裝配式水泥混凝土道面灌漿層的粘結特性

朱懋江， 翁興中， 張 俊， 楊博瀚， 劉軍忠

(1. 空軍工程大學 機場建筑工程系， 西安 710038； 2. 空軍工程設計研究局， 北京 100068)

裝配式水泥混凝土道面(Prefabricated Cement Concrete Powement, PCCP)是由工廠標準化生產的水泥混凝土道面板，采用機械化施工的拼裝方法，在平整、壓實度良好的基層或土基上鋪設而成的機場道面[1].PCCP兼有普通混凝土材料的價格低廉和快速修補材料的早期強度較高的優點，是機場道面修補及快速鋪筑高等級機場道面的理想選擇，這對于災后人道主義救援物資的輸送、戰爭時前線機場的開設以及諸如海島等惡劣條件下修建永備機場都是具有非常重要的意義的[2-3].

現有對PCCP的研究也證實了此項技術在機場道面快速修補及高等級機場道面快速建設中的光明前景.2008～2012年，美國開展了題為“SHRP2 Project R05-Modular Pavement Technology”的研究，研究報告中介紹了米勒堡超級板塊拼接法、Uretek法、 密歇根法和美國空軍法等預制混凝土道面板的拼裝方法，這些拼裝方法大同小異，其主要區別在于板的結構尺寸、調平層的材料和道面接縫處傳力桿的設計等方面[4]，美國空軍對裝配式混凝土道面板的研究十分重視，特別創立了名為“美國空軍法”的快速修補機場道面方法，實現了在4～8 h對機場道面修復完畢并投入使用的目標[5].Doyle等[6]對預制板在機場道面的維修中的可行性進行了詳細的評估，結果表明只要基層材料具有足夠的強度并且保證傳力桿接縫拼裝時的施工質量，預制板修復的路面可以服役15～20年.國內有關PCCP的研究主要集中在公路方面.周澤民[7]在1991年就試鋪的裝配式路面探討了其應用前景，田志昌等[8]分析了裝配式水泥混凝土路面板荷載應力與其尺寸的關系并提出了企口縫的優化方案，王軍強等[9]以漿錨連接和間接連接為對象，研究了水泥基灌漿材料的性能，并提出了水泥基灌漿施工時的質量控制方法.

在PCCP結構層中，除了預制的面層和快速處理的基層，灌漿層是另一個重要的結構層.灌漿層與相鄰結構層的粘結程度、灌漿材料自身的性能都會影響面層、灌漿層和基層三者之間的結合程度，從而進一步影響整個PCCP結構的力學響應.目前，工程應用的灌漿材料種類繁多，很多學者針對水泥基灌漿材料開展的研究主要集中在軟土地基加固、壩體裂縫修補以及公路維修等方面[10-14].但在裝配式的水泥混凝土路面和PCCP工程中卻很少針對灌漿層的粘結特性開展試驗研究，尤其是灌漿材料的性能以及灌漿層在荷載作用下PCCP結構的力學響應常常被學者們所忽視，因此在這些方面亟待開展相應的試驗研究.

采用小梁試件模擬道面面層開展的室內試驗研究結果表明，用小梁進行模擬道面結構試驗是一種較為經濟有效的試驗手段[15-16].因此參照相關規范[17]，本文采用尺寸為150 mm×150 mm×550 mm的小梁試件模擬PCCP的面層，針對影響灌漿層與其他結構層粘結性能的4個因素，即灌漿種類(A)、板底粗糙程度(B)、灌漿厚度(C)及基層結構(D)，以及其不同的水平設計了正交試驗方案，對豎向靜載、豎向疲勞荷載以及側向荷載作用下PCCP的結構響應進行了分析，并得出了最佳灌漿層方案，可以用以指導下一步的現場試驗和施工實際.

1 試驗概況

1.1 試驗材料

普通水泥砂漿灌漿料(以下簡稱為PTC)采用冀東水泥廠生產的秦嶺牌普通硅酸鹽水泥為膠凝材料，其強度等級為 42.5，密度為 3 100 kg/m3.PTC的特點是價格低廉，材料來源廣泛.高強無收縮灌漿料(以下簡稱為CGM)采用山東千盾灌漿料廠生產的高強無收縮灌漿材料，它是一種自流型微膨脹干粉砂漿，具有早強、高強、自流動和微膨脹等特性.CGM的特點是價格中等，工廠標準化生產品質較高.雙快水泥灌漿料(以下簡稱為SKC)采用中聯牌標號為425#的快凝快硬硫鋁酸鹽水泥為膠凝材料，其具有堿度低，能適當補償收縮及快硬、早強的特性.SKC的特點是硬化快，早期強度高，但是價格昂貴，材料來源有限且不易存放.3種灌漿材料的配合比設計均為質量百分比，灌漿材料的流動度、強度和凝結時間測試參考規范(JTG E30-2005)[17]，測試結果如表1所示.

表1 3種灌漿材料的配合比及特性Tab.1 Mix proportion and properties of three grouting materials

1.2 正交試驗方案設計

本文開展的灌漿層粘結特性試驗是采用道面混凝土小梁模擬裝配式水泥混凝土道面板，在小梁與土質基層之間鋪筑灌漿層.試驗中涉及到灌漿材料、灌漿層厚度、面層板底粗糙程度以及基層結構等4個因素，每個因素還需要考慮幾種不同的水平，本文正交試驗考慮的因素和水平如表2所示.試驗采用四因素三水平的正交試驗(L9(34))如表3所示.

表2 正交試驗的因素和水平Tab.2 Factors and levels of orthogonal test

表3 L9(34) 正交試驗設計Tab.3 Orthogonal experimental design L9(34)

圖1 豎向加載試驗布置Fig.1 Vertical loading test arrangement

1.3 豎向加載試驗方法

試驗布置如圖1所示.圖中：小梁尺寸為550 mm×150 mm×150 mm，在小梁中心截面上沿梁高設置5枚應變片，1和5號應變片在粘貼時分別距離小梁上、下表面各1 cm處，其余3片應變片等間距均勻分布在1和5號應變片之間；在灌漿層厚度的中間貼6號應變片，中心和小梁上的1～5號應變片的中心對齊；在水泥穩定土基層頂面從小梁中間向梁端方向等距離埋設3枚土壓力盒，依次編為 1～3號；在小梁中性軸上對應土壓力盒的位置布置了3枚千分表，從中間向梁端依次編號為1～3號.

對每組試件進行加載時，首先進行靜態加載，而后再對其進行人工疲勞加載.試驗前先對小梁加載至5 kN穩定2 min后卸載，然后對小梁進行20 kN的豎向加載，穩定2 min后對應變、撓度和壓力進行讀數，而后再重復進行靜態加載試驗3次，試驗結果取平均值.人工疲勞試驗采用千斤頂施加荷載，每次加載至20 kN后立即卸載，待其壓力歸零后立即進行下一次加載，控制每個加載周期為2～3 s.加載首個100次時，每加載10次后立即對應變、撓度和壓力依次進行讀數.加載第2個100次時，每加載20次采集一次試驗數據.加載第3個100次時，每加載50次采集一次試驗數據.從300次以后每加載100次采集一次試驗數據，每組試件總共進行人工加載 5 000 次.豎向靜態加載情形下，定義應變比η、壓力p(1號土壓力盒采集的壓力值)和撓度Δ(1號千分表采集的撓度值)作為評價灌漿層粘結性能和承載性能的指標.其中，η為面層底面拉應變與灌漿層拉應變的比值，即豎向靜態荷載作用下5號應變片讀數ε5與6號應變片讀數ε6的比值.

1.4 側向加載試驗方法

側向加載試驗在豎向人工疲勞加載試驗完畢后進行，采用壓力傳感器、墊板、千斤頂和千分表等試驗裝置對試件進行側向加載，使得面層和灌漿層受到側向加載后與基層產生一定的剪切位移，試驗布置如圖2所示.采用逐級加載的方式對面層和灌漿層(上層結構)進行側向加載，采用固定在剛性支架上的2個千分表測量上層結構的位移.側向荷載以 0.5 kN為一級進行逐級加載，最大側向荷載取值4 kN，每一級荷載施加完畢后穩定10 s，而后記錄下2個千分表的讀數，以2個讀數的平均值作為試驗結果.

圖2 側向加載試驗布置Fig.2 Lateral loading test arrangement

表4 豎向靜態加載試驗結果Tab.4 Results of vertical static loading test

2 試驗結果與分析

2.1 豎向靜載作用下結構響應

選取η、p和Δ這3個評價指標，分別對灌漿層的粘結性能和道面結構的承載性能進行分析，結果如表4所示.表中：K為某個水平下對應因素的試驗結果之和；R為各試驗組間極差.

以應變比η為評價指標的極差分析結果表明，各因素對灌漿層與面層粘結性能影響程度的排序為：板底粗糙程度>灌漿種類>灌漿厚度>基層結構，說明板底粗糙程度對面層與灌漿層的粘結性能有非常顯著的影響.由于板底粗糙處理增加了面層底部與灌漿層的接觸面積，從而使得兩者的結合更加牢固，因此對于這兩層的粘結性能影響最大.由表4可看出，在板底粗糙程度一列(B列)中，K3η=2.63 為最大值，說明粗糙程度的第3個水平，即板底刻槽后的面層與灌漿層的粘結效果最好.因此，在道面板的生產過程中就要根據灌漿需求考慮板底合適的粗糙度.其次，灌漿種類也是影響灌漿層與面層粘結程度的重要因素，因為灌漿材料本身的膠結性質決定了接觸面積相同條件下灌漿層自身與面層的結合能力.在灌漿材料一列(A列)中K2η=2.5 為最大值，說明灌漿材料的第2個水平即CGM的粘結性能最強，其次為PTC，SKC的粘結性能最弱.

以p為評價指標的極差分析結果表明，各因素對灌漿層與基層粘結性能影響程度排序為：灌漿種類>基層結構>灌漿厚度>板底粗糙程度，說明灌漿種類對灌漿層與基層粘結性能的影響最大.由于基層和灌漿層之間的接觸不涉及粗糙度問題，因而不同種類灌漿材料自身的膠結性能就成為了影響灌漿層與基層粘結性能的主要因素.由表4可看出，在灌漿材料一列(A列)中K2p=557.2 為最大值，說明灌漿材料因素的第2個水平即CGM的粘結效果最好，這與以η為評價指標的分析結果一致.因此，CGM是較為理想的板底灌漿材料.其次，作為粘結性能的另一考察對象，基層結構也是影響灌漿層與基層粘結程度的重要因素，12%的水泥穩定土基層的粘結效果最佳，其次是9%水泥穩定土基層，6%水泥穩定土基層的粘結效果最差.

以Δ為評價指標的極差分析結果表明，各因素對道面結構承載性能影響程度的排序為：灌漿種類>灌漿厚度>基層結構>板底粗糙程度，說明灌漿材料對道面結構承載性能的影響最大.灌漿材料由于其本身的膠凝材料不同，導致了材料凝結后的強度也各不相同，膠凝材料生成的強度直接決定了灌漿層自身的強度，其強度越高越易將道面承受的荷載傳至基層，從而提升道面整體的結構承載性能.由表4可看出，在灌漿材料一列(A列)中K1p=1 598 為最大值，說明灌漿材料因素的第1個水平即PTC的強度最大，其次是SKC，CGM的強度最低，這與灌漿材料強度試驗得到的結果一致.綜上所述，灌漿材料對道面結構性能的影響程度較大，在選擇灌漿材料時要考慮工程應用的背景，針對實際情況權衡利弊后選擇較為合理的灌漿材料.

2.2 豎向疲勞荷載作用下結構響應

根據豎向靜載試驗結果，灌漿層厚度和基層結構兩因素對于灌漿層粘結性能的影響并不明顯，因而在疲勞作用試驗設計時控制了實驗組中灌漿層厚度為2 cm和基層結構為12%的水泥穩定土的條件保持不變，選取第1、3、5和9組進行了試驗，人工疲勞加載下的應變測試結果如圖3所示，圖中CL為加載次數.為了能夠清晰地觀察應變規律，避免數據點重疊，在圖3中僅顯示了每組試驗中1、3、5和6號應變片采集的數據.

圖3 疲勞加載應變測試結果Fig.3 Changes of strain under fatigue loading

由圖3可以看出：在相同疲勞次數作用下，各應變片的讀數隨著應變片編號的增大逐漸從負值過渡到正值，即測量點的應變狀態從壓應變逐漸過渡到拉應變；隨著疲勞次數的逐漸增加，各應變片測量出的結果都呈現出基本一致的變化規律，即應變與疲勞加載次數的關系曲線一開始變化都較為劇烈，而后呈現出近似線性增加的規律，最后應變值基本處于穩定狀態；經過疲勞加載作用后，各組試驗結果中3號應變片測量的數值由0逐漸向正值過渡，說明各組道面的中性面都會出現不同幅度的上移，即中性面移動到在3號應變片所處位置以上且應變為0的某個平面.在靜載試驗中，中性面一致處于道面厚度的1/2處，但在各組疲勞試驗中的中性面卻開始逐漸上移，這是因為道面結構在經受疲勞荷載的作用時，在整個道面結構中會產生細微的疲勞損傷，疲勞損傷的逐漸積累使得面層的中性面逐漸上移，板底拉應變增大致使板底拉應力提高，道面產生不良的受力狀態，最終會造成道面的疲勞破壞.從這一點來看，第5組道面結構A2B2C3D1的抗疲勞性能比較優越.

人工疲勞加載下的撓度測試結果如圖4所示.其中：圖4(a)、(b)和(c)中顯示的9條曲線分別為9組試驗中1、2和3號千分表測量的試驗結果.由圖可以看出：在同一組試驗中，處于中間的1號千分表測量的結果最大，其次是2號千分表的測量結果，3號千分表的測量結果最小；在同一疲勞加載次數的條件下，第6組的撓度測量結果均大于其他各實驗組，而第5組的試驗結果均小于其他各組；各組試驗中撓度與疲勞加載次數的關系曲線都呈現出基本一致的變化規律，每條曲線大致可以分成3個階段，第1階段為劇烈變化階段(疲勞加載次數在0～300次左右)，在這一階段撓度的變化幅度較大，第2階段為線性變化階段(疲勞加載次數在300～4 500 次左右)，在這一階段撓度隨疲勞次數的增加基本呈線性增加的規律，第3階段為穩定階段(疲勞加載次數在 4 500～5 000 次)，在此階段撓度值比較穩定，基本不隨疲勞次數的增加而變化.在第1個階段，裝配式道面與灌漿層構成的組合結構經歷了一個壓密的階段，因此該階段的撓度變化較為劇烈；而在第2個階段，由于組合結構已經經歷了第1個階段的壓縮，能產生的應變已經很小了，所以撓度隨加載次數基本呈現斜率很小的線性變化；而在穩定階段的結合結構已經達到了壓縮極限, 因此幾乎沒有應變的變化.在經過相同次數的疲勞荷載作用后，道面結構的撓度值越小，表明道面結構的抗疲勞性能和承載性能越優良.由此可見，第5組道面結構A2B2C3D1的承載性能比較優越.

人工疲勞加載下的壓力測試結果如圖5所示.其中：圖5(a)、(b)、(c)顯示的9條曲線分別為9組試驗中1、2和3號土壓力盒測量的結果.由圖可以看出：在同一組試驗中，處于中間的1號土壓力盒測量的結果最大，其次是2號土壓力盒，3號土壓力盒的測量結果最小；在同一疲勞加載次數的條件下，第5組試驗中各個土壓力盒測量的壓力值均大于其他各組；在1和2號土壓力盒測量的結果中第3組均小于其他各組試驗的測量結果；與撓度測試的結果相似，各組試驗中壓力值與疲勞加載次數的關系曲線也呈現出基本一致的變化規律，每條曲線大致可以分成3個階段，即劇烈變化階段、線性變化階段和穩定階段；在經過相同次數的疲勞荷載作用后，灌漿層與基層的粘結狀況越差，基層頂面承受的壓力就越小，從而導致面層和灌漿層承擔的荷載就越大，對道面結構的受力狀態產生不利的影響；在經過相同次數的疲勞荷載作用后，灌漿層與基層的粘結性能越好，基層頂面承受的壓力就越大，可將更多的荷載分散到基層和地基之中，因此道面結構的承載性能就越好.由此可見，第5組道面結構A2B2C3D1的承載性能比較優越.

圖4 疲勞加載下撓度測試結果Fig.4 Test results of deflection under fatigue loading

圖5 疲勞加載下壓力測試結果Fig.5 Test results of pressure under fatigue loading

2.3 側向荷載作用下結構響應

側向荷載作用下上層結構的位移變化如圖6所示，并擬合了側向力(X)與上層結構位移(Y)之間的關系曲線.由圖可以看出：第5組的試驗結果曲線位于其他組曲線之下，說明當同一級的側向荷載施加到上層結構時，第5組的位移最小，相比之下第9組試驗的結果位于所有曲線之上，說明當同一級的側向荷載施加到上層結構時，第9組的位移最大；相同灌漿材料的曲線基本都在相鄰位置，并且擬合曲線隨著灌漿材料的不同有比較明顯區別，CGM(第4、5、6組試驗)的擬合曲線基本位于最下方，PTC(第1、2、3組試驗)的擬合曲線基本位于中間，而SKC(第7、8、9組試驗)的擬合曲線基本位于最上方.當不同的上層結構受到相同的側向荷載時，上層結構的位移越小，說明灌漿層與基層的粘結界面承受相同的剪切力作用時界面產生的位移越小，因此灌漿層與基層頂面的粘結性能就越強.據此分析可以判斷出，CGM與基層的粘結性能最佳，其次為PTC，SKC與基層的粘結性能最弱.圖6擬合曲線的擬合方程如表5所示.由表可以看出，擬合方程的相關系數R2均在 0.99 以上，說明側向荷載與上層結構的位移能夠很好地滿足二次多項式的關系.

圖6 側向力與上層結構位移的關系Fig.6 Relationship between lateral force and displacement of superstructure

Tab.5 Fitting equation of lateral force and displacement of superstructure

組序號 擬合方程R21Y=9.32+36.66X+12.67X20.9942Y=-0.87+17.15X+15.68X20.9993Y=-0.38+27.32X+14.56X20.9984Y=5.03+2.79X+12.79X20.9985Y=4.98-3.74X+12.57X20.9956Y=8.03-1.22X+16.45X20.9927Y=6.25+79.51X+6.55X20.9988Y=0.16+72.14X+7.39X20.9999Y=4.57+93.96X+3.91X20.998

3 結語

(1) 各因素對灌漿層與面層粘結性能影響程度的排序為：板底粗糙程度>灌漿種類>灌漿厚度>基層結構，且當板底粗糙程度為刻槽時粘結性最好；各因素對灌漿層與基層粘結性能影響程度的排序為：灌漿種類>基層結構>灌漿厚度>板底粗糙程度，且當灌漿種類為CGM時粘結性最好；各因素對道面結構承載性能影響程度的排序為：灌漿種類>灌漿厚度>基層結構>板底粗糙程度，且當灌漿種類為PTC時道面結構的承載性能最好.

(2) 經過疲勞加載作用后，道面面層的中性面會出現不同幅度的上移.撓度和壓力與疲勞加載次數的關系曲線呈現出基本一致的變化規律，每條曲線大致可以分成3個階段，第1階段為劇烈變化階段(疲勞加載次數在0～300次左右)，第2階段為線性變化階段(疲勞加載次數在300～4 500 次左右)，第3階段為穩定階段(疲勞加載次數在 4 500～5 000 次).當灌漿材料為CGM，板底光滑，灌漿厚度為 2.0 cm，基層結構為12%水泥穩定土(第5組)時，道面結構抗疲勞荷載作用性能最好.

(3) 側向荷載作用下，CGM與基層的粘結性能最佳，其次為PTC，SKC與基層的粘結性能最弱；側向荷載與上層結構(即面層和灌漿層)位移擬合曲線隨著灌漿材料的不同有比較明顯的區別，側向荷載與上層結構的位移能夠很好地滿足二次多項式的關系.同樣第5組道面結構的抗側向荷載作用性能最好.

(4) 綜合豎向和側向加載試驗結果，當灌漿材料為CGM、板底光滑、灌漿厚度為 2.0 cm、基層結構為12%水泥穩定土時，灌漿層的粘結特性最佳.該組合在 5 000 次疲勞荷載作用下的撓度仍小于 0.3 mm，在保證了灌漿層粘結性能和道面板平整程度的情況下最大程度地確保了疲勞荷載下道面板的使用性能，并且對應材料的基本性能符合施工實際，可作為下一步指導現場試驗和施工的依據.

(5) 本文從實際應用出發，針對機場裝配式混凝土道面板灌漿層的優選問題進行了一定的探究，但由于本文中的試驗限制，無法論證灌漿層的疲勞壓縮與否和基層與灌漿層間接觸面相關，也未能探究出最佳灌漿層方案中灌漿層的疲勞性能，而這2個問題對于灌漿層的實際使用情況影響較大，下一步將針對這2個問題繼續設計試驗進一步進行研究.