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勢受到管理者的偏好,主要優點有:(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)穩定性好。水泥混凝土面板水穩定性、熱穩定性較好,水泥混凝土路面在氣倏條件變化較大的區域,較少出現穩定性差的缺損;(3)耐久性好。因水泥混凝土路面有著很好的強度和穩定性,不需要頻繁的養護、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)養護費用少。設計和施工養護正常的條件下,水泥混凝土路面所需養護工藝、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,但早期病害難以發現,最終產生板角斷裂、斷板等病害,給維修養護帶來較大的困難。

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、環境等多種因素綜合作用下會出現接縫料損壞、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,基層頂面細小穩定顆粒變為不穩定并不斷被沖走,最終結構性脫空發展成為唧漿脫空。

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展規律通常是先板角后橫向接縫,再向四周脫空發展,并且行車方向的前板板底脫空區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,并現場取芯分析截距值法的有效性[6]。

通過對該路段現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”,命名規則見圖1。

圖1 板塊命名及編號規則

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。