莊德輝

(廣東金意陶陶瓷集團(tuán)有限公司)

目前廣場和道路使用石材或廣場磚等鋪貼，雖有施工規(guī)范、驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)等，投入使用后出現(xiàn)的問題很多，比如斷板、斷角、接縫擠碎、空鼓、拱起、錯(cuò)臺(tái)等。行業(yè)內(nèi)對(duì)這些問題產(chǎn)生的原因缺乏系統(tǒng)分析與研究，預(yù)防和整改措施基本上從經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，沒有可靠的理論支持，無法從根本上解決問題。

混凝土路面板是一種脆性材料，抗壓強(qiáng)度高，抗彎拉強(qiáng)度低，基本可以視作一個(gè)小撓度彈性薄板，其受力和損壞機(jī)理與瓷磚、石材有一定的相似性，而且混凝土路面板工況更復(fù)雜更嚴(yán)苛，承受的荷載更大，國內(nèi)外對(duì)它的破壞機(jī)理研究更久更深入。

為此本文試圖借鑒相對(duì)成熟的混凝土路面板受力和破壞理論，分析廣場和道路鋪裝石材、廣場磚等面板裝飾層破壞的機(jī)理，提出適合于廣場和道路陶瓷厚板鋪貼系統(tǒng)解決方案，希望對(duì)廣場磚和天然石材戶外鋪貼也能起到一定的參考作用。

1 混凝土路面破壞機(jī)理

混凝土路面板的破壞形式主要有板下脫空、唧泥、斷裂、交叉開裂、接縫擠碎、錯(cuò)臺(tái)等。

斷裂是混凝土路面最主要的損壞形式，它是由車輛荷載和溫度應(yīng)力綜合反復(fù)作用導(dǎo)致路面板所承受的應(yīng)力超過混凝土的極限強(qiáng)度引起的。

混凝土路面板斷裂原因主要有疲勞破壞和一次性破壞。

疲勞破壞：由于基層施工壓實(shí)度不勻，在車輛荷載應(yīng)力和溫度應(yīng)力的綜合反復(fù)作用下，基層局部軟弱區(qū)被壓實(shí)，產(chǎn)生不均勻塑性變形，進(jìn)而發(fā)展為板下脫空，改變了路面板的受力狀態(tài)，路面板近似于懸臂梁工作，產(chǎn)生過量的彎沉和應(yīng)力，最終超出混凝土的極限強(qiáng)度而引起斷裂。這是路面板產(chǎn)生早期破壞的主要原因之一。

路面板破壞最易從板角隅發(fā)生。不論是否存在板下脫空，板角撓度始終遠(yuǎn)大于板邊撓度，撓度越大，板的泵吸力越大，越易發(fā)生唧泥現(xiàn)象，唧泥又引起脫空擴(kuò)大，脫空再導(dǎo)致板角撓度急劇增大，從而進(jìn)一步促進(jìn)唧泥發(fā)生和脫空區(qū)的增大。

當(dāng)路面板均勻支承時(shí)，無論荷載作用于板邊還是板角，應(yīng)力都較小。一旦發(fā)生板底脫空現(xiàn)象，改變了路面板的受力狀態(tài)，局部應(yīng)力迅速集中，當(dāng)達(dá)到路面板極限抗彎拉強(qiáng)度時(shí)就會(huì)導(dǎo)致路面板斷裂破壞。試驗(yàn)和計(jì)算數(shù)據(jù)（表1，數(shù)據(jù)來自文獻(xiàn)1）表明，最大彎拉應(yīng)力大小依次為板角＞縱縫邊緣中部＞橫縫邊緣中部＞板中心部。當(dāng)荷載作用于板角時(shí)，路面板受到最大拉應(yīng)力約為板中心的2.4 倍，這就是板角、板邊極易發(fā)生一次性斷裂破壞的原因。

表1 接地壓力為1.4MPa（超出標(biāo)準(zhǔn)軸載0.7MPa一倍）時(shí)不同荷載形式和位置最大拉應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

另外路面板接縫施工不當(dāng)，或填縫不當(dāng)，填縫剝落、擠出、老化后，接縫被硬石子等卡入阻塞，當(dāng)混凝土路面板受溫度等影響發(fā)生伸脹時(shí)，板邊緣產(chǎn)生集中壓應(yīng)力，當(dāng)壓應(yīng)力超過混凝土抗剪強(qiáng)度時(shí)，板即發(fā)生接縫擠碎；當(dāng)壓應(yīng)力未超過混凝土抗剪強(qiáng)度但大于基層與面板之間的摩擦力時(shí)，路面就可能發(fā)生拱起重疊等現(xiàn)象。

一次性破壞：過重荷載（車輛荷載應(yīng)力和溫度應(yīng)力疊加作用）超出路面結(jié)構(gòu)的極限強(qiáng)度（極限承載力）則會(huì)造成一次性破壞。正常情況下路面板承受的極限荷載取決于混凝土抗壓強(qiáng)度；當(dāng)存在板下脫空時(shí)，路面板的局部破壞由受壓破壞變?yōu)閺澙茐?，混凝土的抗彎拉?qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于抗壓強(qiáng)度，因此更容易發(fā)生破壞。特別是雙聯(lián)軸雙輪和三聯(lián)軸雙輪情況下，最大應(yīng)力（表1）已超出混凝土路面板彎拉設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（5MPa）標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)板底脫空時(shí)就可能發(fā)生一次性靜載破壞。

2 廣場和道路鋪貼石材或廣場磚的破壞機(jī)理

廣場和道路鋪貼石材或廣場磚的破壞形式主要是斷裂（板角斷裂、整板斷裂等）、接縫擠碎、錯(cuò)臺(tái)、空鼓和拱起（剝離）等，對(duì)于破壞機(jī)理的研究目前處于空白，預(yù)防和解決方案多從經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，且基本限于面板的鋪貼施工，對(duì)路基、基層和混凝土面層的設(shè)計(jì)和改進(jìn)措施幾乎沒有涉及。

實(shí)際上作為常用路面板裝飾材料的花崗巖，其抗彎強(qiáng)度大于8MPa，抗壓強(qiáng)度大于100MPa（50mm 厚度），即使接地壓力超出標(biāo)準(zhǔn)軸載0.7MPa 一倍，最大拉應(yīng)力也沒有超過石材的抗彎拉強(qiáng)度。石材路面破壞的原因主要是天然石材存在內(nèi)部缺陷（如微裂紋等），厚度不足，面層施工空鼓，結(jié)合層結(jié)合力不足，基層和路基局部軟弱區(qū)產(chǎn)生不均勻塑性變形、破壞等引起的。工程實(shí)踐中，在做好路基、基層和混凝土面層設(shè)計(jì)施工的前提下，采用20mm 厚的花崗巖可以滿足消防車通道的荷載要求。

將瓷磚或石材面板裝飾層和水泥砂漿找平層以及混凝土面層視為彈性地基面層復(fù)合板，其受力和損壞機(jī)理與混凝土路面板有一定的相似性，可借鑒混凝土路面的破壞機(jī)理進(jìn)行分析。

空鼓（包括施工過程產(chǎn)生的空鼓、膠粘劑和水泥砂漿干燥收縮產(chǎn)生的空鼓以及使用過程中荷載和溫度應(yīng)力的綜合反復(fù)作用產(chǎn)生的空鼓等）形成了最嚴(yán)重的原始脫空區(qū)，改變了面層的受力狀態(tài)，面層局部由受壓破壞轉(zhuǎn)變?yōu)閺澙茐模ㄊ?、瓷磚和混凝土的彎曲強(qiáng)度遠(yuǎn)小于抗壓強(qiáng)度），一旦外部應(yīng)力（車輛荷載應(yīng)力和溫度應(yīng)力疊加作用）達(dá)到面層極限抗彎拉強(qiáng)度，面層就可能發(fā)生斷裂破壞。

面層拱起和接縫擠碎：如果面板接縫施工不當(dāng)，接縫過小或填縫料被擠出，硬石子卡入，面層發(fā)生伸脹時(shí)，面板之間產(chǎn)生擠壓作用，當(dāng)擠壓力超過混凝土面層-水泥砂漿找平層-瓷磚或石材裝飾層的結(jié)合力時(shí)，瓷磚或石材就會(huì)發(fā)生剝離甚至拱起現(xiàn)象；當(dāng)應(yīng)力超過瓷磚或石材抗彎（抗剪）強(qiáng)度時(shí)，瓷磚或石材就會(huì)發(fā)生接縫擠碎甚至整片碎裂。

路基或基層受到破壞，容易產(chǎn)生錯(cuò)臺(tái)、斷板等問題。當(dāng)基層出現(xiàn)沉降、變形或開裂時(shí)，由于路基不均勻支撐，使面板在受荷時(shí)底部產(chǎn)生過大的應(yīng)力，一旦超過面板的極限抗彎拉強(qiáng)度，就會(huì)導(dǎo)致面板被破壞；即使沒有超過面板的極限抗彎拉強(qiáng)度，也使得面板和基層的結(jié)合力降低而易于發(fā)生剝離等問題。

一次性破壞：過重荷載（車輛荷載應(yīng)力和溫度應(yīng)力疊加作用）超過面層的極限強(qiáng)度，就會(huì)造成一次性破壞。正常情況下，極限強(qiáng)度為抗壓強(qiáng)度；當(dāng)存在板底脫空時(shí)，荷載超出面層材料的極限抗彎拉強(qiáng)度或剪切強(qiáng)度（遠(yuǎn)小于極限抗壓強(qiáng)度）時(shí)就會(huì)發(fā)生斷板，更容易發(fā)生一次性靜載破壞。

3 陶瓷厚板廣場和道路鋪貼系統(tǒng)解決方案

陶瓷厚板是近年出現(xiàn)的一種新材料，指厚度超過20mm 吸水率小于0.5%（一般小于0.1%）的瓷質(zhì)板材，抗壓強(qiáng)度相當(dāng)于40mm～60mm 的花崗巖，彎曲強(qiáng)度是花崗巖的2～4 倍，承載力相當(dāng)于1.5～2 倍厚度的花崗巖；陶瓷厚板可以仿制大多數(shù)石材紋理，并消除天然石材的表面瑕疵和內(nèi)在缺陷；可通過成形模具直接做出石材的機(jī)切面、噴砂面、火燒面、剁斧面、荔枝面等效果；在耐磨、抗污、耐候、強(qiáng)度等方面，陶瓷厚板優(yōu)于天然石材；使用過程中不會(huì)出現(xiàn)石材常出現(xiàn)的水斑、白華、銹斑、變黃等問題，基本不需要后期維護(hù)。采用陶瓷厚板替代或部分替代天然石材，在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，可有效降低工程造價(jià)、保證供應(yīng)和減少石材開采對(duì)環(huán)境的破壞，符合生態(tài)環(huán)保綠色發(fā)展的形勢和政策，具有廣闊的應(yīng)用前景。

在實(shí)際工程中，陶瓷厚板與廣場磚和石材一樣，也存在破壞問題，破壞機(jī)理相似，解決方案基本可以通用。要解決廣場和道路鋪貼陶瓷厚板、廣場磚和石材破壞問題，需從系統(tǒng)整體考慮，從設(shè)計(jì)時(shí)就介入，單純從面板裝飾層材料和鋪貼方面考慮，無法根本解決問題，因?yàn)槠茐牟粌H與面板材料性能和鋪貼有關(guān)，更和基層以及路基的處理相關(guān)。

3.1 適當(dāng)提高路基壓實(shí)度和防止土基流失

路基最重要的作用是提供穩(wěn)定而均勻的支承。面板傳遞到基層的荷載應(yīng)力很小，對(duì)路基強(qiáng)度和承載力要求并不是很高。試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，路基壓實(shí)度對(duì)面板底部拉應(yīng)力的影響很小，但面板的撓度對(duì)路基壓實(shí)度的變化敏感性很強(qiáng)，適當(dāng)提高路基壓實(shí)度有利于減小面板撓度，緩解基層底部脫空，提高面板的使用壽命。

⑴路基應(yīng)分層碾壓，壓實(shí)度不低于90%（重型擊實(shí)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)），分層厚約為30cm，下層填土驗(yàn)收合格后，方可進(jìn)行上層填筑。路基完成后，沿線應(yīng)按規(guī)范要求做回彈模量試驗(yàn)。

⑵沙性土基是最優(yōu)良的路基類型。粉性和粘性土基要盡量回避，可采用摻配砂石的方法予以改良，對(duì)原土基進(jìn)行一定厚度的換填。如遇特殊情況，土基另行處理。

⑶在路基上表面鋪設(shè)透水土工布，可以防止土基流失造成道路結(jié)構(gòu)性破壞，一定程度上提高路面整體強(qiáng)度和增加路面使用壽命。

⑷路基長期浸水會(huì)發(fā)生變形甚至沉陷，引起路面發(fā)生斷板、錯(cuò)臺(tái)等破壞，應(yīng)做好道路排水和防止綠化帶水下滲穿蝕路基。

3.2 適當(dāng)提高基層模量和采用耐沖刷的基層

面板斷裂、錯(cuò)臺(tái)、剝離等損壞大多與基層的不良支承有關(guān)。目前基層大多為半剛性的密實(shí)基層，含有較多細(xì)集料，在雨水和荷載作用下，必然產(chǎn)生唧泥造成板底脫空最終導(dǎo)致斷板和錯(cuò)臺(tái)等破壞。

基層建議采用水泥穩(wěn)定開級(jí)配碎石，厚度180mm～200mm 為宜，有利于排除路表滲水和隔斷地下毛細(xì)水上升、有效減少水對(duì)基層的侵蝕，延緩塑性變形脫空區(qū)的產(chǎn)生，減小面板角隅處撓度，減輕唧泥和脫空發(fā)展。用厚基層來提高路基的支承力，或者說借以降低面層應(yīng)力一般不經(jīng)濟(jì)，但隨著穩(wěn)定類基層厚度的增加，基層底面的彎拉應(yīng)力隨之降低，因此基層厚度不宜太薄。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，隨著基層模量的提高，板底最大拉應(yīng)力會(huì)呈曲線式下降，繼續(xù)提高模量，下降趨勢趨于平緩，提高基層模量的作用已經(jīng)不大，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)從性能和經(jīng)濟(jì)兩方面綜合考慮。

3.3 提高石材/ 瓷板裝飾層- 水泥砂漿找平層-混凝土面層之間的結(jié)合力，可有效減少板下脫空和唧泥的發(fā)生

⑴采用強(qiáng)力瓷磚膠粘劑而不是水泥砂漿粘貼石材或瓷磚、采用抹漿的方式鋪貼，以增大石材或瓷磚裝飾層與找平層之間的結(jié)合力。不建議單獨(dú)采用淋漿的方式鋪貼，以減少出現(xiàn)空鼓等質(zhì)量問題。

⑵采用界面劑而不是素水泥漿處理混凝土面層界面，可增強(qiáng)找平層對(duì)混凝土面層的粘接強(qiáng)度，減少空鼓和剝離的發(fā)生。鋪貼瓷磚和石材時(shí)，往往路基、基層和混凝土面層設(shè)計(jì)和施工已完成，無法更改，這種情況下，采用界面劑處理混凝土面層表面可以提高找平層與混凝土面層的粘接強(qiáng)度。

⑶在長期受到振動(dòng)影響的區(qū)域宜采用彈（柔）性瓷磚膠和彈（柔）性填縫劑。

⑷保證施工質(zhì)量，盡量減少施工造成的空鼓（這是最嚴(yán)重的原始脫空區(qū)）。鋪貼前清除混凝土面層表面雜物，鋪貼過程中輕輕推放，使石材/瓷板與鋪貼面平行，然后用木槌或橡膠錘輕敲面板，讓板底能全面吃漿；鋪貼完24 小時(shí)后方可行走。

3.4 減小面板撓度，以減少唧泥和板底脫空的發(fā)生和發(fā)展

影響板角和板邊撓度的主要因素是面板的模量和厚度、基層模量和路基模量等。

⑴提高面板厚度。試驗(yàn)顯示，提高混凝土面層和瓷磚/石材裝飾層厚度可以減小板底彎拉應(yīng)力，提高面板極限承載力和減小面板的撓度，有效提高道路使用壽命，但相應(yīng)的成本也會(huì)提高，需要綜合考慮。建議采用200mm 厚的C30 混凝土面層，彈性模量2000MPa，泊松比0.20。

在工程實(shí)踐中，普通輕載和人行路面花崗巖一般采用要求20mm～30mm 厚，有的要求30mm 以上，消防車行道一般要求40mm～60mm 厚。但實(shí)際上如果做好路基、墊層、基層和混凝土面層的設(shè)計(jì)施工，20mm 厚花崗巖基本可以滿足消防車通道荷載要求，這樣可以大大降低石材成本，施工關(guān)鍵是基礎(chǔ)要夯實(shí)，路基各層壓實(shí)度至少達(dá)到90%（重型擊實(shí)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)），基層采用180mm～200mm厚水泥穩(wěn)定開級(jí)配碎石，面層采用200mm 厚C30 混凝土。

陶瓷厚板的承載力大約相當(dāng)于1.5～2 倍厚度的花崗巖。人行路面和普通輕載路面宜采用15mm 以上厚度瓷板，消防車通道和重型卡車停車場等宜采用18mm 以上厚度瓷板。

⑵當(dāng)出現(xiàn)板底脫空和唧泥時(shí)，應(yīng)及早進(jìn)行修復(fù)，以免破壞加重。

3.5 做好面板接縫和伸縮縫設(shè)計(jì)

⑴接縫寬度：受溫度和荷載影響廣場和道路面板會(huì)產(chǎn)生伸脹，石材或瓷板之間需留出合適的接縫，寬度建議不小于5mm。

⑵填縫：盡量選用耐候型彈性密封膠，填縫要飽滿密實(shí)，一般低于石材或瓷板表面1～2mm 左右為宜，以防止硬石子嵌入接縫導(dǎo)致面板裝飾層在伸脹時(shí)相互擠壓拱起（剝離）或擠碎，還可減輕雨水對(duì)基層的沖刷，減少唧泥和板底脫空的發(fā)生。

⑶伸縮縫或沉降縫：因基層或路基發(fā)生伸縮、沉降等而導(dǎo)致面層開裂，一般需設(shè)置伸縮縫，寬度不宜小于20mm，分割面積不宜超過36m2（縱橫縫間距不宜大于6m），采用彈性耐候密封膠密封，防止雨水和雜物進(jìn)入。伸縮縫應(yīng)從結(jié)構(gòu)層斷開，并一直延伸到面板裝飾層，面板不能跨越伸縮縫，否則面板局域懸空，處于懸臂梁受力狀態(tài)，容易出現(xiàn)脫空、錯(cuò)臺(tái)、開裂和斷板等破壞。

實(shí)際戶外工程中，因所用石材或瓷板板材規(guī)格小、板間接縫大，為面板的伸脹提供了空間，有時(shí)并不設(shè)置伸縮縫，但確實(shí)存在開裂和擠碎的現(xiàn)象，建議根據(jù)實(shí)際情況考慮。

4 結(jié)語

廣場和道路鋪貼石材或廣場磚的破壞問題要從系統(tǒng)整體考慮，單純從面板裝飾層材料和鋪貼方面是無法根本解決問題的。

廣場道路地面鋪貼石材或廣場磚的破壞機(jī)理和混凝土路面有相似之處，可以借鑒這方面的成熟經(jīng)驗(yàn)和理論；但二者畢竟還有區(qū)別，混凝土路面板單塊面積和厚度大，交通荷載重，因此不能完全照搬。

希望今后能對(duì)廣場和道路鋪貼陶瓷厚板、廣場磚或石材的破壞機(jī)理進(jìn)行更深入的研究，通過大量試驗(yàn)取得更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，提出和完善相關(guān)理論，更好地指導(dǎo)施工和減輕破壞發(fā)生。