水泥路面养护、维修关键技术

1. 广东交通科技成果推广系列讲座 水泥路面养护、维修关键技术 舒 翔教授级高工 水泥路面养护、维修关键技术研究课题组 二00九年八月

2. 主要内容 • 一、研究的背景和目的 • 二、广东省水泥路面的发展概况 • 三、水泥路面典型破坏形式和机理分析 • 四、水泥路面破损调查检测和分析技术 • 五、水泥路面养护、维修关键技术 • 六、水泥路面加铺、大修及改建关键技术

3. 一、课题研究的背景和目的 随着道路交通量和汽车载重量的急剧增加，我省部分水泥路面己接近或超过其设计累计交通量，有的虽远未达到使用年限，但也出现了不同程度的病害，路面结构破坏日渐严重，使用品质下降。根据华路公司历年调查结果，我省水泥路面病害主要表现为纵横向断板、交叉破碎、角隅断裂、板底唧泥和脱空，以及错台和接缝张开等，其中开裂断板类病害约占80%以上。破损原因很多。 超载交通是主要原因，但是一些养护工作者对水泥路面破坏的机理和原因认识不清，对路面性能状况的检测、评估不到位，加上预防性养护不及时或者养护方法和工艺落后，使得多数水泥路面 “坏了就补、补了又坏”的现象时有发生。

4. 一、课题研究的背景和目的 因此，为了防止和减少水泥路面早期破坏，提高我省水泥路面行驶质量，保障行车的安全和舒适性，交通厅组织立项对“水泥路面养护、维修关键技术”进行研究，目的在于总结已有成果，形成相应养护技术指南，这对我省水泥混凝土道路的维修及养护工作都具有重要的指导意义和实用价值。

5. 二、广东省水泥路面的发展概况 • 80年代以前，我省水泥路面不足3千公里，且主要分布在一些经济较发达地区的地方公路上，国省道主要以沥青路面为主。 • 广东大面积修筑水泥路面是1991年广汕公路改造（全长465km）开始，几乎将原沥青路面全部改造为水泥砼路面。从此全省国省道几乎无一例外的选择了水泥路面，其原因是交通量与日剧增，重车日益增多，原有的沥青路已明显适应不了当时的交通需求，而每年的水毁和养护费用明显不足。且当时广东是全国的水泥生产大省，水泥产量占全国的十分之一。

6. 二、广东省水泥路面的发展概况 • 因水泥路面噪音大、行车舒适性差。 90年代后期，广东大多数高速公路几乎全面修筑沥青砼，但国、省道仍坚持以水泥砼为主。广东修筑高速公路水泥砼路面是从花清高速公路开始，之后北环高速，深汕高速公路二、三标和佛开高速公路陈山以南，以及深汕东、电湛高速全路段。当时修筑水泥路主要还是从造价方面考虑。佛开、深汕主要以路基较好的路段来选择的。 • 新世纪以来，大量的超重交通对许多高速公路产生了较为严重的影响，许多沥青砼路面已不同程度的损坏，水泥砼路面又提到了高速公路的议事日程。除了水泥路面造价低外，良好的抗车撤性能和使用寿命长，养护简单，在许多地方高速公路得到应用。

7. 二、广东省水泥路面的发展概况 • 从施工方面： • 人工、小型机具施工 • 三辊轴施工 • 轨道式摊铺施工 • 滑模摊铺施工 • 自动打入DBI滑模摊铺施工 • 以及加强 原材料控制、养生、接缝材料等方面的技术处理提高施工艺水平

8. 二、广东省水泥路面的发展概况 • 面对当前恶劣的交通轴载环境，以及水泥路面大面积损坏的现状，我国公路工作者也逐渐意识到了水泥路面原有设计的不足，并积极进行改进，集中体现在新设计规范修订时增加了路面结构可靠度的设计，提高了路面结构设计厚度和强度的标准，细化了路面结构组合和材料组成及性质参数要求，完善了路面结构排水系统设计等。2003年开始修筑的梅河、粤赣高速公路。 • 水泥路面破坏后的修复是十分困难的。也难怪我们总是在修沥青路和水泥路之间徘徊。

9. 二、广东省水泥路面的发展概况 • 根据统计，截至1993年底全国水泥路面为28048公里，1995年底广东省水泥路面总里程为16057km，而截至2006年底水泥路面已达59111km。可见，未来水泥路面的养护任务十分繁重。 • 目前看来高速公路和国省道相对重视管养。

10. 二、广东省水泥路面的发展概况 • 交通荷载调查方法 1.国内目前累计当量标准轴次（ESALs） 2.国外车辆轴载谱和车辆组成 • 当量标准轴载存在问题： 1. 交通量与荷载对应关系差 2.交通量数据和代表车型额定轴载推算 3.安装动态称重设备weight-in-motion WIM 4.静态实测调查

11. 二、广东省水泥路面的发展概况 • 根据2007年8月华路公司对我省五条典型高速公路交通量和轴载的调查，可得货车总重和轴重的超载情况如表2-1、表2-2所示。 表2-1 五条高速货车超载情况

12. 二、广东省水泥路面的发展概况 表2-2 五条高速轴重超载情况

13. 二、广东省水泥路面的发展概况 • 轴载谱是公路上实际出现轴载的反映，是计算轴载换算系数的基本数据。根据华路公司的调查结果，可得到广东省典型高速公路上不同轴载的轴载谱，如图2-1~图2-4所示 。 图2-1 单轴单轮轴载谱 图2-2 单轴双轮轴载谱

14. 二、广东省水泥路面的发展概况 图2-3 双联轴双轮轴载谱 图2-4 三联轴双轮轴载谱

15. 二、广东省水泥路面的发展概况 根据轴载调查的情况，按照《公路水泥混凝土路面设计规范》（JTG D40-2002）中要求，进行现有交通量下现有路面结构的荷载应力及温度应力计算，同时按照靠可度系数的理论，与混凝土弯拉强度标准值进行比较。得到四条高速公路水泥路面结果如表2-3所示。 表2-3 疲劳应力与混凝土强度比较

16. 二、广东省水泥路面的发展概况 由表2-3可以发现，在超载作用下，四条高速公路水泥混凝土路面板在荷载疲劳应力与温度应力作用之下，并在一定保证率和可靠度的情况下，其中，广清、佛开、深汕西三条高速公路会产生疲劳断裂，而粤赣高速的路面结构也将近处于临界状况。 因此，超载作用下，水泥混凝土路面板很容易产生断板的现象。 其他高速公路和国省道也存在超载情况，其路面状况同样令人堪忧。

17. 二、广东省水泥路面的发展概况 • 加大力度治理超载 • 调整交通荷载调查方法 • 加快研究广东水泥路面设计参数 • 提高养护水平和质量

18. 三、水泥路面典型破坏形式和机理分析 水泥路面典型破坏形式 • 我省水泥路面典型病害主要有纵横向断裂、交叉破碎、角隅断裂、错台以及填缝料损坏等。 主车道横向断板 主车道连续纵裂

19. 三、水泥路面典型破坏形式和机理分析 水泥路面典型破坏形式 水泥板角隅断裂 水泥板交叉破碎

20. 三、水泥路面典型破坏形式和机理分析 水泥路面典型破坏形式 水泥路面接缝料缺失 水泥路面严重错台

21. 三、水泥路面典型破坏形式和机理分析 水泥路面典型破坏形式 水泥路面唧泥、脱空 水泥路面唧泥、脱空

22. 三、水泥路面典型破坏形式和机理分析 我省水泥路面破坏的主要原因 • 1.重载和超载车的作用 路面设计的一个重要依据是标准轴载的疲劳作用次数，但我国目前公路车辆中很大一部分的实际荷载都超出了公路设计标准，而且这些车辆严重超载。从力学角度分析，轴载对路面的损坏影响随轴载级别的提高呈指数速率递增，因此超载必将造成路面断裂破坏，尤其是对存在脱空的水泥混凝土板，超载后直接导致唧泥、角隅断裂以及严重的断板。

23. 三、水泥路面典型破坏形式和机理分析 我省水泥路面破坏的主要原因 • 2.早期的水泥路面设计标准偏低，主要表现在结构层厚度与强度不足，部分道路横向接缝没有设置传力杆；横向未设拉杆或不足；排水系统设置极不完善，基层强度低，基层顶面几乎没有任何防、排水措施，路表水渗入后对基层和路基的冲刷严重。 • 3.施工质量差，主要表现在路基施工质量不佳，通车后路基出现不均匀沉降；基层强度过低，出现松散，或者基层强度过高，收缩性过大，导致基层出现开裂；水泥砼面板原材料质量控制不严、养生不当、据缝不及时等，造成面板先天缺陷。

24. 三、水泥路面典型破坏形式和机理分析 我省水泥路面破坏的主要原因 • 4. 养护技术人员对水泥路面病害产生的机理认识不清晰，路面检测不到位，导致养护对策针对性不强，养护措施不当。脱空、接缝填缝料损失或路面出现裂缝后养护不及时，水泥路面预防性养护的理念更是未得到较大范围的接受。

25. 三、水泥路面典型破坏形式和机理分析 损坏类型与原因

26. 三、水泥路面典型破坏形式和机理分析 超载对水泥路面结构的力学响应 为探讨超载对路面的影响，以广花高速公路为例，结合大型通用有限元分析软件，对其水泥路面结构进行了不同轴载下的力学分析，结果如表3-1、图3-1~图3-3所示。 表3-1 不同轴载水平下应力应变计算结果

27. 三、水泥路面典型破坏形式和机理分析 超载对水泥路面结构的力学响应 图3-1 轴载—表面弯沉曲线

28. 三、水泥路面典型破坏形式和机理分析 超载对水泥路面结构的力学响应 图3-2 轴载—面层层底最大弯拉应力曲线

29. 三、水泥路面典型破坏形式和机理分析 超载对水泥路面结构的力学响应 图3-3 轴载—面层层底最大弯拉应变曲线

30. 三、水泥路面典型破坏形式和机理分析 超载对水泥路面结构的力学响应 由表3-3计算结果和图3-1~图3-3可知： 1、不同轴载水平作用下，水泥路面的表面弯沉以及各结构层应力应变基本与轴载呈线性关系，这一规律较好地符合于弹性地基板理论。 2、各结构层层底最大弯拉应力基本随轴载的增大呈线性增大的趋势，面层水泥砼板底最大弯拉应力增加趋势要明显大于基层和面层。 3、同一轴载下，底基层层底最大弯拉应力大于基层层底最大弯拉应力，而底基层与基层所用材料属性基本相当，因此，随着轴载的增加，底基层要先于基层出现弯拉破坏。

31. 三、水泥路面典型破坏形式和机理分析 • 水泥路面脱空形成机理 水泥路面板下存在局部不均匀支撑。一般来讲，不均匀支撑主要与重载和超载车辆作用、混凝土板受温度和湿度影响后的翘曲、旧水泥路面加宽、基础和路堤不均匀沉降，以及近桥涵段填土压实不足等有关。 水泥路面板下局部弱支撑的产生又可划分为三种，一是基层物质成分的流失，主要是车辆荷载与空气介质和水介质的相互作用所致：由于水泥路面存在接缝 (有时还有裂缝 )和自由边缘，路基和基层因降雨等原因，有时处于浸润状态。此时，在车轮荷载作用下，路面板与基层之间会产生高压水流，从而侵蚀基层表面，使得含有基层材料颗粒成分的压力水从路面板的接缝或裂缝处喷出（唧泥）。这种现象一旦发生，路面板就会局部失去基层的支承作用而产生断裂及错台。

32. 三、水泥路面典型破坏形式和机理分析 • 水泥路面脱空形成机理 第二是基层下部失去或弱化支撑，这是由于垫层或路基的不均匀沉陷、纵向、横向的裂隙或路堤的侧向位移所致。 第三是水泥面板受温度的影响会产生反复的翘曲变形，且当车轮荷载作用于路面上时，面层板也会产生弯沉变形，这些变形的累积也同样会导致板底的支撑弱化或脱空 。 水泥路面板下脱空的产生过程总体上是由基层均匀支撑的水泥路面板过渡到非均匀支撑(局部弱支撑) ，进而到局部失去支撑(脱空) 的水泥路面板。基层非均匀支撑和脱空的水泥路面板都可以导致水泥路面板的早期断裂；断裂后的路面板，在地表水和车辆荷载的共同作用下又重新加速了新的脱空和新的断裂产生。

33. 三、水泥路面典型破坏形式和机理分析 我省部分高速公路水泥路面主车道脱空比例

34. 三、水泥路面典型破坏形式和机理分析 温度变化对水泥路面翘曲度的影响 水泥混凝土路面受温度变化的影响，将产生变形。温度变化所引起的变形如果受到约束，将会产生温度应力，有时温度应力甚至会大到超过载荷引起的应力，使路面遭到破坏。例如，由于混凝土路面板顶部和底部的温差，使面板白天隆起夜晚下凹，称为温度翘曲应力。水泥混凝土路面板温度翘曲应力，是指路面板在温度梯度（沿板厚方向温度线性分布）作用下的翘曲变形受到地基和自重约束而导致的板结构应力。 假设水泥板厚度为28cm，表面温度为50℃，板底温度分别取为45℃、40℃、35℃和30℃。通过有限元计算结果表明，在路表温度一定的情况下，路面板内温度降低越多，翘曲应力越大。此外，沿路面厚度往下，翘曲应力逐渐减小（如下图所示）。

35. 三、水泥路面典型破坏形式和机理分析 温度变化对水泥路面翘曲度的影响 翘曲应力计算点位示意图

36. 三、水泥路面典型破坏形式和机理分析 温度变化对水泥路面翘曲度的影响 水泥路面不同温度差下的翘曲应力

37. 三、水泥路面典型破坏形式和机理分析 脱空状态下的水泥路面力学响应 以佛开高速公路为例，应用三维有限元方法对车辆载荷作用下其基层脱空时水泥路面的极限承载能力进行分析，以从理论上探讨脱空状态下的水泥路面力学响应特征和规律，结果如图3-4、图3-5所示。 路面板脱空是水泥混凝土路面最主要的破坏形式之一，荷载作用和温度变化引起的板内应力则是混凝土路面板破坏的原因。因此，可根据混凝土路面板最不利荷位处荷载应力和温度应力之和是否超过混凝土设计弯拉强度，确定混凝土路面的极限承载力。为了突出脱空对极限承载力的影响，先不考虑温度。

38. 三、水泥路面典型破坏形式和机理分析 脱空状态下的水泥路面力学响应 图3-4 不同轴载和脱空尺寸下的极限承载力

39. 三、水泥路面典型破坏形式和机理分析 脱空状态下的水泥路面力学响应 图3-5 不同轴载和路面板厚度下的极限承载力

40. 三、水泥路面典型破坏形式和机理分析 脱空状态下的水泥路面力学响应 从图3-4、图3-5可以看出，当路面板厚h=0.28时，随着脱空尺寸d的增加，路面板所能承受的极限载荷不断减小，即脱空严重影响路面板的强度。当脱空d不变,h不变时，不同轴型对应的极限承载力由大到小排序：三联轴>双联轴>单联轴。而当基层脱空尺寸d＝1时，随着路面板厚度h的增加，路面板所能承受的极限载荷不断增强，即板的厚度能够提高路面板的承载强度。

41. 图3-6薄弱层的形成 三、水泥路面典型破坏形式和机理分析 • 水泥混凝土路面的开裂机理 1、水泥混凝土路面开裂的初期阶段 （1）薄弱层的形成及破坏机理 水泥路面是将水泥混凝土直接浇注在凸凹不平的基层上。界面部分的弹模、泊松比和强度既不同于面层的弹模、泊松比和强度，又不同于基层的相应指标，实质上是一过渡层，并且相对面层而言，该层即为强度薄弱层(图3-6)。

42. 三、水泥路面典型破坏形式和机理分析 1、水泥混凝土路面开裂的初期阶段 （2）混凝土路面板底微裂纹的生成 过渡层破坏，面板与基层分离，混凝土路面继续胀缩和产生温度变形，使板产生巨大的剪应力。然而，板的自重以及面板与凸凹不平的基层之间的咬合作用，对路面板收缩起到阻碍作用，导致剪应力对板直接施加撕裂破坏，从而使板底不同部位微裂纹的产生成为必然(图3-7)。 图3-7 板底微裂缝的生成

43. 三、水泥路面典型破坏形式和机理分析 2、水泥路面开裂的中期阶段 （1）板中微裂缝的生成及发展 根据损伤力学观点 ，水泥混凝土面板本身就是一种损伤构件。在行车荷载和温度应力作用下，损伤度会逐渐增大，路面板板中裂纹尖端附近的混凝土逐渐损伤，裂纹会逐渐发展和加剧 (图3-8)。 （2）振动荷载作用下板底裂纹的扩展 路面板在运动荷载作用下会发生振动，板的振动反过来又作用于行驶其上的车辆。这种车与板之间的耦合作用随荷载和车速的大小、路面平整状况以及基层材料性能的不同而变化，并且会对板的开裂产生较大的影响。 图3-8 板中裂纹的形成

44. 三、水泥路面典型破坏形式和机理分析 2、水泥路面开裂的中期阶段 （3）板中裂纹与板底裂纹的贯通 在车辆荷载作用下，混凝土路面板将出现2种情况： 1： 板底及板中出现裂纹后，荷载作用下受拉区会出现损伤 ，受拉区应力增大，裂纹有向板顶扩展的趋势。 2：受拉区受损，承载能力下降，中和轴向板顶移动，导致受压区增大，该区受压损伤进一步加剧，板中裂纹延长。

45. 三、水泥路面典型破坏形式和机理分析 3、水泥路面开裂的后期阶段 按断裂力学观点，水泥路面的疲劳破坏过程应分为两个阶段：即路面完好无损至板底表面形成明显的裂纹阶段和裂纹扩展至路面板完全断裂阶段，并且第一阶段通常占材料总寿命的80%左右。在板底裂纹已经产生的情况下，板的疲劳寿命实际上仅相当于第二阶段的疲劳作用次数，这正是水泥路面往往未到设计年限而发生断裂破坏的原因。

46. 三、水泥路面典型破坏形式和机理分析 典型破损下水泥路面极限承载能力分析 水泥路面板的破损往往是多种破损形式在载荷反复作用下的结果。课题组运用ANSYS有限元分析软件对水泥路面在裂缝和脱空这两种破损形式下，路面板的极限承载能力进行了计算。计算模型为路面板中央存在裂缝，裂缝正下方基层脱空。脱空形状为边长为1m的正方形脱空层，轴载形式为单轴双轮。 1.裂缝深度对路面板极限承载能力的影响

47. 三、水泥路面典型破坏形式和机理分析 典型破损下水泥路面极限承载能力分析 2.裂缝长度对路面板极限承载能力的影响 计算模型为路面板中央有裂缝，裂缝下基层脱空，裂缝深度0.12m，轴载形式为单轴双轮。结果显示裂缝长度的增加，路面板极限承载力减小。 裂缝长0.5m时的最大拉应力图 裂缝长2m时的最大拉应力图

48. 三、水泥路面典型破坏形式和机理分析 典型破损下水泥路面极限承载能力分析 3.载荷形式对路面板极限承载力的影响 单轴单轮的最大拉应力图 计算模型为路面板破损情况为在路中央有一长1m，宽0.2m,深0.12m的裂缝，裂缝正下方基层有一边长为1m正方形脱空层。 双轴双轮的最大拉应力图 单轴双轮的最大拉应力图 三轴双轮的最大拉应力图

49. 三、水泥路面典型破坏形式和机理分析 典型破损下水泥路面极限承载能力分析 4.四角脱空时路面板的极限承载能力分析 简化脱空层形状为边长为a的正方形脱空，脱空位置在路面板的四个角上，载荷位置位于脱空层上方,载荷形式为单轴双轮。计算结果显示，当脱空区域较小时，路面板的极限承载能力较大，随着脱空区域的增大，极限承载能力下降。 从以上典型破损下水泥路面的极限承载能力分析可以看出，水泥路面板的破损对其极限承载力影响明显：其极限承载能力随着裂缝深度、长度，以及脱空区域的增大而减小。在不同的轴载形式下，路面板的极限承载能力不同，在同样的破损情况下，三轴双轮作用下路面板的极限承载力最大，而单轴单轮作用下的极限承载力最小。

50. 四、水泥砼路面状况调查检测和分析 为了解水泥路面现状，选择针对性的养护措施，制定科学的养护政策，编制合理的养护计划，以及进行路面大修、改建设计等都必须进行路面状况的调查检测和评定。路面状况调查和评定一般包含以下几个方面的内容： 1. 路面破损状况调查； 2. 路面结构承载能力测试； 3. 路面行驶质量检测； 4. 路面抗滑能力测试； 5. 交通量和轴载情况调查； 6. 路基和路面排水状况； 7. 路面修建和养护历史。