水泥混凝土路面預(yù)制板拼接修復(fù)技術(shù)研究綜述

楊萬理，葉凌志, 黃 穎，秦軍武

(1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院 四川成都 610031；2.成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院 四川成都 610031)

在經(jīng)濟高速發(fā)展的今天，由于修復(fù)破損路面而造成長時間的交通擁堵已經(jīng)不允許出現(xiàn)。采用普通混凝土對損壞的路面進行修復(fù)，材料強度發(fā)展慢、養(yǎng)護周期長，需要對道路長時間封閉養(yǎng)護后才能開放交通，給社會經(jīng)濟造成較大損失?？煊残迯?fù)材料雖然能夠?qū)崿F(xiàn)快速開放交通，但也存在諸如凝固時間過短、后期強度倒縮、養(yǎng)護條件苛刻等問題。并且快硬材料的成本偏高，通常是普通混凝土價格的幾倍到幾十倍不等，難以廣泛應(yīng)用。預(yù)制水泥混凝土板(Precast Concrete Slab，簡稱PCS)快速修復(fù)水泥混凝路面技術(shù)是采用預(yù)制板對原水泥混凝土路面破損部位進行更換的新型修復(fù)技術(shù)。水泥混凝土路面預(yù)制板拼接快速修復(fù)技術(shù)具有開放交通快、養(yǎng)護成本低、環(huán)境影響小、氣候適應(yīng)性強、交通安全性高等優(yōu)點。國內(nèi)對該技術(shù)的研究起步晚，研究較為缺乏。目前主要集中在研究基層處理、輕質(zhì)骨料、預(yù)應(yīng)力配筋、預(yù)制板尺寸、接縫處理、調(diào)平技術(shù)以及施工工藝等方面。本文對目前國內(nèi)水泥混凝土路面預(yù)制板拼接修復(fù)關(guān)鍵技術(shù)進行回顧和總結(jié)，并提出水泥混凝土路面預(yù)制板拼接修復(fù)技術(shù)的技術(shù)路線和發(fā)展趨勢。

1 水泥混凝土路面的破壞類型

水泥混凝土路面的破壞主要包括接縫破壞和路面板本身的破壞。

1.1 接縫破壞

(1)拱起，即混凝土面板膨脹受阻時，在接縫兩側(cè)突然向上拱起的現(xiàn)象；

(2)錯臺，即橫向接縫兩側(cè)路面板出現(xiàn)豎向相對位移，當脹縫下部嵌縫板與上部縫隙未能對齊或脹縫兩側(cè)混凝土壁面不垂直，使縫旁兩側(cè)在伸脹擠壓過程中，上下錯開而形成錯臺；

(3)唧泥，是指汽車行經(jīng)接縫時，由縫內(nèi)噴出稀泥漿的現(xiàn)象。由于車輛反復(fù)作用，基層塑性變形累積而同面板脫空，地面上水沿著接縫下滲而積聚在脫空的空隙中，在車輛經(jīng)過時被擠壓，沿著裂縫噴濺出來；

(4)擠碎，擠碎往往出現(xiàn)在橫向接縫兩側(cè)數(shù)十米內(nèi)范圍內(nèi)，這是由于脹縫內(nèi)的滑動傳力桿位置不正確、滑動端的滑動功能失效、施工時脹縫內(nèi)局部有混凝土搭連或者脹縫內(nèi)落入堅硬的雜屑引起。

1.2 路面板破壞

(1)裂縫，主要表現(xiàn)形式有：橫縫、縱縫、網(wǎng)狀裂縫和邊角裂縫。導(dǎo)致裂縫的原因比較多，如：縮縫切割太遲、土基強度不夠或不均勻、板厚不足、板長太大、混凝土質(zhì)量差、施工不規(guī)范等。

(2)磨光，即路面被磨成光滑面，摩擦系數(shù)已經(jīng)達到極限以下，這將致使路面平整度和抗滑性差，威脅行車安全。引起的主要原因有宏觀或微觀紋理處理不當、骨料硬度不夠、施工期間混凝土沒有達到設(shè)計強度等。

(3)坑槽，是指水泥混凝土表面局部破損，面層出現(xiàn)一定的孔穴，產(chǎn)生的主要原因有水泥質(zhì)量不達標、輪胎防滑鏈或者履帶車輛造成剝落、混凝土強度不足造成露骨等[1]。

水泥混凝土路面修復(fù)的施工流程是：板塊的預(yù)制→舊路面破碎板鑿除→基層處理→運輸?shù)跹b→接縫處理。下面將對水泥混凝土路面預(yù)制板拼接快速修復(fù)技術(shù)中混凝土預(yù)制板尺寸、預(yù)制混凝土板輕型化、路面基層的處理、接縫處理方法及調(diào)平技術(shù)四個關(guān)鍵技術(shù)的研究進展和主要結(jié)論進行回顧和總結(jié)。

2 預(yù)制板拼接快速修復(fù)技術(shù)研究現(xiàn)狀

2.1 混凝土預(yù)制板平面尺寸和厚度研究

混凝土預(yù)制板平面尺寸和厚度不僅與板的受力與變形密切相關(guān)，同時也關(guān)系到施工性能和使用性能。從實際工程經(jīng)驗來看，一般不宜采用過大和過小的尺寸，過大的尺寸不宜于運輸和吊裝，過小的尺寸會產(chǎn)生接縫過多，施工過程繁雜且車輛行駛質(zhì)量差。劉靜研究了板的平面尺寸和厚度對撓度與板底應(yīng)力的影響，研究結(jié)果表明板的撓度隨平面尺寸變小而快速遞加，兩者呈良好的二次關(guān)系；相反板縱向最大應(yīng)力隨板平面尺寸的變小而快速遞減，也滿足二次關(guān)系。這說明了撓度和應(yīng)力都是板尺寸的敏感因素，當尺寸稍有變化，撓度和應(yīng)力變化明顯。板厚度對小板(如0.6 m×0.5 m)的撓度影響并不顯著，但厚度的變化對板底應(yīng)力的影響比較敏感。劉靜的研究表明采用2.5 m×2 m預(yù)制拼接板進行路面的快速修復(fù)，是目前用時最短、占用路面最少、對交通影響最小的一項實用技術(shù)[2]。羅翥等研究了不同基層類型下板的平面尺寸對板內(nèi)應(yīng)力和變形的影響。結(jié)果表明無論在那種基層上，隨著板的尺寸的減小，變形值有不同程度的增加。當小板(0.5 m×0.6 m)基層頂面當量回彈模量相差6倍時，其應(yīng)力僅相差0.64 %，說明小板的適應(yīng)性更優(yōu)一些[3]。因此為了彌補基層存在的強度缺陷，預(yù)制板裝配設(shè)計彎拉強度不應(yīng)小于原有路面結(jié)構(gòu)設(shè)計的彎拉強度，厚板有利于抵抗熱膨脹破壞，減少翹曲變形，增加結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，減少板件的松動和錯臺。在路面修復(fù)工程中，通常情況下預(yù)制板的厚度與原路面板的厚度一致。鄭益等認為在相同的條件下，小板的溫度翹曲應(yīng)力比大板的要小，相同溫度下疲勞應(yīng)力也要小的多，5 m×2 m小板的溫度疲勞應(yīng)力為0.04 MPa，僅為5 m×4 m大板溫度疲勞應(yīng)力的(1.04 MPa)的4 %[4]。由此可見，小板的荷載和溫度疲勞應(yīng)力之和遠小于混凝土的彎拉強度設(shè)計值，因此小板具有足夠的承載能力，更為安全可靠。采用厚度與原路面板相同，平面尺寸比原路面板小并且強度稍高的預(yù)制板，既能滿足預(yù)制板拼接路面耐久性的要求，又便于預(yù)制板拼接板的澆筑與吊裝施工。

2.2 預(yù)制板混凝土板輕型化研究

過大的混凝土預(yù)制板自重會造成運輸和吊裝的不便，相關(guān)學(xué)者在此方面開展了研究工作。目前主要有兩種思路：一是采用次輕混凝土；二是采用預(yù)應(yīng)力混凝土。范瑛宏首次提出了將次輕混凝土運用于預(yù)制板拼接快速修復(fù)技術(shù)中，從而達到降低路面自重的目的。當陶粒取代普通混凝土粗骨料30 %時，其工作性能、承載能力均能滿足路面使用要求，折壓比與普通混凝土相近，經(jīng)濟性好，同時滿足預(yù)制板的干縮、耐磨性等路面要求，并且能夠減少板重200 kg/m3[5]。陳智杰采用輕質(zhì)骨料(如陶粒等)部分取代普通粗骨料(碎石)進行路面板的預(yù)制，次輕混凝土的表面密度一般介于1 950～2 300 kg/m3，表觀密度較小，強度高，自收縮性小。實驗結(jié)果表明：當陶粒取代粗集料的比例達到50 %時，次輕混凝土具有符合性能要求的良好強度，滿足耐久性的要求，并且自重減少10 %左右[6]。

范瑛宏采用彈性設(shè)計準則進行了預(yù)應(yīng)力混凝土路面板的配筋設(shè)計，考慮荷載和溫度作用下的預(yù)應(yīng)力強度，得出施加的最小預(yù)應(yīng)力值約為0.8 MPa，并得到了不同預(yù)應(yīng)力鋼筋之間的最大間距，提出了一種新型的施工方法[7]。陳智杰的研究表明，采用預(yù)應(yīng)力技術(shù)能夠保證預(yù)制路面板承載力的前提下將路面板的厚度減小約為普通混凝土板的厚度的30 %～60 %[6]。李志洪采用文克勒(Winkler)地基板理論提出預(yù)應(yīng)力混凝土路面板設(shè)計方法和設(shè)計步驟，并提供了一個算例以供參考，另外采用預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土路面板還可以很好地限制和減小裂縫的寬度[8]。

2.3 路面基層的處理

路面的破壞在很大程度上是由于基層的破壞，經(jīng)常出現(xiàn)裂縫，脫空等問題。為了避免這些問題，需要將基層找平。董麗華提出采用干拌砂漿進行路基修復(fù)的找平，干拌砂漿配合比為水泥∶砂子∶水=1∶4∶0.2。干拌砂漿易刮抹，并可隨壓實成型逐漸硬化，為裝配式預(yù)制板和原路基之間提供強有力的支撐[9]。在干拌砂漿形成強度之前，受壓時也不會產(chǎn)生側(cè)向流動，只會產(chǎn)生微小的垂直流動，不會影響平整度。通常砂漿層厚度控制在20 mm以內(nèi)，若大于20 mm砂漿層易出現(xiàn)應(yīng)力集中，影響后期面板的耐久性?；鶎诱{(diào)平材料很大程度上決定了路面修復(fù)成敗，要求基層調(diào)平材料平整度好、施工簡便、成本低、流動性大以及早期強度高。劉衛(wèi)東等運用Winkler彈性地基模型，建立三維有限元模型探討了基層類型、路面板結(jié)構(gòu)的平面尺寸和厚度對應(yīng)力應(yīng)變的影響。研究結(jié)果表明基層類型對路面板平面尺寸的選擇有重要影響：當基層為水泥穩(wěn)定粒料時，可采用2.5 m×4.5 m的預(yù)制板塊；當基層類型為級配碎石時，宜采用5 m×2.5 m的板塊；當基層類型為石灰與粉煤灰時，建議采用2.5 m×2.5 m的板塊[10]。在預(yù)制板安裝之前需要對路面基層的壓實度進行檢測，若壓實度小于95 %，需要將基層挖除；若基層還有一定的板實性且壓實度大于95 %，還需要對基層做承載板實驗，當回彈模量滿足設(shè)計值要求，則基層還可以繼續(xù)使用。

2.4 接縫處理方法及調(diào)平技術(shù)

鄭國永對比了4種接縫處理方案，即分別用環(huán)氧砂漿、TST彈塑體、碎石+環(huán)氧砂漿、道橋修復(fù)材料來處理接縫，根據(jù)實驗路段的使用情況來看：環(huán)氧砂漿處理的接縫傳荷能力最大，平均傳荷系數(shù)為0.848，并且環(huán)氧砂漿黏結(jié)性能較好，使接縫兩層的板體連為整體；TST彈塑體處理的接縫，其平均傳荷系數(shù)為0.527，傳荷性能比環(huán)氧砂漿稍差，屬柔性的接縫處理；采用碎石+環(huán)氧砂漿處理的接縫傳荷性能變化比較大，但平均傳荷系數(shù)也達到了0.560，荷載的傳遞主要通過石子的嵌鎖來實現(xiàn)，屬于柔性接縫處理方法；道橋修復(fù)材料處理接縫處理方法的傳荷能力最差，傳荷系數(shù)只有0.216，不能很好的實現(xiàn)荷載的傳遞，也不能起到封閉防水的功能。筆者建議接縫采用小石子灌環(huán)氧液保證傳遞荷載，用TST彈塑性體作上層填塞保證車輛的平穩(wěn)、舒適和接縫較好的耐久性[11]。吳德芳對比了集料嵌鎖法和企口搭接法的傳荷能力。集料嵌鎖法是通過往接縫內(nèi)擠嵌大粒徑集料(盡可能選擇與縫隙同寬的單粒徑碎石)，并在填塞時用鋼釬振搗以保證密實填充，填至距板頂面1～2 cm后，用填縫材料密封。企口搭接法是在預(yù)制板塊時，設(shè)置企口縫，現(xiàn)場拼裝時可以通過企口進行榫接，既可以保證接縫處荷載傳遞的能力，又可以保證路面的平整度。吳德芳通過對試驗段施工數(shù)據(jù)的對比，發(fā)現(xiàn)這兩種方法的傳荷能力能分別達到60 %和85 %左右[12]。

鄭益認為預(yù)制路面的接縫處理可以采用預(yù)埋傳力桿的方式進行。通過預(yù)制板塊時埋設(shè)的傳力桿和預(yù)留傳力槽進行搭接，然后用快速修復(fù)材料填充傳力桿槽，既可以滿足接縫的荷載傳荷能力，又可以保證拼接路面的平整度[6]。調(diào)平技術(shù)是預(yù)制拼接板修復(fù)的關(guān)鍵技術(shù)，目前主要有兩種：一種是在預(yù)制拼接板接縫之間設(shè)置傳力桿搭接(圖1)；另一種板塊預(yù)制過程中在邊角設(shè)置調(diào)平構(gòu)件，裝配過程中調(diào)節(jié)調(diào)平裝置的螺桿減小相鄰板的錯臺量，以保證路面的平整度(圖2)。

圖1 傳力桿搭接示意[4]

圖2 裝配式路面調(diào)平示意[4]

3 結(jié)論及展望

預(yù)制板拼接修復(fù)技術(shù)是真正意義上的無阻礙交通快速修復(fù)技術(shù)，具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益，是路面修復(fù)技術(shù)發(fā)展的趨勢。國內(nèi)對于水泥混凝土路面預(yù)制板拼接快速修復(fù)技術(shù)的研究仍處于初級階段，目前研究熱點主要集中在基層處理、預(yù)制板尺寸、接縫處理和調(diào)平技術(shù)等方面，尚未形成系統(tǒng)的可用于指導(dǎo)預(yù)制混凝土路面板設(shè)計、制造及施工的指南和規(guī)范。后續(xù)相關(guān)研究可從以下幾方面開展：

(1)目前采用的輕質(zhì)混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土可減小預(yù)制板的重量，但這類板的耐久性、經(jīng)濟性，以及是否適應(yīng)不同種類的基層還需要繼續(xù)開展研究。

(2)TST改性瀝青灌入法具有良好的傳荷能力和較好的密封性，是目前接縫處理比較好的方式，這種接縫的耐久性研究還比較少。

(3)混凝土板的搭接、調(diào)平技術(shù)(包括設(shè)置傳力桿和調(diào)平螺栓)已經(jīng)取得一定進展，但仍不夠成熟(如圖1中傳力桿左側(cè)基層發(fā)生沉降，傳力桿將失效)，需要進一步研究。

(4)采用其它膠凝材料、輕質(zhì)骨料改善預(yù)制混凝土板的性能、密度的研究仍需繼續(xù)開展。

(5)預(yù)制板拼接快速修復(fù)技術(shù)在實際工程中的應(yīng)用效果，需要開展長期跟蹤和監(jiān)測。