水泥混凝土路面的病害成因及防治

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水泥混凝土路面的病害成因及防治司国良(吉林省高速公路管理局养护中心,长春130022)摘要对水泥混凝土公路路面和机场场道水泥混凝土道面病害形成原因进行分析和归纳,目的在于在设计和施工过程中有效地采取预防和治理措施,以更好地保证工程质量、延长使用寿命,确保公路行车安全和飞行适航要求。关键词水泥混凝土公路路面防治措施1引言改革开放以来,我国经济突飞猛进的发展,交通事业在国民经济的高速发展中的突出地位已明显显露出来,高等级公路,民用航空等交通设施建设的步伐尤为迅速,且水泥混凝土路面大量取代石油沥青路面。随着水泥混凝土路面的大量投入,水泥混凝土路面的设计,施工使用和维护的标准,也越来越高,但同时反映在水泥混凝土路面在使用过程中暴露出的问题也越来越多,其中不乏由于病害影响使用寿命,危及公路行车和飞机飞行安全,严重影响社会效益,投资效果和企业经济效益。因此,分析水泥混凝土路面病害成因,预防病害产生,提出防治病害的措施,延长水泥混凝土路面的使用寿命,提高社会效益,投资效益和运营经济效益势在必行。本文就高等级公路水泥混凝土路面、民用航空、军用航空机场场道的病害形成原因进行较系统分析,并有针对性的提出预防措施和维护办法。目的在于在实际工作中有的放矢,更为合理运用在设计,施工,维护过程当中。供高等级公路水泥混凝土路面,机场场道道面设计、施工、维护方面的同仁参考。2水泥混凝土路面的病害表现及形成原因,防治措施,维修要点2.1病害的表现及形成原因2.1.1板块裂缝2.1.1.1表面裂缝表面裂缝多为不规则裂缝,且在同一块板上纵横不一,长短不等,深浅不同。裂缝缝隙较小。形成原因也是多方面的:施工时气温较高,空气干燥,混凝土水分蒸发太快,养生不及时;混凝土拌合过程中投料不准确,水泥投入量过大,水灰比失控,集料相对减少所致;真空吸水时,由于路面较厚,真空吸水不能完全保证自下而上全部均匀吸出,表层吸水量过大,底层水份未被吸出,上下层含水不一致使表面干缩过快,出现裂纹。此种原因产生裂纹有规律且长度较大,裂纹产生较早。特别是在低温施工时产生缩裂,多属此种原因;施工时水泥水化热反应也可能产生缩裂。设传力(拉结)杆的路面在日光强烈照射下,由于金属吸热过快,导致予埋传力(拉结)杆处混凝土干缩,表面产生裂缝,此种裂缝在施工过程中即可发生,有规律性,在予埋件处。2.1.1.2贯通裂缝板块断裂自上而下贯通,在非角隅处产生贯穿板厚的纵向,横向或交叉断裂。较有规则性,其原因不外以下几种:施工时,切缝不及时或切缝深度不够,小于板厚的1/6或者混凝土本身强度均匀性太差;施工缝处理未按规定留置在切缝处。土基局部下沉或流失,基层稳定性不够,找平层不均匀,施工时过震致使混凝土浆大量流失,产生空洞,局部承载力减弱;不均匀冻胀;荷载应力产生裂缝,如混凝土施工强度低于设计强度,受冻融,碳化,老化;地基反应模量降低,远低于设计强度时,长期超负荷,超使用频率等。2.1.1.3板角断裂从板角隅到斜向裂缝两端的距离<1.8m的角隅裂称板角断裂,以断角斜角边长与板边长之比在1/10-1/2的长度也称板角断裂,板角尖端处大略低于板中心处,由此可见其原因系板角承载能力小,其板角低于设计荷载应力,因此产生板角断裂。板块裂缝中,一般表面裂缝由于缝隙较小不易产生边缘破碎,而且在产生之后一般不再延伸,而贯通裂缝缝隙较大,在荷载下继续延伸并易产生缝隙边缘破碎,破碎时产生混凝土碎块或石子脱落,在公 第26卷第3期司国良:水泥混凝土路面的病害成因及防治·39·路上影响不大,但在机场场道上极易吸入飞机发动机,危害很大。2.1.2板边,板角裂纹,破碎2.1.2.1板边,板角裂纹多呈网状,虽呈裂纹,但并未产生缝隙,未破碎之前表现仍平整,但其颜色较未产生裂纹的完好板面颜色较深,呈黑灰色,雨后或表面洒水后吸水较快,无积水现象。网状裂纹处混凝土较软弱,程度深浅不一但表面反映与内部损坏极不一致,病害纵深发展,深度一般大于10cm纵横方向一般大于表面网裂3-5cm。裂纹大多发生在企口缝凹槽一幅板块边缘。此病害多产生于以下几种原因:板缝防水不好,排水不利,长期处于潮湿状态,在北方寒冷地区由于混凝土含水量较大,受冻害严重所致;混凝土配合比级配不合理,水灰比大;混凝土原材料,水泥化学成份和安定性差,水泥中氧化镁,游离氧化钙,铝酸三钙等含量偏高,集料中含泥土过量、混凝土中碱集料反应;企口缝凹槽一侧之凹槽上侧较凸槽边缘薄弱在荷载作用下内部受到破坏抗渗性能差受冻所致,地下水位偏高;受冻融影响。2.1.2.2板边,板角破碎板边,板角破碎是在水泥混凝土路面病害中最常见的一种,也是危害最大的病害。破碎表现程度不一样,成块并有一定的强度,有的破碎后夹在缝隙里,有的浮在道面上。受温度热胀应力特别是设有企口缝的道面和荷载应力造成的破坏,多产生成块破碎,碎碎粒径较大。粉碎性破碎,大多是网状裂纹的晚期结果,破碎混凝土颗粒料小,浮于表面,且同一处不断产生,逐渐扩大加深。粉碎性破碎多因混凝土填缝防水材料失效或填缝不严;使雨、雪水渗入缝内和基层,使边、角处混凝土含水量多于板中,长期受冻融影响碱集料反应;混凝土中或基层中的有害化学成份如碳酸钙、钙矾石在水中的作用下经过毛细作用或移位到边角部位中,集中到一定浓度,溶解水中的石灰随水份蒸发变成结晶体膨胀;钙矾石在水的作用下经过移位达到一定的浓度腐蚀破坏混凝土。施工时边缘为防止模板变型而震捣不够,密实度低于板中心。2.1.3表层剥落2.1.3.1浅表面脱落表面剥落是指混凝土保护层脱离,表现为脱落层极薄,脱皮厚度只限于混凝土保护层,脱层成片状,脱皮单块面积略大,多片撞击发生金属般声响,较有强度,脱皮下层无粉末状,此种病害多产生于强酸强碱等腐蚀性化学物品洒落在道面上,经初冬,初春雨夹雪或昼融夜冻急剧产生的冻融作用下破坏,如公路使用盐除冰雪、机场使用清洗剂、除冰液等腐蚀性介质在冻融情况下的催化作用;汽车、飞机维修时油料也对水泥混凝土产生危害。受腐蚀后表层结构破坏。初冬、初春雪雨交替不便清除。渗水后受冻产生。2.1.3.2深表层剥落深表层剥落是指表层脱落影响至含有集料的下层,但未完全剥落到全板厚度,除面表脱落,石子、砂粒也有脱落。主要原因:混凝土原材料水泥、砂子、石子耐磨性差,容易露石;施工时水灰比过大,养生不及时,表面砂浆强度低,耐磨性能差;混凝土路面抗冻,抗渗性能差且由于排水性能低而又使路面长期处于积水状态;寒冷地区使用抗冻性能差的水泥。2.1.3.3表面坑洞表面坑洞是路面上出现大小不一,边缘较整齐,或外大内小,或外小内大,深浅不一的各种形状的孔洞。主要是混凝土施工过程中对材料检测不严格,使混凝土中混有结块泥土,木块造成的。混凝土中含有石灰结块颗粒。风化石、云石等膨胀物遇水遇热造成膨胀也可形成坑洞。2.1.4板块竖向移位2.1.4.1板块松动板块松动主要是板块失去稳定性,是脱空板病害。产生原因:路面基层局部下沉或胀起;基层或找平层松散材料在水作用下流失;板块之间接缝施工处理不当,板体受高温膨胀使板拱起,板下脱空。2.1.4.2板间错台板间错台表现为同一幅板或与相邻一幅板面出现较大高低差。其病害产生原因:土基或基层局部下沉或冻胀;路面接缝处理不当,两块板体受温度热胀应力或不均匀荷载产生产不均匀胀起或下沉。都有可能造成错台。2.1.4.3板块拱起板块拱起在同一幅板,两板在同一缩缝(横向)切缝处升高,升幅高度不等最大升高拱起可达20cm,拱起突然在短期内发生。也有两幅板在胀缝(纵向)接缝处拱起,起高幅度不大,且拱起逐渐形成。但面积较大。病害形成原因:同一幅两板拱起主要因胀缝设 东北公路2003年·40·置不合理,距离过大,不适应混凝土热胀膨胀需要,或设置按本地区常温也较合理,但突遇突破常温的气候出现,使胀缝膨胀力与设计不附;或施工过程中膨缝板过薄,未达到设计要求,相领两幅拱起原因是因胀缝设计或施工不合理,使两板拱起;或因填缝高度距板面太深,填缝材料失效脱落或漏填,低温路面板收缩时,板缝被灰土堵塞,逐年循环产生严重衔泥现象,遇热时板面无法充分利用胀缝而产生拱起。2.1.5填缝病害路面接缝填缝材料在短期内老化失效、脱落、剥离,起不到防水作用,严重渗水。主要原因:填缝料与路面缝壁单边脱开裂缝,主要是施工时缝内灰尘,灰浆清理不彻底,钢丝轮打磨不彻底;双面脱开裂缝除上述原因外,还有填缝料弹性差,拉伸能力达不到标准,粘结能力差;填缝料从中间开裂是填缝料低温延伸度没有达到延伸长度技术指标或耐老化能力太差;填缝料由于气温高时淅油或膨胀高出路面,由于填缝料本身没有达到耐热度技术指标。破损脱落说明填缝老化使用寿命到期。2.1.5.2胀缝板病害胀缝板病害主要反映在木板材质太差,如杨、柳、椴、桦木等耐腐性差等木材。木板防腐未按技术要求处理,软度不够,压缩复原率低;泡沫板胀缝刚度,承压度不足,施工中胀缝受到破坏;胀缝板设置不当,安放不到底,垂直度差;2.1.5.3传力杆,拉杆病害传力杆病害主要是施工中设置水平度,垂直度达不到技术要求,客观上变成了加固筋,无法起到假缝收缩的作用,容易使路面板在传力杆两侧以外拉断,传力杆、拉力杆在路面接缝部位防锈处置不当,容易锈蚀。2.1.6路面抗滑性能衰竭水泥混凝土路面抗滑能力降低,摩阻值衰退减弱。其主要原因:水泥混凝土路面原材料本身耐磨性差,如水泥品种耐磨性差,相应化学成份含量低,砂子强度低,含量大;路面施工水灰比大,砂浆保护层强度低,路面表面网状裂纹多;施工时养生不及时,表面干燥太快影响路面表面强度,施工时压纹,拉毛过晚,超过水泥终凝时间;机械或高压水除胶损伤;使用频率大,刹车次数增加,路面除冰使用腐蚀性介质催化作用。2.2水泥混凝土路面病害的防治2.2.1板块裂缝2.2.1.1表面裂缝表面裂缝的预防办法主要是严格控制施工水灰比,及时养生,养生时间以养生材料覆盖不破坏混凝土表面拉纹结构层时即可进行;混凝土施工时严格控制水泥投入量和集料级配,特别是细集料采用中粗砂,砂含土量不得超标;混凝土路面厚度>25cm时不宜采用真空吸水;水泥出厂时间与使用时间应控制在相应时间(至少应冷却后)使用,防止水化热反应剧烈产生裂纹。2.2.1.2贯通裂缝施工时及时切缝,切缝最佳时间视水泥品种而定,普通硅酸盐水泥可适当早些,矿渣水泥可稍迟一些,昼夜温差较大时更应掌握好缩缝切割时间。切缝深度保证设计要求;混凝土施工必须采用电子秤严格控制配合比,以保证混凝土板本身强度均匀性;施工时找平层不宜过厚或过薄,过厚则其稳定性差,过薄则会产生混凝土浆流失,影响强度;施工缝必须严格保证预置在切缝处;土基,基层稳定性必须达到设计要求;混凝土施工强度特别是抗折指标≥设计标准,地基反应模量不得低于设计强度。2.2.1.3板角断裂因板承载能力小,其板角低于设计荷载应力,在设计上应采用加固钢筋或适当提高混凝土抗折标号。2.2.2板边、板角裂纹、破碎2.2.2.1板边,板角裂纹施工时应尽量采用钢模板,防止采用木模板时木材干燥吸收混凝土水份而造成抗渗性能差,受冻害产生裂纹;板缝防水性能好,保证不渗漏,施工时严格控制高程,设计时应尽量避免使用企口缝;地下水位偏高应采取有效排水措施,降低地下水位;混凝土用原材料必须严格控制有害成份。2.2.2.2板边、板角破碎板边、角破碎分成块型和粉碎型,成块型破碎一般应解决受温度膨胀应力破坏,首先解决胀缝不合理问题,其次为切缝宽度;荷载应力的解决也应着重改善混凝土强度,在施工中,解决因平板震动器在震捣时为防止模板变型或震捣器因模板影响不能将边缘充分震实,靠近模板边缘处混凝土密实度不够而降低强度产生渗水,强度减弱,致使本来受应力作用较大但又强度较板中心较低的问题发生,边角纹裂也有此类问题,粉碎型破碎除须在施工中加强边、角捣固,使其密实度增强,水泥浆充分淅出,保证混凝土密实度,防止渗水外,还应保证填缝材料达到设计 第26卷第3期司国良:水泥混凝土路面的病害成因及防治·41·要求,施工时保证填缝质量;降低基层和混凝土集料有害成份,完善排水设计以降低地下水位。2.2.3表层剥落2.2.3.1浅表层脱落防止腐蚀性物质洒落路面,飞机清洗应设飞机专用清洗机位,禁止随地清洗;使用除冰融雪材料应尽量避免强酸强碱性物质,最好采用加热除冰法;积雪清扫必须全部清除路面以外,清除路面外的雪堆距路面有一定距离,避免积雪融化后雪水倒流在路面上,清雪应及时,特别是初冬、初春时节,雨雪交替随下随化,昼融夜冻,冻融周期过频加快路面破损;施工时及时养生,防止由于路面过早干燥影响面层强度,降低抗渗性能。2.2.3.2深表层剥落提高混凝土原材料耐磨性标准;施工时严格控制水灰比,及时养生,混凝土路面保护层不宜过厚,表层压纹应在混凝土终凝前完成,最好采用龙尼刷拉纹,不受表面收水程度限制,可在水泥混凝土初凝前进行,构造深度可调整。钢辊压纹因钢辊笨重,不宜控制,必须待混凝土表面完全收水达到一定强度时实施,这就有可能在混凝土终凝后至少在初凝后才能进行,很可能破坏混凝土保护层内部结构,使强度降低。抗渗性能减弱,所以表面压纹及时与否决定混凝土表面强度;施工时严格按设计高程控制,防止路面积水;寒冷地区禁止使用抗冻性差的水泥。2.2.3.3表面坑洞施工时严格检查水泥,集料,防止失效结块水泥,泥块,木块等造成路面空洞产生积水渗水影响混凝土强度,同时对集料中的有害成份严格控制,防止不合格集料进场,使用。2.2.4板块竖向移位2.2.4.1板块松动提高基层稳定性均匀性,防止基层局部下沉或胀鼓;基层或找平层应嵌缝压实,碾压稳固,不使其在水作用下流失,找平层在碾压时应洒水湿润,碾压后立即进行混凝土路面施工,防止找平层因干燥松散;板块之间接缝处理须合理。2.2.4.2板间错台路面设计应不低于当地最小抗冻层厚度,避免冻胀;土基填方应逐层碾压,保证达到设计密实度,土基密度检测取样应均衡,特别是填方厚度较大或软弱处应加强检测,防止局部下沉;两辐板间施工条件(温度差)不宜过大。2.2.4.3板块拱起胀缝应设置合理,在相对温度较低时施工的路面,应按设计加设胀缝,胀缝板厚度不得低于设计标准,且须薄厚均匀;填缝材料延伸度达到设计要求,对老化、失效、脱落填缝材料应及时修补,防止因灰土杂物落入产生衔泥现象。2.2.5路面接缝2.2.5.1路面接缝路面填缝前应彻底清理缝内灰尘,灰浆及杂质,钢丝轮打毛彻底,并在填缝前用空压机吹净;填缝料延伸率≮500%,抗老化指标合乎设计要求,粘结度好,低温脆裂,高温流淌指标必须达到技术要求,及时维护。2.2.5.2胀缝板病害胀缝板选材应优选红松材料,并进行防腐处理薄厚在达到设计技术标准同时应均匀;安放应到底,设置应合理,垂直度应与路面呈90°角。2.2.5.3传力杆,拉结杆传力杆在施工中设置应保证水平度,垂直度达到技术要求,起到假缝收缩的作用;传力杆,拉结杆在路面接缝部位应除锈处理,避免锈蚀。2.2.6路面抗滑性衰竭水泥混凝土路面在原材料选用时应选择耐磨性能好,磨耗强的使用;集料含泥量不应超过标准,且越低越好,严格控制路面施工水灰比;施工时养生适时,不使表面干燥过快;施工时表面拉纹不宜超过水泥初凝时间;尽量避免机械除胶及高压水除胶,化学除胶材料PH值应为中性。路面除冰雪不应作用腐蚀性材料。2.3维护要点2.3.1路面混凝土板块破损路面混凝土维修具有针对性,目前采用方法仍以混凝土修补,混凝土材料根据路面使用要求分为紧急抢修和正常维修。紧急抢修使用材料目前应用的早强快硬混凝土,大体分为三类,一类是改性环氧树脂,不饱和树脂等有机材料;另一类是以水泥为基料加入速凝早强添加剂,使其达到抢修目的,为无机材料;其次为聚合物水泥混凝土,为复合材料。但不论采用哪类材料,其物理力学性能必须达到下列技术指标。抗压强度>30MPa/4h抗拉强度>3.5MPa/4h粘结强度>1.0MPa/4h 东北公路2003年·42·抗渗指标>S30/28d抗冻指标>D300/28d收缩值<普通水泥混凝土耐磨性高于普通水泥混凝土抗折弹性模量与普通混凝土相似只有达到上述各项技术指标才能用于紧急抢修,使维修工作对路面运营影响减少到最低限度。因此,在水泥混凝土路面紧急抢修过程中,选用材料需要因地、因时制宜。上述诸指标在路面修补中使用,最主要的与旧水泥混凝土界面粘结强度、收宿值,这两项指标是保证修补处稳固的关键前提。施工要点一是要快,二是要牢固。修补时还要注意修补一定要到位,不要被表面现象所迷惑,有些病害内部破损远远大于表面现象。且界面一定要处理洁净,使用树脂材料须注意创面与修补混凝土粘接界面处于干燥状态。水泥材料要采取养生措施,使其即达到养生目的,又不影响运营使用。无论何种材料都须在常温条件下施工,负温条件施工可能性都极小,所以维护修理都必须适时安排时间。2.3.2混凝土板块竖向移位路面错台宜采用磨平法,也可采用填补和注浆顶升法;路板拱起一般采用切割法,切割多余部分,使之下落;严重移位采用上述方法无法处理或处理后效果不佳可清除移位板块重新填补混凝土,紧急状态抢修可采用同规格同质量的予制板或早强快硬混凝土现浇施工。2.3.3路面接缝胀缝板腐烂,可采用混凝土切割机用木园锯片将腐烂胀缝板切除,剔净,再用切割混凝土锯片适当扩大胀缝,重新镶嵌胀缝板。填缝材料老化,破损,清除破损处重新填缝。2.3.4路面抗滑性能衰竭因轮胎接触路面摩擦造成摩阻值降低可采用除胶方法处理,如因使用期限过长,路面摩阻构造损坏,可重新刻槽划线提高路面摩阻值。刻槽与划线原理基本相同,只不过是在路面上截锯的深度和宽度及间距大小不同而已。3结论与建议(1)通过分析可知,水泥混凝土高等级公路路面、机场场道的病害存在比较普遍,形成原因比较复杂,其中有设计原因、原材料原因、施工技术、工艺原因、维护使用等诸多因素,但只要了解病害形成的真正原因,有效预防并不困难。(2)在诸病害形成的原因中,其主要原因产生于施工过程居多,因此及早不断完善和修订水泥混凝土路面施工技术要求和施工规范势在必行。(3)在水泥混凝土路面使用和养护过程中方法不当,造成病害形成,直接影响水泥混凝土路面使用寿命也是不可忽视的因素。(4)路面超负荷使用也是病害产生的主要原因之一,严格控制车辆超载上路行驶十分必要。水泥混凝土路面在设计、施工、使用和养护方法的问题目前广泛存在,在实际工作中应给予足够的重视。ReasonsandTreatmentofDiseasesonCementConcretePavementAbstractReasonsofdiseasesoncementconcretepavementandairportpavementwereanalysed,andaimedatadoptingthepreventationandtreatmenttoensuretheprojectquality,drivingsafetyandflyingsafetyandex2tendusinglife.Keywordcementconcretehighwaypavementpreventionandtreatment