水泥混凝土路面裂缝成因分析中的关键技术研究

束 兵 彭建和

（安徽省水利部淮河水利委员会 水利科学研究院 合肥 233000）

水泥混凝土路面裂缝成因分析中的关键技术研究

束 兵 彭建和

（安徽省水利部淮河水利委员会 水利科学研究院 合肥 233000）

某市主干道在运行期间，混凝土面板大面积产生裂缝、断角，严重影响到路面的正常使用，需进行检测并提出修复建议。本文针对该工程检测工作中的关键技术问题，从路面和路基两个方面进行阐述，对路面混凝土厚度、路面混凝土强度、路面土的压实度、路面土的液塑限及自由膨胀率等指标进行检测和分析，最后根据各指标的检测结果总结分析裂缝成因，供相关单位参考。

道路工程；关键技术；检测；路面；路基；裂缝

某主干道长约3.4km，道路断面为城市道路四块板形式，其中，快车道8.0m×2，慢车道4.0m×2，人行道及绿化带10.0m×2，快车道道路结构层从路面至下分别为：24cm厚35#水泥混凝土面层，30cm厚石灰、粉煤灰、碎石基层（比例为1∶2∶3），素土夯实。道路南半侧目前已经出现混凝土面板大面积裂缝、破碎、断角，有的地段出现路面脱空、错台，出现接缝剥落、接缝填料损坏病害，严重影响到路面的正常使用，给来往车辆的行车安全及车辆的使用寿命造成不利影响。为了解该道路质量现状，调查道路破损成因，需对该条道路进行检测，其中关键的技术指标有：（1）路面混凝土厚度；（2）路面混凝土强度；（3）回填土的压实度；（4）回填土的液塑限及自由膨胀率；（5）基层成型情况；（6）车辆行驶情况调查及其他破坏原因分析等。笔者对以上关键技术进行研究，分析道路出现裂缝原因，以期为下一步处理提供依据。

1 路面病害调查及分析

对该路破损处逐一按对应道路桩号、板号顺序进行破损情况直观描述、拍照取证并分析，记录混凝土路面外观缺陷，按照其破坏类型与破坏程度，分析损坏规律，并作为初步分析其破损原因的重要依据。根据实际情况，在裂缝描述中，将水泥混凝土路面的病害分为4大类，分别为：一般断裂病害（线裂、交叉裂缝等）、严重破碎病害（面板裂缝多于三条的、网状的，错台、拱起严重的等）、板角断裂病害、接缝破损病害（接缝料破损、边角剥落等）。该整条路共有板块2704块，一般断裂病害破损板数为555块、破损率为20.5%，板角断裂病害破损板数为54块、破损率为2.0%，严重破碎病害99块、破损率为3.7%，接缝破损病害破损板数为4块、破损率为0.1%。左仓（南侧）较右仓（北侧）破损严重。

1.1 路面混凝土厚度检测

根据文献[1-3]，采用钻芯法钻取芯样，直接量测水泥混凝土路面的实际厚度，该路共抽测18处，其中有破损路面抽测15处，完好路抽测3处。由计算可得，该路段水泥混凝土路面面层厚度的均值h＝223mm、面层厚度的标准差s＝31.0mm、厚度的标准值H＝191mm。

1.2 路面混凝土强度检测

路面混凝土强度共进行了水泥混凝土圆柱体劈裂抗拉强度试验，并换算成混凝土抗弯拉强度；水泥混凝土小梁法抗弯拉试验；水泥混凝土抗弯拉试件断块抗压强度试验，并进行整体分析。

1.2.1 水泥混凝土圆柱体劈裂抗拉强度试验

根据文献[3-5]，对水泥混凝土路面钻取直径为150mm的芯样，检测路面混凝土现有劈裂抗拉强度，并换算成混凝土抗弯拉强度。该路共钻取18个芯样，其中在路面破损处钻取15个芯样，完好路面钻取3个芯样。按文献[4]中水泥混凝土圆柱体劈裂抗拉强度试验方法将芯样在进行强度试验前先进行调湿，在标准养护室养护24h后，取出试件，用湿布覆盖，并测量出直径、高度，检查外形；在试件中部划出劈裂面位置线后，置于压力试验机实测芯样劈裂强度，加荷速度严格控制在0.05～0.08MPa/s内。

1.2.2 水泥混凝土小梁法抗弯拉试验

现场采用切割机切取水泥混凝土路面，并在试验室内加工成150mm×150mm×550mm的试件。其中，该路段共制作4个试件，按文献[4]中水泥混凝土抗弯拉强度试验方法要求，采用专用混凝土弯折试验机进行小梁的抗弯拉强度测试，加荷速度严格控制在0.05～0.08MPa/s内。

1.2.3 水泥混凝土抗弯拉试件断块抗压强度试验

室内试验及数据处理依据文献[4]进行。在完成抗弯拉试验后，将断块进行切割，制作成150mm×150mm×150mm的标准立方体试件，采用压力试验机测试其抗压强度，加荷速度严格控制在0.5～0.8MPa/s内。

1.2.4 强度分析意见

（1）该路混凝土设计标号为C35，水泥混凝土抗弯拉试件断块抗压强度值为37.3～57.8 MPa。

（2）该路现场切割小梁法测得水泥混凝土抗弯拉强度为3.91～5.33 MPa，平均值为4.46 MPa。现场取芯圆柱劈裂抗拉换算弯拉强度法共抽测18处，其中有破损路面抽测15处，完好路抽测3处。所有抽测部位的面层混凝土弯拉强度标准值为4.46 MPa；破损路面处面层混凝土弯拉强度标准值为4.41 MPa；完好路面处面层混凝土弯拉强度标准值为4.63 MPa。从上述数据可见，路面面层混凝土实测弯拉标准值小梁法与圆柱劈裂抗拉换算弯拉强度法结果基本一致，基本能达到4.5 MPa要求；且完好路面面层混凝土弯拉强度标准值与破损路面的弯拉强度标准值相差不大，这些差异与混凝土板断裂破损后产生的内部微裂缝引起弯拉强度降低有关。

2 回填土的检测情况

2.1 回填土的压实度检测

该路现场挖除混凝土面层与三渣基层各6处，对路床回填的土体性质进行检验。取土重新进行击实试验（重型）测其最大干密度、最优含水量；分别选取破损路面与完好路面，在挖方段与填方段，挖除混凝土面层及三渣基层，对路床回填土不同部位取样进行含水率、干密度试验；结合相同类型土的击实试验结果计算回填土不同部位的压实度。现场检测、室内试验及数据处理依据文献[6]进行。该路土样最大干密度（重型击实）为1.83g/cm3，最优含水量为15.0%。检测结果见表1。

2.2 土的液塑限及自由膨胀率检测

膨胀土是一种吸水膨胀、失水收缩、胀缩变形显著的粘性土，其主要工程性质是具有多裂隙性、强超固结性、强亲水性和反复胀缩性，其矿物成分以强亲水性矿物蒙脱石和伊利石为主。由于膨胀土的这些特性，决定其对公路有比较强的破坏作用，使得膨胀土地区的公路经常遭受巨大的破坏。为了解路段土的膨胀性能，均现场取土在试内进行了土的液塑限及自由膨胀率测试。

现场检测、室内试验及数据处理依据文献[6]进行。该路回填土的液限指数Wl17介于30.1～47.5之间，Wl10介于26.3～37.8，塑性指数Ip介于12.6～25.7之间。

膨胀土的判别采用自由膨胀率、标准吸湿含水率、塑性指数等三项指标进行判断，当符合下表两项指标时，即应判定为膨胀土[7]。

3 基层成型情况

从现场开挖情况来看，该路的基层情况较差，三渣层基本没有凝聚力，处于湿散状态，钻机钻孔、人工开挖均无法取得成型样品。

4 裂缝成因分析

4.1 混凝土路面厚度

该路设计厚度值为240mm，均值为223mm，标准差为31.0mm，标准值为191mm，按文献[2]合格厚度范围为（设计值-5～设计值 +20），即（235～260mm），合格点率为33.3%。从上述数据可见，路面面层混凝土实测厚度普遍不能满足设计要求。混凝土面层厚度的减小，降低了混凝土板的刚度，增大了板的荷载应力。路面板越薄，板内所产生的弯拉应力就越大。当板的弯拉应力大于混凝土的极限抗弯拉强度时，路面板将发生板角断裂及整板断裂破坏。为此路面板应具有足够的强度和一定的厚度。降低了对混凝土板承受荷载及温度应力的综合疲劳作用的能力，从水泥混凝土面板计算理论计算可知，当其他参数不变，仅混凝土面板厚度减少10mm，则荷载与温度共同产生的疲劳应力将增加3%～5%；

4.2 混凝土面层强度

该路水泥混凝土抗弯拉强度均基本能达到4.5MPa要求，且完好路面面层混凝土弯拉强度标准值与破损路面的弯拉强度标准值相差不大，这些差异与混凝土板断裂破损后产生的内部微裂缝，引起弯拉强度降低有关。

表1 该路土体物理性能参数汇总表

表2 膨胀土的判别标准表

表3 膨胀土的分级标准

4.3 回填土的压实度

该路回填土的含水量为22.5%～27.2%，压实度为84.7%～91.3%，其中完好路面处为91.3%和89.1%；该路雨水管顶部回填土压实度略低于其他路面。压实度均未达到设计压实度95%的要求。回填土含水量稍大，处于湿软状态，未达到充分固结，压实度达不到设计要求，压实不够充分，从而一定程度上降低了土的回弹模量，直接影响到整个路面的承载能力；在自重应力和持续时间作用下，严重的甚至会发生路基沉降，造成半刚性结构层和混凝土面板底层脱空，直接导致混凝土板断裂。部分区域回填土地下水位高，土质条件差，地基软弱，强度低，承载力不足，车辆行驶时变形过大而导致混凝土板块断裂或缺角。地基强度分布不均匀，在车辆荷载的重复作用下使地基产生塑性累积变形和地基不均匀沉降，致使混凝土板应力集中而过早开裂，特别是新旧路基的交界线和路填挖分界线上，地基强度很难做到一致，混凝土路面板产生严重开裂[10]。

混凝土开裂后，雨水进入回填土致使回填土的含水量进一步增加，软化现象更加严重，在车辆荷载作用下产生动水压力引起基层的冲刷，使基层承载力降低，进而造成唧泥、错台以至板块破碎，甚至出现大面积的网状断裂现象。严重影响了水泥混凝土路面的使用性能和使用寿命，增加了行车的不安全因素[11]。

4.4 回填土的膨胀性

通过对该路回填土的试验结果可判断出该路的填土大部分区域属于弱膨胀土。从现场取土的情况看，回填土未采取有效的改良措施，使膨胀土亲水性减弱，增加自身的稳定，遇水以后会产生不同程度的膨胀，失水则会产生很大程度的收缩，使得混凝土路面板受到地基的膨胀力作用，这将容易导致道路出现裂缝。

4.5 基层成型情况

从现场开挖情况来看，该路的基层情况均较差，三渣层基本没有凝聚力，处于湿散状态，钻机钻孔、人工开挖均无法取得成型样品。低强度的三渣基层一定程度上降低了基层的回弹模量，从而降低了道路路面的承载能力。基层材料的水稳定性欠佳，从混凝土路面接缝等处渗透到基层的少量水使基层软化，在基层与混凝土板之间形成间隙，从而使混凝土面板失去支撑而断裂[10]。

基层平整度差，导致混凝土面层厚度不均匀，在行车荷载及温度翘曲应力作用下，使得路面应力集中。当应力超过极限强度时，就会在厚度薄弱处产生裂缝[12]。

4.6 车辆行驶情况调查及其他破坏原因分析

根据现场调研，该路南半侧均属进市区联结道路，由于市区建设任务较重，装载建筑材料的重车明显多于另半侧，致使路面实际承受的当量轴次远远大于作为其设计依据的设计年限内的累计当量轴次，对应荷载疲劳应力即增大，致使道路更易出现破坏，实际现场破坏的情况南半侧破损严重，证明路面的破损程度与重车经过有一定关系。

接缝破损主要是由于填缝材料在高温季节缝隙最窄，材料被挤出，而在低温季节缝隙最宽，挤出的材料不能恢复原位使缝中形成凹陷状空隙，加之接缝材料老化及冷热循环往复作用使填缝材料与板壁脱开，此时没有得到及时的养护和维修，导致泥沙、石屑等极易侵入，成为板块再次伸胀时的障碍，加之汽车碾压作用，接缝处破损。

5 结束语

水泥混凝土路面是一种高级路面，它有许多优点，但也容易产生病害，尤其是裂缝，一旦产生裂缝将使路面进一步破坏，造成路面渗水，引起路基受损，降低路面使用寿命。水泥混凝土路面由于其组成材料复杂的物理性质和特定的环境条件，引起裂缝的原因很多。从以上6个参数指标分析可知，主要原因可归纳为两大类，即变形(温度变化，混凝土收缩等)受阻和车辆荷载的作用使混凝土板块受拉或弯拉应力超过极限抗拉强度而开裂

[1]JTGE60-2008.公路路基路面现场测试规程[S].

[2]CJJ01-90.市政道路工程质量检验评定标准[S].

[3]CECS03：88.钻芯法检测混凝土强度技术规程[S].

[4]JTG E30-2005.公路工程水泥及水泥混凝土试验规程[S].

[5]JTG D40-2002.公路水泥混凝土路面设计规范[S].

[6]GB/T50123-1999.土工试验方法标准[S].

[7]GB50330-2002.建筑边坡工程技术规范[S].

[8]CJJ37-90.城市道路路设计规范[S].

[9]韩森，李志玲，张东省等.露石水泥混凝土路面关键技术研究[J].中国公路学报，2004，17（4）:17-20.

[10]王明怀.水泥混凝土路面裂缝成因与修补方法[J].上海市政工程，1997（4）:19-25.

[11]张庆学，周明川.水泥混凝土路面裂缝成因及防治措施[J].济南交通高等专科学报，2001，9（2）：38-41.

[12]陈新泉.水泥混凝土路面裂缝成因分析与预防[J].科技资讯，2005（23）：23-24.

束兵（1981-），男，工程师，主要从事地基基础、市政检测工作。

E-mail：shubing0112@tom.com