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)集團有限公司 晉中 030600)

水泥混凝土路面強度高、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)濟優(yōu)勢，符合國家目前著力建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會的指導(dǎo)方針。由于傳統(tǒng)的現(xiàn)澆水泥混凝土路面養(yǎng)護周期長且開放交通晚，裝配式水泥混凝土路面的優(yōu)勢就體現(xiàn)出來[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度增長緩慢與施工后快速開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，在拼裝吊裝工藝過程中也容易出現(xiàn)板間錯臺和板底脫空等病害。

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)過程中出現(xiàn)的病害破壞。現(xiàn)澆水泥混凝土路面在澆筑過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塑性收縮裂縫，在水泥水化反應(yīng)升溫時與周圍環(huán)境間由于溫差產(chǎn)生收縮裂縫、在初期由于養(yǎng)護不到位或是環(huán)境過于干燥等產(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、拱起、錯臺、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，產(chǎn)生的空隙由破碎的硬質(zhì)料填充，當(dāng)溫度上升時板內(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而不穩(wěn)定使得水泥混凝土面板移動，故而產(chǎn)生板塊活動、錯臺。

1.3 拼裝吊裝工藝過程中出現(xiàn)的破壞

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

在舊路改造時，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。試驗中保持水灰比不變，通過調(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]，對水泥混凝土進行最佳配合比設(shè)計。各試驗配合比及抗壓強度、抗折強度結(jié)果見表1。

表1 水泥混凝土室內(nèi)試驗配合比

針對2種不同的粗集料分別進行了構(gòu)造深度與砂率的關(guān)系曲線試驗，結(jié)果見圖1。針對不同的構(gòu)造深度，進行了摩擦系數(shù)與構(gòu)造深度的關(guān)系曲線試驗，結(jié)果見圖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)過配合比試驗分析得出，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

在我國的水泥混凝土路面設(shè)計中[4]，針對不同的交通條件，推薦的基層材料見表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)護好，在路面拼接時即已具備相當(dāng)高的強度，材料已失去可塑性。雖然預(yù)制過程中盡量做到平整，但實際成品難免在底接觸面有部分位置高低不平，此時與基層接觸面難免有脫空的部位，接觸示意圖見圖3。雖然在后續(xù)的灌漿操作中可以通過灌漿料對接觸面空隙進行填充，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，韌性較好的特點對于預(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，從路面長期性能考慮，2種基層對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，在長時間使用過程中不可避免會產(chǎn)生細小裂縫。隨著時間的延長，這些小裂縫逐漸擴散直至連通擴大。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，使基層抗彎拉強度降低影響傳荷能力，使水泥混凝土面板受力過大而產(chǎn)生破裂。由路面病害或長期荷載作用帶來的水平方向的擠推力往往會使柔性基層產(chǎn)生細小裂縫而最終導(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。

2.3 面層破壞防治要點

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溫度梯度等帶來的板角翹曲，避免發(fā)生病害破壞。

基于施工的時效性及成本要求，下面層本身不應(yīng)過厚。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柔性承接，同時，其本身要具備基本的、較普通灌漿料更高的強度與更好的耐久性。據(jù)此，對2種不同施工要求的下面層進行如下分析。

1) 對于施工期極短的工程，主體可以采用由強度等級至少為42.5 MPa的水泥配制的強度相對較大的流動性水泥砂漿鋪設(shè)。為使其在具備流動性的同時具備較高的強度，在經(jīng)濟條件允許的情況下，盡量摻入10%～15%的礦物摻合料，過多將會影響自流平效果，具體可采用相對廉價的二級粉煤灰或礦粉。同時，為了保證其澆筑后直到預(yù)制板安放期間保持流動性，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)生強度，可以根據(jù)需要加入少量的早強劑，一般摻入1%左右即可。據(jù)此，給出流動性水泥砂漿配合比推薦，見表3。

表3 流動性水泥砂漿配合比

2) 對于施工期相對較長、可封閉施工的工程，可采用瀝青混合料或瀝青碎石混合料進行鋪設(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。在常見的瀝青混合料中，乳化瀝青及SBS改性瀝青相對較好，基質(zhì)瀝青相對較差。

2.4 拼裝吊裝過程破壞防治要點

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

舊路改造中，新板與舊板的連接處，傳荷問題是關(guān)鍵點。因此在預(yù)制板的現(xiàn)場安置中，關(guān)鍵點在于接縫處置。對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，對預(yù)制板的4個側(cè)面進行鑿毛處理。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，保證密實填充。然后將配置好的環(huán)氧砂漿灌入填充密實的縫隙內(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現(xiàn)良好的荷載傳遞功能。

2) 企口搭接方式。對預(yù)制板邊緣進行企口設(shè)計，通過預(yù)制板之間的榫接來實現(xiàn)預(yù)制板之間的荷載傳遞。該方法在預(yù)制板的后場預(yù)制過程中較為復(fù)雜，并且對板塊預(yù)制精度要求較高，需要對模板提出特殊要求，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)場拼裝施工時，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，被認為是最可靠的方式。在板塊預(yù)制過程中預(yù)先埋設(shè)傳力桿，拼裝時將相鄰的拼裝板連接起來，通過傳力桿來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，同時還可以通過傳力桿的連接作用，對拼裝路面實現(xiàn)初步的平整度控制。

該方法是在預(yù)制板的后場預(yù)制過程中，將傳力桿預(yù)先埋設(shè)在預(yù)制板一側(cè)邊緣處，埋設(shè)長度為傳力桿長度的一半，埋設(shè)深度為板厚的一半，同時在傳力桿埋設(shè)之前進行表面噴塑處理，以保證傳力桿表面的光滑與防腐；相對于傳力桿埋設(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灌漿的方式進行彌補。拼裝后的路面經(jīng)過灌漿、磨平和灌縫后，即可開放交通。傳力桿系統(tǒng)構(gòu)造見圖4，槽位細節(jié)見圖5。

圖4 傳力桿系統(tǒng)圖

圖5 槽位細節(jié)圖

3 結(jié)論

1) 預(yù)制拼裝工藝在設(shè)計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、高抗彎拉強度指標(biāo)，并嚴格養(yǎng)護，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。針對傳力桿處的處理以固定穩(wěn)定為關(guān)鍵，同時應(yīng)配合噴塑處理，保證傳力桿不受腐蝕，使傳力性能長期、穩(wěn)定。

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