無(wú)機(jī)自補(bǔ)償壓漿材料處治板底脫空有效性評(píng)定

，，

(西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，陜西 西安 710055)

1 引 言

水泥混凝土路面在車輛荷載的反復(fù)作用下，路面板下基層將產(chǎn)生累積塑性變形，使水泥混凝土路面板底與基層之間出現(xiàn)空隙，即出現(xiàn)板底局部脫空。同時(shí)由于路面板內(nèi)溫度的非線性分布，引起板向上或向下的翹曲，加速板與基礎(chǔ)之間的分離，形成板底脫空。水泥混凝土路面板在板底脫空位置處類似于懸臂結(jié)構(gòu)，在車輛荷載作用下會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力及彎沉，極易發(fā)生斷裂，最終在車輛荷載的反復(fù)作用下破碎，導(dǎo)致路面性能水平降低和疲勞壽命減少[1]。

我國(guó)交通運(yùn)輸部在“十三五”規(guī)劃中明確指出就地利用舊水泥混凝土路面板，減少破碎廢棄板對(duì)自然環(huán)境的破壞，將成為我國(guó)舊水泥混凝土路面處治改造的下一步工作重點(diǎn)。而近年來(lái)，舊水泥混凝土路面板底脫空壓漿處治技術(shù)由于舊路面板利用率高，技術(shù)成熟，施工簡(jiǎn)便，成本較低，以其良好的實(shí)用效果和明顯的經(jīng)濟(jì)效益，已在舊水泥混凝土路面處治改造中得到廣泛的應(yīng)用[2]。尹艷平等[3]采用聚醋酸乙烯酯(PVAc)膠乳制備了改性水泥砂漿，研究PVAc膠乳對(duì)砂漿工作性能、粘結(jié)強(qiáng)度、力學(xué)強(qiáng)度和吸水率的影響，劉仍光等[4]采用熱重法測(cè)試并計(jì)算不同礦渣摻量復(fù)合水泥基材料硬化漿體至2a時(shí)各齡期的Ca(OH)2含量，形成摻礦渣復(fù)合水泥基材料硬化漿體中Ca(OH)2含量變化規(guī)律，但未進(jìn)行PVAc改性水泥砂漿和摻加礦渣復(fù)合水泥基材料性能評(píng)價(jià)相關(guān)研究。

本文擬首先通過(guò)力學(xué)計(jì)算分析壓漿材料類型與板底脫空處治有效性之間的量化關(guān)系，確定基于壓漿材料漿體模量的板底脫空壓漿處治有效面積，然后基于自膨脹補(bǔ)償收縮理論對(duì)壓漿材料進(jìn)行改良，推薦無(wú)機(jī)自補(bǔ)償壓漿材料適宜配合比，最后以某高速路試驗(yàn)段為依托工程，實(shí)際驗(yàn)證推薦的無(wú)機(jī)自補(bǔ)償壓漿材料處治舊水泥路面板底脫空的有效性，為方便和促進(jìn)工程實(shí)際應(yīng)用作有益嘗試，同時(shí)為補(bǔ)充和完善我國(guó)相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)積累資料。

2 壓漿處治有效面積計(jì)算

由于水泥路面板底脫空壓漿處治材料類型較多且不同壓漿材料的處治效果又存在差異，因此有必要對(duì)壓漿材料類型與板底脫空處治有效性進(jìn)行分析。基于力學(xué)計(jì)算方法選用漿體模量代表壓漿材料類型，壓漿處治有效面積作為分析目標(biāo)，通過(guò)對(duì)板底脫空壓漿處治水泥路面板應(yīng)力計(jì)算確定不同壓漿材料的有效處治面積，確定基于壓漿材料漿體模量的板底脫空壓漿處治有效面積[5-7]。

利用ANSYS有限元分析軟件建立水泥混凝土路面板底脫空壓漿處治空間三維計(jì)算模型[8-11]，路面結(jié)構(gòu)從上至下由舊水泥混凝土路面板、板底壓漿塊體、基層及基礎(chǔ)組成，路面板角壓漿部分以路面板角點(diǎn)為原點(diǎn)，水平方向上呈正方形區(qū)域向內(nèi)部擴(kuò)展。為反映半無(wú)限大空間基礎(chǔ)特性，基礎(chǔ)采用擴(kuò)大尺寸來(lái)模擬，路面板、壓漿塊體、基層及基礎(chǔ)等結(jié)構(gòu)層采用8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元。各結(jié)構(gòu)層為均勻、連續(xù)、各向同性彈性體，各層層間豎向、水平位移均連續(xù)，基礎(chǔ)底面各向位移為零，基礎(chǔ)側(cè)面水平方向位移為零，不計(jì)路面結(jié)構(gòu)的自重影響。

舊水泥混凝土路面板取實(shí)際長(zhǎng)度L=5m，實(shí)際寬度B=4m，基礎(chǔ)擴(kuò)大尺寸確定為7m×6m×6m，如圖1所示，各結(jié)構(gòu)層主要計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。行車荷載采用標(biāo)準(zhǔn)軸載BZZ-100，輪胎內(nèi)壓0.7MPa，單個(gè)輪壓作用范圍20cm×20cm，雙輪間距30cm。通過(guò)對(duì)不同荷位計(jì)算分析比較，當(dāng)路面板角壓漿時(shí)，車輪荷載作用在路面板該角部位置時(shí)對(duì)路面板受力最為不利，布載模式如圖2所示。

圖1 計(jì)算模型Fig.1 Calculation model

圖2 加載模式Fig.2 Load mode

Structure layerThickness/cmElastic modulus/MPaPoisson ratioPavement 30300000.15Mud-grouting materials1600～10000.25Base2012000.20Subgrade-3000.40

分別采用600、800及1000MPa的壓漿材料漿體模量對(duì)壓漿處治面積為20cm×20cm、40cm×40cm、80cm×80cm、150cm×150cm、200cm×200cm的水泥路面板底脫空壓漿處治模型進(jìn)行計(jì)算分析。計(jì)算結(jié)果如表2及圖3～4所示。

表2 不同壓漿材料漿體模量和壓漿處治面積下水泥路面板應(yīng)力計(jì)算結(jié)果Table 2 Stresses of cement pavement slabs by different modulus and treating area of mud-grouting materials

注：σ1、σ2、σ3分別為第一、二、三主應(yīng)力，σe為等效應(yīng)力，τmax為最大剪應(yīng)力。

圖3 不同漿體模量的壓漿材料水泥路面板等效應(yīng)力與壓漿處治面積關(guān)系柱狀圖Fig.3 Columnar section between equivalent stress and treating area by different modulus

圖4 不同漿體模量壓漿材料的水泥路面板最大剪應(yīng)力與壓漿處治面積關(guān)系柱狀圖Fig.4 Columnar section between maximum shea r stress and treating area by different modulus

由表2和圖3～4可知，對(duì)于不同漿體模量的壓漿材料，板底脫空壓漿處治水泥路面板的等效應(yīng)力σe和最大剪應(yīng)力τmax均隨壓漿處治面積的增大呈減小趨勢(shì)，而壓漿處治面積相同時(shí)，σe和τmax也均隨壓漿材料漿體模量的增大呈減小趨勢(shì)。當(dāng)壓漿材料漿體模量為600～800MPa，壓漿處治面積由20cm×20cm增加到80cm×80cm時(shí)，σe和τmax分別減小了7.1%和7.6%；而壓漿處治面積由80cm×80cm增加到150cm×150cm時(shí)，σe和τmax僅分別減小了2.6%和1.6%。當(dāng)壓漿材料漿體模量為800～1000MPa，壓漿處治面積由20cm×20cm增加到150cm×150cm時(shí)，σe和τmax分別減小了13.6%和14.1%；而壓漿處治面積由150cm×150cm增加到200cm×200cm時(shí)，σe和τmax僅分別減小了1.4%和1.8%。

經(jīng)以上分析認(rèn)為，當(dāng)壓漿材料漿體模量小于600MPa時(shí)，水泥路面板底脫空壓漿處治有效面積小于80cm×80cm；壓漿材料漿體模量為600～800MPa時(shí)，水泥路面板底脫空壓漿處治有效面積為80cm×80cm；壓漿材料漿體模量為800～1000MPa時(shí)，水泥路面板底脫空壓漿處治有效面積為150cm×150cm；壓漿材料漿體模量大于1000MPa時(shí)，水泥路面板底脫空壓漿處治有效面積大于200cm×200cm。

3 無(wú)機(jī)自補(bǔ)償壓漿材料

為滿足水泥路面板底脫空壓漿處治材料的性能要求，選擇合適的配合比，對(duì)山東、河南、陜西等地28條公路中使用的壓漿材料配合比進(jìn)行了調(diào)研[12-14]，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：國(guó)內(nèi)采用的壓漿材料相對(duì)單一，主要為水泥粉煤灰類漿體，配合比范圍為：水泥∶粉煤灰∶膨脹劑=1∶(0.5～0.6)∶(0.06～0.11)，水灰比=0.45～0.7，但此類壓漿材料存在著因硬化產(chǎn)生體積收縮導(dǎo)致被漿體填滿的路面板底脫空區(qū)域再次發(fā)生脫空即“二次脫空”的可能，處治效果并不理想。

在調(diào)研結(jié)果的基礎(chǔ)上，引入漿體硬化自膨脹補(bǔ)償收縮理論對(duì)壓漿材料配合比進(jìn)行設(shè)計(jì)，自膨脹補(bǔ)償收縮理論原理為通過(guò)在壓漿材料中摻加一定量的膨脹劑，摻加膨脹劑的硅酸鹽水泥水化生成更多的AFt晶體使得漿體硬化后體積發(fā)生膨脹，同時(shí)稠度增加而流動(dòng)變差，體積膨脹可以補(bǔ)償漿體干縮和溫縮等體積收縮，實(shí)現(xiàn)本自體積膨脹平衡收縮，同時(shí)改變水灰比使?jié){體具有合適的流動(dòng)性以便施工[15-16]。

依據(jù)自膨脹補(bǔ)償收縮理論，配制無(wú)機(jī)自補(bǔ)償壓漿材料：水泥+粉煤灰+膨脹劑，為提高硬化漿體的強(qiáng)度，特別是早期強(qiáng)度，選用42.5R型硅酸鹽水泥，并且為減少水泥用量，改善漿體流動(dòng)性，選用干排二級(jí)粉煤灰，膨脹劑為常用UEA型膨脹劑，適用于對(duì)壓漿材料硬化后體積自補(bǔ)償要求較高的路面板底中等程度的脫空壓漿處治。不同膨脹劑摻量和水灰比的無(wú)機(jī)自補(bǔ)償壓漿材料5d體積收縮率試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

由圖5可見(jiàn)，8種不同膨脹劑摻量和水灰比的無(wú)機(jī)自補(bǔ)償壓漿材料的5d體積收縮率分別為1.22%、0.92%、0.88%、0.85%、0.42%、-0.07%、-0.04%和-0.02%。當(dāng)膨脹劑的摻量比小于0.17且水灰比大于0.47時(shí)，無(wú)機(jī)自補(bǔ)償壓漿材料硬化后體積均發(fā)生收縮變形，而當(dāng)膨脹劑的摻量比≥0.17且水灰比≤0.47時(shí)，無(wú)機(jī)自補(bǔ)償壓漿材料硬化后體積發(fā)生膨脹變形，但若水灰比小于0.45，則無(wú)機(jī)自補(bǔ)償壓漿材料施工和易性不好。通過(guò)對(duì)以上不同膨脹劑摻量和水灰比的無(wú)機(jī)自補(bǔ)償壓漿材料體積自補(bǔ)償性能結(jié)合經(jīng)濟(jì)性等因素的分析，推薦無(wú)機(jī)自補(bǔ)償壓漿材料適宜配合比為水泥∶粉煤灰∶膨脹劑=1∶0.53∶0.17～0.20，水灰比為0.45～0.47。

4 彎沉檢測(cè)評(píng)定與鉆芯核查驗(yàn)證

為評(píng)定推薦的無(wú)機(jī)自補(bǔ)償壓漿材料處治水泥路面板底脫空效果，隨機(jī)選取某高速公路試驗(yàn)段10塊板底脫空水泥路面板在采用推薦的無(wú)機(jī)自補(bǔ)償壓漿材料處治板底脫空前和7天后進(jìn)行彎沉檢測(cè)評(píng)定與鉆芯核查驗(yàn)證，并在下個(gè)養(yǎng)護(hù)期(一年后)進(jìn)行跟蹤檢核，評(píng)定和驗(yàn)證結(jié)果如表3所示。

圖5 不同膨脹劑摻量和水灰比的無(wú)機(jī)自補(bǔ)償壓漿材料的5d體積收縮率Fig.5 5 days-shrinkage results of the sand self-compensation mud-grouting materials by different ratio of expansive agent and water cement

Road No.Deflection before treating/mm7 days Deflection after treating/mm1 year Deflection after treating/mmCore-drilling before treating7 days Core-drilling after treating1 year Core-drilling after treating10.350.080.12slight voidno voidno void20.330.070.11slight voidno voidno void30.410.070.10medium voidno voidno void40.440.100.13medium voidno voidno void50.530.130.15medium voidno voidno void60.480.130.20medium voidno voidno void70.490.140.15medium voidno voidno void80.540.160.16medium voidno voidno void90.630.180.30severe voidno voidslight void100.620.210.43severe voidslight voidmedium void

由表3可見(jiàn)，試驗(yàn)段板底脫空水泥路面板在采用推薦的無(wú)機(jī)自補(bǔ)償壓漿材料后處治板底脫空7天彎沉值均明顯減小，基本全部小于0.20mm(我國(guó)《公路水泥混凝土路面養(yǎng)護(hù)規(guī)范》(JTJ073.1-2001)采用標(biāo)準(zhǔn)荷載作用下0.20mm彎沉值作為水泥路面板底脫空判別標(biāo)準(zhǔn))，而鉆芯核查驗(yàn)證幾乎所有試驗(yàn)段原板底脫空路面板經(jīng)處治后無(wú)脫空，僅有一塊原嚴(yán)重脫空路面板處治后存在輕微板底脫空，證明推薦的無(wú)機(jī)自補(bǔ)償壓漿材料處治水泥路面板底脫空效果良好。

一年后彎沉檢測(cè)結(jié)果表明，試驗(yàn)段采用推薦的無(wú)機(jī)自補(bǔ)償壓漿材料處治板底脫空路面板的彎沉均有不同程度增長(zhǎng)，尤其是處治前嚴(yán)重脫空路面板彎沉增長(zhǎng)較快，但處治前輕微和中等脫空路面板的彎沉仍然小于0.20mm，達(dá)到推薦的無(wú)機(jī)自補(bǔ)償壓漿材料適用于對(duì)路面板底中等脫空壓漿處治的預(yù)先設(shè)定。同時(shí)鉆芯復(fù)核發(fā)現(xiàn)原處治后輕微脫空的路面板出現(xiàn)“二次脫空”，“二次脫空”出現(xiàn)的間隔期約為半年至一年。

5 結(jié) 論

本文在力學(xué)計(jì)算分析與室內(nèi)試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合依托工程實(shí)際驗(yàn)證，得到以下結(jié)果：

1.通過(guò)力學(xué)計(jì)算分析壓漿材料類型與板底脫空處治有效性之間的量化關(guān)系，確定基于壓漿材料漿體模量的板底脫空壓漿處治有效面積，例如當(dāng)壓漿材料漿體模量為600～800MPa時(shí)，水泥路面板底脫空壓漿處治有效面積為80×80cm2；

2.引入自膨脹補(bǔ)償收縮理論對(duì)壓漿材料進(jìn)行改良，推薦無(wú)機(jī)自補(bǔ)償壓漿材料適宜配合比為水泥∶粉煤灰∶膨脹劑=1∶0.53∶0.17～0.2，水灰比為0.45～0.47，適用于對(duì)壓漿材料硬化后體積自補(bǔ)償要求較高的路面板底中等脫空壓漿處治；

3.試驗(yàn)段彎沉檢測(cè)評(píng)定結(jié)果表明，板底脫空水泥路面板在采用推薦的無(wú)機(jī)自補(bǔ)償壓漿材料處治板底脫空后彎沉值均明顯減小，且經(jīng)鉆芯核查驗(yàn)證幾乎無(wú)脫空，推薦的無(wú)機(jī)自補(bǔ)償壓漿材料處治水泥路面板底脫空效果良好。