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【摘 要】本文分析了水泥混凝土路面水损害的特征、机理和形成原因。提出了通过路面结构形式的优化、完善路面表面排水、加强路面结构层内部防排水等方法,来综合防治水泥混凝土路面的水损害措施。
【关键词】水泥混凝土路面;水损害;防治措施
由于最近几年国际油价的持续攀高,水泥混凝土路面越来越显示出了其经济性。 水泥混凝土路面具有强度高、稳定性)、耐久性好、利于夜间行车等优点,而得到了较快的发展。但水泥混凝土路面的水损害问题严重，水通过接缝或裂缝渗入路面板内,造成唧泥、脱空进而断板等病害引起了人们的关注。
1.水泥混凝土路面水损害造成道路破坏的主要特征及其形成机理
1.1水泥混凝土路面的水损害主要特征为
1.1.1雨后路面接缝处冒水。
1.1.2面板接缝或裂缝处出现唧泥。
1.1.3雨水下渗带来的路面结构性破损,面板断裂,水泥稳定碎石基层接近松散,雨后路面翻浆、泥泞。
1.2水损害形成的机理特征分析
1.2.1水的进入途径。当接缝填缝材料性能优良、质量完好,或路面板无裂缝时,大气降水无法渗入面板内部。但是填缝料不断老化及其受雨水的冲蚀,随着时间的推移,填缝料将不可避免地失效。路面板在车轮频繁作用下,板内弯拉应力超过了水泥混凝土的极限抗弯拉强度,面板出现裂缝和断裂。而由于养护工作不及时,水便从接缝或裂缝渗入板内。
1.2.2板下脱空的形成。现场浇筑水泥混凝土时,水泥浆下渗,使得板与基层形成具有一定抗剪能力的整体材料。但受温度的影响,面板要伸缩,反反复复的作用使得水平抗剪能力下降。同时,板内温度的非线性分布,使板产生温度翘曲应力,引起板向上或向下的翘曲,加速了板与基层之间的分离。再加之车轮荷载的重复作用,使得板底基层发生了微小的塑性变形,于是水泥混凝土路面板底与基层之间出现微小的孔隙,即原始脱空区。随着车轮荷载的频繁作用,基层塑性变形累积,基层与面层板脱空区变大。
1.2.3唧泥的产生。在重载车辆的作用下,车轮使得面板回弹时形成真空,这种负压将渗入板内的水泵入已形成的脱空区,随着水泥混凝土板下水的累积,基层材料趋向于自由水饱和状态,开始表现为少量的冒水现象。在重型车频繁的作用下,移动荷载引起的动水压力,使得一些未经处治的细粒料和连结较弱的胶结料受到冲刷和溶蚀,并随着水的被挤出而被带出,这些悬浮的液体就形成了唧泥现象。
2.水泥道路产生水损害的原因分析
2.1路面结构水量
水损害的程度与公路沿线的降雨量大小有密切关系。在其他条件都相同的情况下,在我国南方潮湿多雨地区,路面的水损害要比降雨量小的半干旱和干旱地区在程度上大得多,在速度上快得多。大量的路面损坏状况调查和路面使用经验表明,进入路面结构内的自由水是造成或加速路面损坏的最重要原因之一。
2.2道路荷载
行车荷载对路面板下的水产生动水压力,由此加剧了唧泥和板底脱空等病害,使路面板水损坏进一步恶化。载重尤其是超载车辆通过时产生的水压力比小汽车通过时产生的水压力要大得多,更容易导致水对基层顶面细集料的冲刷,加剧了水损害。行车道和超车道上水损害程度具有明显的差异,也说明了荷载对水损坏的影响。
2.3道路温度
由于水泥混凝土板、基层和土基的导热性能较差,当气温变化较快时,使板顶面与底面产生温度差,因而板顶和板底的胀缩变形大小不同。白天气温升高,板顶温度高于板底,板顶膨胀变形较板底大,板中部隆起;夜间气温降低,板顶温度低于板底,板周边和角隅发生翘起。这些变形受板与基础之间的摩阻力和粘结力,以及板的自重、车轮荷载等影响,致使板内产生过大的翘曲应力,造成板的断裂或拱胀等破坏。板的断裂又为水的下渗提供了条件。
2.4水泥道路的接缝设计与施工
接缝填缝料性能不足,不满足公路等级要求,填缝料易老化,密封性不好,使大量路面水渗入面板内部,造成一系列的水损害。横向缩缝内部未设置传力杆,接缝传荷能力不足,车轮荷载作用时接缝两侧所受荷载大小不一,造成基层不同大小的塑性变形,产生错台,填缝料被拉伸失效,水渗入面板下。接缝施工不当,如胀缝内局部有水泥混凝土嵌接,传力杆设置不当,或传力杆滑动端未涂沥青、滑动功能失效,或者缝隙内进入不可压缩材料阻碍了板的伸缩,使水泥混凝土在膨胀时受到较高的挤压,邻近接缝或裂缝约60 cm宽度范围内,出现并未扩展到整个板厚的裂缝,或者水泥混凝土分裂成碎块或碎屑,出现接缝碎裂病害,也为水的下渗创造了条件。
2.5路面结构层设计
唧泥现象的产生与基层的抗冲刷能力有很大的关系。基层细粒含量高,塑性指数大,渗入面板内的水在车轮荷载作用下,易形成动水压力,冲刷细料,形成泥浆喷溅而出。并随着荷载重复作用,水对基层的冲刷加大,加剧板底脱空,导致路面板断裂,基层结构松散,造成结构性破坏。因此,基层材料的选择至关重要。
2.6路面结构内部排水
进入面板下的水没有出路,则滞留在路面结构中,引起路基路面的各种损坏,甚至是结构性破坏。因此,路面结构层内的排水设计对于防止水损害起着举足轻重的作用。
3.对水泥道路水损害的防治措施
3.1增设隔离层
现场浇筑水泥混凝土面层时,水泥浆下渗入基层,使面层与基层形成一个具有抗剪能力的整体材料。但是受温度的影响,面板伸缩将导致水平抗剪能力降低。同时,受板内非线性温度分布的影响,板产生温度翘曲应力,板向上或向下翘曲,板与基层之间逐渐分离,面层与基层之间形成一凹凸不平的接触面。隔离层的设置有两种功能:(1)形成一个隔离层,减弱基层开裂后对面层的反射,防止基层裂缝反射到面板以至于断板,并延长路面疲劳寿命;(2)防水,保护基层,以免被水冲刷,减小由水冲刷带来的水损害。
3.2采用抗冲刷性能高的碾压贫混凝土基层
贫混凝土是水泥用量为8%~10%左右的经济混凝土,实质上是低强度等级水泥混凝土。贫混凝土基层是刚性基层,在材料选择、配合比和施工技术要求等方面,均与半刚性基层差异较大,更接近于水泥混凝土,并沿用水泥混凝土现有的原材料检验、配合比设计、施工设备、铺筑技术及所有的检测方法和手段。贫混凝土基层的设计计算是按照双层面板体系。
3.3加强路面内部排水
设置路面内部排水系统,将滞留在路面结构内的水分迅速排除到路面和路基以外,可以改善路的使用性能、提高其使用寿命。对交通繁重的高速路和一级公路,采用内部排水设施所增加的费用,可从使用寿命的增加和养护工作的减少中得到补偿。
3.4填缝料的选择
填缝材料应具有与水泥混凝土板壁粘结牢固、回弹性好、不溶于水、不渗水,高温时不挤出、不流淌,抗嵌入能力强、耐老化龟裂,负温拉伸量大,低温时不脆裂、耐久性好等性能。填缝时应使用背衬垫条控制填缝形状系数。背衬垫条应具有良好的弹性、柔韧性、不吸水、耐酸碱腐蚀和高温不软化等性能。
4.结语
水泥混凝土路面不存在沥青混凝土路面“老化”现象、使用寿命长、利于夜间行车等优点而得到了较快的发展。但水泥混凝土路面存在的明显缺点:如接缝、修复困难以及由于水泥混凝土板的脆性从而对地基变形敏感等水损害的后果。这些只有通过一系列的技术管理措施来有效解决现存问题，使之得到更大的发展。
【关键词】水泥混凝土路面;水损害;防治措施
由于最近几年国际油价的持续攀高,水泥混凝土路面越来越显示出了其经济性。 水泥混凝土路面具有强度高、稳定性)、耐久性好、利于夜间行车等优点,而得到了较快的发展。但水泥混凝土路面的水损害问题严重，水通过接缝或裂缝渗入路面板内,造成唧泥、脱空进而断板等病害引起了人们的关注。
1.水泥混凝土路面水损害造成道路破坏的主要特征及其形成机理
1.1水泥混凝土路面的水损害主要特征为
1.1.1雨后路面接缝处冒水。
1.1.2面板接缝或裂缝处出现唧泥。
1.1.3雨水下渗带来的路面结构性破损,面板断裂,水泥稳定碎石基层接近松散,雨后路面翻浆、泥泞。
1.2水损害形成的机理特征分析
1.2.1水的进入途径。当接缝填缝材料性能优良、质量完好,或路面板无裂缝时,大气降水无法渗入面板内部。但是填缝料不断老化及其受雨水的冲蚀,随着时间的推移,填缝料将不可避免地失效。路面板在车轮频繁作用下,板内弯拉应力超过了水泥混凝土的极限抗弯拉强度,面板出现裂缝和断裂。而由于养护工作不及时,水便从接缝或裂缝渗入板内。
1.2.2板下脱空的形成。现场浇筑水泥混凝土时,水泥浆下渗,使得板与基层形成具有一定抗剪能力的整体材料。但受温度的影响,面板要伸缩,反反复复的作用使得水平抗剪能力下降。同时,板内温度的非线性分布,使板产生温度翘曲应力,引起板向上或向下的翘曲,加速了板与基层之间的分离。再加之车轮荷载的重复作用,使得板底基层发生了微小的塑性变形,于是水泥混凝土路面板底与基层之间出现微小的孔隙,即原始脱空区。随着车轮荷载的频繁作用,基层塑性变形累积,基层与面层板脱空区变大。
1.2.3唧泥的产生。在重载车辆的作用下,车轮使得面板回弹时形成真空,这种负压将渗入板内的水泵入已形成的脱空区,随着水泥混凝土板下水的累积,基层材料趋向于自由水饱和状态,开始表现为少量的冒水现象。在重型车频繁的作用下,移动荷载引起的动水压力,使得一些未经处治的细粒料和连结较弱的胶结料受到冲刷和溶蚀,并随着水的被挤出而被带出,这些悬浮的液体就形成了唧泥现象。
2.水泥道路产生水损害的原因分析
2.1路面结构水量
水损害的程度与公路沿线的降雨量大小有密切关系。在其他条件都相同的情况下,在我国南方潮湿多雨地区,路面的水损害要比降雨量小的半干旱和干旱地区在程度上大得多,在速度上快得多。大量的路面损坏状况调查和路面使用经验表明,进入路面结构内的自由水是造成或加速路面损坏的最重要原因之一。
2.2道路荷载
行车荷载对路面板下的水产生动水压力,由此加剧了唧泥和板底脱空等病害,使路面板水损坏进一步恶化。载重尤其是超载车辆通过时产生的水压力比小汽车通过时产生的水压力要大得多,更容易导致水对基层顶面细集料的冲刷,加剧了水损害。行车道和超车道上水损害程度具有明显的差异,也说明了荷载对水损坏的影响。
2.3道路温度
由于水泥混凝土板、基层和土基的导热性能较差,当气温变化较快时,使板顶面与底面产生温度差,因而板顶和板底的胀缩变形大小不同。白天气温升高,板顶温度高于板底,板顶膨胀变形较板底大,板中部隆起;夜间气温降低,板顶温度低于板底,板周边和角隅发生翘起。这些变形受板与基础之间的摩阻力和粘结力,以及板的自重、车轮荷载等影响,致使板内产生过大的翘曲应力,造成板的断裂或拱胀等破坏。板的断裂又为水的下渗提供了条件。
2.4水泥道路的接缝设计与施工
接缝填缝料性能不足,不满足公路等级要求,填缝料易老化,密封性不好,使大量路面水渗入面板内部,造成一系列的水损害。横向缩缝内部未设置传力杆,接缝传荷能力不足,车轮荷载作用时接缝两侧所受荷载大小不一,造成基层不同大小的塑性变形,产生错台,填缝料被拉伸失效,水渗入面板下。接缝施工不当,如胀缝内局部有水泥混凝土嵌接,传力杆设置不当,或传力杆滑动端未涂沥青、滑动功能失效,或者缝隙内进入不可压缩材料阻碍了板的伸缩,使水泥混凝土在膨胀时受到较高的挤压,邻近接缝或裂缝约60 cm宽度范围内,出现并未扩展到整个板厚的裂缝,或者水泥混凝土分裂成碎块或碎屑,出现接缝碎裂病害,也为水的下渗创造了条件。
2.5路面结构层设计
唧泥现象的产生与基层的抗冲刷能力有很大的关系。基层细粒含量高,塑性指数大,渗入面板内的水在车轮荷载作用下,易形成动水压力,冲刷细料,形成泥浆喷溅而出。并随着荷载重复作用,水对基层的冲刷加大,加剧板底脱空,导致路面板断裂,基层结构松散,造成结构性破坏。因此,基层材料的选择至关重要。
2.6路面结构内部排水
进入面板下的水没有出路,则滞留在路面结构中,引起路基路面的各种损坏,甚至是结构性破坏。因此,路面结构层内的排水设计对于防止水损害起着举足轻重的作用。
3.对水泥道路水损害的防治措施
3.1增设隔离层
现场浇筑水泥混凝土面层时,水泥浆下渗入基层,使面层与基层形成一个具有抗剪能力的整体材料。但是受温度的影响,面板伸缩将导致水平抗剪能力降低。同时,受板内非线性温度分布的影响,板产生温度翘曲应力,板向上或向下翘曲,板与基层之间逐渐分离,面层与基层之间形成一凹凸不平的接触面。隔离层的设置有两种功能:(1)形成一个隔离层,减弱基层开裂后对面层的反射,防止基层裂缝反射到面板以至于断板,并延长路面疲劳寿命;(2)防水,保护基层,以免被水冲刷,减小由水冲刷带来的水损害。
3.2采用抗冲刷性能高的碾压贫混凝土基层
贫混凝土是水泥用量为8%~10%左右的经济混凝土,实质上是低强度等级水泥混凝土。贫混凝土基层是刚性基层,在材料选择、配合比和施工技术要求等方面,均与半刚性基层差异较大,更接近于水泥混凝土,并沿用水泥混凝土现有的原材料检验、配合比设计、施工设备、铺筑技术及所有的检测方法和手段。贫混凝土基层的设计计算是按照双层面板体系。
3.3加强路面内部排水
设置路面内部排水系统,将滞留在路面结构内的水分迅速排除到路面和路基以外,可以改善路的使用性能、提高其使用寿命。对交通繁重的高速路和一级公路,采用内部排水设施所增加的费用,可从使用寿命的增加和养护工作的减少中得到补偿。
3.4填缝料的选择
填缝材料应具有与水泥混凝土板壁粘结牢固、回弹性好、不溶于水、不渗水,高温时不挤出、不流淌,抗嵌入能力强、耐老化龟裂,负温拉伸量大,低温时不脆裂、耐久性好等性能。填缝时应使用背衬垫条控制填缝形状系数。背衬垫条应具有良好的弹性、柔韧性、不吸水、耐酸碱腐蚀和高温不软化等性能。
4.结语
水泥混凝土路面不存在沥青混凝土路面“老化”现象、使用寿命长、利于夜间行车等优点而得到了较快的发展。但水泥混凝土路面存在的明显缺点:如接缝、修复困难以及由于水泥混凝土板的脆性从而对地基变形敏感等水损害的后果。这些只有通过一系列的技术管理措施来有效解决现存问题，使之得到更大的发展。