（道路与铁道工程专业论文）水泥路面板下脱空机理、处治与评价技术研究.pdf

摘要 摘要 近年来随着公路建设的发展，我国水泥混凝土路面的公路里程逐年增加，目前 在我国已建成的水泥混凝十路面中，己有部分在使用周期内就已出现r 各种病害， 有的己严重影响了其正常的使用功能，尤其是由板下脱空引起的断板、错台、桥 头搭板塌陷等病害越来越引起重视。因此，脱窑的机理、脱空的判定、脱空的处 治措施及压浆效果评定的研究十分迫切和必要。 本课题依托重庆市科委攻关项目及广西交通厅科技计划项目“水泥混凝二路面 期破坏机理及处治技术研究”，以新建立的接缝力学模型为基础，通过对第一传荷 状态临界荷载及其对应弯沉影响因素的分析指出，脱空对弯沉的影响是显著的， 进而提出了用有限元法建立地基脱宅的弹性地基板位移计算模型，以第一传荷状 态临界荷载与对应弯沉为指标、根据f w d 实测弯沉值判定地基脱空面积的脱卒评 定方法，使评定工作在单板系统基础上进行，排除了接缝传荷状况不确定的影响， 能较为准确地判定脱空并定量的计算脱空面积。通过室内试验及试验路验证，该 脱空评定方法是合理的。 目前我国及世界各国普遍采用压浆技术对水泥混凝土板下脱宅进行加固治 理。本文研制了专用压浆材料，水泥、砂、粉煤灰、外加剂和水混拌而成，通过 大量实验配制出的浆液具有自流淌密实性好、早期强度高、无离析、无泌水、无 收缩的性能，能满足压浆施工的需要，通过施工经验总结出压浆工艺流程及质量 保证措施，并对压浆的效果提出了评定指标和方法。通过在室内试验板验证，表 明研制出的乐浆材料压浆效果良好，提出的压浆效果评定指标和方法是合理可靠 的。 关键词：水泥混凝土路面传力杆接缝第一传荷状态临界荷载脱空系统识别压 浆材料流动度施工工艺 摘要 a b s t r a c t t h em i l e a g eo fc o n c r e t eh i g h w a y si no u rc o u n t r yh a v ey e a r l yi n c r e a s e dw i t ht h e d e v e l o p m e n to f h i g h w a y sc o n s t m c t i o ni nr e c e n ty e a r s a tp r e s e n t ，a l lk i n d so f d a m a g e h a v ea p p e a r e di np a r t so fc o n c r e t ep a v e m e n t sw h i c hh a v eb e e np a v e d 埘t h mt h e i r e m p l o y e dp e r i o d si no u r c o u n t r y ，s o m eh a v es e r i o u s l ya f f e c tt h e i r n a t u r a lp e r f o r m a n c e ， e s p e c i a l l yt h ed a m a g eo f d e p r e s s i o nc a u s e db yv o i d ，i th a sg i v e nr i s et om o r ea n dm o l e r e c o g n i t i o n s oi ti sv e r yn e c e s s a r ya n du r g e n tt or e s e a r c hm e c h a n i s mo fv o i d ，j u d g m e n t m e t h o do f v o i d ，t r e a t m e n tm e a s u r eo f v o i da n da s s e s st h er e s u l to f t h et r e a t m e n t 1 h s p a p e rd e p e n d so nt h ep r o j o c t m e c h a n i s ma n dt r e a t m e n tt e c h n i q u er e s e a r c h o fc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n te a r l yd a m a g e ，w h i c hi sc o o p e r a t e db yc h o n g q i n g m u n i c i p a l s c i e n c e t e c h n i q u e c o m m i t t e ea n dg u a n g x ip r o v i n c ec o m m t m i c a t i o n d e p a r t m e n t b a do nt h en e wf o r m e dj o i n tm o d e l ，av a r i e t yo fi n f l u e n t i a lf a c t o r so n f i r s tl i m i t a t i o nl o a do fl o a d t r a n s f e rc o n d i t i o na n dc o r m l a t e dd e r e c t i o na r e d i s c u s s e d t h er e s u l ts h o w s 山a tt h ei n f l u e n c eo nd e f l e c t i o ng a b s e db yv o i di sn o t i c e a b l e t h e n ，an u m e r i c a lm o d e lc a l c u l a t i n gd i s p l a c e m e n to f j o i n t e ds l a bo nv o i df o u n d a t i o ni s e s t a b l i s h e dw i t hf i n i t ee l e m e n tm e t h o d t h i sm o d e lr i s ef i r s tl i m i t a t i o nl o a do f l o a d - t r a n s f o rc o n d i t i o na n dc o r r e l a t e dd e f l e c t i o na st h e i rc r i t e r i aa n di d e n t i f yv o i do f r i g i dp a v e m e n t su s i n gd e f l e c t i o nd a t am e a s u r e df r o mf a l l i n gw e i g h t i n gd e f l e c t o m e t e r t h i sm e t h o dm a k e sv o i dd e t e c t i o nb a s e do ns i n g l ep c cp a v e m e n ts y s t e ma n d e l i m i n a t e st h ei n f l u e n c ec a u s e db yi n d e f i n i t el o a d - t r a n s f e rc a p a c i t y , c a na c c u r a t e l y j u d g ev o i da n dc a l c u l a t ei t sa i e a a c c o r d i n gt oa p p l i c a t i o no nt e n t a t i v ec o n c r e t eb o a r d i n l a b o m t o r ya n dt e s t1 0 a d ，w ec a nb e l l o v et h i sm e t h o di sr e a s o n a b l e a t p r e s e n t ，m u d j a c k i n g m e t h o d w a s a d o p t e d t o t r e a t v o i dg e n e r a l l y i n o u r c o u n t r y a n do t h e rn a t i o n s t h ea u t h o re x c o g i t a t e dak i n do fa p p m p r i a t i v em u dj a c k i n gm a t e r i a l w h i c hi sm a d eu po f c e m e n t 、s a n d 、f l ya s h 、a d m i x t u r ea n dw a t e r , t h i sm a t e r i a lw h i c h w a sd e v e l o p e do nt h eb a s i so fl a r g ea m o u n to ft e s t sh a st h ep r o p r i e t i e so fg o o d s e l f - f l o w i n gd e n s i t y , h i g h e a r l i e rs t r e n g t h ，n o n s e g r e g a t i o n ，n o n w e e p a g ea n d n o n - c o n t r a c t i l i t y i tc a nm e e tt h er e q u i r e m e n to fm u dj a c k i n g ，a tt h ef i n a lp a r to ft h i s p a p e r ，i t sc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g ya n dq u a l i t y a s s u r a n c em e a s u r eh a db e e nd e v e l o p e d ， a n dt h ec r i t o r i o nm a dm e t h o dt oa s s e s sm s u l te l m u dj a c k i n ga r ep r o p o s e d a c c o r d i n gt o v e r i f i c a t i o no fe x p e r i m e n to nt e n t a t i v ec o n c r e t eb o a r d ，w ec a r lc o n c l u d et h a tt h em u d j a c k i n gm a t e r i a li sp r a c t i c a la n dt h ec r i t e r i o na n dm e t h o dt oa s s e s sr e s u l to f m u d j a c k i n g 摘要 i sr e a s o n a b l e k e yw o r d s ：c e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n t ；d o w e l e dj o i n t s ；f i r s tl i m i t a t i o nl o a do f l o a d t r a n s f e rc o n d i t i o n ；v o i d ，s y s t e mi d e n t i f i c a t i o n ；s q u e e z i n gm a t e r i a l s ；c o n s t r u c t i o n t e c h n o l o g y 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重卢明；所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贞献的个人和集体， 均丑在文中以明确方式标明。本人完今意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名 玮研 日期：多剃年妒月f 1 日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权重庆交通学院可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和拒编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 # 不保密d 。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：旃，吖 日期：沙雪6 年妒月 1 1 日 指导教师签名 日期：加年妒月j 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究水泥混凝土路面脱空的重要性 我国修筑水泥混凝_ 上路面已有几十年的历史，早在5 06 0 年代由于国家建设资 金有限，水泥短缺，修筑的水泥路面数量很少。全国水泥路面不足3 0 0 公里，仪占 高级、次高级路面里程的0 9 。7 0 年代，浙江、广东、江苏等省在沥青供应不足 的情况下，开始修筑水泥混凝土路面。与此同时国内一些科研单位也较为系统地 开展了对水泥路面修筑技术的研究工作。n s o 年代随着水泥混凝土路面里程的 增加，为其深一步地研究积累了大量的经验。在此基础t ，交通部我国水泥混 凝l 二路面发展对策及修筑技术的制定，为水泥混凝土路面的快速发展提供r 可 靠的科学基础和依据9 “。 改革开放以后，我国公路交通事业得到了快速发展，特另 1 9 9 0 年以来，随着 我国大规模公路基础设施建设的展开，水泥混凝土路面公路得到史无前例的快速 发展。截至至r j 2 0 0 2 年底，我国已拥有水泥混凝土路面公路1 6 8 万公里，是1 9 8 9 年里 程长度的1 4 7 倍，1 3 年中挣增1 5 6 万公里，平均年增长率为2 5 。在总里程2 8 9 万 公里的高级路面( 沥青路面和水泥路面) 公路中，水泥混凝土路面占到了5 8 。中 同已经成为当今世界上拥有水泥混凝土路面里程最多的国家之一 水泥混凝土路面是一种刚度大、荷载扩散能力强、稳定性好的路面结构，各 国对水泥混凝土路面的修筑技术一直在进行研究和总结；水泥混凝土路面在技术 上曰臻完善，经济上也显示山优势。我国是水泥生产大国，而可利用于公路建设 的沥青资源相对贫乏。充分利用我国现有资源，提高国家在公路建设中投入资金 的使用效率，这是一个十分现实的问题。随着我国国民经济的迅速发展，道路上 的交通量和轴载迅速增长，车速不断提高，对路面结构的要求随之相应提高，而 我国公路建设中施工机械及道路水泥性能也在不断提高；为了适应交通运输事业 的发展，特别是重交通的需要，水泥混凝土路面得到更广泛的应用。 水泥混凝土路面具有强度高、刚度火、板体性强、耐久性好等优点，是一种 性能优良的高等级路面，正在为我国的交通运输事业发挥着巨大的作用。但是水 泥混凝土路面在使用过程中也会出现种种病害，板下脱空就是常见的病害之一。 水泥混凝土路面最严重的病害是路面板块的破碎，它直接危及交通行车安全， 而板的破碎往往是从板底脱空或沉陷开始的。板底脱空为水的浸入创造了条件， 在雨季，从路面缝隙处浸入的雨水在板底脱空区彤成积水，在行车荷载的反复挤 第一章绪论 压作用f ，积水与基层材料中的细颗粒形成泥浆，沿路面接缝或裂缝处喷溅冉来 形成唧泥，唧泥的出现进一步扩大板底的脱空区，从而在霓载车辆作用下使水泥 混凝土面板断裂破损。 列于己脱空的水泥混凝土路面必须及时采取修补措蔚，以防止板体出现断裂 和破碎。压浆就是一种常用的修补手段，它具有快速方便、经济实用、对交通影 响小等优点；灌入的浆体在板下硬化后，可以恢复板体与基层的连续性，有效的 改善板体的受力状态。目前许多资料和工程实际中，都广泛的采用了压浆加固技 术对脱空路面进行修补。 但从大量的工程实践可以看出，压浆要取得良好的效果，必须对各关键环节 进行细致研究。面板脱空位置的确定和脱空面积的估计、眶浆材料的性能、压力 大小、控压时间等均需严格控制，否则不但浪费人力、物力，i 且可能造成路面 的进一步破坏，水泥面板容易产生新的裂缝，扩大旧的裂缝，路面使用性能下降 直至迅速破坏。本文通过对压浆关键技术的深入研究，提出一种可靠的脱空评定 方法，研制种性能较好的压浆材料，探索一套有效的施工工艺，以期压浆真正 起到路面补强的效果。 1 2 国内外研究概况 美国联邦公路管理局于1 9 8 5 年制定的路面修复手册对水泥混凝士的板f 封堵提出了具体规定，法国的养护策路系统对混凝土板唧泥( d m d b ) 的防治也提出 了灌浆的方法。 国外学者对板底脱空的评估有两大类方法：一是基于f w d 实测弯沉进行比 较，用板角弯沉断面图、实测弯沉与理论弯沉比较、n c h r p 法等手段进行脱空评 定；另一类则是用实地验证的方法进行评定，包括量测唧泥体积、钻孔、移开面 板、注入环氧树脂等方法。美国现有路面养护规范所采用的就是n c h r p 法：实测 弯沉，建立板角处弯沉一荷载关系图，如果测位无脱空，则图中曲线将在坐标原 点附近与弯沉轴相交；而当该曲线与坐标轴交点离原点较远时，则说明混凝土板 下脱空存在。 国内传统的脱空评定方法有：1 ) 外观评定法；2 ) 实测弯沉与理论计算弯沉比较 评定；3 ) 驶近、驶离板角弯沉比较法等。但是这些方法均很难确定板下脱空的面 积。当前比较适合的方法为落锤式弯沉仪( f w d ) 与路用探地雷达( g p r ) 无损检测法， 两者都有简便实用、具有现场、快速、无破损等特点，很有实用前景。 探地雷达工作时，雷达发射机产生高频电磁脉冲的发射信号。发射信号经由 第一章绪论 空气到达道路表面时，一部分信号会透射道路表面继续向下传播，另一部分信号 会被反射回来。这样，透射的电磁波在路面结构中继续传播，每遇到4 i _ j 的结构 层，就会在层间界面发生透荆和反射，各层间界面的反射波即可合成为回波信号。 反射回波由雷达接收天线接收，并采用采样技术将其转换为数字信号处理 3 2 1 。 g p r 检测法与f w 9 检测法相比更具有可连续性检测的特点，不过有文献资料表 明g p r 对脱空区高度在5 c m 以上的人脱空识别程度比较高，对高度小于5 c m 小脱 空的识别程度不高1 ，两者可同时进行比较来评定刚性路面板下的脱窀状况。 近年来，义兴起几种新的脱空判定方法： 一种是基于集成神经网络的脱空判定方法，它是通过有限元法建立地基脱空 的混凝土路面计算模型，采用信息事例理论的集成神经网络技术对脱窀进行识别 数值模拟结果表明，采用这种识别方法合理地选取了各种输入特征向量，具有较 好的识别效果口”。 另一种是基于遗传算法的脱空判定方法，它是利用有限单元法建立了可考虑 接缝和地基脱空的刚性路面位移计算模型。模拟生物进化过程，利用遗传算法建 立r 反演路面结构层模量的方法。最终提出了判定刚性路面板角( 边) 脱空面积的 迭代方法，利用落锤式弯沉仪( f w d ) 实测板中弯沉盆数据反演模量，根据反演结果 计算板角( 边) 的理论弯沉值，对比理论与实测弯沉值确定地基脱宅面积，修正地 基接触状况重复上述计算过程，直至计算结果收敛】。 还有一种是卢振法，它通过激励被测试路面板产生的声波来研究混凝土路面 板脱空与声学特征变化的关系，利用有限元方法分析有、无脱空混凝土路面板的 振动频率，根据谐振频率的降低的数量来判定脱空面积的大小j 。 这些方法的可靠性和实用性也有待进一。步验证。对于己脱空的水泥混凝土路 面必须及时采取修补措施，以防止板体出现断裂和破碎。混凝土路面脱空后，将 会造成板的断板、破碎等病害，一般工程上采用在路面板钻孔，板底压浆的加同 方法。它具有快速方便、经济实用、对交通影响小等优点，灌入的浆体在板f 硬 化后，可以恢复板体与基层的连续性，有效的改善板体的受力状态。浆体大多采 用流动性好、干缩性小的水泥净浆、水泥粉煤灰或掺入外加剂的水泥浆。目前许 多资料和工程实际中，都广泛的采用了压浆加固技术对脱空路面进行修补”，国 内对压浆课题的研究也有很长一段时间，公路养护技术规范对水泥压浆施 作 了较明确的规定，公路水泥混凝土路面养护技术规范对水泥路面板块脱空处治、 唧泥处理过程中的板下封堵也有更详细的说明。压浆施工在我国混凝土路面葬护 中已大量使用并取得了髓好的效果。但从大量的工程实践可以看出，胍浆要取得 第一章绪论 4 良好的效果，必须对各关键环节进行细致研究。面板脱空位置的确定、眶浆材料 的性能、压力大小、控压时间等均需严格控制，否则不但浪费人力、物力，而且 可能造成路面的进一步破坏，水泥面板容易产生新的裂缝，扩大旧的裂缝，路面 使用性能下降直至迅速破坏。 1 。3 本文的研究内容和技术路线 当混凝七面板下产生脱空后，采取压浆或封底是一种有效的修复措施，但这 应当以准确评定脱空状况为基础。从国内外对脱空的研究情况可以看出，应用f w d 作为无损检测的设备在脱空评定中己取得了很多成果”q ，人都只是在几条试验路 上的结果，各专家意见很不一致，各种方法未得到广泛认同，并均未完全解决问 题。本文对板底脱空的评定方法进行进一步的理论研究，仍采用f w d 作为脱空评 定的手段。 本课题以广西科研项目水泥路面早期破坏与防治技术研究为依托，从脱 空分析入手，利用已有成果，在分析重复荷载作用下，接缝传荷系统工作规律的 基础上研究板底脱空评定理论与方法。进行压浆材料研究制各、压浆施工工艺、 质量控制与检测的研究，结合实验路进行压浆后路面的观测和压浆效果分析。 本文的主要研究内容如下： 1 脱空成因及危害分析：分析造成脱空的各种影响因素，并分析脱空的危害性； 2 探讨重复荷载作用下，接缝传荷系统工作规律； 3 确定板底脱空评定指标，建立脱空评定方法； 4 研究和制备压浆材料，包括其配合比及性能； 5 压浆施工工艺的研究，研究压浆方法及深度的确定： 6 压浆后路面的观测和压浆效果评价。 第二章水泥混凝土路面板的脱空分析 第二章水泥混凝土路面板的脱空分析 2 。1 脱空的机理及影晌因素分析 水泥混凝上面层板具有很大的刚度，对路基的强度要求不高，因此在路基支承 均匀的情况下，面层板可直接设在路基上。然而车轮荷载作用于路面上时面层板 会产牛弯沉变形，也会使路基产生一定量的塑性变形。板在荷载驶离后恢复原状 而路基则残留这部分塑性变形不能恢复原状。虽然荷载每次作用后路基所残留的 塑性变形量很微小，但数百万甚至数千万次作用后的累积量并不小。荷载作用于 路面板上不同部位所产生的弯沉量不同，板角隅处大于板边缘处，而板f 1 1 部的弯 沉量最小。由于不同的部位板的弯沉量有差异，路基的累计塑性变形量也不同， 在板角隅下为最大，板边缘下次之，板中部下晟小。这样，在板角隅和板边缘处 就形成了板底同路基顶面问的脱空口w 。 脱空意味板失去了部分支撑，势必显著增加板内的弯拉应力。同时，水泥混凝 j 二路面存在接缝( 有时还有裂缝) 和自由边缘。路基因降雨等原因有时处于浸润状 态，此时，在车轮荷载作用下路面板与基层之间会产生高压水流，从而侵蚀基层 表面。这就是冲刷作用。在车轮荷载作用下，含有基层材料的颗粒成分的压力水 从路面的板的接缝或裂缝处喷h 通常称为唧泥或泵浆。这种现象一旦发生，路 面板就会局部失去基层的支承作用而产生断裂及错台，降水会沿缝隙下渗，并积 滞在上述脱空区内。车轮驶过时，后方板的边缘或角隅先向下弯沉，将脱空区内 积滞的水挤向前方；而后车轮行驶到前方板上时又将水挤向后方。行车速度较 快，积滞水受到挤压的前后流动速度很高，路基材料在高速水流的作用下很易受 冲刷。而积滞水也变成了含有细粒土的泥浆，在车轮和面层板弯沉变形的作用下， 泥浆沿接( 裂) 缝自由边缘冒出。泥浆冒出意味着路基受冲刷，细粒土被带出，岗 而脱空区扩大，板的支承条件更加恶化，在荷载作用下极易产生断裂( 纵、横向或 角隅) 损坏。同时，车轮驶往前方板时，带有细粒土的泥浆以高速向后方板的脱空 区喷射，使部分细粘土沉积在该脱空区，从而使后方板块抬高，形成了接缝处相 邻两板边缘的竖向商差，这种病害称为错台。错台的出现加剧了路面的彳：平整恶 化了行车的舒适性。 第二章水泥混凝上路面板的脱空分析 2 1 1 脱空的机理 水泥混凝土路面板脱空属于路面的结构性损坏。通过大量的调查分析，板底 脱空的机理可概括为冲刷机理和溶蚀机理。 冲刷机理及其对脱空发展的影响 混凝土面板板底与基层之间存在层间水，在行车荷载作用下水分迁移，同时 产生水压力，在压力水作用下，水分通过微裂缝向基层材料内部渗透，自由水的 存在减短半刚性基层材料微裂区尖端的韧带高度，孔隙水的存在减弱了韧带的作 用，从而降低半刚性基层材料的断裂能，加速基层的疲劳破坏“”。 混凝土面板与基层之间存在接触界面，接触界面是一个窄小的缝隙。为了减 少混凝j ：面板收缩变形和温度变形导致不规则开裂，路面板设有纵、横向缩缝和 胀缝，施工时还设施工缝，采用密封材料按规定的深宽比密封，以防止水进入路 面板底。在温度应力作用下，由于路面板伸缩和翘曲变形，导致接缝张开与闭合， 接缝的位移量分布很不均匀，有些张开很大呖有些不会张开，使得密封总是不可 靠。根据国内外大量调查和试验，混凝土路面接缝即使进行严格密封，水还是可 以进入路面结构内部 1 z l 。水可以从接缝、路肩和中央分隔带进入板底，还可以沿 道路纵、横坡方向流动，接缝密封只能减少水分进入量，不能隔绝全部水分。水 的渗入为冲刷基层创造条件。 路面板底与基层之间不产生粘结，面板可滑动时，作用于基层表面的摩擦应 力为： f = r h f( 2 1 ) 式中，y 为混凝土容重，h 为面板厚度，f 为摩阻系数。于水泥稳定加固基层 上最大摩阻系数测定结果“”初次单向为t 4 0 - 1 1 0 ，同复为0 , 7 0 - 0 6 5 。面板厚 为o 3 0 m 时，估计基层项面受到的摩擦应力约为5 0 k p a 。 动水压力分析结果及有关文献的现场实测结果为3 0 5 0 k p a 。可见，摩擦应力 比动水压力低约一个数量级。 在摩擦应力和动水压力作用下，基层表面会产生磨损。基层表面磨损后，在 动水压力形成的拖拽作用下，颗粒被搬动，从接缝驶入搬运到驶离端，导致驶入 端沉陷，驶离端抬起，形成典型的路面错台。 冲刷破坏过程是摩擦损耗、水分对基层材料的软化、胶结材料与集料之问的 界面脱粘、动水压力搬运的过程和结果。 通过对广西水泥混凝土路面的脱空状况调查发现，易产生冲刷的条件为：( 1 ) 因荷重作用板的弯曲变形反复发生：( 2 ) 路面结构中有水存在；( 3 ) 使用的基层材 料易产生冲刷。 第二章水泥混凝土路面板的脱空分析 因此为防止冲刷，应采取如f 措施：横缝处设滑动传力杆，路肩铺筑混凝 i ：扳；车道混凝土板之间设拉杆等以减小混凝七板的弯曲变形：根据法国的调查， 由于接缝填料不良，降雨时路表水的6 0 侵入路面结构层，并从基层流向路肩。通 常路肩容易滞留水，故沿路肩的路面板易产生唧泥。为此应在路肩下用透水性 材料设置排水装置。 溶蚀机理及其对脱空发展的影响 1 ) 路面基层材料溶蚀现象 基层材料浸水强度比标准湿养强度低，浸水软化将大大降低基层材料的强度 ( 浸水抗拉强度比浸水抗压降低更多) ，导致基层表面抗磨损和抗冲刷能力降低。 即使采用贫混凝土基层，浸水软化也不可避免。 半刚性基层材料在动水压力作用下会产生溶蚀，无论基层材料是水泥稳定材 料、二灰稳定材料还是石荻稳定材料，在路面使用不一定时间后，从混凝土路面 板的接缝处唧出白浆，白浆的c a ( 0 h ) z 含量较高。说明在水流作用下，基层材料 产生c a ( o h ) 2 流失。 2 ) 基层材料的溶蚀机理 半刚性基层材料的强度形成机理”4 1 有离子交换作用、火山灰反应、水泥水化 作用、石灰碳化作用和机械咬合作用等。石灰稳定类材料的强度主要是交换作用 的结果；_ 灰稳定类材料的强度形成主要有离予交换作用和火山灰反应，其中火 i l i 灰反应起主导作用；水泥稳定类材料的强度形成有离子交换作用、水泥水化作 用，掺有粉煤灰时还有比较明显的火山灰反应。 离子交换作用靠液相中离子浓度维持其稳定性，火山灰反应和水泥水化作用 靠维持液相中的c a ( o h ) ：浓度保持水化产物的稳定，如果水流作用降低液相中的 离子浓度或溶出c a ( o h ) 2 ，基层材料将发生溶蚀。c a ( o h ) 2 在纯水中溶解度为 1 2 3 0 m g l ，在半刚性基层材料中，液相处于c a ( o h ) 2 过饱和状态。起离子交换的石 灰，以石灰一粘土团结构结合，这种结合是不稳定的，在流水作用下这种胶团 结构很容易受到破坏，石灰及细料可随着水流失。 流水作用下，基层材料中c a ( o h h 逐步被溶出，液相中石灰浓度降低，开始 由c a ( o h ) 2 溶解加以补偿，在一定的c a ( o h ) 2 溶液中，稳定的水化产物开始分解， 主要是水化硅酸盐和水化铝酸盐的分解，导致强度降低，最后变成无胶结能力的 s i 0 2 n h 2 0 和a 1 ( o h ) 3 。 根据表面络合理论”】，羟基化的颗粒表面形式为：s o h 、s ( o h ) 2 、s ( o h 2 ) o h 、 s ( o h ) 3 、s 2 ( o h ) 和s 3 ( 0 h ) 。扩散控制的溶蚀速度为“”： 第二章水泥混凝上路面板的脱空分析 ，= _ a c = k t 72 ( m o l s ) ( 2 - 2 ) d l c = c o + 2 k t ”2( 2 3 ) 式中：k 为速度常数；c 为浓度；c o 为初始浓度。 表面控制的溶蚀速度为： ，：竺：k t ( t 0 0 1 s )( 2 _ 4 ) c t c = “+ 2 k t( 2 5 ) 其它影响因素： 通过对广西水泥混凝士路面脱空状况的调查发现，脱空的产生除上述两种机 理外，还受以下因素的影响： 1 ) 车辆荷载的作用 由于车辆荷载的作用，大部分行车道( 重载卡车居多) 在运行3 - - 5 年后，混凝 土路面纵、横接缝便破坏变成贯穿裂缝，从而加剧了地表水的冲刷“。 2 ) 结构设计 路基承受路面传来的荷载，并通过路床和路堤进行传递和扩散，如果设计的 路基不稳定，出现不均匀沉陷，基层将随之变形而致使面板产生脱宅。路基设计 不仅应具有足够的强度、稳定度和耐久性，还须对地面水和地下水采取拦截或排 出路基以外的措施，正确选择路基的干湿类型，使路基始终处于干燥或一l 湿状态。 基层设计的优劣直接关系到路面的使用品质。设计厚度不足，解决不了水稳 性不良或防冻的问题，选料不当起不到透水和均质的作用。例如水泥、石灰等无 机结合料稳定细粒土基层，这种结构的基层不仅易于干缩开裂，造成反射裂缝， 而且水稳性和温稳性较羞，抗融性和防水冲蚀性不良，经雨水浸泡和冰冻作用， 土基松散变软，强度降低，产生不均匀沉降；由于基层强度偏低，且含细粒料较 多，破坏后容易从板缝唧出。这种结构的混凝土路面使用一段时间后，基层表面 凹凸不平，形成板底脱空。 路基、路面的积水是形成道路多种病害的首要因素，路基路面排水不畅，被 水浸泡，荷载作用下，板底的积水变成有压水进一步冲击、携带松散粒料沿板缝 冲出，产生唧泥，是板底脱空的直接原因。而由于认识上的局限，许多混凝土路 面的设计没有意识到综合排水的重要性，没有考虑设置妥善的排水设施，未能将 路基和路面水及时排除，给水浸入基层提供了机会。 3 ) 施工质量 由于公路线路通过的区域工程地质条件的差异，纵段常为割线设计。大部分 为填、挖方路基，也有半填半挖及零填、浅挖路基，使得路基的均匀性控制施工 第二章水泥混凝土路面板的脱空分析 十分困难。明涵、桥梁提前的修建使得路基碾压设备无法靠近涵擘和台背。这些 客观因素的存在，导致填方段路堤工后不均匀沉降量增加，造成搭板下脱空。 施工控制是保证工程质量、提高路面使用质量的重要环节。施工中选用材料 的优劣、施工季节的选择、合理利用施工机械、施工丁艺和施工方法等方面都直 接必系着水泥路面面板的使用寿命，而精心施工对避免和预防混凝土路面的脱窑、 断板尤为重要。 保证路基压实度足够、均匀是基础，在填挖相交断面处、桥涵构造物附近压 实机械难以施工处、不同填料的交界面处，都是压实的薄弱点，在路面使用过程 中，由于水温条件的变化和行车荷载的作用，路基产生不均匀沉降，水泥混凝七 板底脱空也在这些位置发生。 基层施工质量不好，强度不均匀或较低，使用巾基层松散或在渗水作用下， 材料被吸往一边，面层便产生脱空。 4 ) 养护管理水平 由于对水泥混凝土道路的“持久耐用、养护要求不高”片面理解，认为水泥 混凝土路面可“一劳永逸”，使得水泥混凝土路面的养护工作滞后。 水泥混凝土面板接缝填料的养护至关重要，填缝料经慑时间之后发生老化， 逐渐失去防止雨水_ f 渗功能，晟终脱落，如不及时更换、补灌，雨水下渗加剧， 侵蚀冲刷基层，基层细料沿接缝缝隙喷出，唧泥现象不断产生，面板边缘脱卒而 失去支撑。 水泥混凝上面板出现微裂缝时，如果不及时进行封填处理，也为水的侵入增 加r 途径。 加强养护工作，及时发现、处理问题，可以避免和减少水泥混凝土面板脱空 的产生。 2 2 脱空面板的应力分析 板底脱空的出现使水泥路面局部板体失去了支撑，面板的受力形态发生了显 著的变化，在轮载作用下，过早地发生破坏。因此有必要对板体的脱空形态进行 棉应的力学分析，特别是研究在轴载作用下脱空板内应力的变化规律。以便于从 理论上提出有效的预防和改善措施。 脱空板的形态可能极其复杂，不可能进行详细的剖析。下述分析将根据脱空 的特点，从偏于安全的角度对脱字面板进行力学建模，并结合轴载及交通的特点 进行讨论。 第二章水泥混凝土路面板的脱宅分析 2 2 1 脱空模型的基本假设 ( 1 ) 路面板角( 边) 出现脱空后，脱窄部位即失去支撑； ( 2 ) 当轮载作用全脱空部位时，受力模式模拟为悬臂板进行分析 ( 3 ) 轮迹按圆形模拟； ( 4 ) 临界荷位为板角部位，脱字面的最远端。 2 2 2 弯矩及应力分析 1 0 将坐标原点置于板角处，x ，y 两轴与板的两边重合，两板边的脱空长度分别 为l x 、l y ，如图2 - i 所示，m n 为脱空临界面，即板底o m n 部分发生脱窄 图2 1 扳角脱空示意图 一一x 假定轮载接触应力为p ，轮迹半径为r ，圆心坐标e 为( 1 0 ，y o ) ，可得圆心e 脱空临界面m n 的距离为 扣而l y 茜( 母- y o ) - x o 】 ( 2 蜘 h 2 + 印2 母 当脱宁不仅限于板角时，如图2 - 2 所示，面板的两对边分别出现l l 、k 的脱 宅，则轮迹圆心e 到脱空临界面m n 的距离为： d = ( 2 7 ) 群 第二章水泥混凝士路面板的脱空分析 y x 囤2 - 2 板边脱空示意图 可求得轮载对m n 脱空面的弯矩为 m=pf 。d e ( d p c o s ) p d p = p a r2 d ( 2 8 ) 以上分析可知，轮载在脱空区产生的弯矩与脱空尺寸、轮载火小有关。如果 脱空部位有多个轮载作用，脱空临界面产生的总弯矩为各单轮产生弯矩的总和。 即各弯矩的线性迭加，m = f 肘，。 由弯矩可求得脱空临界面上的应力 俨警。6kkfpmzdh l * h 1 l v w ” ? 其中l m n 为脱空临界面的长度，当脱空出现于板角时，h = h 2 + 勿2 ； 脱空出现于板边时，l = ( 厶一l 2 ) 2 + 6 2 。磁为偏载和动载等凼素对路面疲劳 损坏影响的综合系数，其值与公路等级有关，参照公路水泥混凝土路面设计规 范j t gd 4 0 2 0 0 2 ，可按表2 - 1 取值。珞为疲劳应力系数，与交通等级有关，可 参考表2 2 取值。 表2 - ! 综台系数k c 取值参考表 公路等级高速公路一级公路二级公路三、四级公路 i 综合系数k 1 3 01 2 51 2 01 1 0 表2 - 2 交通分级及疲劳应力系数埒取值参考表 交通等级特重重中轻 设计车道标准轴 载累计作用次数 2 0 0 0“) o 一2 0 0 03 一l o o 2 6 0 7 2 1 9 8 吨6 0 71 8 0 0 屹1 9 8 4 5 644 8 - 45 636 4 4 8 75 6 48 3 75 6 46 6 叫8 3 9 5 480 4 95 465 9 g 0 4 1 l2 4 94 8 1 12 4 77 6 94 8( 77 6 由表2 - 3 可知，当板角脱空为1 o r e io m 时，在1 0 0 k n 单轴双轮荷作用f ， 若板体弯拉强度为5o m p a ，在各交通等级中，均不会发生破坏。当脱空扩人为2o m 2o m 时，特重、重交通作用下将产生破坏。当脱空进一步增至3o m 3 o r e 时， 在轻交通作用下也将会发生破坏。 2 ) 2 0 0 k n 单轴双轮轴载作用 计算参数：轮迹圆半径r = 0 1 15 m ，轮迹净间距0l m ，轮载接地压力为 p = l2 m p a ，当脱空面积变化时，应力计算按轮载是否位于脱空部位计。计算结果 见表2 4 。 第二章水泥混凝上路面板的脱空分析 表2 - 4 不同脱空尺寸、交通等级条件下的荷载疲劳j , v j j ( m p a ) 、 交通等级 脱空尺、j ( m ) 特重 重 r 扣轻 纵边脱空横边脱空 ( l x ) ( l y ) lolo 9 8 i82 98 l67 8 - - 8 2 7 1 30 293 3 一1 30 276 4 , - - 93 3 1 8 4 41 55 5 1 84 41 27 3 【55 5 2 l7 31 85 0 2 17 31 51 5 1 85 60 9 5 1 3 “0 942 0 5 1 3 85 672 2 85 6 59 l o2 2 1 05 388 8 1 05 372 7 88 8 l l9 41 0 0 7 - 1 19 4 82 4 1 00 7 73 6 62 0 73 650 8 62 0 2 88 72 43 4 2 88 71 99 3 2 43 4 1 43 61 21 0 1 43 6 99 1 1 21 0 1 97 71 66 6 1 97 71 36 5 1 66 6 2 74 72 31 6 2 74 71 8 9 6 2 31 6 3 53 42 98 0 3 53 42 44 0 2 98 0 2 44 0 计算结果表明，4 0 0 k n 双轴双轮轴载在脱空部位产生的极大，远远超出设计 应力值，所有交通等级的路面在两纵边各产生0 5 m 的脱宅时，都将产生断板破坏。 2 3 小结 1 脱空形成的机理主要有冲劂机理和溶蚀机理； 2 板下脱空的形成除冲刷和溶蚀机理外，还受车辆荷载作用、结构设计、施