路面修补技术分析.docx

路面修补技术分析杜木伟 吕聪正 张会华(长安大学 道路施工技术与装备教育部重点实验室，陕西，西安 710064)摘要：裂缝是路面病害的一种主要形式，路面一旦产生裂缝，其破坏效果是相当严重的。裂缝出现后，面板受力更加不均，产生坑槽等大的病害，最终使路面承载力大大降低，因此，对公路路面裂缝的形成机理及其修补技术进行研究，有非常重要的意义。本文主要探讨了裂缝形成的原因及其破损形式，同时，对各种路面修补技术进行了细致而深刻的分析，这有利于为路面的养护与维修提供依据，完善施工质量，提高路面寿命。【关键词】裂缝；路面修补技术；破损形式0 前言自改革开放以来，我国经济的发展极其迅速。在各行各业中，交通运输业的发展尤其迅速，而公路事业作为交通运输业中的支柱产业，发挥着越来越重要的作用。截至2011年底，我国的高速公路总里程达8.5万公里，交通运输业保持了较快增长。然而，我国公路事业由于资金、技术等原因，发展势头较弱，尤其是公路路面早期病害的出现，更是在降低路面性能的同时，制约了其他行业的发展。在路面早期病害中，裂缝是最为严重的一种，裂缝的出现，严重破坏了行车安全，影响了交通运输业的发展，进而减缓了我国经济的发展速率。因此，对裂缝形成机理和修补技术的研究，对带动其他行业的发展，进而加快经济发展具有极其重要的意义1。1 裂缝形成原因（1）超载现象严重近些年来，我国公路行业发展迅猛，二级公路和农村公路总里程已位居全国前列。然而，路面病害却频频发生，导致公路寿命急剧降低。其中，路面出现早期损害的一个最主要的原因就是车辆超载。有关资料显示，在我国的公路运输行业中，超载现象普遍存在，其在严重损坏路面，降低公路使用寿命的同时，也成为公共安全的一大隐患。以我国某段高速公路为例，超载现象对路面的损害直接表现在右半幅重载车辆较多，病害严重，左半幅空载车较多，路面完好。长期车辆超载，导致路面出现微小裂缝，路面承载力下降，即裂缝周围路面传递载荷和力的能力下降，这样，导致路面受力不均，加剧了裂缝的形成和扩张。见图1.1。（a）微小裂缝传力较小 （b）较大裂缝不能传力图1.1 不同裂缝传力情况（2）温度变化剧烈裂缝是路面病害的一大类，而温度变化则是产生裂缝的主要原因。众所周知，水泥水化放出的热量在浇筑后的早期，主要集中在混凝土的内部，混凝土内部温度升高膨胀，外部却遇冷收缩，混凝土内部和表面温差极大，在这种情况下，将会导致应力的产生，即温度应力，该种应力随温差的变化而变化。混凝土除了受温度应力以外，还有其自身的约束应力，包括抗拉强度，抗压强度等。当混凝土自身约束应力小于其所受的温度应力时，就会出现裂缝。随着时间的延长与车载的变化，裂缝逐步扩张，由细变粗，甚至贯穿路面。（3）排水设施不完善当路面的排水系统设施不完善时，会导致有些路面表面无积水，然而路面板下却积水严重，且时间较长，在这种情况下，路基长期被水浸泡，路基的稳定性和强度大大下降。其次，边沟填料不均匀或老化也是一个重要因素，如不及时处理，地表水就会渗入，路面寿命大大缩短。此外，路面结构设计不合理也是造成路基及路面板积水的一个原因。综上所述，要控制路面病害发生，应完善其排水设施，如及时清理排水沟，防止路基被水浸泡，又如，选择不易老化，性能较好的填缝料，防止地表水渗入，确保路面，路基干燥。（4）路面厚度不够在进行路面厚度设计时，常常以累计轴载量作为设计依据。而实际上，高等级公路的实际轴载量总是大于其设计轴载量，其主要受超载因素，气候因素等的影响。此外，还应该考虑路面的疲劳损坏，这是与公路交通量息息相关的，而并不是仅仅以设计作为依据。同时，施工单位由于受资金限制，往往给出一个大致设计方案，导致实际弯沉值远远大于设计值，路面的实际承受能力在短期内达到极限，因此，在载荷的作用下，路面必然开裂。这说明，路面厚度不够是路面病害产生的又一原因。（5）材料质量不良及配合比不当裂缝是路面早期病害的主要形式，前面提到，当外界温度变化所产生的温度应力大于混凝土自身的约束应力（抗拉强度与抗压强度等）时，会出现裂缝，而混凝土材料性能及配合比则直接影响着其抗拉强度。水灰比不当，骨料种类不合适，水泥用量不当，含砂率不当等都会使混凝土配合比不当。虽然多数单位在动工以前，都进行了筛分实验，但样品的油石比，级配比随地点，时间，气候的变化还是会发生变化，因此，由于材料质量不良及配合比不当，混凝土的强度达不到要求，路面渐渐产生不规则裂缝，严重影响路面寿命。（6）其他原因在路面的长期使用过程中，沥青会出现老化现象，这也是导致路面出现网状裂纹的主要原因。同时，在施工过程中，路面压实度不均匀，路面病害出现后没有及时治理，未及时填缝也会加速裂缝的产生。另一方面，基层质量不可靠，施工过程偷工减料，路面养护方法不当等都是路面出现早期病害的原因2。2 裂缝按破损形式分类（1）龟裂图2.1 路面龟裂龟裂也称为网裂，指路面形成的裂纹形状犹如乌龟壳上的花纹，通常多边形短边长度不会超过40cm。在某些情况下，路面有纵向排列的裂缝，虽然没有形成网状，但因其距离较小，也称为龟裂。龟裂的成因与交通载荷量密切相关，它是由于路面受力产生的挠度和变形量过大，且在车辆载荷的交叉反复碾压下，路面出现疲劳损坏的一种裂缝形式。龟裂常见于行车道，并且其初期的微小裂纹对路面行车影响不大，但随着时间的延长，尤其是在雨雪天气，地表水通过龟裂进入路基，造成裂缝的进一步扩张。同时，在路面载荷的反复作用下，龟裂的轻微裂纹加速扩展，最终减弱路面强度，破坏路面稳定性，从而形成大的坑槽，对行车安全和舒适性产生严重的影响。因此，应尽量避免路面龟裂的出现，切实可行的方法有：对路面均匀压实；控制车辆超载；在公路通车的初期，对路面进行预防性养护；采用抗老化性能较好的沥青材料等，从而避免龟裂发展成大的裂缝或坑槽。龟裂情况见图2.1.（2）块裂图2.2 路面块裂裂缝呈现大规模网状，且多边形短边长度超过40cm，并存在明显棱角。它是由于铺设在路面的沥青混合料产生老化，失去弹性，或者混合料里含大量亲水性集料和低针入度沥青而造成的。在低温环境下沥青混合料产生收缩断裂，或在车辆载荷的反复作用下产脆裂，从而细微裂纹扩张，形成大块网状，即为块裂。同样，这类裂缝也会导致地表水渗入路基，严重降低路面强度和使用寿命。块裂见图2.2。（3）纵向裂缝此类裂缝不同于前面介绍的龟裂或块裂，此类裂缝多沿车辆行驶方向，一般不是网状或块状分布，而是单根出现在行车道或超车道上。纵向裂缝不再是细微裂纹，长度较长，可达20米以上，有时甚至可达到5060米。此类裂缝产生的主要原因是地表水渗入地下，当程度较轻时，车道上会出现单根纵向裂缝，当程度较为严重时，就会有双根甚至多跟纵向裂缝出现，且裂缝分布范围较大，遍布于各个车道。同时，若路基在施工过程中没有被有效地压实，或路面材料的纵向接缝施工质量不完善，都会导致路面被水侵害，最终出现纵向裂缝。纵向裂缝占据了裂缝种类的一大部分，而且对路面的危害极大，因此，应有效治理纵图2.3 路面纵向裂缝向接缝。由于渗水导致路面出现细微纵向裂缝是可以接受的，但裂缝随时间延长和载荷交替产生大范围的扩张，贯穿，最终形成大的纵向裂缝，则是严重影响通车安全和路面使用年限的。纵向裂缝见图2.3。（4）横向裂缝图2.4 路面横向裂缝此类裂缝也表现为单根裂缝，但多沿垂直行车方向分布，此类裂缝的产生是由于横向接缝未能完善处理，或者路堤或地基沉降不均匀造成的。此外，温度的急剧变化也是产生横向裂缝的一个主要原因。众所周知，沥青混合料是一种热胀冷缩性材料，冬季温度剧烈下降，会产生巨大的温度应力，而这种应力产生的应变远远超出沥青混合料的极限拉应变。这种因沥青混合料收缩应力产生的裂缝是横向裂缝的一种。除此之外，环境温度剧烈变化，温度应力会出现在沥青面层中，进而产生温度疲劳裂缝。这类裂缝始于沥青面层，逐渐向深处扩展，最终形成了下窄上宽的裂缝。见图2.4。（5）反射裂缝反射裂缝就是下铺层的裂缝向上扩展，最后穿透面层，变为外部的裂缝。其本质是由于下铺层材料所受的应力超过材料的极限应力所致，加铺层是反射裂缝的高发带，反射裂缝成因见图2.5。图2.5 路面加铺层产生发射裂缝成因裂缝（6）滑移裂缝滑移裂缝与纵向裂缝一样，都是沿行车方向，不同的是，滑移裂缝又称U形裂缝，一般呈新月状。此类裂缝是在车辆加速、减速、转弯或刹车的情况下产生的，此时车辆受到的水平力突然增大，导致路面出现U形裂缝。如果车辆加速引起滑移裂缝，则U形顶端（裂缝末端）指向车的后方，反之，若车辆减速引起滑移裂缝，则U形顶端指向行车方向。滑移裂缝的产生是由于沥青面层与底层粘结性不理想，导致底层接收不到面层传来的强大水平外力，从而使路面产生裂缝，出现病害。3 裂缝修补技术3.1 传统裂缝修补技术3.1.1 开槽灌缝修补技术开槽灌缝修补技术采用路面开槽机对裂缝进行开槽，开槽宽度一般以将裂缝两侧的松动部分全部除去为宜，开槽深度不小于1 cm，加热、清理裂缝及周围，然后用专业灌缝材料灌入缝中，并保证路面表层贴封宽度不小于5cm，厚度不少于12mm。其施工流程如下：原材料机具准备开槽吹缝清缝机清缝吹缝除潮灌缝小米石撒布成型。1）开槽：按照排查结果，首先找到所要开槽的缝的某个指定区域，进行封道处理。由开槽熟练工人操作机器进行照缝开槽，槽宽和开槽刀同宽为15，槽深亦控制在152。2）清缝处理：开过槽之后，槽底有严重的灰粉聚结情况，需要用清缝机进行清缝，清缝机所配备的毛刷与槽等宽，这样就能将附着在槽底及槽壁的浮尘从路面上清理下来。经过清缝机处理之后，附着的灰尘要用吹风机将其吹干净，缝清理干净之后，还要进行除潮，除潮的方法是采用液化气喷灯烘烤的方式进行，为灌缝做好准备。3）灌缝：待清缝完毕后，灌缝机也将灌缝胶加热到150时，就可以进行灌缝了，操作者一定要熟练，灌缝时的程度一定要控制好，做到满而不浸，恰到好处，这是控制好外观质量的重中之重。灌缝的同时，后边紧跟着用与路面颜色接近的玄武岩石英砂均匀撒布在胶体上，使其外观和路面最大程度的接近，将胶体冷却后，方能进行通车。4）质量控制要点：在施工过程中，保证其质量是尤为重要的，现将质量控制要点归纳如下：1）保证开槽深度，不能太浅，也不能太深，控制在152。2）清缝要干净彻底，用吹风机吹缝时，要来回两次，保证槽底及槽壁灰尘被吹干净，保证胶体和路面槽内结合牢固。3）灌缝要控制好饱满程度，做到满而不浸，恰到好处。4）灌缝后要立即撒布玄武岩石英砂，且要撒布均匀。5）灌缝时的速度应均匀，以保证裂缝内的灌缝胶均匀。6）在开槽之前，应保证裂缝中心线与开槽中心线在同一条直线上。3.1.2 裂缝贴宽缝带修补技术贴宽缝带是裂缝修补的另一种行之有效的方法，它可以对公路表面的裂缝进行防水处理，裂缝不需开槽，清理完成后，直接粘贴在裂缝处。该产品的成分是高分子聚合物，黏贴效果较好，同时施工工艺简单，方便快捷，开放交通时间较快，缝带也不会黏贴轮胎，造成事故的发生。其施工工艺如下：1）清缝：同开槽灌缝一样，贴宽缝带之前，先要用吹风机或清缝机对裂缝内部及周围进行清理，以防杂质存在，影响施工效果。2）贴缝：当裂缝小于10mm时，仅需对裂缝进行清理后，即可揭去贴缝带的塑料薄膜，将粘面粘贴在裂缝处，用脚踏实贴缝带后即可马上开放交通。当裂缝大于10mm时，还需用材料对填入裂缝中，清理后，将粘面粘贴在裂缝处，用脚踏实或用橡皮锤敲实，目的在于使路面层无空隙，保证施工质量，之后即可马上开放交通。3）质量控制要点：该种技术尽管工艺简便，易于操作，但施工过程中的质量控制也是不容忽视的，现将其要点归纳如下：1）清缝机对裂缝内部及周围要进行反复清理，清理面积应大于等于所贴宽缝带面积。2）在对宽缝带进行加热时，应保证加热均匀。根据施工天气状况，加热温度应有相应调整。3）路面贴上宽缝带之后，用小锤敲实。对于单向行车道，宽缝带处于行车方向的一侧，敲击时间应稍长于其他位置，对于双向行车道，宽缝带两侧敲击时间都应稍长。4）施工应尽量选在晴朗无风的天气。5）当路面裂缝倾斜度较大时，应调整宽缝带位置，尽量使宽缝带覆盖大部分裂缝面积。3.2 高渗透液态灌缝修补技术高渗透液态灌缝技术是一种新型的灌缝技术，它通过原材料和催化剂之间的化学反应来把裂缝填满，原材料中的化学材料在发生反应的时候，可以有效的膨胀，靠自身的膨胀把裂缝灌满，从而达到灌缝的效果，同时还可以根据灌缝施工的具体要求，调整原材料的配比，从而达到控制灌缝材料硬化时间的目的3。本技术施工工艺简单，灌缝之前无需开槽，将灌缝料直接灌入缝中即可，其具体工艺流程如下：1）封闭工作面：各种标志标牌要摆放规范整齐，缓冲区、安全区及工作区长度要符合规范要求，并配专人进行负责保通工作；2）淸缝：首先用钢刷对裂缝处刷2-3遍，然后用空压机清除裂缝内杂物，至没有松动杂物为止；3）涂刷介面剂：裂缝清除干净后，用刷子进行涂刷介面剂，宽度在2以内，涂刷要均匀。目的是防止裂缝内的水分和灌缝料接触而发生反应和增加灌缝料和路面之间的粘结力；4）灌缝料的配制：首先要把外加剂按比例加入A料中，然后把A、B两种材料按合适配比通过液压泵注入灌缝机的容料斗内，由于高渗透灌缝材料在常温下就可使用，因此不需点火，加热导热油。直接驱动搅拌装置，对A、B两种混合料进行搅拌至均匀，大约10秒钟即可。配制成品料的量应以裂缝的长度而定。5）灌缝：灌缝料配制结束后，用预热后的软管将喷出阀与灌缝喷枪（或注入棒）连接起来，打开主阀和喷出阀，进行灌缝。根据裂缝宽度不同，选用不同的灌缝设备进行灌缝。对于3mm以内的裂缝，用灌缝喷枪进行注入；对于37mm或7mm以上的裂缝，用注入棒进行注入。灌缝料应尽量灌入缝内，灌缝料应粗细均匀。原则上要求成品料在5分钟以内用完。6) 质量控制要点:高渗透液态灌缝技术作为一种新技术，其施工工艺的质量控制还有待研究，笔者仅对其质量控制要点概括如下:1）每次原材料购进时，每批次要随机抽取材料进行原材料试验，试验内容包括试块（渗透性和粘结力）、在当时的温度和湿度下加不同的催化剂材料的固化时间等。2）在配制成品料时，要严格控制A、B两种原料的比例及外加催化剂的比例。3）每次在成品料拌合时，要控制拌料的数量，成品料保证在3-5分钟之内用完，以保证成品料的流动性，提高施工质量；拌料时，材料的颜色应调的和路面颜色一致。4）在施工过程中，裂缝中的杂物要彻底清除，保证灌缝料和路面之间有足够的粘结力。5）在灌缝过程中，灌缝枪的枪头应沿裂缝行走，灌缝料要尽量注入裂缝内，材料上面应和路面相平或略低于路面。6）灌缝料应尽量的细，在灌缝枪移动过程中，枪头要放在批灰刀或料斗内，以免灌缝料漏出，造成路面污染。外观应顺直平滑；当灌缝枪内的灌缝料出现气泡或发生反应时，灌缝料要抛弃不能再使用。7）实际施工中，成品料的每米用量不得超过设计数值（30克）的2%。8）施工结束灌缝料固化后方可开放交通，以免行车将灌缝料带走。9）清除废料时，要在路面以外进行，以防止污染路面和火灾发生。10）灌缝要得到良好的外观形象，灌缝外形宜成线，不宜成带。特别是不能高出路面影响行车舒适性，这就要求施工人员在灌缝过程中，宜欠不宜饱。11）高聚物在进行A、B料混合反应时对水分是相当敏感的，当雨后缝内潮湿时，不能进行正常施工。12）灌缝料渗透性较好，510分钟后应进行二次补灌。3.3 硅酮耐候密封胶灌缝修补技术用密封胶灌缝工艺取代传统的沥青灌缝工艺，处理沥青路面裂缝，是目前公路养护技术的一大改进。近些年，国内外相关部门在密封胶的性能研制和材料选择上，开始有了大的改进和突破，硅酮耐候密封胶以其较好的延展性，耐老化性能，防水性以及稳定性成为灌缝密封胶的首选。硅酮耐候密封胶在常温下呈膏体状态，它的化学基质材料是硅酮，另外还加入了稳定剂等添加剂。这种密封胶耐腐蚀、抗老化性能都较好，是路面裂缝修补的一种较为优良的材料。该项技术的工作原理是：在190200高温时，密封胶在液态条件下与沥青路面紧密粘结，待一定时间后，路面冷却，密封胶却仍能保持良好的弹性。裂缝出现后，密封胶靠其胶结作用，对路面起到密封作用，防止雨雪渗入，从而对裂缝起到好的修补效果4。硅酮耐候密封胶灌缝施工工艺有两种，一种是原路面密封胶灌缝（不需开槽，直接灌注密封胶）即贴封工艺，另一种是沥青路面或混凝土路面开槽后，用密封胶密封即开槽密封胶灌缝，为了保证较好施工效果，一般选用开槽密封胶灌缝，其具体工艺流程如下：1）按规定摆放警示标志，标牌，锥形标等。2）根据路面裂缝走向，施工人员沿路面裂缝开出规整槽口，槽口的宽度及深度根据路面裂缝的宽窄而定，正常情况下，槽口的宽度及深度应为1.25cm1.75cm和1.5cm2cm（注：原路面密封胶灌缝不需此步）。3）先用钢刷将缝边缘松动粒料刷掉，然后清缝机把槽内的灰尘和杂物清除，最后用肩背式吹风机，将槽内的碎渣及裂缝两侧至少20cm范围内的灰尘，彻底清扫干净。4）若地表温度低，为保证密封胶和路面能很好的结合，应用火枪对清理干净的裂缝槽口进行烘烤加热处理，使路面温度达到20。C以上方可灌缝。（夏季施工可省此工艺）。5）将密封胶加入专用的灌缝机内加热，保证加热到188。C199。C范围内时，将加热好的密封胶，及时用灌缝机灌入烘烤过的槽缝内，平整度3mm。6）及时向灌注过的槽缝撒些0.5cm1cm米石、矿粉，以防止通车后汽车轮胎将未完全冷却的密封胶，黏带脱离裂缝。硅酮耐候密封胶灌缝相比普通密封胶灌缝，其施工情况较好，但还是要注意其质量控制要点，以期达到最佳施工效果，笔者仅总结出了以下几个方面：1）施工时密封胶的温度应达到193，但不能超过204。 2）槽口尺寸应满足最低设计要求，即宽度1cm，深度1.3cm。3）灌缝前，应保持槽内及两侧绝对清洁。4）路面潮湿和温度低于4都会降低密封胶的黏合力，容易脱落，因此，施工时的路面温度应保持在4以上，否则应进行预热。5）开放交通前，应保证密封胶有足够的冷却时间。3.4 高聚物化学压浆裂缝修补技术高聚物化学压浆技术选用两种液态高聚物作为原料，经过加热、加压，在压进注浆孔之前混合，然后通过钻孔压入路面基层空洞处，这两种高聚物混合后，发生化学反应，产生丰富的泡沫，然后凝固，成为坚固的泡沫状固体。其强度可达到7Mpa以上，从而达到填补空隙，加固路基的作用。高聚物压浆技术的优点在于，它不同于以往的普通压浆技术，填充路面脱空区域时，仅仅依靠压浆压力，而是还依靠高聚物材料发生化学反应后本身的膨胀性产生的压力。由于高聚物材料体积膨胀可达20倍，故其压浆耗费的人力，财力，物力大大减少，因此，相对于普通压浆技术，化学压浆具有更大的优越性。另外，前面提到路面的反射裂缝，是路面病害中较为严重的一种。对于高速公路出现的反射裂缝，也可以采用高聚物化学压浆的方法进行治理，并且经过大量实践，也确实证明了此种方案可以非常有效的治理路面裂缝、基层脱皮等病害。压浆技术的原理：利用能够穿透面板的岩土机具钻孔，同时保证高压，将水泥灰浆液压入孔中，以充填，渗透的方式，挤走基层裂缝、板底空气，积水，而浆体占据此部分空间，经过一定时间的人工控制，浆体将松散颗粒胶结成一个良好的“结石体”，从而达到加强板底基层松散处的密实度，有效排除路基内泥浆和积水，充实板底脱空，改善板底受力状况，使其均匀传递载荷的目的。压浆材料应具有较好的稳定性和强度，而且浆体粘度低，流动性好，且浆体固化后与混凝土，岩石的粘结性较好。此外，浆液对路面混凝土，注浆设备等应无污染，易清洗。常用的压浆材料是由水泥，粉煤灰，外加剂以一定比例复合而成，另外为避免浆体发生干缩现象，可在压浆材料中适当添加一定量的膨胀剂。压浆材料配应以经验值为准，也可根据实际情况具体调整。该项修补技术的施工工艺流程如下：交通控制损坏路面定位标记注浆孔位置注浆前检测钻注浆孔下注浆管安装注浆头注浆开放交通注浆后检测验收。高聚物化学压浆技术是路面裂缝修补的又一种新技术，在今后的研究工作中，要结合实际情况多观察、多思考，总结其施工质量的控制要点，力争完善施工工艺，提高施工效率。现归纳出