水泥混凝土路面裂缝成因及防治措施

孙 艳

（山西省公路局长治分局勘测设计所，山西 长治 046000）

水泥混凝土路面裂缝成因及防治措施

孙 艳

（山西省公路局长治分局勘测设计所，山西 长治 046000）

通过对水泥混凝土路面裂缝形成机理的分析，结合裂缝形成的影响因素，提出了水泥混凝土路面裂缝预防及处治措施。

水泥混凝土路面；裂缝；防治措施

1 前言

水泥混凝土路面的损坏类型较为复杂，通常包括结构性损坏和非结构性损坏两类，其中严重裂缝（断板）、错台、碎裂、沉陷、拱起等病害属于结构性损坏，磨光、麻面、露骨、接缝材料损坏、孔洞坑槽等病害属于非结构性损坏。在诸多损坏类型中，裂缝类损坏最为普遍，其表现形式一般有：表面裂缝（包括龟裂）、贯穿裂缝（包括横向、纵向、交叉裂缝）、板角断裂及化学反应引起的裂缝等。每种裂缝的表观形貌不同，形成机理不同，相应的预防及处治方法也各不相同。

开裂现象在我国高速公路及城市道路水泥混凝土路面中普遍存在，这与我国水泥混凝土路面施工质量差、设计强度低、面板薄等因素有关，还与路面建成后的养护维修不及时密切相关。经大量调查发现，我国水泥混凝土路面多在使用5年后出现各种不同程度的损坏，有些重载地区病害出现的时间甚至更早，因此国内一些公路管理部门将其形象地称为“五年现象”。

2 裂缝分类

水泥混凝土路面裂缝的形式很多，其分类方法也各有不同。按裂缝宽度、是否有错台或沉陷现象，可将裂缝分为轻度裂缝、中等裂缝及严重裂缝3个等级；按裂缝在路面板中的位置，可将裂缝分为贯穿裂缝、表面裂缝和埋藏裂缝；按裂缝在外力作用下的扩张方式，可将裂缝分为张开型裂缝、滑开型裂缝、撕开型裂缝和复合型裂缝；按裂缝出现的时间，可将裂缝分为早期裂缝和使用期裂缝。裂缝类型不同，其相应的特点和处治方法亦不相同。

3 裂缝形成机理

水泥混凝土路面开裂机理及破坏过程十分复杂，它不仅涉及到混凝土材料、路面设计理论和方法，还与交通荷载、温度应力的计算理论和方法以及其他学科密切相关。对于普通混凝土结构物，有关文献认为其开裂原因主要有4种：一是混凝土收缩变形受到约束产生裂缝；二是混凝土结构受力产生裂缝；三是混凝土化学反应产生胀裂；四是混凝土自身的塑态裂缝。道路混凝土由于在结构设计、材料设计、受力方式、性能要求及环境影响等方面有其独特性，其开裂机理及过程明显不同于其他混凝土工程。

在断裂力学和损伤力学的基础上，参考相关研究成果，水泥混凝土路面的开裂机理及过程可概述如下：

水泥混凝土路面板在投入使用前，其底部已经存在了一些初始裂缝。这种裂缝导致路面板在荷载作用下产生了应力强度因子，作用荷载越大，应力强度因子越大。根据断裂力学的基本原理，如果荷载在裂缝端部造成的应力强度因子小于路面混凝土的稳定开裂韧度时，则板底裂缝处于稳定状态；如果应力强度因子大于稳定开裂韧度时，则裂缝稳定扩展；如果应力强度因子等于断裂韧度时，裂缝失稳并造成路面板发生断裂破坏。一般情况下，车辆荷载在裂缝尖端造成的应力强度因子小于新铺水泥混凝土路面的稳定开裂韧度。所以，按照常理，只有随着荷载的不断增大，板底裂缝尖端附近区域混凝土的稳定开裂韧度下降到一定水平时，应力强度因子才会大于混凝土的稳定开裂韧度。

此外，根据损伤力学的原理，车辆荷载的反复作用，使得水泥混凝土路面的损伤度不断增加，稳定开裂韧度会不断降低。与此同时，由于路面早期裂缝的形成和受力的特点，水泥混凝土路面在荷载作用下，板底早期裂缝尖端附近区域内的损伤最为严重，所以该区域的韧度下降的最快。在荷载的反复作用下，路面中性轴不断上移，经过一定量的损伤积累后，板底裂缝尖端附近区域的韧度下降速度非常快，一旦下降到应力强度因子可以逾越的水平，则路面板底裂缝稳定扩展，尖端向上移动。新的裂缝尖端附近的混凝土又以较高的抗裂韧度阻止已有裂缝的继续扩展，于是就开始了新一轮的损伤积累。随着荷载作用次数的增加，上述过程周而复始地发生，路面裂缝逐步发展，损伤也逐渐积累。随着裂缝深度的逐渐增加，荷载在裂缝尖端造成的应力强度因子也越来越大，最终达到水泥混凝土路面失稳时的开裂韧度，路面板随即发生断裂破坏。这就是水泥混凝土路面开裂和破坏的全过程。

4 影响因素

水泥混凝土路面发生开裂破坏的影响因素很多，其中影响因素较为重要的有：

（1）路面基层对混凝土面层开裂的影响。水泥混凝土路面直接浇注在基层表面，并与基层形成具有一定黏结力的过渡层。在道路混凝土凝结硬化过程中，一般情况下都会产生收缩现象，而路面与基层之间的过渡层制约了混凝土路面板的收缩，在板底产生拉应力及层间水平剪应力，致使路面板底出现早期微裂缝。此外，有些基层（如水泥稳定类基层）的配比设计、施工不当，也会使基层顶面出现收缩裂缝，并直接反射到混凝土路面板上。路基不均匀沉降也是引发混凝土路面产生裂缝的重要原因。

（2）汽车动荷载及超载的影响。与其他混凝土结构物的裂缝相比，混凝土路面裂缝的发展过程有其独特性。一般情况下，普通混凝土结构物只承受静荷载，路面结构虽然在设计时也按静载考虑，但只适合于交通量小、轴载较轻、车速较低的情况，对于车辆高速行驶的情况，静荷载模式与路面的实际受力状态则相差甚远，此时混凝土路面内的微裂缝迅速发育、集结，并形成宏观裂缝。另外，超载车辆的作用是目前水泥混凝土路面过早出现损坏以及裂缝普遍出现的重要诱因。

（3）排水不畅对路面裂缝的影响。在路面排水不畅的情况下，水沿孔隙和裂隙到达基层或混凝土面层中，使石灰粉、煤灰稳定类或水泥稳定类基层遭受冲刷，使混凝土产生湿胀应力。一般无机结合料稳定类基层材料在动水压力作用下会产生溶蚀现象，基层中的Ca（OH）2流失，将使材料强度受到损失甚至变得松散，为裂缝、唧泥、错台的出现提供了条件。浸入面层混凝土内的水如果不及时排出，在动荷载作用下，将导致水化物分解，而且水还会在凝胶与集料的黏结面上产生解吸作用，削弱界面黏粘结性能，干湿交替更加大了这种破坏。此外，水还可以使裂缝端部的化学应力变弱，降低了对裂缝扩展的阻碍作用。因此，完善排水系统也是减少混凝土路面裂缝的根本措施之一。

5 裂缝的预防与处治

早期裂缝产生的原因主要是原材料不合格、基层标高失控和不平整、混凝土配合比不当、施工工艺不当；使用期裂缝产生的主要原因是设计不当、超重车的影响、基层不均匀沉陷、基层失稳、排水不良。因此，针对不同成因的裂缝应采取相应的预防与处治措施。

对于早期裂缝的预防，重要的预防措施是保证原材料的质量，尽量使用优质的各类原材料。特别是水泥，应选用发热量少、收缩量小的硅酸盐道路水泥或普通硅酸盐水泥，禁止使用稳定性差的水泥；要严格控制基层顶面标高，确保水泥路面板厚度均匀一致；严格控制水泥混凝土配合比，各种材料称量要准确；施工控制应落到实处，如拌和及振捣时间、机械配置、施工缝处理、面板养生、切缝时间、传力杆安装等等。

对于使用期裂缝的预防，主要措施有：确保路面板设计能够满足交通发展的要求，特别是面板厚度设计应有适宜的可靠度；加强路面的排水设计，注重混凝土材料的耐久性设计；依法治路，限制超载车辆通行；严格控制路基、路面基层施工质量，对特殊地段要特殊处理；严防不均匀沉陷发生；处理好面层与基层间的结合；提高基层水稳定性，防止唧泥。

水泥混凝土路面的裂缝处治应根据破损程度不同而区别对待。对于路面早期轻微裂缝，或裂缝宽度＜3 mm的裂缝，应选用适宜的灌缝材料及时封堵。对于伴有剥落的裂缝，或较宽的裂缝，应局部开槽修补。对于裂缝伴有严重的剥落、错台或裂块已活动的断板，必须整板更换。

6 结论

对于水泥混凝土路面来说，由于其组成材料的固有特性，再加上路面施工过程中受到各种因素的影响，裂缝的出现是不可避免的。但通过对裂缝形成机理的研究，尝试更加有效的预防处治措施，能够有效地提高水泥混凝土路面的使用寿命和服务质量。

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