水泥路面斷板關(guān)鍵影響因素調(diào)查及分析

劉佳 杜榮耀 倪應(yīng)謙 黃瑞德

摘要：文章選取廣西地區(qū)通車10年以上的2條水泥混凝土高速公路，抽取了16個不同斷板率的水泥混凝土路面典型路段，進行鉆芯取樣及FWD彎沉檢測分析，計算了各典型路段的基層頂當(dāng)量回彈模量代表值、接縫傳荷系數(shù)、路面脫空率及路面的彎拉強度。研究結(jié)果表明：接縫傳荷系數(shù)和水泥路面斷板率相關(guān)性較高，相關(guān)系數(shù)達到0.74。研究成果對新建水泥路面、水泥路面維修及加鋪瀝青層具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：水泥混凝土路面;接縫傳荷系數(shù);基層頂當(dāng)量回彈模量

0 引言

水泥混凝土路面具有承載能力大、路面強度高、耐磨性和穩(wěn)定性好、日常養(yǎng)護費用低等優(yōu)點，而且設(shè)計期限都為20年以上，比瀝青混凝土路面的設(shè)計年限長。廣西地區(qū)在早期修建了約800 km的水泥混凝土路面高速公路，修建時間主要集中在1999—2004年期間。經(jīng)過10年的使用，由于水泥路面使用品質(zhì)迅速惡化，在2010年以后，部分水泥路面的高速公路陸續(xù)進行了加鋪瀝青層改造。截止2018年，廣西地區(qū)只有柳宜高速公路、全黃高速公路、都南高速公路等少數(shù)高速公路水泥路面未進行加鋪瀝青層改造。其中柳宜高速已經(jīng)通車17年，全黃高速通車14年，路面使用狀況良好，基本達到了設(shè)計使用壽命。

國內(nèi)外對水泥混凝土路面斷板的研究主要集中在板底脫空的原因、檢測和處治方法上，而對路面?zhèn)骱上禂?shù)、基層頂當(dāng)量回彈模量等因素研究較少。本研究對廣西地區(qū)通車10年以上仍在運營的水泥混凝土路面高速公路進行調(diào)查分析，研究路面狀況較好及路面病害產(chǎn)生的原因，為新建水泥混凝土路面、水泥混凝土路面維修及水泥路面加鋪瀝青層提供技術(shù)支持。

1 研究工程概述

宜州至柳州高速公路是廣西壯族自治區(qū)連接柳州市與河池市的一條高速公路，1998年10月開工，2000年12月通車，是G78汕昆高速宜柳段的重要組成部分，全長112.7 km，路基寬度為26 m，水泥混凝土路面，雙向四車道。其路面結(jié)構(gòu)為26 cm厚C35水泥混凝土面層，18 cm二灰基層，18 cm級配碎石，路面總厚度為62 cm。

泉南高速公路全州至黃沙河段于2002年開工，2004年12月建成通車。北連湖南衡陽至棗木鋪高速公路，經(jīng)全州縣黃沙河鎮(zhèn)、永歲鄉(xiāng)和全州鎮(zhèn)，跨越湘江、湘桂鐵路，終點為全州縣城東北面的新彰甲村。路線全長22.3 km，路基寬度為26 m，水泥混凝土路面，雙向四車道。其路面結(jié)構(gòu)為26 cm厚C35水泥混凝土面層，1 cm瀝青石屑，39 cm水穩(wěn)基層，20 cm級配碎石，路面總厚度為86 cm。

2 研究方案

2.1 檢測內(nèi)容

本研究共抽檢16個檢測路段，其中柳宜路12個，全黃路4個。在16個路段中，每個路段長500 m，水泥路面病害嚴(yán)重程度各不相同。檢測內(nèi)容有：（1）FWD檢測完好板中彎沉，計算基層頂面模量;（2）在橫縫處，采用FWD在駛?cè)氚迨┘尤壓奢d檢測板底脫空，計算橫縫傳荷系數(shù);（3）在慢車道鉆取混凝土芯樣，量測芯樣厚度、觀測芯樣和基層情況，檢測芯樣劈裂強度，換算路面彎拉強度;（4）調(diào)查路面破損狀況，計算斷板率。

2.2 基層頂當(dāng)量回彈模量檢測及計算

對慢車道的板中進行FWD彎沉檢測，根據(jù)板中FWD彎沉盆，按現(xiàn)行公路水泥混凝土路面設(shè)計規(guī)范（2011）計算板底的基層頂當(dāng)量回彈模量[1]，計算式如下：

2.3 路面接縫傳荷系數(shù)檢測及計算

無傳力桿的橫縫傳荷依賴于橫縫間的凹凸材料嚙合效應(yīng)。隨著使用期的增加和行車作用，凹凸材料逐漸被磨平，同時混凝土還會隨使用期收縮，導(dǎo)致橫縫間距逐步增大，材料嚙合效應(yīng)會降低。這兩個因素導(dǎo)致接縫傳荷系數(shù)隨累計交通量增多而下降，進而導(dǎo)致板底荷載應(yīng)力逐年增加。本研究采用現(xiàn)行水泥路設(shè)計規(guī)范的傳荷系數(shù)定義計算[1]，如下式：

本研究在檢測橫縫時分三級荷載，計算機自動記錄荷載和對應(yīng)彎沉，計算傳荷系數(shù)時取該3個數(shù)據(jù)的平均值。路面橫縫傳荷系數(shù)檢測如圖1所示。

2.4 路面彎拉強度檢測及計算

對典型路段進行鉆芯取樣，芯樣切割兩端后，采用現(xiàn)行《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》（GN E30-2005）檢測芯樣劈裂強度，根據(jù)現(xiàn)行交通運輸部《公路水泥混凝土路面設(shè)計規(guī)范（2011年）》換算彎拉強度和彎拉模量[1]，換算式如下：

2.5 路面斷板率檢測及計算

采用人工步行對典型路段路面病害狀況進行調(diào)查，對行車道斷板、板角斷裂、破碎板的板塊數(shù)量進行記錄。為了體現(xiàn)從通車運營到檢測期間路面的損壞狀況，本次將更換的新板計入路面的斷板，且如果路面板塊有一道中等級以上裂縫同樣記為斷板[2]。

計算確定該路段的斷板率（DBL），以百分?jǐn)?shù)表示。

DBL=100×DB/BS（7）

式中：DB——評定路段內(nèi)斷板的數(shù)量及新?lián)Q板的數(shù)量之和;

BS——評定路段內(nèi)的板塊總數(shù)。

2.6 路面脫空檢測及計算

落錘式彎沉儀（FWD）是檢測混凝土板底脫空最有效的工具。現(xiàn)行交通部《水泥混凝土路面養(yǎng)護技術(shù)規(guī)范》推薦采用貝克曼梁檢測，板角彎沉（100 kN標(biāo)準(zhǔn)軸重）>200 μm時判定為脫空。ASSHO推薦采用FWD多級荷載檢測，線性回歸后截距b>50 μm時判定為脫空[3]。邱麗章和王端宜（2006）承擔(dān)的國家自然科學(xué)基金項目，采用人工預(yù)設(shè)脫空，分別采用FWD和多級荷載檢測，結(jié)果表明，F(xiàn)WD檢測判定的準(zhǔn)確率達87%[4]。張立敏（2011）在合肥-六安一級水泥混凝土公路檢測中也曾采用橫縫單點彎沉值>200 μm和多級荷載回歸截距>50μm這一標(biāo)準(zhǔn)確定的脫空板[5]。

現(xiàn)行水泥路養(yǎng)護規(guī)范推薦的貝克曼梁檢測，一側(cè)輪組重50 kN，壓強為0.7 [HTSS]MPa[6]。FWD承載盤直徑為300 mm，50 kN荷載對應(yīng)的板底壓強為0.7 [HTSS]MPa。因此可近似認(rèn)為二者對路面作用相近，因而FWD荷載50 kN對應(yīng)的中心彎沉>200 μm時，判定板底脫空。為偏于安全計，本研究保守地采用2個標(biāo)準(zhǔn)判定板底脫空：

（1）3級荷載線性回歸，截距b>50 μm時判定為脫空;

（2）50 kN荷載對應(yīng)的FWD彎沉>200 μm判定為脫空。

3 試驗檢測結(jié)果

全黃高速公路水泥路面基層當(dāng)量回彈模量代表值、傳荷系數(shù)平均值、彎拉強度平均值、脫空率及厚度平均值見表1，柳宜高速公路檢測結(jié)果見表2。為了分析水泥路面損壞的原因，根據(jù)表1和表2中的試驗結(jié)果分別分析了水泥路面斷板率和基層頂當(dāng)量回彈模量代表值、接縫傳荷系數(shù)平均值、彎拉強度平均值和路面脫空率的相關(guān)性，分別見圖2～5。

由表1、表2及圖2～5可知：

（1）水泥路面斷板率和基層頂當(dāng)量回彈模量相關(guān)性不明顯，但是當(dāng)基層頂當(dāng)量回彈模量代表值<200 [HTSS]MPa時，水泥路面斷板率較大，如路段4和路段11，這說明在一定的強度之下，基層頂當(dāng)量回彈模量不是影響水泥路面損壞的關(guān)鍵原因。

（2）水泥路面斷板率和接縫傳荷系數(shù)相關(guān)性較[KG（0.1mm]高，相關(guān)系數(shù)達到0.741。當(dāng)接縫的傳荷系數(shù)在0.7以下時，水泥混凝土路面的斷板率>30%，分析主要原因是接縫處于水泥路面不利荷載位置，如果接縫處板邊有過大的彎沉或彎沉差，在荷載的作用下易導(dǎo)致邊角斷裂、板底脫空、唧泥、錯臺等病害。

（3）本次水泥混凝土路面彎拉強度和斷板率未見明顯的相關(guān)關(guān)系，主要是因為本次檢測的彎拉強度值較大，滿足《公路水泥混凝土路面設(shè)計規(guī)范》（2011年）中水泥混凝土彎拉強度標(biāo)準(zhǔn)值極重、特重、重等級交通量的要求。

（4）水泥路面脫空率和斷板率未見明顯相關(guān)關(guān)系，但是如果檢測路面脫空率較大路面病害同樣較嚴(yán)重，如路段12的脫空率為17%，路面斷板率達到89%。

4 結(jié)語

（1）影響水泥路面病害的關(guān)鍵是水泥混凝土板間的傳荷系數(shù)。當(dāng)接縫傳荷系數(shù)<0.7時，水泥路面容易發(fā)生板塊斷裂破壞，因此在水泥路面維修及加鋪瀝青層時應(yīng)注重恢復(fù)水泥混凝土板間的傳荷能力，使其≥0.7。

（2）基層頂承載能力的高低對路面破壞有一定影響。當(dāng)基層當(dāng)量回彈模量<200 [HTSS]MPa時，水泥混凝土路面易發(fā)生斷裂損壞，因此在水泥路面維修及加鋪瀝青層時對基層頂當(dāng)量回彈模量<200 [HTSS]MPa的路段進行厚度補強設(shè)計。

（3）水泥路面脫空也對水泥路面病害有一定的影響，因此在水泥路面維修及加鋪瀝青層時應(yīng)對脫空板塊進行注漿處理。

[1]G D40-2011，公路水泥混凝土路面設(shè)計規(guī)范[S].

[2]G H20-2007，公路技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)[S].

[3]AASHTO.Guide for Design of Pavement Structures[Z].1993.

[4]邱麗章，王端宜.水泥混凝土路面板底脫空的彎沉判據(jù)研究[J].公路，2006（11）：5-9.

[5]張立敏.FWD在水泥混凝土路面檢測中的應(yīng)用[J].交通標(biāo)準(zhǔn)化，2011（13）：141-143.

[6]J 073.0-2001，公路水泥混凝土路面養(yǎng)護技術(shù)規(guī)范[S].

[7]GN E30-2005，公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程[S].

作者簡介：劉 佳（1983—），高級工程師，碩士，研究方向：路基路面;

杜榮耀（1983─），高級工程師，碩士，研究方向：路基路面。

基金項目：廣西交通投資集團有限公司科研項目（項目編號：桂交科合智2018-089）