水泥混凝土路面存在的问题与对策综述

随着我国基础设施建设的大规模进行，交通运输行业处于蓬勃发展的重要时期，包括高速公路在内的各等级公路建设得到飞速发展。在高等级公路路面材料中，沥青混凝土路面居于绝对主导地位，而水泥混凝土路面主要用于小城镇与乡村道路。由于沥青混凝土技术得到长足进步，且沥青混凝土路面行车舒适性好，噪音小，对变形适应性强，修复施工快。因此行业界自然选择沥青混凝土路面作为高等级公路路面材料。但是从更长远的公路建设材料资源储备来看:我国是原油进口国，原油与沥青总量缺口大。近5年我国公路建设规模持续增大，每年重交通沥青缺口高超过百万吨，主要依赖于国际市场。国际能源署首席经济学家比罗尔2009 年警示全球石油枯竭速度已超出预期，地球上的石油储量只够满足全世界石油消费需要30 － 40年。从长期趋势上看国际市场上沥青价格将会不断增长，导致我国建造高速公路沥青路面面临着沥青价格大幅上涨的巨大压力。而水泥混凝土路面材料的原材料资源可以长期保证，而且水泥混凝土作为无机材料如果技术上得到改进和优化，耐久性应该优于沥青混凝土。

国外水泥混凝土路面的也呈迅速发展的趋势。预应力、连续配筋混凝土的路面在欧美国家得到广泛使用。预制混凝土不仅用于人行道，在车行道上发展也很快。对于碾压水泥混凝土路面，在西班牙和日本近年来都有较大发展，并且日本已制订出相应的公路路面施工技术规范。

所以对于我国而言，从资源可持续和耐久性角度考虑，公路建设不允许也不应该放弃水泥混凝土路面材料。当前现代混凝土正经历科学和技术的重大变革，绿色高强高性能混凝土在工程中得到大量应用，为水泥路面混凝土技术改进和发展提供有力支撑。本文针对水泥混凝土路面在实际工程应用中存在的典型病害，分析主要原因，提出改善措施，希望为相关技术进步和水泥混凝土路面建设提供参考，逐渐实现公路建设“黑白并举”的良性局面。

1 水泥混凝土路面常见的典型病害

在自然条件和行车因素的作用下，致使水泥混凝土路面的各种损坏现象层出不穷。水泥混凝土路面破坏形式有很多。本文从4个方面阐述其常见的典型病害并分析其产生病害的原因。

1.1 错台、唧泥、板底脱空

错台的发生与唧泥、填缝料、路基的不均匀变形关系密切。一方面，路面水下渗是由填缝料的破坏引起的，加之车辆反复作用，导致唧泥破坏，随着唧泥的不断发生，路基游离土被带走，表面标高降低，形成错台。另一反面唧泥在车辆反复作用下，板下基层的细粒材料从接缝处与水一起被带出，导致板体与基础脱空，并在接缝附近常常会有污迹存在；脱空是面板与基层之间存在一定间隙，脱空往往伴随唧泥的发生而出现。由此可见3 者互相影响导致路面问题逐渐扩大。

1.2 路面严重剥蚀

由于气候条件的影响，我国北方公路冬季经常积雪、结冰，养护部门在保通的过程中，被迫大量使用除冰盐、融雪剂，很容易造成路面大面积盐冻剥蚀。

水泥混凝土材料本身是一种多孔结构，并具有一定的吸水能力，水可以通过冻融循环的应力作用，对水泥混凝土路面造成持续性的破坏；除冰盐、融雪剂中的使用，提高了混凝土表面孔隙的吸水饱和程度，加速了里面混凝土冻融破坏，结果造成水泥混凝土路面大面积剥蚀。

1.3 压碎、拱起

在胀缝两侧数十厘米之内，由于施工时其内的滑动传力杆位置不准确、滑动功能失效加之使用期间胀缝内落入坚硬杂屑等原因阻碍了板的伸长，使混凝土在膨胀时受到高挤压力，当该力超过混凝土的抗剪强度时，板随即发生剪切破碎。

1.4 路面裂缝

裂缝问题是水泥混凝土路面发展的一个主要的制约因素。裂缝可分为表面微裂缝和贯穿型裂缝。按裂缝发生的时期又可分为早期裂缝和后期裂缝。早期裂缝是指路面板浇筑完成但未开通使用前出现的裂缝，而早期裂缝主要是因为养护不足产生的，使用期裂缝实际是在车辆行驶作用下，应力不断集中而引起的原有裂缝的不断扩展。水泥混凝土路面贯穿裂缝的主要特点就是贯穿整个板厚。这些贯穿裂缝的发展会使路面板完全折断，形成断板。而有的断板则是在施工期间由于混凝土的早期收缩受阻产生的拉应力超过混凝土的抗拉强度造成的；有的是因为尺寸过大所产生的温度翘曲应力超过混凝土抗弯拉强度引起的。路面裂缝和断板带来的不良影响有加大路基压力、加速磨耗层破坏、增加路面应力和变形、降低路面防水性能。不但影响了道路的使用性能、降低了安全性、减弱了道路结构承载能力；而且需要花费大量的人力、物力、财力来维修，严重地影响交通运输的发展。

1.5 路面碎裂与下陷

水泥混凝土公路中，在某些填方路段往往由于路基横向侧移下陷，产生明显下沉，形成路面的连续纵向裂缝和错台，随着车辆碾压和雨水冲刷，各种裂缝的不断发展，面板被切割成小块，路面破碎情况严重，并有断板下陷情况，极大的影响了行车的安全性和舒适性。

2 水泥混凝土路面破坏的原因分析

2.1 沉降不充分以及渗水导致路基沉降

国内建筑施工普遍存在一个问题就是低价中标，快速施工，往往一味的加快施工速度，常常导致后期建筑物和结构物出现大量破坏和开裂，带来不可估量的损失。尤其是水泥混凝土公路路面，路基的施工与路面的施工之间没有经过充分的自然沉降，路基施工完毕之后很快就进行路面的施工，在软地基区域，导致使用中路基大幅度沉陷。路基沉陷又进一步引起板底脱空，上下结构层变形不一致，加之车辆在运行时带来的荷载和进行刹车或启动时产生的剪切应力，会造成路面开裂，破损与坑洞现象。

路基沉降还有另外一个原因就是渗水。在硬地基区域，虽然自然沉降不大，但修路时往往路基防水处理不当，水会沿着水泥混凝土路面的接缝处和道路边缘渗入到基层，加之车辆的反复行驶碾压，会导致唧泥、板底脱空，最后造成地基下沉，影响面层的结构。

2.2 水泥和混凝土拌合物的问题

在当前各种建筑物和构筑物如房屋、路面、桥面等出现的大量工程病害中，原因往往在于原材料使用不当。使混凝土结构早期开裂的各种原因中，现代高速施工所使用的高早强水泥与高早强混凝土不容忽视。

随着研磨工艺不断发展，水泥的细度越来越细，混合材的种类不断增加，其中矿物组成中早强型矿物C₃S的含量越来越高，会使得水化速度过快，放热量过大，造成混凝土路面的收缩开裂，如果修复不及时，会使裂缝演变成坑洞，对车辆的行驶带来安全隐患。自从有了高效减水剂之后，为了施工方便，追求高坍落度，与早前干硬性混凝土施工相比，会使水泥混凝土路面收缩增加一倍以上。导致表面有裂缝，有害物质随着水渗入到混凝土内部，破坏内部结构，加之车辆碾压导致面层结构加速破坏。

2.3 强基础对面层的约束作用

混凝土的自生收缩、温度收缩和干燥收缩等变形受到约束以后会产生拉应力，当拉应力超过混凝土的抗拉强度，就会造成开裂。早期约束应力的发展决定了混凝土早期开裂敏感性。近年来对于修筑水泥混凝土公路来说，强弱基础一直存在很大的争议。而实际工程建设中为了最大限度的承受车辆荷载以及满足长期的强度要求，从设计到施工，往往一味追求强基础。

混凝土路面一般都在板下设置坚硬的基层，其目的是通过强基层来提高对路面板的支撑能力。其中德国混凝土路面板的厚度一直以来都是22cm，但为增强路面结构的整体强度，其措施就只有强化基层。但是在“求强”的同时，人们忽略了强基础也会给路面结构造成负面的影响。在实际建筑结构中会存在约束问题，路面板混凝土早期强度发展迅速、模量大，变形受基层约束大会产生高应力，会造成混凝土的开裂，而切缝切得过浅，后期未发展断开，就会从侧面形成进一步的约束，加剧开裂。基础越强对面层的约束就越大，开裂就越严重，路面的破坏就越大。

2.4 材料设计和施工原因

设计方面的原因主要是指混凝土配合比设计不当，如水泥用量过大或砂率过大，外加剂使用不当或者掺量过大，混凝土在重力作用下发生离析从而产生裂缝。

施工方面主要是混凝土浇筑完之后没有及时进行养护，产生体积收缩，而早期强度较低，无法抵御收缩应力，导致开裂。同时在施工技术方面，混凝土浇筑完成之后二次抹面不均匀、不充分，养护不及时、软土地基不均匀压实造成表面缺陷较大。此外表面抗滑、耐磨、平整度的处理和相关施工仪器不配套。

2.5 国外水泥混凝土路面存在的问题以及原因分析

在美国高速公路网中，水泥混凝土路面约占40%左右。经过长期使用，州际公路和干线公路水泥混凝土路面大部分已进入修复期。调查表明，除正常的疲劳损坏外，还有集料质量不耐久、板厚较薄、设计不当、未考虑排水设置，接缝处理不当等破坏原因。相反，设置排水系统、路肩设置拉杆、减少板长等措施的水泥混凝土路面耐久性能较好。

法国最早修建不设传力杆的素水泥混凝土路面，水泥基层为无内部排水结构，由于交通量每年增长近10%，导致路面出现各种破损现象，破坏了混凝土路面高性能的名声，从而限制了水泥混凝土路面在法国的使用。针对这些问题法国采用抗侵蚀的贫水泥混凝土基层；设置纵向排水系统；采用传力杆，来减少水泥混凝土路面的问题。打破水泥混凝土路面在法国使用的局限性。我们应该从原材料选用、结构设计、路面排水、传力杆设置和大型机械化施工等方面提升水泥混凝土路面的长期使用性能，从而奠定水泥资源大国的水泥混凝土路面应有的优势和地位。

3 应对水泥混凝土路面问题的措施

根据上述水泥混凝土路面出现典型病害的原因分析，提出应对混凝土路面破坏的措施:

3.1 防止路基沉降的措施

严格控制施工速度，在基层施工和面层施工方面预留足够的沉降时间，防止路基沉降导致的板底脱空、断板、错台、路面下沉、裂缝破坏。这需要我们摆脱公路建设低成本快速建设的模式和思维定式。冰冻三尺非一日之寒，要想摆脱这种模式必须各部门通力合作，上到政府政策下到设计施工，都需要严格把控，从思想上认识提高转变。

路基的沉降现象与唧泥也相互影响。唧泥是导致路基沉降的一个间接因素，且时间越长影响效果越大。而根据对唧泥现象的调查，不设传力杆的普通混凝土路面较易发生唧泥。在欧洲，混凝土路面传力杆的设置非常普遍。德国也将设置传力杆作为解决普通混凝土路面唧泥问题的主要手段。而美国多数州也规定横缝必须配置传力杆。针对我国公路现状，开展这方面的研究，有利于节省公路建设与养护管理费用，且会有明显的社会效益。

做好水泥混凝土路面的防水与排水工作，保证混凝土路面平整密实，减少雨水、雪水以及各种侵蚀性水分下渗造成的路基沉降。排水系统的设置可减少唧泥和错台，可促进路面结构排水。美国几乎所有设排水基层的路面都配有纵向边缘排水系统。欧洲的水泥混凝土路面大部分也都设有横向的排水管或是边沟。同时也可以在周边种植各种植被，提高道路通行对环境生态的影响，以及植被对路面排水的水质净化能力。用传力杆连接行车路面板和路肩路面板，可以阻止水分渗入、防止车辆在靠近路肩区域行驶时对路面造成的损伤。

傅智等认为粒料垫层具有良好的排水功能，而且某些低路基必须设置路基的防水设施兼排水系统。高速公路的排水设施包含在一个区域排水设施的之内，因此，应考虑多因素之间的相互影响，进行全局规划，才能设计出与经济、交通相匹配的排水系统。同时每段应设置传力杆，防止应力集中造成剪切破坏。

3.2 混凝土路面裂缝的控制

3.2.1 原材料的控制

首先在进行混凝土施工之前要严格选择原材料，尤其是水泥和骨料。水泥要严格限制早强型矿物含量和细度，应该关注胶凝材料中石膏含量不足也会增大混凝土收缩。注意保持骨料级配良好，含泥量、硫化物及硫酸盐含量、针状、片状颗粒不超标。

3.2.2 控制基层强度

基层强度越大对面层的约束作用越显著，所以为了最大限度的减少面层因约束过大收缩开裂的现象，需要在进行强度设计时，控制基层强度，在满足规范要求的前提下，适当控制基层强度，尝试实践强表面+ 弱基层的设计思想。同时基层和面层衔接界面也是混凝土路面破坏的一个薄弱环节，注意处理好2者界面的衔接，保证受力均匀，或是在2者之间加柔性垫层来缓冲基层对面层带来的约束，防止面层的开裂。在欧洲，水泥混凝土路面粒料底基层厚度大约20～90cm，基层厚度7.5～25cm；奥地利、比利时等国在面板与基层之间设置沥青混凝土中间层，厚度为4～8cm，此项措施对于确保水泥混凝土路面的长期使用性能非常有效。

3.2.3 增加路面板厚度

路面板的厚度也是影响路面裂缝的一个重要原因。所以保证路面板有足够厚度也是降低路面错台、裂缝的一个重要措施。如果路面板太薄，车辆反复行驶摩擦，容易形成错台、断板的现象。可以参照国外路面板厚度进行改进。如美国普通水泥混凝土路面板厚度在湿冻气候条件下为18～34cm，在湿暖条件下为18～38cm，在干冻条件下为20～37cm，在干热条件下为20～37cm；欧洲普通水泥混凝土路面板厚度一般为18～30cm。尽管15～20cm 板厚的混凝土路面也有使用寿命达20年以上的报导，但整体来看，路面板厚度的发展趋势是不断增加的。法国路面板厚度一般在25～ 28cm。以不需要养护维修为目标的板厚为33cm的分层摊铺全厚碾压混凝土路面也在试验性铺筑。日本为缩小与欧美国家在板厚上的差距，最厚也已用到30cm。在保证路面板厚度的同时也要注意保证作为补强层的某些基层的厚度，如级配碎砾石、石灰稳定土、水泥稳定土的最小厚度分别为8cm、10cm、10cm。

3.3 其他技术措施

改善施工工艺、提高施工质量、进一步提高施工机械化水平，使用一些新的路面质量测试技术，即探地雷达和智能压实技术的发展。在面层与基层的衔接方面德国做得很成功，基层完工后及时切缝，但要对准面板纵横缝的位置，并严格控制面层与基层的施工间隔，使面板和基层形成整体。欧洲国家，在高速公路中应用水泥混凝土路面比例最大的就是比利时。在比利时常用的修复方法就是用混凝土加铺旧路面。对混凝土实施及时的早期湿养护，不仅有利于早期强度的发展，也能保证后期强度；采用整体化的路面和路沿设计，提高路沿强度同时防止水沿路沿渗入路面缝隙中；转变设计观念，以强度设计为主转变为以路面性能设计为主;认清混凝土生产的薄弱环节，提高施工的技术水平；为避免车辆荷载对路面造成损伤，及时控制路面可通车车辆的荷载。确保多部门通力合作，提高对车辆的管理力度，严格限制车辆尺寸、超载现象；，对小裂缝早发现早修补。

水泥混凝土路面有以下优点: 刚度大、抗弯拉强度高、耐候性、耐久性优良、承载力好、稳定性好、耐老化、易维修等优点。认真思考以往水泥混凝土路面的问题与原因，提出解决方案，开发修建高耐久性水泥混凝土路面的成套技术具有重要意义。

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