裝配式水泥混凝土路面板破壞防治研究

田正旺

(山西省晉中路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司 晉中 030600)

水泥混凝土路面強(qiáng)度高、剛度大、穩(wěn)定性好，可以有效地利用周邊的天然材料，具有一定的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，符合國(guó)家目前著力建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)的指導(dǎo)方針。由于傳統(tǒng)的現(xiàn)澆水泥混凝土路面養(yǎng)護(hù)周期長(zhǎng)且開(kāi)放交通晚，裝配式水泥混凝土路面的優(yōu)勢(shì)就體現(xiàn)出來(lái)[1-2]。該技術(shù)不僅改變了傳統(tǒng)的水泥混凝土路面建造模式，解決了水泥混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)緩慢與施工后快速開(kāi)放交通這一主要矛盾，而且由于該混凝土面板是在工廠預(yù)制，其施工基本不受環(huán)境的影響，對(duì)保證施工質(zhì)量有極大的幫助，因此得到廣泛應(yīng)用。

1 裝配式水泥混凝土面板破壞機(jī)理

裝配式混凝土路面與現(xiàn)澆式都屬于水泥混凝土路面大類，因此在破壞機(jī)理方面與現(xiàn)澆混凝土路面基本相同。主要有面板本身破壞和板間接縫或面層與基層連接部分出現(xiàn)問(wèn)題而破壞，此外，由于裝配式混凝土板的特殊性，在拼裝吊裝工藝過(guò)程中也容易出現(xiàn)板間錯(cuò)臺(tái)和板底脫空等病害。

1.1 水泥混凝土面板本身破壞

板本身的破壞通常有兩方面原因：①板在生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的病害破壞?，F(xiàn)澆水泥混凝土路面在澆筑過(guò)程中由于水分上浮在混合料表面形成凹面，產(chǎn)生較大表面張力帶來(lái)塑性收縮裂縫，在水泥水化反應(yīng)升溫時(shí)與周圍環(huán)境間由于溫差產(chǎn)生收縮裂縫、在初期由于養(yǎng)護(hù)不到位或是環(huán)境過(guò)于干燥等產(chǎn)生的干燥收縮裂縫等；②板受到車輛荷載或溫度荷載引起的破壞。主要表現(xiàn)為由干縮、冷縮等引起的橫向裂縫，由于基層或土基等承載力不足產(chǎn)生的縱向裂縫，以及水泥混凝土板本身強(qiáng)度不足產(chǎn)生的交叉裂縫等。

1.2 面板間接縫或?qū)娱g連接處破壞

板間接縫處的破壞可包括板塊活動(dòng)、拱起、錯(cuò)臺(tái)、唧泥、接縫材料破壞等。其中接縫材料破壞由板間填料引起；拱起是由于板在溫度下降的影響下收縮而使得縫隙張開(kāi)，產(chǎn)生的空隙由破碎的硬質(zhì)料填充，當(dāng)溫度上升時(shí)板內(nèi)產(chǎn)生較大壓應(yīng)力，從而導(dǎo)致板體破壞拱起；其余病害均可歸為一類原因：因路基不均勻變形、填縫材料的缺失而導(dǎo)致路面水滲入，在基層與面層之間形成自由水，這部分自由水在行車荷載的反復(fù)推擠下，產(chǎn)生巨大的水壓力，沖刷基層材料，產(chǎn)生唧泥，從而使得面層與基層連接部分因活動(dòng)而不穩(wěn)定使得水泥混凝土面板移動(dòng)，故而產(chǎn)生板塊活動(dòng)、錯(cuò)臺(tái)。

1.3 拼裝吊裝工藝過(guò)程中出現(xiàn)的破壞

預(yù)制拼裝工藝的整體過(guò)程主要分為預(yù)制新板、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)平及整理3個(gè)步驟。混凝土的自重較大，且其抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)小于抗壓強(qiáng)度，在吊裝時(shí)板底因彎拉應(yīng)力超過(guò)混凝土的抗拉強(qiáng)度產(chǎn)生微型的裂縫甚至斷裂，或吊裝點(diǎn)周圍存在應(yīng)力集中，導(dǎo)致吊裝點(diǎn)附近混凝土損傷。

在舊路改造時(shí)，由于預(yù)制板的厚度通常與舊板相同，在板底灌漿處理后，往往會(huì)比原路面高出一部分，當(dāng)然也可能是由于不可避免的施工偏差而導(dǎo)致路面不平整導(dǎo)致新板受力不均勻而出現(xiàn)破壞。

2 裝配式混凝土面板破壞防治研究

2.1 水泥混凝土面板材料配合比影響

根據(jù)室內(nèi)小型拌和樓的拌和容積將配合比中所有材料用量均乘以0.6%的折算系數(shù)，折算出室內(nèi)混凝土配合比拌合所需材料的質(zhì)量。試驗(yàn)中保持水灰比不變，通過(guò)調(diào)整砂率和粗集料的種類，以及在水泥中摻入適量硅灰以滿足路用性能指標(biāo)[3]，對(duì)水泥混凝土進(jìn)行最佳配合比設(shè)計(jì)。各試驗(yàn)配合比及抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 水泥混凝土室內(nèi)試驗(yàn)配合比

針對(duì)2種不同的粗集料分別進(jìn)行了構(gòu)造深度與砂率的關(guān)系曲線試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖1。針對(duì)不同的構(gòu)造深度，進(jìn)行了摩擦系數(shù)與構(gòu)造深度的關(guān)系曲線試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖1 構(gòu)造深度-砂率關(guān)系曲線

圖2 摩擦系數(shù)-構(gòu)造深度關(guān)系曲線

經(jīng)過(guò)配合比試驗(yàn)分析得出，砂率越小且水泥中加入10%硅灰，粗集料碎石選用玄武巖配制成的水泥混凝土路面板的路用性能較好。

2.2 基層破壞防治要點(diǎn)

在我國(guó)的水泥混凝土路面設(shè)計(jì)中[4]，針對(duì)不同的交通條件，推薦的基層材料見(jiàn)表2。

表2 基層材料

在基層材料中，貧混凝土、碾壓混凝土、水泥穩(wěn)定碎石、二灰穩(wěn)定碎石等屬于半剛性基層，瀝青穩(wěn)定碎石、瀝青混凝土等基層屬于柔性基層。裝配式混凝土面板由工廠提前預(yù)制并養(yǎng)護(hù)好，在路面拼接時(shí)即已具備相當(dāng)高的強(qiáng)度，材料已失去可塑性。雖然預(yù)制過(guò)程中盡量做到平整，但實(shí)際成品難免在底接觸面有部分位置高低不平，此時(shí)與基層接觸面難免有脫空的部位，接觸示意圖見(jiàn)圖3。雖然在后續(xù)的灌漿操作中可以通過(guò)灌漿料對(duì)接觸面空隙進(jìn)行填充，但仍不能保證漿料充滿空隙。因此，半剛性基層由于其本身剛度大、彎沉小等特點(diǎn)使預(yù)制拼裝路面板底面更容易脫空，而柔性基層變形較大，韌性較好的特點(diǎn)對(duì)于預(yù)制水泥混凝土路面板更加有益。

圖3 預(yù)制板和基層接觸示意圖

同時(shí)，從路面長(zhǎng)期性能考慮，2種基層對(duì)于路面的影響也有著本質(zhì)的區(qū)別。半剛性基層由于本身是脆性材料，在長(zhǎng)時(shí)間使用過(guò)程中不可避免會(huì)產(chǎn)生細(xì)小裂縫。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，這些小裂縫逐漸擴(kuò)散直至連通擴(kuò)大。在車輛荷載作用下，裂縫處產(chǎn)生突發(fā)性應(yīng)力集中，在剪切力與彎拉效應(yīng)反復(fù)作用下，使基層抗彎拉強(qiáng)度降低影響傳荷能力，使水泥混凝土面板受力過(guò)大而產(chǎn)生破裂。由路面病害或長(zhǎng)期荷載作用帶來(lái)的水平方向的擠推力往往會(huì)使柔性基層產(chǎn)生細(xì)小裂縫而最終導(dǎo)致破壞。

綜上分析，在條件允許的情況下，若能在半剛性基層表面增加適當(dāng)厚度的柔性層，并相應(yīng)地提高預(yù)制水泥混凝土板的生產(chǎn)工藝、受力性能，則可以使裝配式水泥混凝土路面的使用壽命更長(zhǎng)。

2.3 面層破壞防治要點(diǎn)

預(yù)制拼裝路面中面層使用的是整塊的預(yù)制水泥混凝土板，需在作為上面層的混凝土板與基層之間鋪設(shè)較薄的附加層作為下面層[5]，以實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)澆工藝相同的傳力效果。下面層應(yīng)采用柔性層，緩沖由溫度梯度尤其是被忽略的負(fù)溫度梯度等帶來(lái)的板角翹曲，避免發(fā)生病害破壞。

基于施工的時(shí)效性及成本要求，下面層本身不應(yīng)過(guò)厚。其關(guān)鍵作用是承接上面層與基層，作為傳力層與填充層，主要目的為在施工時(shí)柔性承接，同時(shí)，其本身要具備基本的、較普通灌漿料更高的強(qiáng)度與更好的耐久性。據(jù)此，對(duì)2種不同施工要求的下面層進(jìn)行如下分析。

1) 對(duì)于施工期極短的工程，主體可以采用由強(qiáng)度等級(jí)至少為42.5 MPa的水泥配制的強(qiáng)度相對(duì)較大的流動(dòng)性水泥砂漿鋪設(shè)。為使其在具備流動(dòng)性的同時(shí)具備較高的強(qiáng)度，在經(jīng)濟(jì)條件允許的情況下，盡量摻入10%～15%的礦物摻合料，過(guò)多將會(huì)影響自流平效果，具體可采用相對(duì)廉價(jià)的二級(jí)粉煤灰或礦粉。同時(shí)，為了保證其澆筑后直到預(yù)制板安放期間保持流動(dòng)性，需摻加少量緩凝劑，通常1%左右即可。另外，因其需要在硬化后盡早地產(chǎn)生強(qiáng)度，可以根據(jù)需要加入少量的早強(qiáng)劑，一般摻入1%左右即可。據(jù)此，給出流動(dòng)性水泥砂漿配合比推薦，見(jiàn)表3。

表3 流動(dòng)性水泥砂漿配合比

2) 對(duì)于施工期相對(duì)較長(zhǎng)、可封閉施工的工程，可采用瀝青混合料或?yàn)r青碎石混合料進(jìn)行鋪設(shè)。因其厚度較小，材料使用方面與柔性基層中使用的瀝青稍有不同，可以參考瀝青表面處治工藝。有研究表明集料使用石灰?guī)r的配合比在處治中優(yōu)于使用花崗巖的配合比。在常見(jiàn)的瀝青混合料中，乳化瀝青及SBS改性瀝青相對(duì)較好，基質(zhì)瀝青相對(duì)較差。

2.4 拼裝吊裝過(guò)程破壞防治要點(diǎn)

預(yù)制板起吊是板從預(yù)制到現(xiàn)場(chǎng)安放過(guò)程中安全性的關(guān)鍵，需基于板的尺寸對(duì)其進(jìn)行受力分析及配筋設(shè)計(jì)[6-7]，保證在運(yùn)輸過(guò)程中混凝土板不會(huì)出現(xiàn)受力斷裂等情況。

舊路改造中，新板與舊板的連接處，傳荷問(wèn)題是關(guān)鍵點(diǎn)。因此在預(yù)制板的現(xiàn)場(chǎng)安置中，關(guān)鍵點(diǎn)在于接縫處置。對(duì)于接縫處的處置方法目前主要有集料嵌鎖、企口搭接和傳力桿3種方式。

1) 早期主要采用集料嵌鎖方式。在吊裝前，對(duì)預(yù)制板的4個(gè)側(cè)面進(jìn)行鑿毛處理。在吊裝就位后，在接縫下半部貫入盡可能粗的單一粒徑碎石，并配以鋼纖插搗，保證密實(shí)填充。然后將配置好的環(huán)氧砂漿灌入填充密實(shí)的縫隙內(nèi)。用同樣的方法灌入第2層石子和環(huán)氧砂漿，然后用加熱至 170 ℃的熔融TST改性瀝青黏結(jié)料封住接縫表面,使其與路面平齊，靜置2 h以后即可開(kāi)放交通。這種接縫處理方法, 既能滿足縫隙的密封防水要求又能實(shí)現(xiàn)良好的荷載傳遞功能。

2) 企口搭接方式。對(duì)預(yù)制板邊緣進(jìn)行企口設(shè)計(jì)，通過(guò)預(yù)制板之間的榫接來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)制板之間的荷載傳遞。該方法在預(yù)制板的后場(chǎng)預(yù)制過(guò)程中較為復(fù)雜，并且對(duì)板塊預(yù)制精度要求較高，需要對(duì)模板提出特殊要求，將板塊兩端分別預(yù)制成“凹”形、“凸”形，以保證預(yù)制板之間的企口搭接效果；在現(xiàn)場(chǎng)拼裝施工時(shí)，需要格外注意，避免出現(xiàn)拼裝板企口搭接失敗的情況。

3) 目前使用的傳力方式為插入傳力桿傳力，被認(rèn)為是最可靠的方式。在板塊預(yù)制過(guò)程中預(yù)先埋設(shè)傳力桿，拼裝時(shí)將相鄰的拼裝板連接起來(lái)，通過(guò)傳力桿來(lái)傳遞相鄰板之間的荷載。該方法具有施工方便、傳荷能力好的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還可以通過(guò)傳力桿的連接作用，對(duì)拼裝路面實(shí)現(xiàn)初步的平整度控制。

該方法是在預(yù)制板的后場(chǎng)預(yù)制過(guò)程中，將傳力桿預(yù)先埋設(shè)在預(yù)制板一側(cè)邊緣處，埋設(shè)長(zhǎng)度為傳力桿長(zhǎng)度的一半，埋設(shè)深度為板厚的一半，同時(shí)在傳力桿埋設(shè)之前進(jìn)行表面噴塑處理，以保證傳力桿表面的光滑與防腐；相對(duì)于傳力桿埋設(shè)的另一側(cè)設(shè)置傳力桿槽，槽口向下，既有利于相鄰板塊的傳力桿連接，又可以保證路面的平整。由于傳力桿在板與板之間可以起到架立支撐的作用，因此同時(shí)起到保證拼裝路面平整的作用，而拼裝板板底稍許的空隙可以通過(guò)灌漿的方式進(jìn)行彌補(bǔ)。拼裝后的路面經(jīng)過(guò)灌漿、磨平和灌縫后，即可開(kāi)放交通。傳力桿系統(tǒng)構(gòu)造見(jiàn)圖4，槽位細(xì)節(jié)見(jiàn)圖5。

圖4 傳力桿系統(tǒng)圖

圖5 槽位細(xì)節(jié)圖

3 結(jié)論

1) 預(yù)制拼裝工藝在設(shè)計(jì)階段模具配筋等都屬于普通工藝，應(yīng)著重注意水泥混凝土預(yù)制板本身的混凝土配合比，保證具有高整體性、高抗彎拉強(qiáng)度指標(biāo)，并嚴(yán)格養(yǎng)護(hù)，確保預(yù)制板本身質(zhì)量滿足道路要求。

2) 傳力系統(tǒng)是裝配式混凝土路面整體性能的基礎(chǔ)，目前主流傳力方式為預(yù)設(shè)傳力桿。針對(duì)傳力桿處的處理以固定穩(wěn)定為關(guān)鍵，同時(shí)應(yīng)配合噴塑處理，保證傳力桿不受腐蝕，使傳力性能長(zhǎng)期、穩(wěn)定。

3) 在預(yù)制板拼接過(guò)程中調(diào)平時(shí)，應(yīng)反復(fù)確認(rèn)是否與基層貼合良好。盡量貼合緊密、平整，減少層間空隙，以保證路面長(zhǎng)期使用性能。