蚀、裂缝扩大，可选用密封材料封闭裂缝。补强材料主要有环氧树脂、改性环氧树脂、酚醛和各种改性酚醛树脂类胶粘剂;密封材料主要有聚氨酯类、烯类、橡胶类、沥青类胶粘剂。
2)维修方法的选择。第一种:注浆法。注浆法又分为灌入粘结剂法和扩缝灌浆法。灌入粘结剂法可以选择聚氨酯、聚硫环氧树脂、日产BI-GROUP等高分子树脂工程材料。裂缝宽度小于1.5 mm的裂缝，一般采用聚硫改性环氧树脂;宽度在1.5 mm～2.5 mm的裂缝，一般采用聚氨酯多元醇和多异氰酸脂预聚体和固化剂;裂缝宽度大于2.5 mm时一般采用日产BI-GROUP高分子粘结剂。扩缝灌浆法在操作时，要注意控制沟槽的深度，最大深度不应超过2/3板厚;混凝土碎屑清除后，填入的清洁石屑粒径约为0.3 cm～0.6 cm;灌缝材料需要加温时，温度控制在50℃ ～60℃为宜。第二种:全厚式开槽法。当裂缝较大时，一般采用全厚式开槽法处理。这种方法又分集料嵌锁法、倒T形法和整块板更换等方法。集料嵌锁法适用于无筋混凝土路面的断裂维修，将修补的混凝土路面沿面板平行于横向缩缝划线，沿划线用切割机进行全深度切割，在补块的外侧4 cm位置锯5 cm深的缝，浇筑与原混凝土材料、配比一致的混凝土。倒T形法适用于接缝间传荷很差的位置，施工要求与集料嵌锁法基本一致，只是在相邻横边的下方要暗挖15 cm×15 cm的面积用于荷载传递。整块板更换法适用于:路面板块被几条裂缝分割为3块以上的破碎板，且有沉降时;路面板发生脱空断裂、断角等损坏时;因行车需要紧急抢修工程时。施工步骤是先将整块板采用切割机和人工击碎清除，然后处置好基层以及路基后，重新浇筑混凝土(或者用预制块填补)。
3.2 接缝修补方法
1)材料选择。水泥混凝土路面接缝修补材料分为加热施工式填缝料和常温施工式填缝料，加热施工式填缝料主要用聚氯乙烯胶泥、橡胶沥青和ZJ型填缝料;常温施工式填缝料有聚氨酯焦油类、聚氨酯类、M950灌缝胶和硅酮嵌缝胶。选择材料时，根据材料特性功能、材料寿命、防水情况、成本等综合考虑决定。
2)维修方法选择。水泥混凝土路面的接缝包括纵向施工缝、纵向缩缝、横向施工缝、横向缩缝、横向胀缝等，接缝容易引起水和砂子的进入，导致面板的损坏。
a.接缝填缝料损坏的维修。首先用小扁凿、清缝机把旧缝填料和杂物清除掉，然后作胀缝修理，用热沥青涂刷缝壁，把接缝板压入缝内。加热式填缝料修补时，应将填缝料加热到灌入的温度，过滤杂物;常温式填缝料修补时，无需加热，施工方法与加热式填缝料修补一致。
b.纵向接缝张开的维修。相邻车道面板横向位移、纵向接缝张开宽度小于10 mm时，采用聚氯乙烯胶泥、橡胶沥青等加热填缝料;相邻车道面板横向位移、纵向接缝张开宽度在10 mm～15 mm时，采用聚氨酯类常温施工式填缝料进行维修;当纵向接缝口宽度在15 mm～30 mm时，用沥青砂填缝。
c.接缝板边出现碎裂时的维修。首先，在破碎部位的边上用切割机切成规则的图形，底面确保平整;然后清除混凝土碎块，吹干净灰尘，保证干燥;用高模量补强材料填充，达到通车强度后可以开放。
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