灌漿技術處治舊水泥混凝土路面的應用
2006-04-30 00:00
摘要: 水泥混凝土路面在使用過程中會產生諸多病害，通過對舊水泥混凝土路面板唧泥、脫空等混凝土路面主要病害的分析，提出了采用灌漿技術來解決此類病害。并對脫空的確定、灌漿加固機理、實施等進行了較詳細的介紹和分析，從經濟的角度評價了灌漿技術的可行性。
關鍵詞: 道路工程；水泥混凝土路面；脫空分析；灌漿處治
0 引言
水泥混凝土路面是中國公路路面主要形式之一，在中國公路網構成中占有較大比重，它具有強度高、剛度大、受溫度影響小、使用壽命長等優(yōu)點。但水泥混凝土路面接縫較多，對超載較為敏感，易發(fā)生脫空、唧泥、裂縫等早期病害，從而導致路面的破損。如何治理與預防脫空、唧泥等病害，搞好水泥混凝土路面的養(yǎng)護，延長公路的使用壽命，改善其通行能力具有十分重要的意義。筆者參加了上海市某公路水泥混凝土路面改建工程試驗路段施工，采用灌漿技術處治原水泥混凝土路面，并對施工單位的各施工項目進行了跟蹤檢測，在室內對漿液的配合比進行了對比實驗。灌漿技術在該路段取得了良好的效果。
1 水泥混凝土面板唧泥、脫空形成主要原因
唧泥和脫空病害的產生有其內在因素和外界因素：內在因素是基層本身的質量、組成以及混凝土面板接縫狀況；外界因素則是汽車荷載和氣候變化。中國路面基(墊)層材料一般都選用穩(wěn)定類集料，其模量遠小于混凝土面層的模量。水泥混凝土路面在重車荷載的反復作用下，板下基(墊)層將產生累積塑性變形，使混凝土板的局部范圍不再與基層保持連續(xù)接觸，于是水泥混凝土路面板底與基(墊) 層之間將出現(xiàn)微小的空隙，即出現(xiàn)了板下局部脫空，或稱為原始脫空區(qū)。同時溫度、濕度的變化，以及板內溫度的非線形分布，引起板向上或向下的翹曲，加速了板與基礎之間的分離，形成板底脫空。脫空的出現(xiàn)又為水的浸入創(chuàng)造了條件，當路面接縫或裂縫養(yǎng)護不及時，雨水從破損處侵入基層，滲入的水將在板下形成積水(自由水)。積水與基層材料中的細料形成泥漿并沿面板接縫縫隙處噴濺出來，形成唧泥，唧泥的出現(xiàn)進一步加劇了板底的脫空。這樣周而復始、惡性循環(huán)，最終導致路面的損壞。
2 脫空板確定
2.1 脫空板確定方法
確定脫空板可采用人工觀察、彎沉測定等方法。人工觀察法是通過肉眼觀察接縫、裂縫、唧泥等情況初步判定脫空。當重車行過，能感到混凝土板有豎直位移時；或下雨之后，有明顯唧泥現(xiàn)象的板塊，認為是脫空。這種方法的缺點是主觀性強，即便是有經驗的工程師也不能避免錯判、漏判。彎沉測定法是測試板角彎沉，如果超過某一限值，即認為存在脫空。中國交通部行業(yè)標準《公路水泥混凝土路面養(yǎng)護技術規(guī)范》(JTJ 073.1-2001)(以下簡稱《規(guī)范》)中也明確規(guī)定水泥混凝土面板脫空位置的確定可采用彎沉測定法。
2.2 檢測方法
上海某公路試驗段為一級公路，建于1997年，設計板厚24 cm，主要采用彎沉指標來確定脫空板。首先選取水泥混凝土面板荷載最不利作用位置作為檢測點，宜選取橫縫及縱縫附近的點。采用2臺5.4 m長桿彎沉儀及BZZ- 100標準軸載(后軸軸載為10 t)測定車。檢測點分主點、副點，主點位于板橫縫前10 cm，加荷載；副點在橫縫后10 cm，無荷載(正常行車方向為前)。將1臺彎沉儀置于主點，即測定車的輪隙中間；另1臺彎沉儀置于副點處，分別測定主、副點彎沉(按前進方向右輪測試)。在《美國路面修復手冊》中規(guī)定，凡彎沉值超過0.635 mm的，應確定為板塊脫空。根據中國公路修建狀況和檢測儀器的實際情況，有關專家推薦凡彎沉值超過0.2 mm的，應確定為面板脫空(詳見規(guī)范)。在本實驗路段，采用雙指標控制，即主點彎沉大于0.2 mm或差異彎沉(主點- 副點)大于0.06 mm的均認為板底可能出現(xiàn)脫空現(xiàn)象。
3 加固機理
在現(xiàn)有混凝土路面設計理論中，我們把混凝土板看作是小撓度彈性薄板，其假定條件是面板與地基間完全接觸(不脫空)。同時混凝土板是一種準脆性材料，抗壓強度高、抗彎拉性能差。在正常情況下，面板均勻支承時，無論荷載作用位置，應力都較小。而一旦脫空，板角處由于基礎支撐的喪失處于懸臂狀態(tài)，板內將產生過大的應力、剪力，混凝土板很快達到極限壽命。水泥混凝土面板灌漿是通過注漿管施加一定壓力將漿液均勻注入板底空隙、板下基(墊)層中，以充填、滲透、擠密等方式去除板底、基層裂隙中的積水、空氣后占據其位置，經人工控制一段時間后，漿液將原來的松散顆粒或裂隙膠結為整體，形成一個良好的“結石體”。灌漿改善了板底原有受力狀態(tài)，恢復板體與地基的連續(xù)性，達到加固基礎、治理病害的目的。
3.1 漿液材料基本要求
常用的水泥漿材料包括：水泥、粉煤灰、水、外加劑等。將漿體制成7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm的立方體試件，標準養(yǎng)護7 d，其抗壓強度應到5 MPa以上。漿體應具有良好的可泵性、和易性、保水性，漿體過稠不能均勻布滿板底空隙，漿體過稀則干縮性大。在施工中，筆者認為為防止?jié){體的干縮，漿液中宜摻加一定量膨脹劑。流動度是影響可灌性的主要因素，一般流動度越高，可灌性就越好。由于在現(xiàn)行規(guī)范中未對此做明確規(guī)定，參照預制梁板壓漿施工經驗，采用水泥漿稠度試驗漏斗(體積1 725 mL±5 mL)，以漿體自由全部流完的時間作為流動度來控制(詳見《公路橋涵施工技術規(guī)范》JTJ 041- 2000附錄G- 11)。其中，在室溫條件下，純水的流出時間為8 s(室內試驗結果)。表1列出了在標準條件下，不同水灰比、不同材料配比之間的流動度結果及試件強度。從中可發(fā)現(xiàn)水泥凈漿不管摻或不摻減水劑，其流動性都比相同條件下水泥粉煤灰漿體的流動性要好。因此可以看出，二級粉煤灰單位體積的需水量要大于水泥。文獻1中提出：對于不摻減水劑的水泥凈漿，其流動度不應小于16 s；摻減水劑的漿體可減小到12 s；流動度最大應不大于26 s［1］。在施工中，筆者認為漿體流動度不宜過小，控制在20~30 s之間較好，否則會產生泌水現(xiàn)象。
3.2 試驗資料
從表1可看出，在相同水灰比情況下，流動性隨著水泥與粉煤灰的比例產生變化，同時粉煤灰比例也影響水泥漿的后期強度。在相同條件下水灰比越大，則漿體的強度會逐漸降低，因此不宜采用過大的水灰比。根據上述試驗結果，在施工中采用的漿液配比為水泥∶粉煤灰∶水+早強劑=1∶0.5∶0.7+0.5%。在取得大流動性的前提下，保證了漿液的強度。
4 灌漿技術的實施
孔位布設一般為3～5孔，應根據混凝土面板尺寸、裂縫狀況以及灌漿機械等確定。灌漿孔大小應和灌注嘴大小一致，一般為5 cm左右。灌漿順序從沉降量大的地方開始，由遠到近、由大到小。灌漿壓力的控制應視混凝土板的損壞及脫空情況具體確定。當漿液從接縫處或另一注漿孔冒出，就可認為完成該孔注漿，即停止注漿，迅速移至另一注孔繼續(xù)作業(yè)。壓力一般控制在1~4 MPa之間，并停留3~5 min，效果較好。
5 灌漿效果評定
灌漿后，應在7 d齡期后，再次測量主點彎沉值和副點彎沉值。當主點或差異彎沉值均低于設計要求值時，可認為灌漿效果已經達到。試驗段灌漿前后彎沉資料見表2 (單位：mm)。表2中灌漿前數值均大于控制指標，認為板底出現(xiàn)脫空，需灌漿處治。從檢測資料可看出，原混凝土面板通過灌漿提高了板底承載力。
6 經濟效益評價
灌漿處治舊水泥混凝土路面早中期破壞與“換板”相比最大的優(yōu)點就是利用原路面板。其直接成本隨脫空情況及處治目的不同而不同，一般介于10~30元/m2之間。“換板”翻修混凝土路面成本一般需120~140元/m2。與后者相比，前者的直接成本明顯低。灌漿作為一種治理混凝土路面病害及時可行的科學養(yǎng)護技術，具有成本低、見效快、操作簡便、對車輛行駛影響小、受自然因素影響小等優(yōu)點，在公路施工和養(yǎng)護工程中具有可觀的經濟效益和社會效益。
7 結語
(1) 灌漿技術作為一種新型的加固技術，可廣泛地使用到公路施工的其他方面，如高速公路橋頭跳車、軟土地基處理、機場路加固等。而且由于其處治質量主要控制指標———彎沉與舊板加鋪瀝青混凝土面層的設計指標相吻合，具有一定科學性，所以也適用于舊板加罩瀝青面層的舊板加固中。
(2) 大多數破損板本身的質量良好，病害主要是由于下承層造成的。有關資料建議灌漿鉆孔深度一般為混凝土板底3~5 cm，根據施工經驗，鉆孔深度應穿透基層達到墊層中。傳統(tǒng)的“換板”只能改善板本身狀態(tài)，而板下灌漿通過灌漿壓力可把漿液滲透到相鄰混凝土板下，起到灌漿一塊板加固幾塊板的作用。
(3) 產生脫空板的原因有填縫料的失效，水的浸入，基層材料中的細集料。因此，必須加強接縫的養(yǎng)護，及時疏導路面積水，從而預防路面先期病害。在基(墊)層施工中，應嚴格控制混合料中的細集料含量。
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