李帥帥，陳啟嬋

(廣西交通設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

水泥混凝土路面因強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好、造價(jià)低、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)[1]，廣泛應(yīng)用于高溫多雨、石材豐富的廣西國(guó)省干線(xiàn)公路。然而，部分水泥混凝土路面建成通車(chē)后在很短時(shí)間內(nèi)即出現(xiàn)各種病害，其中以裂縫類(lèi)(橫縫、縱縫、板角斷裂、破碎板)的結(jié)構(gòu)性損壞最為突出，嚴(yán)重影響行車(chē)質(zhì)量及安全，增加了養(yǎng)護(hù)維修成本，使水泥混凝土路面長(zhǎng)壽命、低成本的優(yōu)勢(shì)沒(méi)有得到充分發(fā)揮，造成不良社會(huì)影響。為此，不少專(zhuān)家學(xué)者對(duì)水泥混凝土路面早期破損原因進(jìn)行了分析研究[1-2]。

本文以南寧市某國(guó)道新建水泥混凝土路面為依托，制定科學(xué)檢測(cè)方案，根據(jù)路面破損、承載能力、結(jié)構(gòu)層厚度及強(qiáng)度等檢測(cè)結(jié)果，對(duì)該混凝土路面病害成因進(jìn)行鑒定分析，以期為該項(xiàng)目竣工驗(yàn)收前的病害處治及后期運(yùn)營(yíng)過(guò)程養(yǎng)護(hù)決策提供依據(jù)，同時(shí)作為典型案例也可為其他類(lèi)似工程提供參考。

1 工程概況

本文依托工程為南寧市某國(guó)道新建水泥混凝土路面，二級(jí)公路，檢測(cè)路段長(zhǎng)10.25 km，路基寬度為8.5 m，其中水泥混凝土板寬2×3.75 m，土路肩寬2×0.5 m。路面結(jié)構(gòu)自下往上為：15 cm厚未篩分碎石墊層+15 cm厚級(jí)配碎石底基層+ 20 cm厚4.5%水泥穩(wěn)定碎石基層+煤油稀釋液體瀝青透層+1.0 cm厚瀝青碎石下封層+24 cm厚水泥混凝土面層。該路段于2018年底建成通車(chē)，至2020年已運(yùn)營(yíng)近2年，準(zhǔn)備竣工驗(yàn)收，但目前部分路段出現(xiàn)沿道路縱向中心線(xiàn)的混凝土板斷裂、破碎等病害。

2 檢測(cè)方案

為全面掌握該路段路面技術(shù)狀況，查找路面早期破損原因，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘查，制訂檢測(cè)方案如下：

(1)采用道路檢測(cè)車(chē)每車(chē)道連續(xù)檢測(cè)路面破損狀況PCI。

(2)選取3段病害路段、1段正常路段，采用Dynatest 8002 FWD落錘式彎沉儀檢測(cè)路面承載力，包含基頂回彈模量、板底脫空、接縫傳荷能力等。

(3)選檢4段病害路段、1段正常路段，鉆取路面結(jié)構(gòu)層芯樣，檢測(cè)結(jié)構(gòu)層厚度及強(qiáng)度。

(4)交通量調(diào)查：調(diào)查斷面交通量，尤其是大型重載車(chē)輛的通行狀況，調(diào)查石場(chǎng)運(yùn)輸車(chē)型及車(chē)重情況。

(5)其他路況調(diào)查：查看有無(wú)路面積水、排水不暢路段，及路基浸泡、沖刷路段。

(6)資料收集：收集原路面設(shè)計(jì)資料，如路面結(jié)構(gòu)組成、路面結(jié)構(gòu)計(jì)算書(shū)，路基勘察資料(是否有特殊路基處置路段)等。

3 檢測(cè)結(jié)果分析

3.1 路面破損狀況檢測(cè)與評(píng)價(jià)

路面破損狀況采用ZOYON-RTM-T道路檢測(cè)車(chē)全線(xiàn)連續(xù)檢測(cè)，輔以人工調(diào)查，并將所有檢測(cè)的路面損壞現(xiàn)象分類(lèi)記錄，結(jié)果匯總?cè)绫?所示。主要病害為板角斷裂、破碎板、縱橫向裂縫等結(jié)構(gòu)性破壞，其中板角斷裂占到路面病害總數(shù)的50%以上，破碎板占到35%以上?，F(xiàn)場(chǎng)進(jìn)一步調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該類(lèi)破裂病害多數(shù)沿道路中線(xiàn)縱縫兩側(cè)分布，上、下行路面病害差異不大。典型病害如圖1所示。

表1 路面病害分類(lèi)統(tǒng)計(jì)表

圖1 典型病害現(xiàn)狀圖(破碎板)

根據(jù)路面破損統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，以每車(chē)道每公里為1個(gè)評(píng)價(jià)單元，計(jì)算路面破損狀況指數(shù)PCI(見(jiàn)圖2)。依據(jù)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)[3]，對(duì)各評(píng)價(jià)單元PCI進(jìn)行等級(jí)劃分(見(jiàn)圖3)。

圖3 PCI等級(jí)評(píng)價(jià)分布圖

由圖2～3可以看出，該路段PCI整體上呈中間差兩端好的趨勢(shì)，上下行差別不大，K764+573～K767+573段、K768+573～K769+573段路面破損較嚴(yán)重，PCI<70。該路段PCI優(yōu)良路率僅50%，次、差率占到35%以上。

3.2 路面承載能力檢測(cè)與評(píng)價(jià)

根據(jù)路面破損狀況檢測(cè)與評(píng)價(jià)結(jié)果，選取4段(其中1段路面完好，3段路面破損嚴(yán)重)路面，采用落錘式彎沉儀(FWD)進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)的承載能力檢測(cè)，檢測(cè)參數(shù)包括板邊彎沉、彎沉差、接縫傳荷系數(shù)、基頂回彈模量及板底脫空情況等。

3.2.1 板邊彎沉檢測(cè)

逐塊檢測(cè)4個(gè)路段的每塊混凝土板板邊彎沉，破碎板和裂縫板跳過(guò)不打，每個(gè)路段的彎沉單點(diǎn)值如圖4～5所示。

圖4 上行路面板邊彎沉單點(diǎn)值分布圖

根據(jù)彎沉檢測(cè)結(jié)果，抽檢的4個(gè)路段板邊彎沉值主要集中在5～10(0.01 mm)范圍內(nèi)，完好段的彎沉平均值為7.0(0.01 mm)，破損段的彎沉平均值為7.5(0.01 mm)。破損段最大彎沉值達(dá)到30.5(0.01 mm)，彎沉值波動(dòng)性較完好段的大?？赡苁?個(gè)路段板邊彎沉檢測(cè)的均是完好板的緣故，完好段和破損段差異不明顯。為此，特地對(duì)鉆芯取樣的破損混凝土板檢測(cè)板邊彎沉，結(jié)果顯示破損板的板邊彎沉平均值達(dá)14.0(0.01 mm)，最大值為37.7(0.01 mm)，破損板板邊彎沉明顯大于完好板。

圖5 下行路面板邊彎沉單點(diǎn)值分布圖

3.2.2 接縫傳荷能力及板底脫空檢測(cè)

落錘式彎沉儀測(cè)點(diǎn)布置于鄰近接縫的路表，使位移傳感器的測(cè)點(diǎn)位于接縫兩側(cè)的邊緣處。實(shí)測(cè)接縫兩側(cè)邊緣的彎沉值，按設(shè)計(jì)規(guī)范[4]式(8.3.2)計(jì)算接縫傳荷系數(shù)，并對(duì)接縫傳荷能力進(jìn)行分級(jí)。

根據(jù)相關(guān)規(guī)范[4-6]和文獻(xiàn)[7]，本文以板邊彎沉值>0.14 mm或者板邊彎沉差>0.06 mm作為板底脫空判定標(biāo)準(zhǔn)。本次采用兩者相結(jié)合的方式綜合判定，滿(mǎn)足條件之一即判定為板底脫空，破裂板不進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如表2所示。

由表2對(duì)比發(fā)現(xiàn)，檢測(cè)路段整體接縫傳荷系數(shù)較好，破損路段接縫傳荷系數(shù)相對(duì)較小。各路段完好板塊的脫空率較低，均在10%以下，實(shí)際上若板塊脫空嚴(yán)重，在行車(chē)荷載作用下很快將出現(xiàn)破裂。因此現(xiàn)狀破裂板也相當(dāng)于脫空板。表中統(tǒng)計(jì)的脫空率僅是完好板塊的脫空率，脫空板塊應(yīng)及時(shí)處治，避免發(fā)展為裂縫板。

表2 水泥混凝土板接縫傳荷能力檢測(cè)結(jié)果表

3.2.3 基層頂面當(dāng)量回彈模量

對(duì)選取的4段路面，按20 m一個(gè)測(cè)點(diǎn)，采用落錘式彎沉儀檢測(cè)水泥混凝土板板中彎沉值，按設(shè)計(jì)規(guī)范[4]式(8.4.4-1)和式(8.4.4-1)計(jì)算基層頂面當(dāng)量回彈模量，如圖6所示。結(jié)果表明：4個(gè)路段基頂回彈模量代表值差異不大，介于531.6～758.1 MPa之間，但每一段段變異性均較大，變異系數(shù)達(dá)到15%～30%，最大值達(dá)到1 514.9 MPa，最小值為339.2 MPa。

圖6 水泥混凝土板基頂回彈模量代表值變化柱狀圖

3.3 路面結(jié)構(gòu)層厚度及強(qiáng)度檢測(cè)與評(píng)價(jià)

3.3.1 路面結(jié)構(gòu)層芯樣外觀(guān)缺陷

選取5段(1段完好路面+4段破損路面)路面鉆取芯樣35個(gè)。為探究混凝土板破裂的原因，分別跨縫鉆芯和在裂縫附近不跨縫鉆芯，并選取完好路段的混凝土板鉆芯作為基準(zhǔn)用于對(duì)比。

(1)10處跨縫鉆芯：有2處混凝土板芯樣顯示裂縫從上往下發(fā)展，尚未完全貫穿混凝土板厚度。說(shuō)明混凝土板在輪載作用下頂面受拉，拉應(yīng)力大于混凝土板抗拉強(qiáng)度時(shí)產(chǎn)生拉裂，然后板角下?lián)吓c基層接觸，脫空消除裂縫暫停發(fā)展，當(dāng)板底脫空進(jìn)一步發(fā)展時(shí)裂縫就繼續(xù)向下發(fā)展直到貫穿整個(gè)板厚。另外8處裂縫完全貫穿混凝土板厚，有2處基層頂部局部松散，其他基層成型完整。

(2)35處芯樣中有25處水穩(wěn)基層完整成型，1處水穩(wěn)基層完全松散，2處水穩(wěn)基層斷層，7處水穩(wěn)基層成型但頂部或底部局部松散或蜂窩等明顯缺陷。這10處水穩(wěn)基層有缺陷的，其中有7處頂部混凝土板為裂縫板或破碎板，占比70%。

(3)35處芯樣中有6處未見(jiàn)瀝青碎石封層，這6處中有5處混凝土板為破裂板。多數(shù)瀝青碎石封層厚度未達(dá)到設(shè)計(jì)的1 cm，個(gè)別瀝青碎石封層存在頂面含泥、瀝青與集料剝離松散等問(wèn)題。

3.3.2 路面結(jié)構(gòu)層厚度

采用鉆芯法共抽取5段(1段完好路面+4段破損路面)，鉆取芯樣35個(gè)，采用鋼直尺量測(cè)統(tǒng)計(jì)路面結(jié)構(gòu)層(水泥混凝土板+水泥穩(wěn)定碎石基層)厚度，匯總見(jiàn)表3，并依據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范[4]計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)值，依據(jù)質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)[8]計(jì)算厚度代表值。

表3 路面結(jié)構(gòu)層厚度檢測(cè)結(jié)果匯總表

由表3對(duì)比發(fā)現(xiàn)：

(1)混凝土板和水穩(wěn)基層厚度變異性較大。質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)[8]表7.2.2中規(guī)定，二級(jí)公路混凝土板厚度代表值允許偏差為-5 mm，合格值允許偏差為-10 mm，極值允許偏差為-15 mm，而該檢測(cè)路段最大值達(dá)到273 mm，最小值僅215 mm，最小值極值偏差為-25 mm，超過(guò)允許偏差；二級(jí)公路穩(wěn)定粒料基層厚度代表值允許偏差為-10 mm，合格值允許偏差為-20 mm，而該檢測(cè)路段最大值達(dá)到293 mm，最小值僅178 mm，最小值極值偏差為-22 mm，超過(guò)允許偏差。

(2)結(jié)構(gòu)層厚度與路面破損狀況呈現(xiàn)出較好的一致性。完好板厚度代表值為246 mm，裂縫板厚度代表值為238 mm，而破碎板厚度代表值為230 mm?？梢?jiàn)裂縫和破碎混凝土板厚度明顯小于完好板，且水穩(wěn)基層也呈現(xiàn)出相似特點(diǎn)。

3.3.3 路面結(jié)構(gòu)層強(qiáng)度

鉆取35個(gè)芯樣，其中10個(gè)為跨縫鉆芯，無(wú)法進(jìn)行劈裂試驗(yàn)。依據(jù)《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E30-2005)，對(duì)另外25個(gè)完整的水泥混凝土面層芯樣進(jìn)行劈裂試驗(yàn)，計(jì)算舊水泥混凝土路面彎拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值在6.601～6.839 MPa，滿(mǎn)足彎拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值5.0 MPa要求；彎拉彈性模量標(biāo)準(zhǔn)值在42 500～ 43 400 MPa。破損板和完好板無(wú)明顯差異。

對(duì)水泥穩(wěn)定碎石基層完整成型的25個(gè)芯樣中的19個(gè)進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度檢測(cè)，另外分別選取完好混凝土板下的3個(gè)水穩(wěn)基層芯樣和破損混凝土板下的3個(gè)基層芯樣進(jìn)行劈裂強(qiáng)度檢測(cè)，匯總結(jié)果如表4所示。

表4 無(wú)機(jī)結(jié)合料基層強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果匯總表

可以看出，水泥穩(wěn)定碎石基層無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度代表值變異性大，最大達(dá)到24.6 MPa，而最小僅為4.3 MPa，最大值是最小值的5.7倍，過(guò)大的變異性會(huì)導(dǎo)致不同位置基層的剛度和模量迥異，難以為上層混凝土板提供均勻支撐，行車(chē)荷載作用下混凝土板彎拉應(yīng)力增大，容易誘發(fā)斷板。水泥穩(wěn)定碎石基層劈裂強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值在1.232～1.669 MPa之間，完好板和破碎板無(wú)明顯區(qū)別。

3.4 交通量調(diào)查

對(duì)檢測(cè)路段進(jìn)行交通量調(diào)查，依據(jù)《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JTG B01-2014)，將各車(chē)型折算為當(dāng)量小客車(chē)，日交通量為4 930輛，較設(shè)計(jì)文件預(yù)測(cè)的2020年當(dāng)量小客車(chē)日交通量4 416輛多了11.6%。將大貨車(chē)和拖掛車(chē)換算成標(biāo)準(zhǔn)車(chē)的占比，實(shí)際為51.2%，是預(yù)測(cè)30.2%的1.7倍?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該路段典型交通車(chē)輛為4軸貨車(chē)。經(jīng)走訪(fǎng)沿線(xiàn)砂石場(chǎng)，砂石材料多由其運(yùn)輸。該車(chē)型額定總質(zhì)量為31 t，實(shí)際載貨后總質(zhì)量可高達(dá)68.5 t，超載超過(guò)100%。

設(shè)計(jì)規(guī)范[4]在確定混凝土板厚時(shí)，要求面層板在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)，在行車(chē)荷載和溫度梯度綜合作用下不產(chǎn)生疲勞斷裂，并在最重軸載和最大溫度梯度共同作用下不產(chǎn)生極限斷裂。相關(guān)文獻(xiàn)[9]指出，由于軸載換算采用16次方指數(shù)形式，汽車(chē)超載會(huì)極大地影響水泥混凝土路面的使用壽命，使其在極短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到疲勞破壞，實(shí)際算例發(fā)現(xiàn)當(dāng)超載100%時(shí)，使用壽命直接由20年縮減到了6 d。

4 破壞成因分析

通過(guò)以上檢測(cè)結(jié)果綜合分析，該新建水泥混凝土路面產(chǎn)生早期破壞的主要原因如下：

(1)局部水泥混凝土板厚度未達(dá)到設(shè)計(jì)和規(guī)范要求。設(shè)計(jì)混凝土板厚為240 mm，而檢測(cè)發(fā)現(xiàn)完好板的厚度代表值為246 mm，破碎板的厚度代表值僅有230 mm。厚度為220 mm和215 mm的板塊均為破碎板。水泥混凝土路面板厚度較薄時(shí)難以承受重型行車(chē)荷載作用，容易在板角、縱縫中部等受力不利位置產(chǎn)生破壞，而道路中心縱縫附近受到雙向行車(chē)荷載作用，更容易產(chǎn)生沿中心縱縫分布的破碎板和板角斷裂。

(2)水泥穩(wěn)定碎石基層強(qiáng)度及厚度變異性大。厚度最大值達(dá)到293 mm，最小值僅178 mm；無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度最大值24.6 MPa是最小值4.3 MPa的5.6倍，基頂回彈模量最大值1 514.9 MPa是最小值339.2 MPa的4.5倍?；鶎訌?qiáng)度變異性大難以為混凝土面板提供均衡穩(wěn)定的支撐，行車(chē)荷載和溫度翹曲應(yīng)力綜合作用下容易產(chǎn)生脫空，導(dǎo)致混凝土板斷裂。

(3)瀝青碎石封層污染、松散剝落、厚薄不均。抽查發(fā)現(xiàn)厚度在0～10 cm范圍內(nèi)變化，厚薄不均容易使混凝土板產(chǎn)生應(yīng)力集中。若封層施工時(shí)水穩(wěn)基層清掃不干凈，含有泥土和粉塵，或者封層施工完成后沒(méi)有及時(shí)攤鋪水泥混凝土面層，造成封層頂面被泥土等污染，在面層與基層之間形成軟弱夾層，為混凝土板破壞埋下隱患。

(4)汽車(chē)超載造成單軸軸載過(guò)大。當(dāng)量標(biāo)準(zhǔn)軸次換算采用16次方指數(shù)形式，超載100%(即軸載由100 kN增加到200 kN)時(shí)，換算系數(shù)為65 536，從而過(guò)早達(dá)到設(shè)計(jì)累積軸次而出現(xiàn)疲勞破壞。同時(shí)過(guò)大的軸載容易在混凝土板較薄、強(qiáng)度不足且受力最不利位置產(chǎn)生極限斷裂破壞。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)混凝土板作為水泥混凝土路面的主要受力層，其厚度不足將難以承受重載交通作用以致出現(xiàn)早期破壞。建議設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮交通量組成和超載現(xiàn)象，必要時(shí)提高設(shè)計(jì)軸載，采用強(qiáng)基厚面，確保路面板厚度滿(mǎn)足交通需求。施工時(shí)各結(jié)構(gòu)層也要嚴(yán)格把關(guān)，確保質(zhì)量符合要求。

(2)水泥穩(wěn)定碎石基層作為混凝土板的支撐結(jié)構(gòu)層，其厚度及強(qiáng)度的均勻穩(wěn)定將對(duì)混凝土路面使用壽命產(chǎn)生重要影響。瀝青碎石封層作為混凝土板和水穩(wěn)基層之間的功能層，可以減小基層對(duì)面層板的變形約束，防止基層頂面沖刷造成的板底脫空。但由于厚度薄容易忽視，施工前應(yīng)清除基層表面浮土和雜物，均勻撒布瀝青、碎石，適量碾壓。

(3)超載不僅會(huì)對(duì)車(chē)輛造成損傷，影響行車(chē)安全，而且也會(huì)對(duì)路面造成極大破壞，使其在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生疲勞破壞，甚至直接產(chǎn)生極限斷裂破壞，應(yīng)嚴(yán)格限載。