（材料学专业论文）水泥混凝土路面应力吸收层研究.pdf

摘要 长期以来，水泥混凝土路面的诸多病害影响着其使用寿命。水泥混凝土路面承受车 辆荷载的反复作用，当车辆荷载超过路面的承受能力时就会对路面的结构造成影响，导 致整个路面板，甚至基层的破坏。通过研究发现设置应力吸收层的水泥混凝土路面结构， 对提高水泥混凝土路面的使用品质、改善路面的工作状况、延长路面的使用寿命、降低 水泥混凝土路面全寿命费用具有重要意义。 本文通过对水泥混凝土路面的现状、破坏形式以及破坏机理分析，发现水泥混凝土 路面在大流量交通和车辆反复荷载作用下，由冲刷、疲劳和磨损破坏引起不同程度的路 面破坏形式，而冲刷破坏是水泥混凝土路面最主要的也是最严重的一种病害，其表现形 式为唧泥、错台和板底脱空等病害，是诱发断板和网裂最主要因素，对此本文开展水泥 混凝土路面合理结构型式的研究，分析了应力吸收层的功能特性。在路面板与半刚性基 层之间设置应力吸收层可以减弱通过水泥混凝土路面板传递给应力吸收层的车辆荷载 所产生的冲击振动，具有应力吸收的功能；可以有效阻止路表水下渗造成的基层冲刷破 坏；可以隔离混凝土路面板与基层的粘结，预防路面板在较大的温度翘曲变形和应力作 用下造成板底与基层顶面的脱空现象；可以减少基层由于干缩裂缝和温缩裂缝引起的反 射裂缝；在基层项面设置应力吸收层，还可以减小层间的摩阻力，避免硬化后的路面板 应力集中而产生断板。利用沥青混合料的级配设计理论和方法，设计了应力吸收层混合 料级配；根据应力吸收层的功能特性，开展y f 型沥青混合料研究，其空隙率限制在2 以内，油石比宜控制在6 5 - 7 5 之间，其中y f 5 型沥青混合料适应厚度为2 c m 的 应力吸收层、y f 1 0 型沥青混合料适应厚度为3 c m 的应力吸收层。提出应力吸收层及其 组成材料的技术要求。进行了应力吸收层的性能检验，通过冻融劈裂试验、常温等速拉 伸试验和渗水试验说明应力吸收层具有良好的路用性能。提出了应力吸收层的施工技术 方法，并且通过应力吸收层的应用效果分析，说明水泥混凝土路面合理结构型式可以达 到延长水泥混凝土路面疲劳寿命之目的，具有工程应用价值。 关键词：水泥混凝土路面，应力吸收层，沥青混合料，施工技术 ab s t r a c t a l o n gt i m e ，t h ec e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n td i s e a s ea f f e c t sm a n yo ft h e i ru s e f u ll i f e c e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n tu n d e rr e p e a t e dl o a d i n gt h er o l eo fv e h i c l e s ，w h e nt h ev e h i c l el o a d o v e rt h eb e a r i n gc a p a c i t yo ft h er o a dw h e no nt h er o a da f f e c tt h es t r u c t u r eo ft h ew h o l e p a v e m e n t ，a n de v e nt h ed e s t r u c t i o no ft h eg r a s s r o o t sl e v e l t h es t u d yf o u n dt h r o u g haw i d e r a n g eo fs e t t i n g ss t r e s sa b s o r p t i o nl a y e rs t r u c t u r eo fc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n t ，c e m e n t c o n c r e t ep a v e m e n tt oi m p r o v et h eu s eo ft h eq u a l i t yo ft h ew o r kt oi m p r o v er o a dc o n d i t i o n s ， t oe x t e n dt h es e r v i c el i f eo fp a v e m e n t ，c e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n tt or e d u c et h ec o s to ft h e e n t i r el i f eo fg r e a ts i g n i f i c a n c e b a s e do nt h ec u r r e n ts i t u a t i o no fc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n t ，t h em e c h a n i s mo ff a i l u r e a n dd a m a g ea n a l y s i so fc o n c r e t ep a v e m e n tw a sf o u n di nt h er e p e a t e df l o wo ft r a f f i ca n d v e h i c l el o a d sf r o me r o s i o n , f a t i g u ea n dw e a rd a m a g ec a u s e db yv a r y i n g d e g r e e so fd a m a g et o t h ef o r mo fr o a d s ，a n de r o s i o nd a m a g ec e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n ti st h em o s ti m p o r t a n to n e o ft h em o s ts e r i o u sd i s e a s e s ，i nt h ef o r mo fm u dp u m p ，w r o n gp l a t f o r ma n db o a r da tt h ee n d o fd i s e a s ef r o ma i ri si n d u c e ds p l i to f f t h em a i nb o a r da n dn e t w o r ke l e m e n ti nt h ec e m e n t c o n c r e t ep a v e m e n ti nt h i sa r t i c l et oc a r r yo u tr e a s o n a b l es t r u c t u r er e s e a r c h s t r e s sa n a l y s i so f t h ef u n c t i o n a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h ea b s o r p t i o nl a y e r , t h er o a dv e r s i o nw i t ht h es e m i - r i g i d l a y e rb e t w e e nt h es t r e s s c a nb er e d u c e dt h r o u g ht h ec e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n tl a y e rt o a b s o r bt h es t r e s st r a n s m i t t e dt ot h ev e h i c l eb yt h ei m p a c to fl o a dv i b r a t i o nt oa b s o r bt h e f u n c t i o n so fs t r e s s ；c a nt a b l ee f f e c t i v ew a yt op r e v e n ti n f i l t r a t i o nc a u s e de r o s i o nd a m a g et o t h eg r a s s r o o t sl e v e l ；c a nb ei s o l a t e dc o n c r e t ep a n e l sb o n d e dw i t ht h eg r a s s - r o o t s ，p r e v e n t i o n o fp a v e m e n tt e m p e r a t u r ei nt h el a r g e rr o l eo fw a r p a g ea n ds t r e s sc a u s e db yt h ee n dp l a t ea n d t h et o ps u r f a c eo ft h eg r a s s - r o o t sp h e n o m e n o nf r o mo u t e rs p a c e ；c a ne f f e c t i v e l yp r e v e n tt h e g r a s s - r o o t sl e v e lh a v eas h r i n k a g et e m p e r a t u r es h r i n k a g ec r a c k sa n dc r a c k si nt h ep a v e m e n t a f t e rt h ee x p a n s i o n , t h ef o r m a t i o no fr e f l e c t i o nc r a c k s ；s e tu pi nt h et o ps u r f a c eo ft h e g r a s s - r o o t sl e v e ls t r e s sa b s o r b i n gl a y e r , b u ta l s oc a nr e d u c et h ef r i c t i o nb e t w e e nl a y e r st o p r e v e n th a r d e n i n go ft h ep a v e m e n ta f t e rt h es t r e s sc o n c e n t r a t i o na n dh a v eab r o k e nb o a r d t h eu s eo fa s p h a l tm i x t u r eg r a d a t i o no fd e s i g nt h e o r ya n dm e t h o d s ，d e s i g n e dt oa b s o r bt h e s t r e s sg r a d i n gl a y e rm i x t u r e , s t r e s s a b s o r b i n gl a y e ra c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o n a lp r o p e a i e s ，t o c a r r yo u ta s p h a l tm i x t u r ey f b a s e dr e s e a r c h , t h ev o i df r a c t i o nl e s st h a n 2p e r c e n tl i m i t ， o i l s t o n et h a nd e s i r a b l ec o n t r o l l e db e t w e e n6 5 7 5 ，w h i c hy f - 5 - t y p eo fa s p h a l tm i x t u r et o a d a p tt o2 c mt h i c kl a y e ro fs t r e s s ，y f 一10 t y p eo fa s p h a l tm i x t u r et oa d a p tt oat h i c k n e s so f 3 c m l a y e ro fs t r e s s s t r e s s - a b s o r b i n gl a y e rt ot h ec o m p o s i t i o no f t h em a t e r i a la n d i t st e c h n i c a l r e q u i r e m e n t s as t r e s st e s tt h ep e r f o r m a n c eo ft h ea b s o r p t i o nl a y e r , t h r o u g ht h ef r e e z e t h a w f r a c t u r i n gt e s t s ，r o o mt e m p e r a t u r et e n s i l et e s ta n di s o k i n e t i ct e s tt h a tw a t e rs t r e s sa b s o r b i n g l a y e rh a sag o o dr o a dp e r f o r m a n c e s t r e s s - a b s o r b i n gl a y e rm a d eo ft h ec o n s t r u c t i o n t e c h n i q u e s ，t h r o u g ht h ea p p l i c a t i o nl a y e rt oa b s o r bt h ee f f e c to fs t r e s sa n a l y s i s ，s e t t i n go f c e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n ts t r e s sa b s o r b i n gl a y e rc a nb ea c h i e v e dt oe x t e n dt h ef a t i g u el i f eo f c o n c r e t ep a v e m e n tp u r p o s e s k e yw o r d s ：c e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n t ，s t r e s sa b s o r b i n gl a y e r , a s p h a l tm i x t u r e ， c o n s t r u c t i o n t e c h n o l o g y h i 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文 中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 论文知识产权权属声明 。年6 其je t 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：删 导师签名： 1 i 湛适 乙 矽年歹月，日 。 年只j 日 长安大学硕士学位论文 1 1 研究目的和意义 第一章绪论 公路运输是国民经济的基础性、服务性产业，公路运输的发展关系到我国经济社会 发展的全局。我国已进入加快推进社会主义现代化的新阶段，随着经济社会快速发展和 人民生活水平的不断提高，迫切需要尽快建立一个能力充分、组织协调、运行高效、服 务优质、安全环保的公路运输系统，为社会和公众提供便捷、通畅、高效、安全的运输 服务。 我国的公路运输在交通运输中占主导地位，按交通运输部发布的统计报告，截止 2 0 0 8 年底我国公路总里程达3 7 3 0 2 万公里，有铺装路面1 4 6 4 8 万公里，其中水泥混凝 土路面1 0 2 3 7 万公里，沥青混凝土路面4 4 1 l 万公里，水泥混凝土路面占到铺装路面的 6 9 8 8 ，成为占主导地位的路面结构。长期以来，国际市场上的原油价格居高不下， 在这样严峻的能源形势下，我国高等级公路沥青路面使用的沥青的价格也在随之大幅度 上涨，这对于我们这样一个主要依托国际市场上的沥青建造高等级公路沥青路面的发展 中国家来说，是极为严峻的资源与造价挑战。其次，我国高等级公路沥青路面厚度已经 不薄于水泥混凝土路面厚度，每平方米造价大大高出水泥混凝土路面约l 2 倍。我们 面临的问题就是在高等级公路建设中，即使我们出得起超高价格，也无法购买到符合我 国公路建设规模所需的沥青数量。因此，充分发挥水泥混凝土路面的优势，因地制宜的 利用我国丰富的水泥资源，才是解决我国沥青资源短缺、沥青路面修筑成本高等问题的 根本办法。 近年来，国民经济迅猛发展，交通运输需求随之大幅度增长，我国许多公路在车辆 重载、超载现象日趋严重的情况下都在超负荷运营，尤其是一些交通运输量繁重的路段， 路面病害急剧增加，降低了路面的使用功能，部分路面病害甚至影响到行车安全。因此， 为了维持水泥混凝土路面的正常使用功能，针对其病害进行综合分析寻求其根源，并且 在建设初期进行必要的路面结构型式创新与改革己势在必行，这样才能改善水泥混凝凝 土路面的使用品质，延长水泥混凝土路面的使用寿命，保证行车安全。 一般来说，水泥混凝土路面具有强度高、平整度好、承载能力强、刚度大、无车辙、 水稳定性好、耐高温、抗油类腐蚀等特点，被广泛应用于高等级路面。但是，水泥混凝 土路面必须承受车辆荷载的反复作用，当车辆荷载超过路面的承受能力时就会对路面的 第一章绪论 结构造成影响，导致整个路面板，甚至基层的破坏；水泥混凝土路面必定是有接缝存在 的，雨水会通过接缝渗入到基层，在反复行车荷载作用下，引起冲刷和唧泥，最终使路 面脱空失去支撑；水泥混凝土路面还会发生无规则断裂，渗水同样从断裂处直接侵蚀基 层，使基层强度降低从而影响路面的稳定性，经过长时间行车荷载的冲击作用，使水泥 混凝土路面板发生断裂。 水泥混凝土路面发生断裂的原因是多方面的，就其断裂的形式及其原因，主要归结 为以下三个方面： ( 1 ) 基层的不均匀沉降影响水泥混凝土路面板断裂，水泥混凝土路面板虽然整体 强度高、刚度大，但抗变形能力小，基础的不均匀沉降会使水泥混凝土路面板失去支承 而发生断裂。 ( 2 ) 当水泥混凝土中的水分散失比较快时，混凝土内部由于收缩膨胀的作用很快 产生内力，内力作用下的水泥混凝土路面板就会沿着路面板较为薄弱的部位引起开裂， 这种开裂是无规则可言的，主要表现在水泥混凝土路面板出现网状裂缝，严重者可出现 沿路面板横向的贯通裂缝。 ( 3 ) 接缝处混凝土浇注质量差，填缝料弹性不足，封水性能差，不能与路面板板 缝粘结牢固，因而造成接缝处渗水，湿软基层，甚至路基，在行车荷载作用下使泥浆细 粒带入缝内，在温度升高时，板块产生内压挤应力，致使薄弱处应力集中，使接缝处产 生唧泥、脱空，从而发生断板。 水泥混凝土路面板产生断裂，破坏了路面的整体性和连续性，影响了路面的使用品 质和路表的美观；更为严重的是，裂缝的产生，增加了路表水下渗的通道，路表水通过 裂缝和接缝进入基层和路基，从而产生恶性循环，裂缝加宽，裂缝两侧路面板碎裂，加 速路面板断裂破碎，最终导致路面板失去承载能力和车辆行驶功能。 进入本世纪以来，伴随着社会经济的快速发展，对道路使用性能提出了更高的要求。 本文依托河南省许昌长葛公路，通过对水泥混凝土路面使用状况、破坏类型和破坏机 理分析，开展水泥混凝土路面合理结构型式的研究，分析应力吸收层的功能特性和应用 技术。 设置应力吸收层的水泥混凝土路面结构型式，对提高水泥混凝土路面的使用品质、 改善路面的工作状况、延长使用寿命、减少养护工作量和养护费用、降低水泥混凝土路 面全寿命费用具有重要意义，因此，本文开展水泥混凝土路面合理结构形式的研究是十 分必要和及时的，有利于水泥混凝土路面的广泛应用。 2 长安大学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状 在半刚性基层和水泥混凝土路面板之间设置应力吸收层，可以减弱通过水泥混凝土 路面板传递给应力吸收层的车辆荷载所产生的冲击振动，使水泥混凝土路面板的荷载应 力减小；可以有效提高基层的抗冲刷能力，保护基层；可以隔离混凝土路面板与基层的 粘结，预防路面板产生较大的温度翘曲变形和应力，减轻板底与基层顶面的脱空现象， 阻断基层的收缩裂缝反射到路面板上来；在基层顶面设置应力吸收层，还可以减小层间 的摩阻力，避免硬化后的水泥混凝土路面板应力集中而产生断板，达到延长其疲劳寿命 之目的。 在我国水泥混凝土路面建设中，广东省梅州至河源l1 8 k m 高速公路水泥混凝土路 面中采取过类似本文提出的水泥混凝土路面板与基层之间增设应力吸收层( 该试验路段 称之为沥青滑动封层) 的方法，得出的结论和效果都很明显。河南省许昌市在g 3 l l 线 许昌扶沟段，也成功地在水泥混凝土路面板与半刚性基层之间应用了应力吸收层，自 1 9 9 9 年通车以来，至今水泥混凝土路面没有出现严重的断板、断角和错台等破坏现象， 路面使用情况良好。 但是，应力吸收层更多地应用在旧水泥混凝土路面加铺沥青混凝土面层中，其主要 功能是防止旧水泥混凝土路面接缝、裂缝反射到沥青混凝土加铺层上，承受拉应力，另 外，还起一定的防水作用，以及加强水泥混凝土路面与沥青混凝土加铺层粘结作用。 在国外，这样的技术广泛应用，应力吸收层被看作是功能层，起到粘结和防水的作 用，提供足够的粘结能力，以保证结构层的完全连续接触；并且，防止基层受到水的破 坏。国内外很多桥面铺装工程上，桥面行车道部分基本先在上部构造上浇筑薄层水泥混 凝土铺装层，再在水泥混凝土铺装层表面铺装沥青混凝土，形成刚一柔复合结构，为满 足桥梁防水的要求并且把一刚一柔两个结构层粘结在起，通常在层间设置防水粘结 层。我们可以借鉴桥面铺装这种粘结层技术来指导路面的应用。 从应用现状来看，虽然应力吸收层在一些道路上得到了应用，但是很多研究者都是 基于某一方面出发，认为应力吸收层材料应该具备某一方面的性能要求，并没有成熟的 研究方法可寻。因此，把研究与工程应用结合起来，设计有效的评价方法这对应力吸收 层的研究有重要意义。本文研究的目的就是，通过对水泥混凝土路面的现状以及破坏机 理的分析，提出水泥混凝土路面设置应力吸收层合理结构型式，开展应力吸收层的功能 特性和应用技术的研究。 第一章绪论 1 3 研究内容 1 3 1 水泥混凝土路面状况分析 分析水泥混凝土路面结构影响因素、路面破坏类型和破坏状况，研究水泥混凝土路 面的冲刷、疲劳和磨损破坏机理。 1 3 2 水泥混凝土路面结构组合设计 结合水泥混凝土路面状况、破损机理的分析，进行水泥混凝土路面结构组合设计， 提出水泥混凝土路面合理结构型式。 1 3 3 应力吸收层功能分析 依据提出的水泥混凝土路面合理结构型式，从应力吸收、防水和封水、隔离以及防 止反射裂缝等方面，开展应力吸收层的功能特性分析。 1 3 4 应力吸收层应用技术研究 根据应力吸收层的功能特点，研究应力吸收层及其组成材料的技术要求，着重研究 应力吸收层材料级配设计，并进行应力吸收层施工技术的研究。 4 长安大学硕士学位论文 第二章水泥混凝土路面状况分析 2 1 水泥混凝土路面状况分析 2 1 1 影响水泥混凝土路面结构的因素 ( 1 ) 温度应力的作用 在自然气候条件下，路面各结构层中的温度也在时刻变化。温度下降使路面出现收 缩变形，同时水泥混凝土路面板中也会出现收缩和翘曲变形，由于各结构层的膨胀系数、 温度场不同及相互制约作用使变形受到抑制，接缝区产生较大的温度应力。 年四季中冬冷夏热的温度变化造成水泥混凝土路面板收缩与膨胀，一天昼夜的冷 热温差变化造成路面板的翘曲，这些变化都会造成路面板接缝处的水平位移。这种水平 位移与温度变化、水泥混凝土的线膨胀系数、接缝的间距、基层与路面板之间的摩擦力 有关。 ( 2 ) 荷载应力的作用 车辆荷载作用下，水泥混凝土路面板裂缝及接缝边缘处产生较大的弯沉差，而弯沉 差必然会使裂缝附近的层间材料受到较大的竖向剪切；同时车辆荷载的作用引起相邻两 块板较大的挠度，这种重复剪切作用促使路面板裂缝的扩展。 车辆在路面板上行驶时还有水平力的作用。在上坡和加速时，车辆对路面板产生向 后的水平力；在下坡减速和制动时，产生向前的水平力；在弯道上行驶时，产生向弯道 外侧的水平力；即使在直线水平段上等速行驶，为了克服前进中的各项阻力，也会对路 面施加一定的水平力。 车辆荷载产生的竖向和水平荷载应力通过路面板传递至基层，在车辆荷载的反复作 用下，基层产生残余形变、剪切破坏等；当基层受到破坏时，抗变形能力减弱，会产生 塑性变形累积，特别是在板角和板边部分，使基层丧失连续支撑的作用，不能给路面板 提供完整而且连续的支撑，造成路面板的破坏。 ( 3 ) 水的作用 如果路面结构防水和排水性能不好，水就会渗入到裂缝中，在车辆荷载作用下，形 成动水压力；另外，在些季冻性地区的冬季，渗到裂缝中的水结冰膨胀，形成较强的 冻胀力，破坏路面结构。这两种力主要取决于水的含量，当水的量达到一定程度时，其 破坏速度十分惊人。 第二章水泥混凝土路面状况分析 当路面结构排水条件不利，并且基层耐冲刷、抗侵蚀能力差等情况存在时，使得基 层在水浸泡下的强度降低，在车辆荷载作用下发生唧泥，从而使基层软化，细颗粒被带 走，使路面板与基层之间形成脱空；在车辆荷载，特别是在重载、超载作用下，水泥混 凝土路面板产生断裂和错台现象。 2 1 2 水泥混凝土路面损坏类型 水泥混凝土路面主要的破坏类型有裂缝断裂类、变形类、接缝损坏类及表面损坏类。 ( 1 ) 裂缝断裂类破坏 裂缝断裂类型包括龟裂、横向裂缝、纵向裂缝、角隅裂缝、交叉裂缝。这些裂缝进 一步发展，宽度和深度也会进一步加大，造成水泥混凝土路面板断裂，这是水泥混凝土 路面常见的破坏类型之一。 龟裂 龟裂是指水泥混凝土路面表面呈现碎小的花纹状裂缝，裂缝很浅，一般在初凝期间 出现。混凝土的干缩性越大，龟裂就越严重。 形成这种破坏的主要原因是：拌制混凝土的水泥收缩性很大，浇筑的混凝土在初期 形成开裂；混凝土在拌制时水灰比过大，模板、垫层过于干燥，吸水大，混凝土会因失 水而产生干缩裂缝；振捣时间过长，会造成分层，粗颗粒沉入底层，细颗粒及水留在上 层，表面收缩裂缝增加；混凝土浇筑后，养生不及时或养护方法不当，尤其在气温高、 湿度小、风速大的不利条件下，就会使混凝土表面水分蒸发太快，从而形成干缩裂缝。 横向裂缝 横向裂缝主要是指垂直路中线的裂缝。 形成这种破坏的主要原因是：混凝土拌和时，如果水泥和集料温度过高，再加上水 泥的水化热，会使混凝土拌和物的温度很高，在冷却、硬化过程中温差较大，导致开裂； 混凝土浇筑期间昼夜温差大，当白天新浇筑的混凝土路面还未达到覆盖养生的程度，昼 夜温差使混凝土板产生翘曲应力，此时，如果尚未锯缝，混凝土路面板的自由伸缩受到 限制，向上和向下翘曲所产生的反复拉应力将水泥混凝土路面板拉断，形成横向断缝； 由于机具故障或操作人员锯缝时间掌握不准确或锯缝深度不足，造成混凝土内应力集 中，在水泥混凝土路面板的薄弱处形成不规则的贯穿裂缝；由于某些特殊情况，在混凝 土强度不足条件下过早地通车，产生荷载应力，形成路面板开裂。 纵向裂缝 6 长安大学硕士学位论文 纵向裂缝是指平行于路中线的裂缝。 形成这种破坏的主要原因是：由于基础沉降或者荷载和温度共同作用引起纵向裂缝 的产生；外加剂使用不当致使混凝土长时间不凝而造成纵向裂缝的产生。另外，水泥混 凝土路面板的塑性收缩、温度应力等外因会促进纵向裂缝的扩展。 角隅断裂 角隅断裂主要是指水泥混凝土路面边角破损，剥落面呈垂直并贯穿于整个路面板。 形成这种破坏的主要原因是：混凝土浇筑振捣时，模板四角周边漏振或振捣不实， 造成水泥混凝土边角处强度不够，就会产生角隅断裂，过早地拆除路面模板，角隅受损 伤；另外，开放交通过早，混凝土强度未达到设计要求，在行车荷载作用下角隅处也会 产生断裂。 交叉裂缝 交叉裂缝是指路面板被裂缝分割成4 块以上的裂缝。 形成这种破坏的主要原因是：由于施工中混凝土配合比不合理，水灰比过大或砂率 过大，造成水泥混凝土强度不够，特别是混凝土抗折强度偏低；另外，交叉裂缝还由于 重复荷载应力、翘曲应力及收缩应力等综合作用造成。 皇 ( 2 ) 变形类破坏 变形类破坏是水泥混凝土路面板的形状发生较大的变形，而其结构的整体性却完 好。 。 造成这类破坏的主要原因是：施工质量不好，当地基、路基和基层的压实度不足， 强度低，在车辆荷载作用下，造成路面下沉；基层与路基材料中的细颗粒含量或地基中 膨胀土含量高，经历低温气候条件时冻结膨胀，造成路面隆起，引起路面板变形。 ( 3 ) 接缝损坏类破坏 接缝损坏是指水泥混凝土路面板接缝及其邻近范围出现的局部破坏，这也是水泥混 凝土路面常见的破坏类型之一。主要表现形式有：唧泥、错台、拱起和接缝碎裂。 造成唧泥和错台的主要原因是：灌缝前接缝清理不干净，降低了填缝料的防水作用； 填缝料失效或损失，水进入基层；基层的施工质量不好，拌和不均匀、压实度不够、含 水量偏高等。这些因素都会造成基层强度不足，耐冲刷能力差，引起唧泥和错台的发生。 拱起和接缝碎裂形成的主要原因是：填缝料失效或损失，接缝里落入碎石或较硬的 杂物，使水泥混凝土路面板在温度上升时膨胀受到限制，而造成接缝两侧的路面板拱起 或被挤碎；接缝处混凝土浇筑质量差，强度低，行车荷载在接缝处产生的冲击力又很大， 7 第二章水泥混艇土镕状况分析 致使接缝碎裂；传力杆安装不当，如传力杆彼此不平行、不与接缝面垂直等；或将设有 传力杆的接缝做成传力杆两端均与混凝土粘结，导致滑动传力杆滑动端的村动功能失 效，当混凝土伸缩和传力过程中混凝土就会被破坏，形成裂缝损坏。 ( 4 ) 表面损坏类破坏 这类破坏也是水泥混凝土路面常见的破坏类型之一，主要有路面板板面起皮、剥落、 麻面、露骨和松散等破坏现象。 水泥混凝土路面起皮、剥落是由于混凝土施工过程中表面砂浆有泌水提浆现象或施 工结束时混凝土表面洒水过多造成的。混凝土施工时遭遇大雨或者施工结束后进行养护 时，洒水过多水流过急，冲击混凝土路面板而造成麻面，水泥混凝土路面板灰浆不足 则可造成露骨现象的出现。集料中含泥量过大、水泥质量差或用量少，致使混凝土强度 不足而产生了松散现象。 2l3 水泥混凝土路面破坏状况分析 水泥混凝土路面在大流量交通和车辆反复荷载作用下会出现不同程度的破坏形式， 分析引起这些破坏的原因，主要是由于水泥混凝土路面的冲刷、疲劳和磨损破坏引起。 ( 1 ) 冲刷破坏 冲刷破坏是荷载反复作用、接缝处水的渗入、基层被反复冲刷等多种困素综合作用 的结果。冲刷破坏在水泥混凝土路面中普遍存在且非常严重，主要表现形式为唧泥及由 此引发的错台、脱空和断板现象。图2 1 和图2 - 2 是某水泥混凝土路面在通车不到两年 时间内出现的冲刷破坏情况。 圈 l 术冲刷破坏导致路面扳板角断裂图 2 水冲刷破坏引发的同裂 由图2 一l 和图2 - 2 可以清楚地看出，由唧泥留下的一道道泥浆的痕迹和大量碎屑堆 积物，其厚度可达l 5 c m 。冲刷物一般是细屑物质，严重时也含有砂和碎石，碎石最 大粒径可达1 35 r a m 左右。 k 安大学硕学位论文 ( 2 ) 疲劳破坏 路面板除了水冲刷掏空引起路面板板角断裂、横向和斜向断裂破坏之外，还会出现 横向疲劳断裂破坏。横向疲劳断裂是温度应力和荷载应力的综合反复作用的结果，如图 2 - 3 和图2 4 所示。 图2 - 5 露骨与混凝土剥落 磨耗破坏主要表现为路表水泥砂浆体在车轮剪切作用和冲击作用下脱落碎石或砂 砾骨料出露( 简称露骨) 、混凝土剥落，有的甚至出现坑槽。在车辆荷载，特别是重车 轮剪切作用和冲击作用下，裸露的粗集料极易被冲击松动、脱落，形成空穴，导致路面 与车轮接触面减小。作用在路表面剪切应力和冲击应力增大，空穴周围的砂浆极易被磨 第二章水泥混凝土路面状况分析 耗掉，空穴也因此逐步扩大。在如此反复作用下，严重影响水泥混凝土路面使用性能， 直至导致路面结构的破坏。水泥混凝土路面一旦出现露骨，路面平整度将急剧下降，严 重影响路面的行车舒适性、安全性能及使用寿命，而且也是诱发路面其它损坏的原因。 综上所述，冲刷破坏是水泥混凝土路面最主要的也是最严重的一种病害，其表现形 式为唧泥、错台和板底脱空等病害，是诱发断板和网裂最主要因素；早期横向疲劳断裂 是水泥混凝土路面损坏的另外一个特征，随之在冲刷破坏作用下导致路面板的大面积断 裂；另外，还存在路表磨损现象。如何预防这些损坏的发生是水泥混凝土路面在修筑过 程中亟待解决的问题。 2 2 水泥混凝土路面破坏机理分析 2 2 1 冲刷破坏机理分析 冲刷破坏的过程是路面板胀缩引起的摩擦损耗、水分对基层材料的软化及冲刷损 耗、胶结料与集料界面脱落、动水压力搬运过程。因此，引起冲刷的产生必须同时具备 三方面条件：水泥混凝土路面板与基层界面间存在自由水、车辆通过以及水泥混凝土路 面板下基层材料易磨损和冲刷。 所谓冲刷破坏是指在荷载作用下，水泥混凝土路面板与基层间存在的自由水发生迁 移，并产生动水压力。这种有压力的水冲刷基层材料中的细集料，一次冲刷的量很小， 但随着行车荷载的反复多次冲刷，就会积少成多，在接缝或裂缝处逐渐形成细料浆，并 且在动水压力作用下，细料浆逐渐被压挤出接缝或裂缝，形成水泥混凝土路面板接缝或 裂缝处的唧泥现象，如图2 1 图2 - 4 所示。 由于现场浇筑混凝土时水泥浆下渗，使得路面板与基层之间具有一定的抗剪能力。 受温度和湿度的影响水泥混凝土路面板发生胀缩，使得水平抗剪能力下降；路面板内温 度的非线性分布引起路面板拱起或翘曲，加速了路面板与基层之间的分离；在路面板与 基层分离过程中伴随着部分细料脱落，并为渗入的水在基层和路面板的界面处提供了原 始的储存空间或原始脱空区。 水泥混凝土路面板下的基层材料容易受到冲刷侵蚀，冲刷的程度与车辆荷载作用下 产生的动水压力有关。强大的动水压力会使基层中的细料转移到基层表面，形成悬浮状 的细粒料，当车轮荷载驶过时，这些悬浮液体就被泵吸到路面上来，造成板底脱空。 各种接缝在温度变化作用下的张开与闭合，使得密封变得不可靠。根据国内外大量 调查和试验结果表明，水泥混凝土路面即使进行了严格的密封，但是，水沿着各种缝 1 0 长安大学硕士学位论文 隙的侵入是不可避免的，从而在路面板与基层接触面处或原始脱空区存在的自由水 与脱落的细料混合成泥浆，为冲刷创造了条件。 随着公路运输的发展，大流量、重轴载交通，尤其是在多轴重车的作用下板角或接 缝处产生较大的挠度，迫使路面板与基层之间的自由水发生迁移，在迁移过程中产生强 大的动水压力，而在车辆驶过后路面板发生回弹时，又产生强大的真空吸力，在高强的 动水压力和真空吸力的反复作用下，基层表面的颗粒发生脱落，细料与基面层界面的自 由水混合成为泥浆，粗颗粒在动水压力的拖曳作用被搬运，从接缝驶入端搬运到驶离端， 导致驶入端沉陷，驶离端抬起，最后路面板产生错台和断裂；当车轮驶离路面板，形成 真空吸力，将前板下的细料抽入，同时发生唧泥。 由上述冲刷机理分析可知，对于水泥混凝土路面，其破坏往往是由于基层被冲刷造 成板底脱空而导致路面板的提前破坏。所以在设计水泥混凝土路面时，首先要解决的问 题是如何防止基层冲刷破坏。路面板板底的动水压力及真空吸力大小直接决定冲刷破坏 的程度和出现的时间，而板底动水压力的大小，主要与荷载作用下路面板产生的挠度大j 小及路面板与基层间自由水饱和程度有关。路面板板角和板边的挠度大小会影响角隅和 板边地基的塑性变形和脱空量，及滞留在脱空区内自由水的流速，从而影响唧泥、错台 和断板等病害发生。同时，基层抗冲刷能力和路面板的相对刚度半径、轴载大小和作用 次数，以及降水量和养护水平也影响着路面板的冲刷破坏。 由此可见，路面一旦因冲刷掏空发生断板后，水极其容易侵入路面板与基层接触面- ： 处，在轴载作用下形成新的冲刷破坏，如此反复循环，导致严重的冲刷破坏现象，并引 发横向裂缝、斜向裂缝、角隅裂缝以及网裂的产生。 2 2 2 疲劳破坏机理分析 疲劳断裂也是水泥混凝土路面的主要破坏形式之一。我国水泥混凝土路面结构设计 以考虑在未脱空影响下，行车荷载和温度荷载综合作用产生的疲劳断裂作为设计极限状 态。当基层因冲刷造成板底脱空时，易导致路面板的提前破坏，而并非只有原来预计的 横向疲劳断裂的临界破坏形式。当板底发生脱空时，脱空部位应力和变形激增，这时临 界疲劳荷位往往在脱空部位，而脱空往往起始于板角。因此，在分析不考虑脱空时的疲 劳破坏时，以纵缝边缘中部为重点判断部位，而在分析荷载与脱空耦合作用对路面板疲 劳影响时，重点考虑板角的疲劳断裂情况。 有关行车荷载对路面板疲劳寿命的研究得出以下结论：轴载对水泥混凝土路面使用 第二章水泥混凝土路面状况分析 寿命影响很大，随着轴载的增大，路面板的使用寿命会急剧下降。当路面板未产生脱空 时，水泥混凝土路面板受到均匀支撑，无论荷载作用在板中、板边还是板角，应力都不 大。当路面板产生脱空时，板边荷载激增，在荷载疲劳累积损伤作用下很快就达到了极 限疲劳寿命。板底脱空及荷载对水泥混凝土路面的使用寿命影响很大，随着脱空区及轴 载的增大，路面板的使用寿命急剧下降；重要的是，随着脱空区域的增大，荷载作用下 板角疲劳寿命急剧下降。 板底脱空时挠度也随之急剧增大，从而进一步促进唧泥的发生和脱空区的增大，也 就是说，脱空范围是随着轴载反复作用而不断增大的。脱空发生和发展是一个动态的过 程，当脱空范围增大到一定程度时，随之发生疲劳断裂或者极限断裂。 2 2 3 磨损破坏机理分析 耐磨性是水泥混凝土路面的主要耐久性指标之一。在轴载作用下水泥混凝土路面也 会出现耐磨不足的问题，并由此导致露骨、混凝土剥落甚至出现坑槽，从而影响水泥混 凝土路面的使用性能。 水泥混凝土的磨损是一个复杂的物理力学过程，除本身材料的性能以外，还与磨损 方式及环境条件密切相关。总体来说，水泥混凝土路面的磨损可以理解为导致接触表面 处材料被逐渐移失的过程，如图2 - 6 所示。砂浆被磨损，露出粗骨料，水泥混凝土路面 露骨后，路面平整度将急剧下降，影响行车舒适，同时也是诱发路面其它破坏的原因。 因为裸露的粗集料在车轮剪切作用和冲击作用下，极易被冲击松动、脱落，形成空穴， 进一步砂浆被磨耗掉，粗骨料又进步露出来，如此反复进行，严重影响水泥混凝土路 面的使用性能，直至路面结构的破坏。 图2 6 水泥混凝土路面板的磨耗过程模型 由磨损机理分析可知，水泥混凝土路面具体磨损劣化过程主要受六个因素的影响： 被磨损的路面、磨损物、接触界面情况、周围环境条件、相对运动以及接触应力。下面 着重分析轮胎压力和轴载对路面磨损的影响。 1 2 长安大学硕士学位论文 ( 1 ) 高胎压的影响 载货汽车为了满足承载的要求，后轴通常采用高强轮胎，正常情况下，胎压在0 6 5 - 0 8 m p a 之间，有时可达1 0 m p a 。高轮胎充气压力对路面磨损的影响主要体现在轮胎与 路面间的实际接触面积减小，增大轮胎的平均接触压力，使路面磨损加剧。 ( 2 ) 重轴载的影响 轴载越大，轮胎与路面间的接触面积及压力就越大，路面的磨损就越严重。荷载对 路面磨损的影响不仅表现在它使轮胎与路面间的接触压力增大，而且更主要的是它使轮 胎在驱动、制动及转向时的切向力显著增加，而切向力是引起路面磨损的最主要因素。 由于轴载偏重以及轮胎充气压力较高，使得轮胎与路面间的接触面积及压力增大， 并且使轮胎在驱动、制动及转向时的切向力显著增加，从而使水泥混凝土路面产生较为 严重的磨损。 2 3 本章小结 l 、水泥混凝土路面破坏的主要外界因素有：温度应力、荷载应力和自由水。在温 度应力的作用下路面板会产生翘曲变形；车辆产生的竖向和水平力传递至基层项面，在 荷载反复作用下，基层产生累积变形，影响对路面板的连续支撑作用，严重时会引起路 面板的断裂；自由水的存在使得水在车辆荷载作用下，形成动水压力，对基层顶面形成 冲刷破坏。 2 、水泥混凝土路面主要的破坏类型有裂缝断裂类、变形类、接缝损坏类和表面损 坏类破坏。通过对路面破坏状况分析发现，冲刷、疲劳和磨损三种破坏形式是引起路面 断裂、唧泥和错台等破坏的主要原因。 3 、冲刷破坏是水泥混凝土路面最主要的也是最严重的一种病害，水的冲刷与路面 板的疲劳断裂共同作用结果使得水泥混凝土路面出现大面积板底脱空，当脱空范围增大 到一定程度时，随之发生疲劳断裂或者极限断裂；混凝土的磨损可以导致接触表面处的 材料被逐渐移失，影响路面整体平整度。 第三章水泥混凝土路面结构组合设计 第三章水泥混凝土路面结构组合设计 3 1 水泥混凝土路面结构组成 水泥混凝土路面的结构层包括：路基、基层、垫层和面层等。路面结构的主要功能 是承受自上而下传递的车辆荷载，每个层次在承受行车荷载和自然因素作用时发挥着各 自的作用。通常，水泥混凝土路面各个结构层次的强度和刚度自上而下逐渐降低。 3 1 1 路基 ( 1 ) 路基的作用 水泥混凝土路面板具有良好的扩散荷载应力能力，传递到路基顶面的荷载应力很 小，因此，对路基承载能力的要求并不是很高。然而，混凝土是一种脆性材料，对路基 变形的适应能力较差，当路基出现不均匀变形时，水泥混凝土路面板与下卧层之间会出 现局部脱空，路面板应力会由此增加，从而导致路面板的断裂。因而，路基应该稳定、 密实、均质，并且为整个路面结构提供均匀的支撑，即路基在环境和荷载作用下应该尽 可能产生很小的不均匀变形。 路基不均匀变形主要在下述情况下出现：软弱地基的不均匀沉降；填挖交替或新老 填土交替；季节性冰冻地区的不均匀冻胀；填土因压实不足而引起的压密变形和受湿度 变化影响而产生的膨胀收缩变形等。 ( 2 ) 现行规范中路基的要求 路基应稳定、密实、均质，对路面结构提供均匀的支承。高液限粘土及含有机质 的细粒土，不能用做高速公路、一级公路的路床填料，也不能用作二级、二级以下公路 和上路床填料；高液限粉土及塑性指数大于1 6 或膨胀率大于3 的低液限粘土，不能 用做高速公路和一级公路的上路床填料。因条件限制而必须采用上述土做填料时，应掺