水泥路面早期損壞原因分析及修復(fù)

趙耀輝

【摘 要】水泥路面是高等級(jí)公路主要路面結(jié)構(gòu)型式之一。使用中的水泥路面，由于多種原因會(huì) 產(chǎn)生斷裂、裂縫、磨損等多種形式的損壞，嚴(yán)重影響道路運(yùn)輸效果、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。 因此，需要及時(shí)的保養(yǎng)維護(hù)或修復(fù)。針對(duì)水泥路面損壞的機(jī)理、原因，介紹了水泥路面狀 態(tài)現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)和修復(fù)機(jī)械。

【關(guān)鍵詞】水泥路面；損壞機(jī)理；修復(fù)

【Abstract】Cement road is one of the main highway pavement structure type. Use the cement pavement， due to various reasons will have various forms of damage fracture， crack， wear， etc.， seriously affecting the road transport effects， economic and social benefits. Therefore， the need for timely maintenance or repair. Mechanism for cement pavement damage reasons， introduces modern cement pavement state detection technology and repair machinery.

【Key words】Cement pavement；Damage mechanism；Repair

水泥混凝土路面（簡(jiǎn)稱水泥路面，俗稱白色路面）是公路，特別是高等級(jí)公路的主要結(jié)構(gòu)型式之一。它是以水泥與水拌和成水泥漿為結(jié)合料，以碎（礫）石、砂為集料，加入適量的添加劑，攪 拌成水泥混凝土來鋪筑的路面。

1. 水泥路面的優(yōu)點(diǎn)：

（1）強(qiáng)度高、剛度大，具有較高的承載能力和擴(kuò)散載荷的能力。

（2）穩(wěn)定性好，受氣候條件等自然因素影響小，不易出現(xiàn)瀝青路面的某些因穩(wěn)定性不足而產(chǎn)生的損壞如變軟、癰包、車轍、波浪等，也不存在瀝青路面的老 化、龜裂等損壞現(xiàn)象。

（3）耐久性好，抗磨耗能力強(qiáng)，而且能通行包括履帶式車輛在內(nèi)的各種運(yùn)行機(jī)械。

（4）水泥混凝土對(duì)油和大多數(shù)化學(xué)物質(zhì)不敏感，有較強(qiáng)的抗侵蝕能力。

（5）表面較粗糙，抗滑性和附著性好，從而提高車輛行駛的穩(wěn)定性和車輛行駛性能的發(fā)揮。

（6）水泥路面色澤鮮明，反光能力強(qiáng)，對(duì)夜間行車安全有利。

因此，在我國(guó)公路建設(shè)與發(fā)展中，水泥路面會(huì)占有越來越大的比例。

2. 水泥路面斷裂損壞機(jī)理

（1）水泥道路從斷面上來看，自上而下分為4個(gè)層次。其中最上面與車輪接觸的是面層——水泥路面板塊（簡(jiǎn)稱水泥板塊）， 它直接承受各種行車載荷。接下來是基層與墊層，其作用是 擴(kuò)散面層傳下來的集中載荷。最下面的是土基層，是整個(gè)公路的基礎(chǔ)。

（2）理論上水泥板塊與路基緊貼在一起，車輪載荷均勻地傳遞到土基層。水泥板塊主要承受壓應(yīng)力，只要壓應(yīng)力不超過水泥混凝土抗壓強(qiáng)度，水泥板塊便不會(huì)損壞。但是，由于用材不當(dāng)，或施工工藝不合理，或施工質(zhì)量控制不嚴(yán)等原因會(huì)造成水泥板塊與路 基之間出現(xiàn)先天性的或后天引起的貼合不良的現(xiàn)象，一旦兩者之間出現(xiàn)空隙——水泥板塊懸空，在車輪載荷的作用下，懸空處的水泥板塊承受彎曲變形造成的拉應(yīng)力，而且水泥板塊承受的是脈動(dòng)載荷、其抗拉強(qiáng)度僅是抗壓強(qiáng)度的1/5～1/10，因此水泥板塊很容易斷裂。

3. 水泥路面狀態(tài)檢測(cè)工藝

水泥板塊一旦斷裂，其維修 作業(yè)量大、費(fèi)用高，而且要長(zhǎng)時(shí)間影響交通。因此，對(duì)已投入使用的水泥路面應(yīng)加強(qiáng)日常監(jiān)控，盡早發(fā)現(xiàn)面層與基層之間的空隙，并及早采取補(bǔ)救措施，以保證公路暢通，并延長(zhǎng)其使用壽命。

基于不同的基礎(chǔ)理論，水泥板塊是否懸空可以用不同的方法 檢測(cè)。最簡(jiǎn)單、最直接，也是目前我國(guó)常用的傳統(tǒng)方法是鉆孔取 樣法，這是一種盲目的被動(dòng)的方法。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，聲波法、雷達(dá)法、振動(dòng)分析法等無損檢測(cè)方法已開始應(yīng)用于水泥路面 狀態(tài)檢測(cè)中。

3.1 超聲波檢測(cè)技術(shù)。

（1）由于超聲波具有激發(fā)容易、檢測(cè)工藝簡(jiǎn)單、操作方便、價(jià)格 便宜等優(yōu)點(diǎn)，因此在道路狀態(tài)檢測(cè)中，特別是高等級(jí)水泥路面路 基檢測(cè)中的應(yīng)用有著較廣泛的前景。

（2）超聲波是一種頻率高于人耳能聽到的頻率（20Hz～20KHz）的 聲波。實(shí)踐證明，頻率愈高，檢測(cè)分辨率愈高，則檢測(cè)精度愈高。因此實(shí)踐中利用超聲波檢測(cè)水泥路面狀態(tài)時(shí)，其上限頻率為100KHz、下限頻率為20KHz。

（3）超聲波是一種波，因此它在傳輸過程中服從波的傳輸規(guī)律。 例如：超聲波在材料中保持直線行進(jìn)；在兩種不同材料的界面處 發(fā)生反射；傳播速度服從波的傳輸定理：ν=λf（ν為波速，λ 為波長(zhǎng)，f為波的頻率）。資料證明，波速對(duì)于水泥路面路基檢測(cè) 十分有用，因此一般也稱超聲波檢測(cè)法為波速法。

（4）波速法是超聲波檢測(cè)水泥路面路基狀態(tài)的最基本的方法。研究證明，波在介質(zhì)材料中行進(jìn)的速度愈大，則介質(zhì)材料的堅(jiān)硬性 愈大；反之，則介質(zhì)材料愈松軟。而介質(zhì)材料的堅(jiān)硬性實(shí)質(zhì)上也反 映了該種材料強(qiáng)度的高低，因此材料強(qiáng)度愈高，波速應(yīng)愈大；材 料強(qiáng)度愈低，則波速應(yīng)愈小。這樣，知道了波速，亦即知道了材 料強(qiáng)度。

（5）在土工試塊及某些巖體中利用波速法進(jìn)行無損檢測(cè)有比 較成熟的經(jīng)驗(yàn)，用得也比較廣泛。但水泥路面路基情況比較 特殊，作為無損檢測(cè)的超聲波探頭無法生根或埋置，從而造 成檢測(cè)工作的難度。因此，應(yīng)該采用波速法與回彈法相組合的綜合法。

3.2 雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)。

（1）由于雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)具有無損、快速、簡(jiǎn)易、精度高等突出優(yōu)點(diǎn)，我國(guó)于20世紀(jì)90年代開始應(yīng)用于公路工程施工和養(yǎng)護(hù)質(zhì)量的監(jiān)控以及水泥路面路基狀態(tài)檢測(cè)中。

（2）雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)實(shí)質(zhì)上是一種高頻電磁波發(fā)射與接收技術(shù)。 雷達(dá)波由自身激振產(chǎn)生，直接向路面路基發(fā)射射頻電磁波，通過波的反射與接收獲得路面路基的采樣信號(hào)，再經(jīng)過硬件、軟件及圖文顯示系統(tǒng)得到檢測(cè)結(jié)果。雷達(dá)所用的采樣頻率一般為數(shù)兆赫（MHz），而發(fā)射與接收的射頻頻率有的要達(dá)到吉赫（GHz）以上。

（3）頻電磁波的產(chǎn)生是依靠一種特制的固體共振腔獲得。雷達(dá)波雖然頻率很高、波長(zhǎng)很短，但同樣遵守波的傳播規(guī)律，即也有入射、反射、折射與衰變等傳播特點(diǎn)，人們正是利用這些特點(diǎn)， 為公路工程質(zhì)量監(jiān)控和狀態(tài)檢測(cè)服務(wù)，滿足無損、快速、高精度 的檢測(cè)要求。

用于水泥路面路基狀態(tài)檢測(cè)的探地雷達(dá)主要由天線、發(fā) 射機(jī)、接收機(jī)、信號(hào)處理和終端設(shè)備（計(jì)算機(jī)）等組成。探地雷 達(dá)檢測(cè)是利用高頻電磁波以寬頻帶短脈沖的形式，其工作過程是由置于地面的發(fā)射天線發(fā)送入地下一高頻電磁脈沖波，地層系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)層可以根據(jù)其電磁特性如介電常數(shù)來區(qū)分，當(dāng)相鄰的結(jié)構(gòu)層材料的電磁特性不同時(shí)，就會(huì)在其界面間影響射頻信號(hào)的傳播，發(fā)生透射和反射。一部分電磁波能量被界面 反射回來，另一部分能量會(huì)繼續(xù)穿透界面而進(jìn)入下一層介質(zhì)材料。電磁波在地層系統(tǒng)內(nèi)傳播過程中，每遇到不同的結(jié)構(gòu)層就會(huì)在層間界面發(fā)生透射和反射。由于介質(zhì)材料對(duì)電磁波信號(hào)有損耗作用。所以透射的雷達(dá)信號(hào)會(huì)越來越弱。各界面反射電磁波由天線中的接收器接收，并由主機(jī)記錄，利用采樣技術(shù)將其轉(zhuǎn)化為數(shù) 字信號(hào)進(jìn)行處理。從測(cè)試結(jié)果剖面圖得到從發(fā)射經(jīng)地下界面反射回到接收天線的雙程走時(shí)t，當(dāng)?shù)叵陆橘|(zhì)材料的波速已知時(shí)，可根據(jù)測(cè)到的精確t值求得目標(biāo)體的位置和深度。這樣，可對(duì)各測(cè)點(diǎn)進(jìn)行快速連續(xù)地探測(cè)，并根據(jù)反射波組的波形與強(qiáng)度特征，通過數(shù)據(jù)處理得到探地雷達(dá)剖面圖像。通過多條測(cè)線的探測(cè)，即可知道場(chǎng)地目標(biāo)體平面分布情況。通過對(duì)電磁波反射信號(hào)（即回波 信號(hào)）的時(shí)頻特征、振幅特征、相位特征等進(jìn)行分析，便能得知地層的特征信息——介電常數(shù)、層厚、空洞等。

3.3 振動(dòng)檢測(cè)技術(shù)。

（1）與聲波法、雷達(dá)法比較，振動(dòng)檢測(cè)技術(shù)有其自身特點(diǎn)，理論 較為成熟，對(duì)測(cè)試設(shè)備和測(cè)試環(huán)境要求不高；利用計(jì)算機(jī)技術(shù)可 實(shí)時(shí)檢測(cè)、快速處理數(shù)據(jù)。

（2）振動(dòng)檢測(cè)技術(shù)是采用動(dòng)力學(xué)方法，分析水泥板塊在不同的支 撐條件下的固有振動(dòng)特性及響應(yīng)特性的變化，比較水泥板塊在懸 空狀態(tài)下振動(dòng)響應(yīng)特性的差異，從而找出水泥板塊是否懸空的判 定依據(jù)。

（3）用于水泥板塊振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的原理是：通過聲卡記錄水泥板 塊的振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)，首先把拾音器（麥克風(fēng)）接到聲卡的接口上， 然后打開Win9附件中的錄音機(jī)應(yīng)用程序，用鼠標(biāo)單擊紅色的錄 音按鈕。使用基頻為440Hz的激振器激振水泥板塊，緊貼路面的 拾音器即記錄需要的記錄內(nèi)容。錄音結(jié)束后再用鼠標(biāo)單擊“停止”按鈕，計(jì)算機(jī)中就形成一個(gè)以WAV作擴(kuò)展名的聲音文件， 錄音過程到此結(jié)束。此時(shí)單擊一下“回放”按鈕，即可播放剛才 記錄的文件，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT處理，即可得出不同支撐條 件下水泥板塊的振動(dòng)信號(hào)的頻率成分。

4. 水泥路面修復(fù)工藝及設(shè)備

水泥路面常見的損壞形式有：板塊裂縫與折斷，板塊邊緣 角隅破損，板塊垂直錯(cuò)臺(tái)與拱起，板塊表面磨損與麻面等。水 泥路面維修常用的工藝有：擴(kuò)縫、清縫、灌縫，鑿孔、切槽、攪拌、 攤鋪、振搗、拉毛、鉆孔、頂升，破碎和翻修等。水泥路面常用的 維修機(jī)具有：破碎機(jī)、鑿巖機(jī)、高壓水清洗機(jī)、切縫機(jī)、封層機(jī)、水 泥攪拌機(jī)、振搗器等。限于篇幅，本文僅簡(jiǎn)單介紹3種具有現(xiàn)代技術(shù)水平的水泥路面破碎設(shè)備。

4.1 沖擊壓實(shí)機(jī)。斷裂穩(wěn)固是一種在修筑加鋪層前處理原水泥路面的方法，在 國(guó)外尤其在美國(guó)是一種成熟的技術(shù)、有完善的工藝。

（1）沖擊壓實(shí)機(jī)的壓實(shí)輪有3邊、4邊、5邊和6邊形，輪體有 實(shí)體和可填式空體。目前我國(guó)使用的多為3邊輪和5邊輪。

（2）沖擊壓實(shí)機(jī)的壓實(shí)能來自兩個(gè)方面：一是沖擊輪的自重；二是 沖擊輪滾動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的沖擊功能。同時(shí)由于多邊碾壓輪的蓄能 快速釋放，也加大了對(duì)水泥板塊的沖擊。其巨大的沖擊能以每秒 1.5～2.2次的低頻率沖擊水泥板塊，所產(chǎn)生的強(qiáng)烈沖擊波可向 水泥板塊下面的底基層和土基層傳播，從而使擊碎板塊得到壓實(shí) 穩(wěn)固，不僅保持擊碎板塊的強(qiáng)度，還能使其成為塊狀料嵌鎖型 基層結(jié)構(gòu)，緊密嵌壓在原路面底基層中，形成高強(qiáng)度的底基層， 從而減少或緩解原路面板塊反射裂縫，并減小面層的水平和垂直應(yīng)力。

（3）沖擊壓實(shí)機(jī)實(shí)際施工效果顯示：沖壓一遍，在水泥板塊邊出 現(xiàn)數(shù)條裂縫；隨著沖壓遍數(shù)增加，縱向裂縫增大增多，橫向裂縫也 開始出現(xiàn)；沖壓5遍后水泥板塊已破碎，裂縫呈網(wǎng)狀并分布于整 幅板塊，部分板塊完全破碎，其尺寸為30～40cm；沖壓15～20遍 后水泥板塊尺寸變?yōu)?0～30cm，且碎塊處于極佳的嵌鎖穩(wěn)固狀態(tài)，完全符合施工工藝設(shè)計(jì)的要求。

4.2 液壓多錘頭破碎機(jī)。

（1）在較長(zhǎng)一段時(shí)間里，人們?cè)靡簤和诰驒C(jī)的破碎器（俗稱 液壓破碎錘）和落錘式水泥路面破碎機(jī)對(duì)舊水泥路面板塊進(jìn)行破碎。但由于它們作業(yè)速度慢、效率低，業(yè)已被液壓多錘頭破碎機(jī)所代替。

（2）液壓多錘頭破碎機(jī)（MHB-Multiplt Head Breaher）由兩部分組成：前半部分為動(dòng)力裝置柴油機(jī)和液壓系統(tǒng)；后半部分工作 裝置破碎系統(tǒng)——中間設(shè)有兩排各3對(duì)錘頭，兩側(cè)各有一對(duì)翼錘。 柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓泵，液壓泵為液壓缸提供壓力油。液壓缸的往復(fù) 運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)各錘頭交替地錘擊水泥板塊并使其破碎。每對(duì)錘頭提升 高度可獨(dú)立調(diào)節(jié)。液壓多錘頭破碎機(jī)的作業(yè)寬度可達(dá)4m/次，工 作速度可達(dá)62.5m/h。

4.3 共振式破碎機(jī)。上述沖擊壓實(shí)機(jī)和多錘頭破碎機(jī)均存在振動(dòng)噪聲大，工人勞 動(dòng)強(qiáng)度大，碎塊尺寸大且不均勻，需要多次重復(fù)作業(yè)、效率低 等缺點(diǎn)。特別是不均勻的碎塊作為基層使用，難以避免新路面反射裂縫的產(chǎn)生，使其實(shí)際使用受到很大限制，甚至有的國(guó)家如美 國(guó)已禁止使用重錘沖擊式破碎工藝來修復(fù)水泥路面。

4.3.1 共振破碎原理。共振式破碎機(jī)是利用振動(dòng)梁帶動(dòng)工作錘頭振動(dòng)，其頻率約 44Hz、振幅為20mm。錘頭與水泥板接觸，通過調(diào)節(jié)錘頭的振動(dòng)頻率使其與水泥板塊的固有頻率成整數(shù)倍時(shí)，激發(fā)其共振，將水泥板塊破碎。

安裝在工作錘頭2上的專用傳感器感應(yīng)水泥板塊的振動(dòng)反饋，由控制器自動(dòng)調(diào)節(jié)工作錘頭的振動(dòng)頻率，并搜尋水泥板塊的固有頻率。當(dāng)兩者發(fā)生 共振時(shí)，水泥板塊因內(nèi)部顆粒間的內(nèi)摩擦阻力迅速減小而崩 潰——破碎。

共振式破碎機(jī)可同時(shí)控制水泥板塊的碎塊粒徑和破碎深度。

4.3.2 共振式破碎機(jī)的特點(diǎn) 。由于共振式破碎機(jī)工藝合理、自動(dòng)控制工作參數(shù)，因此具有如下的特點(diǎn)：

（1）碎塊尺寸理想、均勻。由于共振破碎力發(fā)生在整個(gè)水泥板 塊厚度范圍內(nèi)，能使工作錘頭下方的水泥板塊均勻破裂。通過微 調(diào)振動(dòng)頻率，可以使碎塊粒徑達(dá)到8～20cm的理想尺寸。此外， 破碎后的水泥面層，其上部粒徑較小、下部的較大，不僅可有效 地阻止新鋪筑的路面的反射裂縫的產(chǎn)生，而且提高了路基的承載 能力。

（2）由于破碎深度可以控制，可以保持路基結(jié)構(gòu)及其內(nèi)的管線 設(shè)施完好無損。

（3）振動(dòng)噪聲污染輕，施工適應(yīng)范圍大。由于共振式破碎機(jī)使用的高頻低幅振動(dòng)波衰減速度很快、傳遞范圍?。?～3m），因 此不影響道路下方及周圍的結(jié)構(gòu)物和設(shè)施，可適用于水泥路面的 公路、機(jī)場(chǎng)、港口、城市道路等修復(fù)工程。

（4）破碎深度大，施工效率高。通過調(diào)節(jié)振動(dòng)頻率和振幅， 共振式破碎機(jī)作業(yè)深度可達(dá)66cm、每天可完成2000m或近6400m 2的破碎作業(yè)量，并且由于單車道作業(yè)，可以不中斷交 通。

[文章編號(hào)]1619-2737（2015）07-29-017