截距值法評定水泥混凝土路面板底脫空應用效果研究

王國忠

(山西省交通建設工程質量檢測中心(有限公司) 太原市 030032)

0 引言

我國已通車高等級公路主要以瀝青混凝土路面為主,但在市政道路及低等級公路中,水泥混凝土路面因其固有的優(yōu)勢受到管理者的偏好,主要優(yōu)點有:(1)剛度大。水泥混凝土路面有著較高的抗壓、抗拉、抗彎和抗磨等力學性能[1];(2)穩(wěn)定性好。水泥混凝土面板水穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性較好,水泥混凝土路面在氣倏條件變化較大的區(qū)域,較少出現(xiàn)穩(wěn)定性差的缺損;(3)耐久性好。因水泥混凝土路面有著很好的強度和穩(wěn)定性,不需要頻繁的養(yǎng)護、維修,使用時間長;(4)抗侵蝕能力強。水泥混凝土不易被油或些許化學物質腐蝕,抗侵蝕能力較強;(5)養(yǎng)護費用少。設計和施工養(yǎng)護正常的條件下,水泥混凝土路面所需養(yǎng)護工藝、數量及經費投入不到瀝青路面的1/3。但水泥混凝土路面也存在一些不足之處,如:(1)建設初期投資費用大;(2)拌合成型所需水泥、水用量大;(3)橫、縱接縫處易成為薄弱位置,通常會出現(xiàn)接縫的損壞、裂縫、錯臺、板角斷裂、斷板等;(4)修補存在一定的困難等。尤其是水泥板接縫料損壞容易使得雨水進入基層,在行車荷載的反復作用下很容易導致面板底部產生脫空,但早期病害難以發(fā)現(xiàn),最終產生板角斷裂、斷板等病害,給維修養(yǎng)護帶來較大的困難。

運城市某市政道路水泥混凝土路面已運行十三年,路面出現(xiàn)了不同程度的破損、斷板、脫空、唧漿等病害,嚴重影響通行能力,為維護城市形象,提升該路段通行能力,當地政府決定對路面進行一次全面升級改造,同時要求科學、合理利用原有路面,實現(xiàn)經濟、效益最大化,通過綜合分析,需對原有路面面板進行全面的脫空檢測。

1 檢測評定方法

水泥混凝土路面面板在行車荷載反復作用、溫度變化、環(huán)境等多種因素綜合作用下會出現(xiàn)接縫料損壞、剝落、變形、斷裂等病害。如果接縫料損壞未能及時對其補充,降水容易沿著縱、橫向接縫間隙滲透至基層甚至墊層中,通過各種因素的反復綜合作用,導致基層、墊層和路基產生局部的脫空,最終在面板表面反映為雨天唧泥、嚴重錯臺、板角斷裂、斷中開裂和傳力桿銹蝕等[2]。

同濟大學周玉民等[3]通過現(xiàn)場調查結合理論研究,將水泥混凝土路面板底脫空分為結構性脫空和唧泥型脫空兩種類型。結構性脫空因水泥混凝土面板板底溫度變化導致產生翹曲、基層在荷載和環(huán)境的因素作用下產生塑性變形累積等原因形成,其脫空嚴重程度和深度較小,對板的應力擾度影響較小,但為初期板底滯留降水提供了存儲空間。若降水通過橫向、縱向接縫進入到結構性脫空區(qū)域,則基層頂面將在行車荷載反復作用下,使板底沖刷,基層頂面細小穩(wěn)定顆粒變?yōu)椴环€(wěn)定并不斷被沖走,最終結構性脫空發(fā)展成為唧漿脫空。

研究表明,通過行車動荷載及溫度梯度作用下的變形分布計算分析[4],以及面板表面損壞現(xiàn)場觀察的情況,推定不設傳力桿水泥混凝土面板的板底脫空發(fā)展規(guī)律通常是先板角后橫向接縫,再向四周脫空發(fā)展,并且行車方向的前板板底脫空區(qū)嚴重程度明顯大于后板[5]。

目前對板底脫空的檢測方法主要有:經驗判斷法(人工判別),聲振判別法(通過聲音回波變化識別),彎沉指標判別法(貝克曼梁、落錘式彎沉儀)以及探地雷達法。對于面板表面無明顯缺陷的板底脫空主要用落錘式彎沉儀檢測,落錘式彎沉儀判定板底脫空主要有彎沉差、截距值法、夾角法、彎沉值與荷載的斜率法等,其中截距值法應用較為廣泛,文章主要通過截距值法來判定板底是否脫空,并現(xiàn)場取芯分析截距值法的有效性[6]。

通過對該路段現(xiàn)場調查及原始資料查閱,該路段原始面板均不設傳力桿,在運營過程中部分板因嚴重破損進行過換板處理,原有水泥混凝土路面面板厚25cm,強度為C25,更換后的板厚度為30cm,強度為C30。

該路段為雙向六車道,將行車方向內側車道命名為第一車道,依次向外為第二車道、第三車道。檢測前對水泥面板逐板編號,編號規(guī)則:從小樁號至大樁號,檢測位置面向大樁號分別為“左上角”、“右上角”、“左下角”、“右下角”,命名規(guī)則見圖1。

圖1 板塊命名及編號規(guī)則

采用落錘式彎沉儀對板角分3級加載(50kN、70kN、90kN)進行彎沉檢測,見圖2。

圖2 落錘式彎沉儀

通過截距判定板底是否脫空,對典型板取芯驗證見圖3。

圖3 左幅第二車道第259#板

按照線性回歸統(tǒng)計方法,計算得到式(1)中的回歸系數a、b,當測點的線性回歸截距值 b 大于 50μm 時可判定為脫空。由于大量的脫空主要出現(xiàn)在板角,應避開晴天正午前后溫度較高及顯著負溫度梯度(夜晚或清晨)時段,宜選擇在早晚板塊上下表面溫差較小時段,或者涼爽多云、陰天溫差變化不大的天氣檢測。

W=aP+b

(1)

式中:W為彎沉值(0.001mm);P為荷載值(kN);a為回歸曲線斜率;b為回歸曲線截距值。

2 結果分析

本次共檢測299塊,采用截距值法判定脫空52塊,脫空率17.4%;選取13塊典型面板進行脫空檢測(包含10塊判定為脫空的面板,3塊判定為未脫空的面板),其中右幅第二車道15#板、16#板進行過更換,左幅第三車道220#面板鉆芯后無明顯脫空,鉆芯取樣見表1,脫空深度與截距值的關系見圖4。

表1 工農街水泥路面芯樣檢測結果

圖4 脫空深度與截距的關系

由表1可知,采用截距值法未判定為脫空的面板左幅第三車道225#、200#,通過鉆芯取樣后存在4mm、5mm的脫空。

由圖4可知,在不考慮面板厚度、強度影響因素的情況下,采用截距值法與板底脫空相關性僅為0.529,右幅第二車道15#板、右幅第三車道35#板,截距分別為50.6μm、50.3μm,但脫空深度為12mm、8mm, 15#與35#板截距比值為1.001,但脫空比達到1.5。

剔除右幅第二車道15#板、右幅第三車道35#板,對剩余相同結構板塊進行截距值與脫空關系分析,結果見圖5,相關性可達到0.932。

圖5 相同面板結構脫空深度與截距關系

由上述分析可以得知,采用截距值法在對板底脫空判定時,需結合取芯結果判定板底是否脫空;不同面板結構雖然截距值相同,但脫空值相差較大,可見在進行脫空判定需綜合考慮截距與面板厚度及強度的影響,有條件時建立面板強度、厚度與脫空的關系,進一步完善板底脫空判定依據。

3 結論

通過運城市某市政道229塊水泥面板采用截距值法結合鉆芯取樣結果進行脫空判定,得出如下結論:

(1)采用截距值法對板底脫空情況判定時,得出該路板底脫空率17.4%。

(2)采用截距值法對板底脫空情況判定時,需結合取芯結果判定板底是否脫空。

(3)脫空判定需綜合考慮截距與面板厚度及強度的影響。