水泥混泥土路面常见病害与养护对策

关于水泥混凝土路面常见病害与预防性养

护技术研究

常锦

长沙理工大学

摘 要：水泥混凝土路面是高等级公路路面结构的主要型式之一，但往往由于各种主客观原因，相当多的路面在使用2-5年甚至更短时间后就产生了板底脱空、卿泥、裂缝和断板等病害。同时，水泥混凝土路面的维修成本高，养生时间长，维修期间交通干扰严重，一旦破坏就很难修复。因而，认清水泥混凝土路面产生病害的原因并进行预防性养护，是当今工程界需要解决的问题。本文研究围绕着水泥混凝土路面的养护问题，对水泥混凝土路面的常见病害及产生的原因，路况调查及性能评价，路面使用性能预测，预防性养护措施与时机选择行了研究。

关键词：病害；路面性能评价；使用性能预测；预防性养护；时机选择

About the disease with common cement concrete pavement

preventive maintenance technology research

Chang jin

(Changsha University of Science & Technology Transportation engineering institute, The name of the gradeiron， Changsha,410004)

Abstract: Cement concrete pavement is one of the main types used in high classic highways, but usually because of various subjective and objective reasons, it has a lot of disease like empty beneath pavement slab, spurt slush, crack, breaking slab and so on in 2 to 5 years or even after a shorter time. At the same time, the maintenance cost of cement concrete is quite high, the health time is long, the traffic interference is serious during maintenance, and it’s difficult to repair once destruction. Thus, a clear understanding of the cement concrete pavement disease and preventive maintenance need to be resolved in today's engineering community. This paper revolves around the maintenance issues of the cement concrete pavement to do research on common diseases and causes of the cement concrete pavement, traffic surveys and performance evaluation, pavement performance prediction, and preventive maintenance measures and the opportunity election.

Key words: disease; pavement performance evaluation; performance prediction; preventive maintenance; opportunity election

1 引言

水泥混凝土路面作为一种高级路面结构形式，以其强度高、稳定性和耐久性好、耐高温、耐磨耗以及养护费用少等优点而得到了广泛的应用。然而水泥混凝土路面一旦损坏，修复非常困难，这必然加大路面改造的难度和养护管理工作的繁重程度。

随着通车里程和使用年限的不断增长，我国公路交通事业开始由快速建设阶段向养护管理阶段过渡。为了有效缓解养护管理工作量快速增加和养护资金缺口巨大带来的压力，提高路网效率，除了加快养护管理体制与养护运行机制改革、加大养护资金的投入外，还必须转

变养护管理指导思想、变革养护管理模式，全面调整一些传统的养护观念和习惯做法，使公路养护由被动养护向科学养护转变，由单一养护、粗放型养护向复合型、集约型养护转变，全面推行预防性养护，从而建立起具有主动性、预见性和系统性的公路养护工作体系。

2 水泥混凝土路面常见病害及原因分析

水泥混凝土路面的使用性能在行车和自然因素的不断作用下逐渐恶化，以至出现各种类型的损坏现象。混凝土路面的破坏形式的分类方法很多。本文将其分为二大类：一类是接缝处破坏，第二类是混凝土面板内破坏[1]。这种分类方式不仅反映了水泥混凝土的破坏部位，也反应了其破坏原因，前者的破坏主要是因应力集中和行车冲击引起，后者是因为过载或混凝土自身劣化引起。

2.1 接缝处损坏

接缝处是混凝土板体的应力分布比较集中的地方，是最容易引起破坏的部位。初期的病害主要是集中在接缝处的破坏，接缝处的破坏可分为:错台、拱起、板块活动和唧泥、填缝材料的破坏等。

2.1.1 错台

错台现象常常与唧泥现象、填缝料丧失、路基的不均匀变形等密切相关。一方面，填缝料的丧失，会造成路面水的渗入，在车辆荷载的作用下，产生唧泥，随着唧泥的连续不断发生，路基游离土被不断带走，路基表面标高不断降低，产生错台。另一方面，路基若处理不好，如压实程度不一致，则会随着通车时间的增长，不均匀沉降和变形也会增加，也可产生错台。此外，以下原因也可造成错台：

1）下部嵌缝板与上部缝隙未能对齐，或胀缝两侧混凝土壁面不垂直，使缝旁两板在伸胀挤压过程中，会上、下错开而形成错台;

2）地面水通过接缝渗入基础使其软化，或者接缝传荷能力不足，或传力效果降低时，都会导致错台[2][3];

3) 当交通量或基础承载力在横向各幅板上分布不均匀，各幅板沉降不一致时，纵缝也会产生错台。

图2.1 错台示意图

2.1.2 挤碎和拱起

在横向接缝、特别是胀缝两侧数十厘米范围内，由于胀缝内的滑动传力杆位置不正确、滑动端的滑动功能失效、施工时胀缝内部有混凝土搭连、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较高的挤压应力，当该应力超过混凝土的抗剪强度时，板即发生剪切挤碎。

混凝土板在受热膨胀而受阻时，某一接缝两侧的板突然向上拱起。这是由于混凝土板收缩时缝隙张开，填缝料失效，坚硬碎屑等不可压缩材料塞满缝隙，使板在膨胀时产生较大的压应力，从而出现纵向压曲失稳。如图 2.2。

图2.2 拱起示意图

2.1.3 脱空、板块活动和唧泥

唧泥在车辆荷载作用下，板下基层的细粒材料从接缝或裂缝处与水一同喷出，致使板体与基础逐步脱空[4]，并在接缝或裂缝附近常有污迹存在；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和发展而出现[5]。

水泥混凝土路面唧泥是由车辆荷载作用下，面板接缝、裂缝和板边下部产生的水和细粒土混合物的强制性位移造成的。它的产生原因是水泥面板直接铺筑在细粒高压缩性土和易冲刷的基层上产生的，唧泥往往是错台、断板、接缝附近断板等病害的诱因。

路面唧泥的产生，一般需具备以下条件:

(1) 路基或基层的土壤处于松散状态，亦即存在松散之细粒土；

(2) 在面板与基层及路面之间有自由水存在，并与松散细粒土混合形成泥浆；

(3) 频繁的重载车辆轴载作用，水泥混凝土路面板产生泵吸作用将泥浆喷出、吸入。如图

2.3

图2.3 唧泥、脱空示意图

2.1.4 填缝料的失效、损坏

使用一段时间后常常会出现填缝料剥落、挤出、老化碎裂现象。填缝料的失效、损坏，接缝内逐渐被砂、石、土等填塞，阻碍了板的膨胀，从而引起板的压曲、破碎和接缝剥落等损坏。路面表面水流入基础，导致基础软化唧泥或冻胀，进而诱发其它病害。

2.2 路面板内损坏

混凝土路面裂缝可分为表面裂缝、贯穿裂缝。而裂缝发生的时期又可分为初期(或早期)裂缝和使用期裂缝。早期裂缝是指水泥混凝土路面板浇筑完成后还未开放交通前出现的裂缝，早期裂缝主要是表面裂缝，使用期裂缝实际是在行使车辆荷载的作用下，加剧应力集中而引起原有早期裂缝扩展或产生新的裂缝。

2.2.1 表面裂缝及产生原因

混凝土板面的表面裂缝的产生主要是由于混凝土混合料的早期过快失水干缩和炭化收缩引起的。路面混凝土收缩主要有：1)塑性收缩；2)自收缩；3)干燥收缩；4)碳化收缩。

2.2.2 贯穿裂缝及断板

水泥混凝土路面贯穿裂缝是指贯穿板全厚的裂缝，可分为横向裂缝、纵向裂缝、斜向裂缝、交叉裂缝、板角裂缝等，其明显特征是裂缝贯通混凝土板全厚。

1)横向裂缝

垂直于行车方向的有规则的裂缝称为横向裂缝，导致水泥混凝土路面出现横向裂缝的原因较多，大致可以归纳为如下几个方面。

① 干缩裂缝

在水泥混凝土中，水在水泥石中是以化学结合水、层间水、物理吸附水，还有毛细水等状态存在着。当这些水在混凝土硬化过程中失去时，水泥浆体就会收缩，这些是干缩。但是自由收缩，还不会导致裂缝发生，唯有收缩受到限制时而发生收缩应力时，才会引起干燥收缩裂缝。

② 冷缩裂缝

和一般材料一样，水泥混凝土具有热胀冷缩性能。混凝土板块的热胀冷缩都是在相邻部分或整体性限制条件下发生的，故热胀属于变形压缩，而冷缩则属于拉伸变形，很容易引起

开裂。

③切缝不及时

为防止混凝土路面的干缩裂缝和冷缩裂缝，人们采用切缝浆路面分块，我国现行水泥混凝土路面设计规范规定，路面板长不大于 6m，板宽不大于 5m，但由于施工中切缝的时间难以控制得当，造成混凝土路面出现横向裂缝。从混凝土收缩因素考虑，最好是混凝土中水泥水化初始阶段就切缝，但事实上很难做到，因抗压强度过低，根本无法切缝。

2）纵向裂缝

由于填料土质不均匀、湿度不均匀、膨胀性土、冻胀、压实不足等多种原因，很可能导致路基支承不均匀，在混凝土浇筑之前未严格检查基底弹性模量 Et是否符合规范要求，而盲目施工，在路基稍有沉陷的情况下，在板块自重和行车压力作用下而产生纵向断裂。开始缝很细，一般小于 0.05mm。但随着雨水浸入和浸泡基层，使其表层软化、液化而产生唧泥、淘空，使裂缝加大。

拓宽路基时，由于路基处理不当，新路基出现沉降，混凝土板下沿纵向出现脱空，在车轮荷载作用下，使混凝土板发生纵向断裂。

3）交叉裂缝

两条或两条以上相互交错的裂缝称为交叉裂缝。产生交叉裂缝的主要原因：一是水泥混凝土强度不足，在轮载和温度作用下会出现交叉裂缝；其二，路基和基层的强度与水稳性差，一旦受到水的侵入，将会发生不均匀沉陷，在车轮荷载作用下，混凝土板块出现交叉裂缝；其三，水泥的水化反应和碱骨料反应水泥混凝土在拌合、运输、振捣、凝结、硬化的过程中，始终存在着水泥的水化反应。

图2.4 各种裂缝示意图

4）水泥混凝土路面断板

这些纵向、横向及斜向裂缝的发展会使水泥混凝土路面板完全折断成两块或两块以上形成断板。根据裂缝及断板发生的时间，可分为开放交通之前的断板(早期断板)和使用期断板(后期断板)。一般早期断板不多见。混凝土路面断板根据其损坏程度可分为三类:轻微断裂—裂缝无剥落或轻微剥落，未封缝的裂缝宽度为3mm，已封缝的裂缝宽度不限，但封缝良好;中等断裂—裂缝处有中等剥落，未封缝的裂缝宽度为 3～25mm，己封缝的裂缝无剥落或剥落轻微，但填缝料明显损坏;严重断裂—裂缝处有严重剥落;未封缝的裂缝宽度大于 25mm。有的断板是在施工期间由于混凝土的初期收缩受到阻碍而产生的拉应力超过混凝土的抗拉强度而造成;有的是因为板块尺寸过大所产生的温度翘曲应力超过混凝土抗弯拉强度而引起的，也有因为车载过大、应力集中等造成的断板。

3 路况调查及性能评价方法

3.1 调查与评价目的

路面调查的目的是运用各种仪器设备对路面状况的各种指标进行检测，以了解现有路面的使用性能，为制定养护管理方案提供依据，以便进行科学管理和长远规划。

水泥混凝土路面路段结构检测主要包括路面调查、FWD动态弯沉检测、钻芯取样试验检测与排水系统调查几大方面内容，其中路面调查包括破损状况、结构强度、平整度及抗滑能力等四项内容。

对水泥路面进行的FWD动态弯沉检测的主要目的是通过测量水泥混凝土板的动态弯沉，了解板的工作性能，以及估算水泥混凝土路基与路面各结构层的模量，为路面大、中修加铺层设计和罩面设计提供设计参数。

钻芯取样试验检测主要是配合其他项目检测，钻取结构层芯样进行物理和力学试验，了解实际结构层厚度及结构层使用现状，为分析路面破损原因及确定维修方案提供强度和变形指标。

排水系统调查主要是了解该路段当前排水情况及排水设施的损坏情况，以便为今后大中修排水系统设计和保养提供依据。

结构调查的目的在于:l)路面调查主要用于该路段的现状分析与评定;2)检测项目主要为今后大中修提供设计依据或参数，同时，辅助路面调查，对该路段现状进行分析。

3.2 调查与评价方法

根据《公路水泥混凝土路面养护技术规范》(JTJ073.1-2001)，对水泥混凝土路面结构进行调查检测的主要方法如表3.1。

水泥混凝土路面使用质量采用路面状况指数PCI、断板率DBL、行驶质量指数RQI、横向力系数SFC来评价，为了评价路面的综合性能，参考《公路养护技术规范》(JTJ073-96)，采用路面综合评定指标SI来评价。评价的标准分为优、良、中、次、差五个等级，其评价标准见表3.2。

表3.1 路况调查检测方法一览表

表3.2 水泥混凝土路面使用性能评价标准

3.2.1 路况指数PCI

反映路面损坏状况的主要指标是路况指数PCI，它是评价路面服务水平的最重要的一个指标。其数值范围为0-100，数值越大，路况越好。依据路段破损状况调查得到的病害类型、轻重程度和密度数据按下列计算公式计算：

PCI=100-∑∑DPijWij （3-1）

i=1j=1nmi

DPij=AijDijBij （3-2）

2.5⨯Rij Rij

0.5+0.686⨯(Rij-0.2) 0.2≤Rij

Wij 0.74+0.28⨯(Rij-0.55) 0.55≤Rij

0.81+0.95⨯(Rij-0.8) Rij≥0.8

Rij=DPij （3-4）

ij∑∑DP

i=1j=1nmi

式中,i和j分别为病害种类和轻重程度；n为病害种类总数;mi为i种病害的轻重程度等数;DPij为i种病害和j种轻重程度的单项扣分值，它是破损密度Dij的函数;Dij为i种病害j种轻重程度的板块数占调查路段板块总数的比例(%);Aij和Bij为系数，见表3.3;Wij为同时出现破损时，i种病害和j种轻重程度扣分值的修正系数;Rij为各单项扣分值占总扣分值的比值。

表3.3 计算单项扣分值的系数Aij和Bij

3.2.2 路面平整度指数RQI

道路服务水平是反映路面行驶质量最直观的指标，它同路面平整度、车辆的动态响应以及乘客对舒适性的要求和颠簸的接受能力有关。研究表明:平整度对路面行驶质量的影响最大，因此，将路面行驶质量近似看作是路面平整度的单变量函数，那么，RQI的确定仅仅与平整度相关[6]。

采用连续式平整度仪或三米直尺连续测得路面不平整的统计标准差来作为平整度指标。平整度标准差以S表征，行驶质量指数以RQI表征。行驶质量指数RQI以10分制表示，同路面平整度指数从了之间的关系可参考下式计算：

RQI=10.5-0.75IRI （3-5）

本项目采用三米直尺连续测量，并以检测数据的标准差σ分析路段平整度，为了求得RQI，通过比较《公路水泥混凝土路面养护技术规范》(JTJ073.1-2001)中RQI的评价标准和《公路养护技术规范》(JTJ073-96)中的评价标准，采用回归分析可得到RQI和口的相关关系为：

RQI=14.3-2.2σ,(R2=0.9878) (3-6)

由此，可采用上式由三米直尺得到的标准差σ计算行驶质量指数RQI。同时，本项目的表面抗滑能力采用摆式仪测得的数据进行评价，其标准参考《公路沥青路面养护技术规范》 (JTJ073.2-2001)选取，如表3.2，对比BPN和SFC的评价标准，通过回归分析，可得到二者

之间的相关关系为：

SFC=1.64BPN-14.58,(R2=0.9974) (3-7)

上式可作为由摆值BPN计算横向力系数SFC的换算公式。

3.2.3 路面综合评定指标SI

路面综合评定指标SI，其值用分项指标加权计算得出，取值范围为0-10，用SI表示，采用下列公式计算：

SI=S1⨯P1+S2⨯P2+S3⨯P3 (3-8)

S1=PCI/10 (3-9)

S2=RQI (3-10)

SFC>55

S3= 0.5⨯SFC-17.5 38

0 SFC≤38

式中，S1为路面损坏状况所占分数；S2为行驶质量所占分数；S3为抗滑系数所占的分数；P1、P2和P3为相应指标的权重，按公路性质、等级和相应指标的重要性确定。

3.2.4 断板率DBL

依据路段破损状况调查得到的断裂类病害的板块数，按断裂种类和严重程度的不同，采用不同的权系数进行修正后，由下式确定该路段的断板率DBL，以百分数表示:

DBL=(∑∑DBijWij')/BS (3-12)

i=1j=1nmi

式中，DBL为i种裂缝病害j种轻重程度的板块数;W’ij为i种裂缝病害j种轻重程度的修正权系数，按表3.4确定；BS为评定路段的板块总数。

表3.4 计算断板率的权系数W’ij的取值

3.3 数据处理方法

1) 测定值的平均值、标准差、变异系数按下列各式分别进行计算:

X=-∑Xi=1N-

N,S=∑(Xi=1Ni-X)2,CV=-N-1S⋅100 (3-13) X

式中，Xi为各测点的测定值;N为一个评定路段内的测点数;X为一个评定路段内测定值的平均值;S为一个评定路段内测定值的标准差;Cv为一个评定路段内测定值的变异系数(%)。

2)计算一个测定路段内测定值的代表值时，对单侧的检验的指标和双侧的检验指标，按下式各式分别计算: 单侧检验：X=X±S'-tα

N

tα/2

N （3-14） 双侧检验：X=X±S'-

（3-15）

式中，X’为一个评定路段内测定值的代表值；tα或tα/2:为t分布表中随自由度(N一1)和置信水平a(保证率)而变化的系数。

3)可疑数据舍弃。若无特殊要求时，可疑数据的舍弃宜按照k倍标准差作为舍弃标准，即在资料分析中，舍弃那些在X土k.s范围以外的测定值，然后再重新计算整理。当试验数据N为3、4、5、6个时，k值分别为1.15、1.46、1.67、1.82，大于或等于7时，k值宜采用3。

4 路面使用性能预测

路面在行车荷载和环境等因素的综合作用下，其使用性能随时间或行车荷载作用次数的增加不断衰减。当路面使用性能下降到某一预定标准时，就必须采取相应的养护处理措施(如预防性养护处理或其它常用的养护处理对策)以恢复或提高其使用性能。因此，有必要对路面的使用性能衰变过程进行准确的预测。

4.1 预测方法

4.1.1 力学法

力学法是通过利用弹性理论模型(弹性层状体系或弹性地基板)或粘–弹性理论模型，通过结构分析得到路面在荷载作用下的应力、应变或位移反应。力学法有较为成熟的理论基础，但计算复杂，工作量大，而且养护工程师对相关的物理量应用很少而不甚关心收集这方面的数据，所以力学法由于缺乏足够的实际路面数据进行修正和验证而缺乏可行性。

4.1.2 力学–经验法

力学–经验法是利用由结构分析得到的路面在荷载作用下的应力、应变或位移的反应来预估使用性能变量随时间的变化。这种方法由两部分组成：第一部分是力学分析，确定路面各结构层的模量值，计算在设计条件下的临界应力、应变或位移值；第二部分是建立路面反应(应力或应变等)同使用性能参数衰变速率之间的经验关系。

4.1.3 经验(回归)法

经验(回归)法是利用多元回归分析技术建立回归方程，以预估使用性能变量随某些影响变量(如年数、交通、路面结构等)的变化。采用经验(回归)法建立的使用性能预测模型，结构简单，易于更新。尤其是当有些使用性能属性的衰变机理尚不清楚时，采用经验法具有明显的优势。然而采用经验法建立的模型，只是使用性能变量与其影响变量之间的某种程度的统计拟合，并不反映影响变量对使用性能变量影响的物理性质的机理，其可靠性不仅取决于有关资料和数据的准确与充分，而且也依赖于建模人员对所选用的使用性能变量与其影响变量之间关系的理解和认识程度。

4.2 模型分类

各种使用性能预测模型可分为两种基本类型：确定型和概率型[7]。

4.2.1 确定型模型

确定型模型是为路面寿命或某项使用性能指标预估出一个数值。确定型模型包括基本反应、结构性能、功能性能和使用寿命模型等。

基本反应模型是预估路面在荷载和气候因素作用下的基本反应，如弯沉、应力和应变等。可以采用力学法、力学–经验法或经验法，并通过应用野外观测数据进行标定后建模。 结构性能模型既可以预估路面各种单项损坏，如开裂、车辙等，也可以预估路面的综合损坏状况，如路面状况指数 PCI 等。多采用力学–经验法或经验法建模。

功能性模型用于预估路面行驶质量指数RQI或现时服务能力指数PSI(Present Serviceability Index)、表面抗滑性能等。这些指标同使用者的舒适性、安全性和经济性密切相关。可采用力学–经验法或经验法建模。

使用寿命模型用于预估路面达到某预定损坏状况或服务水平时的使用寿命。如选用轴载作用次数指标，则适用于设计路面的养护和改建方案；如选用时间指标，则较多用于路面各种养护和改建方案之间的经济评价。可采用力学–经验法和经验法建模。

确定型模型根据力学或经验建立了一种具有特定数学形式的表达形式，虽然该方法能够反映路面使用性能变化的一般规律，但由于数学形式的局限性，大多数模型只能考虑单一影响因素，无法反映路面使用性能复杂多变的特点[8]。

4.2.2 概率型模型

概率型模型是预估路面寿命或某项使用性能指标的状态分布。概率模型包括残存曲线、马尔可夫(Markov)和半马尔可夫模型等。残存曲线是概率与时间关系曲线，反映路面经过一定使用年限或一定累计标准轴载作用后，在不采取大修和重建措施的情况下路面保持服务能力的概率。时间或轴载初始概率为 1.0，极限概率为 0。该曲线可以根据公路部门保存的有关路面修建、养护和改建活动的历史记录，确定新建或改建后每年需养护或改建的路面的比例后得到。

概率型模型考虑了影响路面使用性能变化的因素如荷载、环境、材料等的变异性，较好地反映了路面使用性能变化速率的不确定性，因此，采用概率型模型更能符合实际情况的变化，但在目前管理状况下，难以被管理者所接受，且其建立在回归的基础上，给模型带来了不容忽视的误差[9]。

除了确定型模型和概率型模型之外，随着人工智能技术的发展，更多的新技术已被应用到路面使用性能预测模型中，如专家系统模型和人工神经网络ANN(Artificial Neural Networks)模型等。专家系统可融汇路面管理专家的经验，并建立一个知识库，从而使计算机能模拟人类专家对各条件下的路况进行预测。人工神经网络能够模拟人类的思考和判断过程，根据已有的历史数据对其中的规律进行总结并对复杂预测问题提供实时的解答，预测时不需要专家的介入和专家的知识，在路面使用性能预测中有广泛的应用前景。

5 预防性养护措施与时机选择

5.1 水泥混凝土路面预防性养护措施

5.1.1 封缝(Crack Sealing)

封缝就是将掺有聚酯或聚丙烯纤维的结合料或改性结合料灌入路面裂缝的一种措施。封缝通过阻止水和不可压缩材料进入路面结构，减少了水的侵蚀，减缓了裂缝扩展速率，降低了水对基层材料的浸透，从而达到了延缓路面破坏速率和延长路面寿命的目的。

然而封缝对当前的路面状况没有什么影响，如果仅采取封缝处理，混凝土路面的纵向开裂和横向开裂水平应当属于低级，而且路面没有出现其它缺陷[10]。

5.1.2 接缝重新封缝(Joint Resealing)

接缝重新封缝是指清除混凝土路面接缝现有的封缝料，然后采用预制的氯丁橡胶、有机硅树

脂或低模量热浇橡胶对接缝进行重新填充的一种措施。接缝重新封缝通过阻止水分侵入或不可压缩的固体颗粒进入接缝，减少了潜在的唧泥和随之发生的路基强度损失，减缓了路面恶化速率，从而达到了延长路面服务寿命的目的。但接缝重新封缝不能改善行驶质量或排水。 接缝重新封缝应当在路面没有出现碱硅反应或 D 形裂纹、剥落水平属于低级、接缝处于好的状况时进行。如果由于开裂而导致行驶质量受损，此时采取接缝重新封缝作为预防性养护处理措施就不再适合。

5.1.3 金刚石研磨(Diamond Grinding)

金刚石研磨是指用金刚砂刮刀刮掉路面的一层薄的混凝土。金刚石研磨主要用于恢复混凝土路面表层纵断面和改善行驶质量。通过金刚石研磨，可以改善路面行驶质量，消除接缝与裂缝断层以及由带钉轮胎造成的路面凹槽，恢复横向排水，改善路面的抗滑性能。

金刚石研磨只能修补路面的功能性缺陷，结构性缺陷修补则需要进行罩面或进行路面改造。在进行金刚石研磨之前，应当先采取其它修补措施对路面进行处理。拟采用金刚石研磨进行处理的路面应当断面均匀，有好的基层，没有出现板角损裂、剥落或坑穴，也没有碱硅反应或 D 形裂纹之类的损坏。在采取金刚石研磨处理后必须封填所有接缝和主要的裂缝。

5.1.4 传力杆更换(Dowel BarRetrofit)

传力杆更换是指在穿过错断接缝或断层裂缝的切槽中放置传力杆，然后再回填注浆的一种措施。传力杆更换可以有效恢复错断接缝和断层接缝的传荷能力，显著地减少断层的再发生，增强路面结构能力。

传力杆更换仅用于修复没有出现严重恶化、路面状况处于好或中等而且接缝或裂缝处没有出现剥落的有接缝混凝土路面。传力杆更换一般不单独使用，而应当与其它处理措施如金刚石研磨、接缝重新封缝、封缝等一起使用。

5.1.5 部分厚度修补(Partial-depth Repair)

部分厚度修补用于修补表面损坏，如主要在混凝土路面表层三分之一区域发生的接缝剥落。表面剥落对车辆行驶不利，加速路面损坏。部分厚度修补替换不坚固的混凝土，改善行驶质量，防止路面进一步恶化，帮助有效地重新填充接缝和裂缝。

采取部分厚度修补处理时，应先确定路面损坏程度，移除损坏的混凝土，彻底地清理修补区域。拟采用部分厚度修补进行处理的混凝土路面应当处于相对好的状况而且仅需要进行局修补，剥落区域的面积应当不大于 1m2，最大尺寸不超过最小尺寸的两倍，而且厚度少于 100mm。

5.1.6 全厚度修补(Full-depth Repair)

全厚度修补是指对已经损坏的接缝或开口裂缝处的混凝土路面进行移除和替换的一种处理措施。混凝土修补包括荷载传递、路面增强以及对收缩缝和伸缩缝进行封缝处理。全厚度修补可以恢复路面结构完整性，保持路面行驶质量，对减少水分进行路面结构内部和减慢路面损坏速率也有所帮助。

采取全厚度修补前，混凝土路面很可能已经出现需要综合各种处理措施来矫正的损坏。选择全厚度修补策略时，应当综合考虑费用、寿命以及将来的养护和改造。拟采用全厚度修补进行处理的混凝土路面应当处于好的状况而且损坏速率缓慢。

5.2 预防性养护与路面管理系统的整合

预防性养护与路面管理系统的整合主要有三种方法[10]，而公路管理部门最终采用何种方法则取决于路面管理系统中信息的有效性以支持需要的模型的开发、总的预防性养护处理措施分析目的以及路面管理系统本身的复杂性。

第一种方法是基于原有的路面修复与改造需求分析来推荐预防性养护候选路段。采用这种方法，路面管理系统用于分析路网的修复与改造需求，任何不适合修复与改造的路段均被认为适合于预防性养护。这种方法最为简单，容易运用，不需要改变路面管理模型，但在分

析由于预防性养护处理措施的实施而对路况产生的影响时，这种整合后的路面管理系统对此所提供的支持有限。

第二种方法是以一种预防性养护处理措施作为各种处理措施的代表应用到路面管理分析模型中。路面管理分析为预防性养护处理措施选择路段，然后对这些路段进行进一步的调查评估以确定具体应当采用的预防性养护处理措施类型。采用这种方法来分析预防性养护处理措施的机构有美国的圣弗兰西斯科湾地区(SanFrancisco Bay Area)的城市交通委员会(Metropolitan Transportation Commission，简称 MTC)，俄亥俄州交通部(Ohio Department of Transportation，简称 ODOT)也采用了相似的方法[11]。

第三种方法是将具体的预防性养护处理措施直接应用到路面管理系统中，然后为每一种处理措施开发性能模型、费用模型、影响模型，并且制定相应的处理措施标准。这种方法最为复杂，但为预防性养护计划提供的支持水平最高。采用这种方法，公路部门可以方便地运用路面管理系统来进行预防性养护计划的效益分析，确定并且优化合适的预防性养护处理措施。美国的蒙大拿州交通部(MontanaDepartment of Transportation，简称 MnDOT)、堪萨斯州交通部(Kansas Departmentof Transportation，简称 KDOT)已经开始朝这个方向发展。

5.3 路面预防性养护最佳时机的确定

不平整是水泥混凝土路面的固有特性，即使是新建路面，在汽车荷载的作用下，随着路龄的增长，也会越来越不平整。当汽车行驶在不平整的路面上，将对路面产生附加动荷载，这种动荷载将使得路面产生破损，平整度变差，而路面平整度的变差又将使得汽车对路面产生的附加动荷载增加，加速路面损坏。

因此，本文假定路面平整度存在一个临界值，当路面平整度达到此临界值时，动荷载急剧增加导致路面损坏显著加速，通过确定动荷载导致的路面破损与平整度之间的关系，就可以在路面平整度达到临界值之前采取预防性养护措施，以改善路面平整度状况，从而达到延长路面服务寿命的目的。

基于上述基本假设，根据动荷载导致的路面破损与平整度的关系，求得动荷载导致的路面破损加速度最大时的平整度临界值，进而可得到确定的路面预防性养护最佳时机。

由于动荷载并不是导致路面破损的唯一因素，许多其它因素如气候、水文、材料、设计缺陷、施工缺陷等因素的互相影响也可能导致路面破损的发生，加上动荷载与路面破损之间的复杂性、路面材料和环境以及交通因素的变异性、破损调查的主观性以及量测误差，所以应当对调查数据进行仔细的分析与整理，然后再建立路面平整度与动荷载导致的破损之间的关系式，否则将可能得不到满足要求的结果。

5.3.1 破损指数-行驶质量指数法

Doseung Lee，Karim Chatti，Gilbert Y Baladi[12]通过对 37 个工程项目的破损数据进行分析，将其中相对不平整路段的主要破损类型作为动荷载导致的破损类型，以805m为单位路段长度，为这些破损类型分配破损值DP，然后采用如下回归模型建立破损指数 DI 和动荷导致的破损DP与行驶质量指数RQI之间的关系式：

DI或DP=aexp(b+cRQI) （5-1） 1+exp(b+cRQI)

-1或 DI或DP=a{1-[1+exp(b+cRQI)]} （5-2）

式中：DI——破损指数；

DP ——破损值；

RQI ——行驶质量指数；a , b, c——回归参数。

式(5-1)和式(5-2)中，当考虑所有破损，即动荷载导致的破损与非动荷载导致的破损均包括在

内时，等式左边采用DI；仅考虑动荷载导致的破损时，等式左边采用DP，回归参数的取值见表5.1。

表5.1不同路面类型的回归参数与相关指数值

由表5.1可以看出，对于刚性路面，动荷载导致的路面破损其相关指数普遍高于同一路面类型中包括所有路面破损时的相关指数，数值从0.488 增大到0.739。这说明动荷载导致的破损DP与行驶质量指数RQI之间的相关性比包括所有路面破损的 DI 与行驶质量指数 RQI 之间的相关性好。

文献出[12]通过图5.1~图5.2分别反映了刚性路面与复合路面的路面破损与行驶质量指数RQI 之间的关系。

图5.1 刚性路面路面破损与行驶质量指数RQI的关系曲线

图5.2 复合路面路面破损与行驶质量指数 RQI 的关系曲线

由图5.1和图5.2可以看出，在行驶质量指数RQI增大时，动荷载导致的破损DP的增长速度并不是常数，当行驶质量指数RQI增大到某一特定值时，动荷载导致的DP增长速度明显加快。因此，可以认为此特定值即为行驶质量指数 RQI的临界值，此时DP加速度达到最大。

仅考虑动荷载导致的破损DP，

（5-3）

式(5-3)中，DP即为DP加速度，当式(4.10)取最大值时，所对应的 RQI 即为行驶质量指数的临界值，图5.1(b)、图5.2(b)所对应的DP加速度图形分别如图5.3、图5.4所示。 ‘‘

图5.3 刚性路面DP加速度曲线

图5.4 复合路面DP加速度曲线

5.3.2 路面状况指数-国际平整度指数法

周文献[13]通过对某地21个典型水泥混凝土路段的路面损坏状况与平整度的调查结果，采用如下回归模型建立了路面状况指数 PCI 与国际平整度指数IRI之间的关系式：

（5-4）

式中：PCI ——路面状况指数；

IRI ——国际平整度指数。

式(5-4)的拟合度R 0.74571，国际平整度指数IRI采用下式计算：

（5-5） 2

5.3.3 改进的破损指数-行驶质量指数法

由于以上两种模型均存在局限性，故有必要建立一个改进的、通用的模型。本文在参考破损指数-行驶质量指数法的基础上，经过深入的分析和研究，提出采用如下模型来建立路面破损与行驶质量指数的关系式：

（5-6）

式中： DI ——破损指数；

DP ——破损值；

RQI ′——名义行驶质量指数；

K ——常数；

α,β——回归参数α>0，β>0。

对于式(5-6)，仅考虑动荷载导致的路面破损，令 α=100 RQI ′，则

（5-7）

即

（5-8）

综上所述，本文提出的模型形式较为简单，能够确定水泥混凝土路面的预防性养护时机，可称之为改进的破损指数-行驶质量指数法。与破损指数-行驶质量指数法相比，本文提出的模型仅含有两个参数，且参数含义明确，可通过对参数的对比分析，很方便地研究结构、交通等因素对路面破损的影响；与路面状况指数-国际平整度指数法相比，本文提出的模型可反映动荷载导致的破损与路面平整度指标之间的关系。所以，本文提出的模型适应性较强，有利于外推，具有明显的优越性。

应当说明的是，本文提出的模型仅适用于确定以改善水泥混凝土路面行驶质量为目标的预防性养护处理的时机，而水泥混凝土路面中的其它预防性养护处理、复合路面、柔性路面以及特定路段等情况下预防性养护时机的确定，则需通过进一步的研究来解决。

而且，为了使确定的水泥混凝土路面预防性养护最佳时机具有可用性，应当对水泥混凝土路面行驶质量指数 RQI 进行尽可能准确的量测，并且建立恰当的RQI 预测模型对其进行有效的预测。

6 结语

本文对我国水泥混凝土路面常见病害及原因进行了分析，指出使用、设计、施工与养护等方面均有一定原因。交通量的迅速增长，重载、超载是导致路面破坏的直接原因，设计与施工质量缺陷造成混凝土路面结构承载能力先天不足；养护不及时则加速了路面质量缺陷的显化。

路况调查与路面性能评价是路面养护、维修、罩面及加铺的前提和基础工作，引入新型无损检测设备和评价技术，对路面性能进行评价是近年来国际道路界广泛开展的一项工作。本文总结了路况调查与性能评价的方法与指标。

预防性养护是一种科学的养护方法，具有主动性，恰当的预防性养护能够显著地改善路面性能，有效地延长路面使用年限。预防性养护的基本原理是在恰当的时机采取恰当的处理措施对合适的路面进行养护，使好的路面保持好的状况。本文对水泥混凝土路面的预防性养护措施及时机选择进行了研究，提出了最佳时机的确定方法。

参考文献

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