水泥混凝土路面脫空高聚物注漿技術(shù)研究(1)

1、公路2008年10月第10期HIGHWAYOct.2008No.10文章編號(hào):0451-0712(2008)10-0232-05中圖分類號(hào):U418.6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A水泥混凝土路面脫空高聚物注漿技術(shù)研究郭成超,王復(fù)明,鐘燕輝(鄭州大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院鄭州市450001)摘要:應(yīng)用落錘式彎沉儀(FWD)無損檢測(cè)和高聚物注漿技術(shù),開發(fā)了水泥混凝土路面脫空快速修復(fù)技術(shù)和施工工藝,研究了注漿修復(fù)效果評(píng)價(jià)指標(biāo)。通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分析,證明該方法切實(shí)有效,修復(fù)效果良好。關(guān)鍵詞:脫空;落錘式彎沉儀;高聚物注漿;彎沉;模量;傳荷效率水泥混凝土路面在實(shí)際使用過程中,由于車輛荷載的重復(fù)作用,水泥混凝土板下基礎(chǔ)將產(chǎn)生塑性變

2、形累積形成面板脫空,地面水沿接縫下滲而積聚在脫空的空隙內(nèi),在車輪荷載作用下變成有壓水而同基層內(nèi)浸濕的細(xì)料混攪成泥漿并沿接縫縫隙噴濺出來,形成唧泥。唧泥的出現(xiàn),使面板邊緣部分失去支承,更進(jìn)一步加劇板底脫空。另外由于溫度、濕度的影響,水泥混凝土板將產(chǎn)生撓曲,致使水泥混凝土板局部范圍內(nèi)不再與基礎(chǔ)保持連續(xù)接觸,或土基壓實(shí)不均勻,水泥混凝土板下局部都將出現(xiàn)脫空。大量的實(shí)際觀測(cè)與理論計(jì)算表明,實(shí)際使用中的水泥混凝土路面,基層的局部脫空現(xiàn)象是客觀存在的,特別是用細(xì)顆粒材料修筑基層的水泥混凝土路面。水泥混凝土路面板下脫空對(duì)板角、板邊應(yīng)力極為不利。水泥混凝土路面的縫邊板角處,由于基層的脫空,在荷載作用下,水泥混

3、凝土路面板的工作狀態(tài)近似于懸臂梁,板角或板邊產(chǎn)生過量的彎沉和應(yīng)力,在重復(fù)荷載作用下,最終導(dǎo)致路面板的橫向疲勞開裂。當(dāng)面板下產(chǎn)生脫空后,采取灌漿或封底是一種有效的修復(fù)措施,但這應(yīng)當(dāng)以準(zhǔn)確評(píng)定脫空狀況為基礎(chǔ),否則不但浪費(fèi)人力、物力,而且可能造成路面的進(jìn)一步破壞。加拿大的Wu,S-S的研究表明1,如果封底處理不當(dāng)將使路面使用性能下降甚至迅速破壞。因此,對(duì)使用中的水泥混凝土路面,以可靠的方法評(píng)定板下基礎(chǔ)脫空的位置及大小,及時(shí)采取有效的修復(fù)措施,以阻止此類結(jié)構(gòu)性破壞的發(fā)展是極為重要的,同時(shí),這也是現(xiàn)代路面管理系統(tǒng)中一個(gè)重要組成部分。近年來,國際上高聚物注漿技術(shù)發(fā)展很快。由于高聚物自身體積膨脹可達(dá)20倍,

4、因此,它不完全依賴壓漿壓力來填充脫空區(qū)。此外,高聚物壓漿技術(shù)材料用量較少,工時(shí)較短,壓漿孔徑僅在2cm以內(nèi),這些特點(diǎn)相對(duì)于水泥壓漿方法具有明顯的優(yōu)越性。因此針對(duì)水泥混凝土路面養(yǎng)護(hù)管理的實(shí)際需要,以FWD檢測(cè)系統(tǒng)為基礎(chǔ),研究開發(fā)水泥混凝土路面脫空識(shí)別技術(shù)和高聚物注漿快速維修技術(shù)以及注漿效果評(píng)價(jià)技術(shù),對(duì)于準(zhǔn)確檢測(cè)路面脫空程度、科學(xué)制定壓漿方案、快速評(píng)論壓漿效果具有實(shí)際的工程意義。1水泥混凝土路面脫空識(shí)別技術(shù)落錘式彎沉儀(FWD)較好地模擬了行車荷載的動(dòng)力作用,目前被認(rèn)為是較為理想的路面無損檢測(cè)設(shè)備。FWD測(cè)定路基或路面表面所產(chǎn)生的瞬時(shí)變形,即測(cè)定在動(dòng)態(tài)荷載作用下產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)彎沉及彎沉盆,并可由此反算

5、路基路面各層材料的動(dòng)態(tài)彈性模量,作為設(shè)計(jì)參數(shù)使用。所測(cè)結(jié)果也可用于評(píng)定道路承載能力,調(diào)查水泥混凝土路面的接縫的傳力效果,探查路面板下的空洞等。公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范(JTGD40-2002)推薦的水泥混凝土板下脫空識(shí)別方法,參照AASHTO路面設(shè)計(jì)指南中提出的判別脫空方法:在同一測(cè)點(diǎn)測(cè)出3個(gè)不同級(jí)別荷載下彎沉,建立荷載與彎沉的相關(guān)關(guān)系,如果該位置沒有脫空,則荷載彎沉相關(guān)直線經(jīng)過原點(diǎn)或彎沉軸截距小于50 m;否則,如果截距大于50 m,則可認(rèn)為脫空。在這里,2008年第10期郭成超等:水泥混凝土路面脫空高聚物注漿技術(shù)研究可采用一個(gè)更為保守的脫空判別截距值30 m。根據(jù)此方法,對(duì)各板邊測(cè)點(diǎn)測(cè)試

6、結(jié)果建立荷載與彎沉的相關(guān)關(guān)系,相關(guān)關(guān)系式如下:w=aP+b式中:w為中央彎沉值, m;P為荷載值,kPa;a,b為關(guān)系系數(shù),b為彎沉軸截距。該方法可以作為初步評(píng)價(jià)水泥混凝土板下脫空的方法,可以快速評(píng)價(jià)板下是否存在脫空。利用FWD對(duì)測(cè)試水泥混凝土板縫邊板中或板角進(jìn)行三級(jí)荷載測(cè)試,利用回歸法判定其脫空情況,如表1所233圖1判別水泥混凝土板脫空的三點(diǎn)回歸方法示,對(duì)判定脫空的位置進(jìn)行檢查對(duì)比,結(jié)果表明三點(diǎn)回歸法可以用來評(píng)價(jià)水泥混凝土路面板下脫空情況。表1三點(diǎn)回歸法判定水泥混凝土板下脫空荷載級(jí)別1樁號(hào)荷載/kPaK13+137K13+237K13+439K13+482K13+739K13+961K14

7、+320K14+399K14+665K14+707K15+359K17+158K17+178K17+209K17+223K18+960739729699709704706713716675720705698708712698712彎沉/ m404.8158.9428.4246.8178.0325.8121.0272.3251.0284.7338.0137.3162.4156.0191.5155.5荷載/kPa101910151001998100110061001100110099999979941002998996995彎沉/ m564.7214.3567.5330.4238.9447.316

8、5.4359.1365.5390.8459.6193.5225.2220.8252.6203.7荷載/kPa1414140913851399138513831397137713701371136513861382138913821408彎沉/ m800.4297.9753.9441.9345.9596.9223.6480.0485.6533.0615.2266.6306.8300.8329.7283.9a0.5870.2050.4750.2820.2480.4000.1500.3150.3370.3810.4200.1880.2140.2130.2020.185截距b-30.48.494.84

9、7.3-1.343.714.646.023.89.941.46.410.65.550.922.1脫空脫空脫空脫空脫空脫空荷載級(jí)別2荷載級(jí)別3相關(guān)關(guān)系系數(shù)脫空情況2高聚物注漿技術(shù)高聚物注漿技術(shù)是新近發(fā)展起來的基礎(chǔ)工程設(shè)施快速維修技術(shù),高聚物注漿技術(shù)是通過注漿材料混合注射達(dá)到填充路面結(jié)構(gòu)脫空或加固路基的目的。根據(jù)高聚物注漿的技術(shù)特點(diǎn)和施工過程,研究了針對(duì)水泥混凝土路面脫空的高聚物注漿技術(shù)施工工藝,具體過程如下。2.1注漿前檢測(cè)利用落錘式彎沉儀(FWD)對(duì)擬注漿路段進(jìn)行彎沉檢測(cè),判斷路段結(jié)構(gòu)損壞情況,以判定水泥混凝土路面脫空的范圍,使注漿處理做到有的放矢。,超車道右板角和行車道左板角(裂縫處加密),

10、距板邊30cm。公路2008年第10期2342.2注漿孔布置根據(jù)FWD測(cè)試結(jié)果,分析路面脫空狀況,對(duì)高聚物注漿孔的位置進(jìn)行布置。通過研究,水泥混凝土路面脫空注漿孔布置沿行車方向分布:橫向間距1.5m,縱向間距1.5m,如圖3所示。兩側(cè)非機(jī)動(dòng)車道的正常使用。此次運(yùn)用高聚物注漿快速維修技術(shù)對(duì)路面進(jìn)行加固,然后再在這種加固后的路面上加鋪一層7cm的瀝青混凝土。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀察和檢測(cè)結(jié)果,在水泥混凝土板脫空位置分縫兩側(cè)分別鉆孔,然后開始注漿。為了精確控制注漿過程,在注漿孔附近放上標(biāo)尺,旁邊放激光水準(zhǔn)儀實(shí)時(shí)監(jiān)控路面的高度變化,當(dāng)標(biāo)尺處地面出現(xiàn)微動(dòng)或有漿體冒出路面時(shí)視為注漿量己達(dá)到要求,停止注漿。高聚物注漿示

11、意見圖5所示。圖3水泥混凝土板注漿孔布置示意如遇到板斷裂,在裂縫處增加注漿孔,注漿孔距離裂縫0.30m。2.3注漿孔直徑及深度高聚物材料要達(dá)到脫空的位置,以起到填充脫空的目的,通常水泥混凝土路面由水泥混凝土面層、水泥穩(wěn)定碎石基層和路基組成,有的路面僅由水泥混凝土面層和路基組成,脫空一般發(fā)生在面層和路基之間或者面層和基層之間,為此確定注漿孔直徑約1.6cm,鉆孔深60cm。圖5高聚物注漿示意從施工過程可以看出:高聚物注漿技術(shù)在迅速填充脫空、排出下層積水等方面有良好的效果;能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)水泥混凝土路面脫空的快速修復(fù),并且對(duì)路圖4注漿孔孔徑及深度示意面破壞小,精確可控,維修過程方便,對(duì)交通運(yùn)營影響很小。

12、3高聚物注漿效果檢測(cè)注漿前先對(duì)水泥混凝土路面進(jìn)行檢測(cè),對(duì)彎沉值350 m的板進(jìn)行注漿,注漿后對(duì)同一塊板同一測(cè)試位置進(jìn)行彎沉檢測(cè),具體的注漿前后彎沉值比較見表2和圖6。由表2和圖6分析,注漿后落錘式彎沉儀(FWD)檢測(cè)彎沉普遍降低,表明高聚物注漿技術(shù)能夠填充脫空、提高路面強(qiáng)度,通過對(duì)注漿后落錘式彎沉儀(FWD)檢測(cè)結(jié)果分析,此次高聚物注漿維修效果非常明顯。利用模量反算軟件SIDMOD對(duì)注漿前后的水泥混凝土板進(jìn)行模量反算,這里固定面層模量,比較了注漿前后路基的模量,具體結(jié)果見表3和圖7所示。注2.4實(shí)施注漿根據(jù)FWD檢測(cè)結(jié)果制定施工方案,并確定注漿量,實(shí)施注漿,實(shí)時(shí)監(jiān)控路面的高度變化,控制注漿過程

13、,使得脫空位置得到有效填充,實(shí)現(xiàn)對(duì)水泥混凝土路面的快速修復(fù)。2.5注漿后檢測(cè)利用落錘式彎沉儀(FWD)對(duì)注漿路段進(jìn)行彎沉檢測(cè),重新評(píng)價(jià)水泥混凝土路面的脫空狀況,以驗(yàn)證注漿的效果,對(duì)仍存在脫空的部位及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)注,使得板下脫空得到根治。試驗(yàn)段依托107國道信陽市區(qū)段大修工程。工程位于107國道信陽市城區(qū)過境路段,原路面為1986年修建的水泥混凝土路面,目前路況較差,由于該路段位于信陽市城區(qū),兩邊有非機(jī)動(dòng)車道,因此2008年第10期郭成超等:水泥混凝土路面脫空高聚物注漿技術(shù)研究表2右幅行車道左板角注漿前后彎沉對(duì)比結(jié)果注漿前序號(hào)板號(hào)123456789101112131415161.022.015.01

14、5.026.0124.0225.0128.0229.0142.0264.0265.0166.0267.0174.0275.01注漿后彎沉降低彎沉彎沉荷載荷載kPa1/1000mmkPa1/1000mm1367138513831379137113761362138513811370138013711378136613701376440427374364421351371374377358387382362350360381379.91402137013641369138913441392137013771367137613861390137113921379平均值3863621852312472

15、41249297301224213192310306218208260.6百分比112.27%15.22%50.53%36.54%41.33%31.34%32.88%20.59%20.16%37.43%44.96%49.74%14.36%12.57%39.44%45.41%31.40%23456789101112131415161.022.015.015.026.0124.0225.0128.0229.0142.0264.0265.0166.0267.0174.0275.01序號(hào)板號(hào)235表3右幅行車道左板角注漿前后路基綜合模量對(duì)比結(jié)果模量/MPa水泥混凝土板注漿前路基注漿后路基12732.2

16、13067.419875.718629.426895.921259.918654.821487.120260.417403.818322.515239.728710.027555.221026.518487.7平均值122.1116.0126.1129.5105.3119.3118.6108.1110.3126.6112.4124.3102.6105.4117.6115.7116.2167.2139.5217.8177.4164.0171.7182.6139.1140.5193.9212.8214.7122.1122.6196.5196.2172.4模量增加百分比36.94%20.26%72.

17、72%36.99%55.75%43.92%53.96%28.68%27.38%53.16%89.32%72.73%19.01%16.32%67.09%69.58%47.74%平均值圖7右幅行車道左板角注漿前后路基綜合模量對(duì)比示意圖6右幅行車道左板角注漿前后彎沉對(duì)比示意表4高聚物注漿前后接縫傳荷能力測(cè)試結(jié)果測(cè)點(diǎn)號(hào)12345注漿前接縫傳荷系數(shù)57.30%68.60%10.40%37.30%7.20%注漿后接縫傳荷系數(shù)80.60%90.80%92.30%95.80%91.40%為了檢驗(yàn)高聚物注漿對(duì)水泥混凝土板接縫傳荷能力的影響,還選取了5塊脫空板,在注漿前后分別測(cè)試了接縫傳荷系數(shù),測(cè)試結(jié)果見表4。從

18、測(cè)試結(jié)果看,采用高聚物注漿技術(shù)注漿后,水泥混凝土板的接縫傳荷能力大幅提高,接縫傳荷能力都達(dá)到了優(yōu)良(>80%)。圖8為取自分層施工的水泥混凝土路面的芯樣,可以看出,膨脹后的材料已經(jīng)很好地填充了兩層之間的脫空(芯樣中間的薄層部分),這是因?yàn)楦呔畚镒{材料的流動(dòng)性好,在壓力下可以向各個(gè)方向流動(dòng),以達(dá)到填充空洞加固土基的目的。并且材料具有防水性,還可以排除土基中的水分,防止土基狀況4結(jié)論綜合FWD無損檢測(cè)和高聚物注漿技術(shù),形成了水泥混凝土路面脫空快速修復(fù)技術(shù)的施工工藝,并應(yīng)用FWD進(jìn)行注漿修復(fù)效果的評(píng)價(jià),開拓了路公路2008年第10期236工程,2007,(2).4MichaelPologru

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