（道路与铁道工程专业论文）水泥混凝土路面面板脱空判定及压浆治理方法研究.pdf

摘要 水泥混凝土路面出现脱空等病害时，若养护不及时、养护技术不规范，会造 成路面病害的迅速蔓延，严重影响到了路面寿命和车辆的安全运营。因此有必要 对水泥混凝土路面脱空治理技术进行研究，使其能够有效的治理路面脱空，提高 道路的路用性能。 目前最先进的路面无损检测设备为落锤式弯沉仪和路面雷达测试系统，国内 外的研究主要是是基于这两种设备进行脱空判定方法的开发与应用。本文在对目 前常用的脱空判定方法总结的基础上，通过雷达和f w d 进行实地测定，对夹角法、 弯沉差判定法及路面雷达判定法进行了脱空判定准确度的比较，对夹角法进行了 修正。并对弯沉差判定法提出了合理的板角( 板边) 与板中的弯沉差值。 压浆工程要求压浆材料具有流动性强、早强、微膨胀等性能，而砂浆流动性 能对其固化后的耐久性、强度及力学性质等很大的影响。本文首先从砂浆的流动 性能入手进行分析研究，考虑水灰比、砂灰比、减水剂、粉煤灰掺量对砂浆流动 性能的影响，并通过砂浆立方体抗压试验及干缩性能试验提出了压浆材料的配合 比范围，并针对路面不合理的排水系统提出了改建意见。 板底压浆是治理混凝土面板脱空的有效方法，本文通过f w d 和路面雷达系统 对混凝土路面板进行了检验，提出了水泥混凝土路面脱空判定的方法；开展了砂 浆材料稠度、抗压强度等试验，结合理论研究成果，提出了砂浆配合比、压浆工 艺要点以及脱空检验的方法，对压浆工程有一定的指导意义。 关键词：水泥混凝土路面；脱空；雷达；落锤式弯沉仪；压浆材料；流动性能 a b s t r a c t w h e nt h ec e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n ta p p e a r sd i s e a s e so fv o i d ，e t c ，m a i n t e n a n c ei s n o tp r o m p t l y , t h et e c h n o l o g yo fm a i n t e n a n c ei sn o ts t a n d a r d ，i tw i l lb em a k et h er e s u l t o ft h a tt h ep a v e m e n td i s e a s e sw h i c hh a v ea l li m p o r t a n ti n f l u e n c eo np a v e m e n tl i f ea n d v e h i c l e s s e c u r i t yo p e r a t i o ns p r e a do u tq u i c k l y t h e r e f o r e ，w eh a v et h en e c e s s i t yt o s t u d yt h et e c h n o l o g yf o rc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n tv o i d - c o n t o r lt oe n a b l ei t se f f e c t i v e g o v e r n m e n tt ot h ev o i da n de n h a n c e st h ef u n c t i o n a lp e r f o r m a n c eo f t h er o a d t h em o s ta d v a n c e de q u i p m e n to fn o n d e s t r u c t i v ei n s p e c t i o no fp a v e m e n ti st h e f a l l i n gw e i g h td e f l e c t o m e t e ra n dt h ep a v e m e n tr a d a rt e s t i n gs y s t e mp r e s e n t l y t h e r e s e a r c hi sm a i n l yb a s e do nt h e s et w ok i n d so fe q u i p m e n tt od e v e l o pa n da p p l yt h ev o i d d e t e r m i n a t i o nm e t h o d sa th o m ea n da b r o a d t h r o u g ht h er a d a ra n df w dd e t e r m i n e so n t h es p o t ，t h ea r t i c l ew h i c hm a k eac o m p a r i s o no nt h em e t h o do fa n g l e ，f w da n dt h e r a d a rc r i t e r i o nf o rt h ea c c u r a c yo fv o i dd e t e r m i n a t i o na c c u r a c y , h a sc a r r i e do nt h e r e v i s i o nt ot h ei n c l u d e da n g l el a w , a n dp r o p o s e dt h er e a s o n a b l e v a l u eo fd e f l e c t i o n d i f f e r e n c ec r i t e r i o no fs l a ba n g l e ( f l a n g e ) ，b a s e do ns u m m a r i z ev o i dd e c i s i o nm e t h o d w h i c hi sc o m m o n l yu s e dp r e s e n t l y g r o u t i n gi s a ne f f e c t i v et r e a t m e n tt oc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n tv o i d ，t h i sp a p e r b a s e do nm o t a rc o n s i s t e n c y ，c o m p r e s s i v es t r e n g t ht e s t ，c o m b i n i n gt h e o r e t i c a lr e s e a r c h r e s u l t s ，p r o p o s e dm o r t a rm i x ，g r o u t i n gp o i i l ta n dv o i dt e s tm e t h o d i tc a ng u i d et h e g r o u t i n gw o r k s 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 ；g r p ；r a d a r ；f a l l i n gw e i g h td e f l e c t o m e t e r ； g r o u t i n gm a t e r i a l ；f l u i d i t y 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：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 或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：撇 日期：洲年6 月” 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。 本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部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汇编本学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行信 息服务( 包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留在其 他媒体发表论文的权利。 学位论文作者签名：已舀白袋 日期：列9 年6 月歹日 指导教师签名： 日期：别口年 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n k i 系列 数据库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规定 享受相关权益。 学位论文作者签名：弓南汝 日期刊口年6 月1 日 指导教师签名：幢斗蹰 日期：f 。年6 月卅日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 水泥混凝土路面应用现状 水泥混凝土路面具有材料来源广泛、稳定性好、施工工艺较简单、工程费用 较低、结构强度高、养护费用少、使用寿命长等特点，是高等级路面结构的主要 形式之一1 吲。 2 0 世纪2 0 年代以来，许多欧洲国家修筑了大量的水泥混凝土路面，特别是在 高速公路中，许多国家都采用水泥混凝土路面作为主要的路面形式n 4 1 。例如比利 时由于具有较为发达的钢铁和水泥工业水泥混凝土路面的比例居欧洲之最，在交 通量不大的道路上也采用混凝土路面。1 9 8 6 年，在不同等级公路中混凝土路面占 1 6 卜5 8 ，高速公路中占3 6 。7 0 年代初开始，连续配筋混凝土常常作为高速公 路的路面，1 9 8 1 年以后，所有的高速公路都采用了连续配筋混凝土。另外，德国 在1 9 6 0 年以前及近年来修建的高速公路几乎都采用水泥混凝土路面。 我国从上世纪八十年代起，水泥混凝土路面得到了迅速发展，1 9 8 0 年全国水 泥混凝土路面的里程仅有1 6 0 0 公里，到2 0 0 6 年底，全国水泥混凝土路面总里程 已超过6 0 万公里，约占高级路面的6 5 。虽然我国水泥混凝土路面持续高速发展， 但存在的问题依然不少。如水泥混凝土路面结构损坏现象十分普遍和严重， 很多 地区的水泥混凝土路面，在开放交通的3 5 年后，断板率就高达2 0 以上，不但 没有体现出水泥混凝土路面使用寿命长，养护费用低的优点，反而使其维修困难 的弱点进一步凸现。 水泥混凝土路面不同于沥青路面，一旦开始出现局部破坏，若维修保养不及 时或养护不当，病害发展蔓延非常迅速，严重影响到车辆的安全运营。出于这种 情况的考虑，近些年来，水泥混凝土路面结构形式的发展有减缓的趋势，有些省 市行政主管甚至明令限制水泥混凝土路面在高等级干道中应用，这种现象已经严 重制约水泥混凝土路面技术的正常发展。造成上述现象，除与公路建设和管理部 门“重建轻养 、养护管理观念淡泊及对载重车辆的超载超限控制不力等主观因素 有关外，水泥混凝土路面的养护技术不成熟、不规范也是非常重要的原因之一。 1 2 问题的提出及研究目的 交通作为国民经济的基础，其发展状况直接影响国民经济发展的速度，而在整 个交通运输系统中，公路又是基础中的基础。我国公路修建水泥混凝土路面已有 几十年的历史，其中早期修建的水泥混凝土路面更是己接近使用年限，维修养护 第一章绪论 工作的任务越来越重。特别是近些年，随着巾场经济的发展，交通荷载的日益重 型化，交通量的大幅增长，加快了路面的损坏。鉴于目前水泥混凝土路面的现状， 提升养护观念和水平已经刻不容缓。 水泥混凝土路路面常见的病害有脱空、断裂、破碎等。在现今使用的混凝士路 面中，脱空现象比较普遍，由于脱空而造成的路面板的破坏成为路面板断裂的主 要原因。混凝土路面板是刚性结构，而路基基础是弹塑性体。在实际运营过程中， 由于车辆荷载的重复作用，基础将产生一定的塑性变形，使混凝土板的局部不再 与基础保持连续接触，即混凝土板下局部出现脱空，这对混凝土板的受力是极为 不利的，在荷载的作用下，脱空部位的边缘会产生应力集中现象，再加上重车交 通的荷载重复作用，板角产生裂缝，如不对其进行有效治理，板角裂缝将会进一 步发展，导致板角断裂，影响路面的行车状况。如图1l 所示。 囤11 脱空导致路面破坏 f i g1 1t h ed e s m a e f i o no f p a v e m e n t c a u s e d b y v o i d 对于己脱空的水泥混凝土路面必须及时采用修补措旋，以防止板体出现断裂和 破碎。通过现场调研发现，很多水泥混凝土路面在发生由脱空引起的进一步病害， 如裂缝、断板等的情况下，有关部门并未采取有效的治理措施，严重影响了水泥 混凝土路面的使用效果。如图1 2 所示。 压浆就足一种常用的修补手段，它具有快速方便、经济适用、对交通影响小 等特点；压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 板体受力状态。目前许多资料和工程实际中，都广泛采用了压浆加固技术对路而 进行修补。 目日f 用于治理水泥路面板脱空的压浆材料品种繁多、参差不齐，压浆效果并 不是很好，很多路面板在经过压浆处治后2 、3 年内出现再次脱空或面板断裂的情 况，严重影响到了道路的路用性能，折损了水泥混凝土路面的寿命，造成巨大的 经济损失。究其原因，主要有咀下几方面： 第一章锗论 圈12 路面不规范治理 f i g 12 i r r e g u l a r p a v e m e n t n e m 脱空判定标准不统一，目前对于脱空混凝土面板脱空的判定方法很多，近 几年来，国内外对于水泥混凝土路面的脱空进行了大量的研究和试验，得出的一 些结论大多是建立在水泥混凝土面板无损检测的基础上，但是目前尚未形成统_ 的判定标准； 压浆材料的选择不合适。压浆材料的选择是压浆工程的基础，只有选择正 确的压浆材料，才能够保证压浆治理的效果，而很多工程是根据已有经验法来进 行压浆材料的配合比设计。针对目前水泥混凝土路面脱空现象严重，制约了其发 展的情况，这种纯经验性的配合比已经不再适合； 注浆工艺不规范，注浆质量不过关。很多工程在注浆不密实，且质量评定 标准过分单一，无法对注浆质量进行科学有效评价。 路面排水系统不合格、水泥面板嵌缝材料性能差。水泥板脱空的主因是嵌 缝料失效后有水进入面板底部，而此时的面板与路面基层之间由于常年的车辆荷 载作用已经有一定的空隙，在水进入面板与基层的空隙而不能及时排除后，车辆 的作用使面板中的水对基层材料产生冲刷，造成脱空的加速。因而，如何使水能 够得到有效控制，减少水分进入水泥混凝土路面结构内部，是控制脱空发展的关 键因素之一。 针对以上水泥混凝土路面现状及存在的问题，本文主要从板底脱空判定、压 浆材料、压浆工艺及压浆后的质量评定方面进行研究，对压浆各个环节进行细致 分析，提出种可靠的的压浆施工工艺，寻找出一套严谨科学的质量评定方法， 以期压浆对路面的补强达到最佳效果。 4 第一章绪论 1 3 国内外研究概况 1 3 1 脱空判定研究 一直以来，对于如何检测混凝土路面板的脱空没有很好的办法。国外学者对 板底脱空的评估有两大类方法畸。7 3 ：1 、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；2 、用实地验证 的方法进行评定，包括两侧唧泥体积、钻孔、移开板面、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，如果侧位无脱空，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，则说明混凝土板下面存在脱空。国外对这一课 题的研究颇为重视。但几乎所有的评定方法都是建立在f w d 实测弯沉的基础上来 评定、检测脱空。 国内有学者隅1 也在板底脱空方面做了很多工作，得出的主要结论有：l 、当脱 空发生在板边、角时，荷载响应应受基础脱空的影响非常显著；传荷能力e ，较小 时，有可能是地及脱空所至，巨，较大时，则不一定无脱空存在；地基脱空与否及 脱空尺寸，不影响混凝土板体变形性质，即n c h r p 法并不是普遍方法；4 、脱空与 传力变化对弯沉盆有同样影响效果，将两者区分不易；5 、可能的脱空大都发生在 驶离板的板边、板角处。 近些年来，随着电子、激光、微波、计算机等技术的发展，利用这些新技术 进行道路检测已达到一个崭新的、全自动的新水平，对于路面状况和质量的检测 也进入了连续、无破损、电子自动化、计算机应用的新阶段，针对结构内部脱空 的检测也出现了一些新的技术手段，如雷达测损技术、超声波路面探伤技术，落 锤式弯沉仪检测技术等。 探地雷达是利用高频电磁脉冲波( i o m h z - - 1 0 0 0 m h 或更高) 以宽频带短脉冲形 式由发射天线送入地下，该雷达脉冲在地下传播过程中，遇到不同电性介质交界面 时，部分雷达波的能量被反射回地面，被接收天线接收，数据采集系统记录返回时 间和路面结构中的不连续电介质常数的突变情况。路面各结构层材料的电介质常 数明显不同，因此电介质常数突变处也就是两结构层的界面。根据测知的各种路 面材料的电介质常数及波速，则可计算路面各结构层的厚度或给出含水量、损坏 位置等资料田j 帕。相比较与我国公路路面厚度测试传统的采用钻孔测量芯样厚度的 方法，给路面造成损坏或留下隐患，而探地雷达测试系统是一种非接触、非破损 的路面厚度测试技术，它可以检测公路结构层厚度及识别脱空，进行压实度及含 水量的评价等。探地雷达具有探测速度快、非接触、非破坏性、分辨率高、可直 接获得地下剖面图、可进行数据的实时成像处理、检测费用低廉的特点n 。 第一章绪论 5 超声波探伤田1 是一种成熟的测量技术，被侧物体或结构被夹在两个探头间，用 所测波速与标准波速比较判断结构物内部的情况，但道路路面是半无限体，探头 无法埋置，用表面法检测时超声波对路面的最佳发射角a 也很难确定，影响了探 头接受的能量，超声波探伤在路面检测在路面中的应用尚在探索与发展中。 落锤式弯沉仪( f w d ) 在美国的道路检测中应用较为广泛，九十年代中期引入 我国，如今在我国高等级公路检测路面弯沉中已得到推广应用n2 ”1 ，用于检测混凝 土路面的脱空还处在研究阶段，落锤式弯沉仪也是运用弯沉值这一指标来进行混 凝土路面板脱空评定的。其用来判定脱空的方式也是多种多样。 文献口钔提出了由板角弯沉断面图进行脱空评定的方法，即由f w d ( 或其他动力 弯沉仪) 实测一定荷载下砼板的板角弯沉，绘制弯沉断面图，并选择稍大于最小 弯沉的板角弯沉值作为面板均匀支承的标准弯沉值，当实测的板角弯沉大于此标 准时，则说明砼板下存在脱空。此方法存在两个不足之处：标准板角弯沉值难 以确定；如果各接缝的荷载传递情况变化较大时，这一弯沉断面法将导致错误 的结论。文献口朝的研究表明，将由f w d 实测的板角弯沉瓯与理论计算弯沉蘸进行 比较，可评定砼板下的脱空状况，当疋 蘸时，说明砼板下存在脱空。但此方法中， 用于计算嚣的结构参数不易确定，且当地基均匀支承时，皖也不一定就等于蘸。 1 9 9 7 年张宁、李雁在大量分析缝边、板角实测荷载弯沉曲线特性的基础 上，提出了以第一传荷状态临界荷载及其对应弯沉为评定指标的脱空评定方法， 并编制了适合工程实际应用的脱空评定系统软件n 们。1 9 9 8 年曹东伟、胡长顺根据 弹性地基板计算的近似梁法，经过计算与分析，提出了采用板中弯沉值与板边弯 沉值之比判断板底脱空现象的方法口 。2 0 0 1 年应荣华、张起森在通过对广东某路 段旧水泥混凝土路面状况进行调查和检测的基础上，应用f w d 实测弯沉盆，采用 实测弯沉盆曲线和路表弯沉盆评定混凝土板下基础刚度参数来进行脱空状况判定 1 8 】 o 2 0 0 3 年王陶、王复明等运用有限单位元建立了可考虑接缝和地基脱空的弹性 地基板位移计算模型：根据系统识别方法，建立了接缝地基板弹性模量的反演分 析方法；最终提出了利用f w d 实测板中弯沉盆数据反演面板与地基弹性模量，根 据板角( 板边) 弯沉值判定地基脱空面积的迭代方法n 引。同年，王陶利用有限单 位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，利用遗传算法建立了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( f i 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 定地基脱空面积啪。 对于f w d 应用于脱空检验的方法比较多，后文将着重论述。总之，国内外现 6 第一章绪论 有的分析研究表明，要准确有效的进行混凝土板下地基脱空的评定是很困难的， 目前比较有效的方法大都是通过雷达和f w d 对道路进行脱空判定。 1 3 2 压浆材料研究 常用的水泥路面板底压浆材料分为有机类、无机类以及有机类和无机类的复 合物，有机类主要是以含碳有机化合物为基体通过有机合成和反应加工成的链状 或网状有机材料，如环氧树脂材料、聚氨酯材料等；无机类不含有机化合物，主 要是在物理、化学作用下，从浆体变成坚固的石状体，如各种水泥浆类；有机一 无机复合物采用有机材料和无机材料进行复合而成，据不同用途决定配比。目前 应用较多的是无机类压浆材料，主要是水泥浆类，无机类压浆材料已在工程中广 泛采用。 目前压浆材料的研究主要集中在材料的流动性、早强性、抗压强度、膨胀性 能等方面。同时压浆材料应具有优良的施工性、硬化后的高强度及良好的耐久性 三方面性能，在这三个方面中，优良的施工性能与其他两方面既互相排斥，又相 互依赖。强度高和耐久性好，要求水灰比低，用水量小；施工性能好，要求流动 性大，用水量大，水灰比高。但同时，施工性能优良，压浆后密实、充分，硬化 后的混凝土强度越高，耐久性才会越好。由此看来，压浆材料很重要的一点是协 调好水的关系。没有水当然不行，水太多，砂浆质量大大下降；水太少，会影响 砂浆的流动性，造成压浆不密实，所以用水量成了压浆材料很重要的一个问题。 而仅仅考虑水对砂浆的流动性造成的影响是远远不够的，砂浆配合比中的其他掺 量也影响着浆液的流动性。同时，有研究表明：砂浆是一种复杂多相的混合物， 也是一种同时具有粘、弹、塑性的复合材料。从加水开始就发生水化反应，随着 浆体的水化而凝结硬化，体系的粘、弹、塑性在不断地演变，从开始时的以粘塑 性为主逐渐向粘弹性发展。其中我们把以粘塑性为主的状态称为新拌砂浆阶段， 以粘弹性为主的状态后者称为硬化砂浆阶段。而硬化后的强度、耐久性等物理力 学性能的变化主要由其结构变化造成。而结构变化，包括孔结构、胶孔比、裂缝 出现和它的发展、结构的形成和发展都决定于新拌阶段的流动性能口羽。由此看来， 砂浆的流变性能是研究砂浆性能的基础。因此，砂浆流变性能就成了研究砂浆所 不可缺少的一门科学。 流变学是研究物体流动和变形的科学。1 9 2 9 年美国的e c b i n g h a m 教授创立 流变学会，流变学就正式成为- f 独立分支学科。2 5 1 。它属于力学范畴的一个分支， 普遍应用于研究各种金属和非金属材料、各种有机和无机材料。它不同于力学， 在研究流变和变形规律时，必须联系到物体机构中质点之间的相对运动，因此必 须联系到物体内部的结构和性质另一方面，流变学也是研究物体在外力作用下产 生的随时间发展的变形和应力的关系科学；流变学也是研究物体在外力作用下发 第一章绪论 生的弹、粘、塑性演变的科学，还包括时间因素的考虑，因此流变学还需确定物 体在外力作用下某一瞬间的应力应变定量关系心副。 砂浆流变学就是研究水泥浆和砂浆的粘、弹、塑性演变的动力学和影响流变 规律的各种因素，从浆体中的各相共同作用出发，从整体来窥测浆体新拌阶段不 断变化的规律。砂浆流变学还意图把工作性作为能够以基本单位度量的物理量表 示出来，最终分解为长度、质量、时间等，以求出能表征材料物性，而在各种变 异条件下可供比较的流变参数。流变参数将以基于物理基础的科学分析、预测取 代笼统的经验规律。目前，随着对砂浆施工要求的不断提高和电子化的迅速发展， 砂浆工艺不能只停留在经验性的基础。因此，从混凝土和砂浆的流变性理论上的 配合、突破十分迫切。 砂浆流变性能的研究是砂浆工作性研究自然地延伸和发展。早期砂浆拌合物 工作性的研究采用工程的处理方法( 又称经验性方法) ，这使砂浆工艺取得了一定 的进展。但随着减水剂出现和应用后，拌合物的流变性得到很大的提高，同时拌 合物的稳定性有所降低，使用传统的经验方法已经不符合需要。目前专门对砂浆 工作性及流变性能研究不多，大多试验方法是从水泥净浆试验方法的基础上改进 而成的。更多学者把主要精力用在混凝土或水泥净浆的工作性能的研究上。 目前常用的砂浆流变性试验方法有以下几种： 砂浆流动度试验啪1 跳桌流动度乜7 3 是我国国家标准g b t 2 4 1 9 - 2 0 0 5 采用的测定水泥胶砂流动的方 法，因此使用最为广泛。该方法以在跳桌上经过2 5 下跳动的水泥砂浆扩展度为参 数。但是跳桌试验只适用于低流动性的砂浆，无法评价大流动性砂浆。 徐永模等人啪3 使用跳桌流动度试模，依照g b 8 0 7 7 2 0 0 0 中水泥净浆流动度方 法测定砂浆流动度，发现该方法能很好地判断减水剂的饱和掺量和砂浆的稳定性。 但从流变学角度看，此试验仍属单点试验，不能测粘度等流变特性。 砂浆稠度试验 砂浆稠度试验啪3 是我国建筑工程技术规范j g j 7 0 一9 0 用于测定砂浆稠度的试验 方法，该方法主要应用于建筑砂浆工作性的评价。砂浆稠度值是在不同剪切速率 时砂浆表观粘度的综合反应。该试验只适用于塑性和中等流动性的砂浆，对于硬 性砌筑砂浆和大流动性砂浆均不能很好的测定和评价。 根据j t j 0 4 1 - 2 0 0 0 公路桥涵施工技术规范中的水泥浆稠度试验方法可对大 流动度砂浆进行稠度测定，该测定步骤如下：首先，将拌合好的砂浆装与漏斗内， 同时将漏斗阀门关上，当砂浆装至一定体积时，打开漏斗阀门，砂浆自然流出， 记录砂浆从开始流出到完全流出所经历的时间( s ) 。 m a r s hc o n e 砂浆试验 8 第一章绪论 法国的l a r r a r d 对a i t i c t 提出的m a r s hc o n e 进行了改造( 上口直径1 5 5 m m ， 高2 9 0 m m ，下部细管高1 0 m m ，口径可调) ，使之适用于砂浆试验。测试方法与水泥 净浆类似，测定的是砂浆的流出时间。但徐永模豫8 1 指出该方法用于测定饱和掺量 带有任意性，同时该方法不能评价砂浆的稳定性。 彭杰对m a r s hc o n e 进行改造，把试验改造成两点试验，通过测定在不同流速 时浆体水力高度代表的剪切力，建立流变方程，得出两个流变参数：屈服应力和 塑性粘度u 。该两点试验方法进一步完善将使我们基于砂浆流变性设计砂浆的工 作性成为可能，但是试验方法主要用于测定大流动性的砂浆，同时试验方法还存 在改进的地方。 旋转粘度计试验 旋转粘度计试验是试验室内测量砂浆流变参数最为直接的方法。试验使用测 定在两个同轴圆筒中的砂浆在不同剪切速率下产生的剪切应力，进行线性拟合， 求出其屈服应力和塑性粘度。 1 3 3 板底压浆研究 早在1 8 0 2 年，法国土木工程师查理士贝里尼( c h a r l e sb e r i g n y ) 就发明了“注 浆法 ，至今已有一百九十多年的历史。1 9 8 5 年美国联邦公路管理局在路面修 复守则中提出了水泥混凝土路面板下封堵技术的具体规定，法国养护策略系统 提出采用压浆方法处治水泥混凝土板的唧泥现象。 我国公路水泥混凝土路面养护技术规范( j t j 0 7 3 1 2 0 0 1 ) 规定了压浆处 治的布孔方法、压浆材料和压浆工艺。国内学者在板底脱空压浆技术方面也做了 很多工作，深入研究了压浆材料和压浆土艺，并且在旧路改造工程中加以实践验 证。压浆技术中最为关注的问题有：压浆材料的选用、压浆孔位的布置、压浆压力 的选择、压浆工艺控制等方面。 1 4 本文研究内容 本文研究内容主要分为以下三部分： 对脱空判定进行现场测定和结果分析，比较各种脱空判定方法的准确性， 并对夹角法判定水泥面板脱空的方法进行修正； 压浆材料是压浆治理的入手点和关键，压浆材料合格，才有利于压浆工艺 的实施，如果关键材料选择不当，很容易造成压浆不密实，形成面板再次脱空。 砂浆的流动性能对其硬化后的强度和耐久性有重要的影响，随着施工机械化的发 展，砂浆流变性能研究显得十分重要。本文从砂浆的流变性能入手，通过试验对 砂浆配合比进行设计，以期得到一种流动性好、强度高的压浆材料； 第一章绪论9 压浆技术在路面脱空处理中已广泛开展应用，但是在很多工程实际中压浆 效果并不好，很多水泥路面经过压浆处理后1 2 年后出现再次脱空的情况，究其 原因，还是压浆质量不过关，很多工程压浆不密实，无法使浆液充满脱空区域。 在前两部分研究的基础上，通过对压浆工艺及压浆后的质量评定。提出一套科学 充分的质量评价体系；针对水泥路面产生脱空的主因一有水进入，此时水会使基 层模量发生变化，从而接缝处基层塑性变形增大，当车驶离前板驶进后板时，后 板中的水会对前板的基层产生冲刷作用，导致脱空加速。对水泥混凝土路面排水 系统提出改进意见，使其能够有效的阻止水进入水泥混凝土路面结构内部。 第二章水泥混凝土路面脱空的机理及判定 第二章水泥混凝土路面脱空的机理及判定 2 1 脱空形成的机理 水泥混凝土路面在实际使用过程中，由于车辆荷载的重复作用，板下基础将 产生一定的塑性变形和唧泥，致使混凝土板在局部范围不再与基础保持连续接触， 即为板下脱空。大量的试验表明，服务中的混凝土路面，基础的局部脱空现象是 客观存在的，脱空多分布在混凝土路面的缝边板角下、桥头搭板及明涵台背下一 级暗涵上部与路面板之间的区域内。从脱空规模来比较，一般混凝土路面的缝边 板角下、暗涵苫布与路面板之间的区域内一级明涵台背下以及桥头搭板依次不断 增大b ，1 6 埘1 。 2 1 1 脱空形成的机理 现场浇注的混凝土，由于水泥浆下渗，使得板与基础之间形成具有一定抗剪 能力的整体材料，但受温度的影响，板要收缩，反反复复的作用模式的水平抗剪 能力下降；同时板内温度的非线性分布，引起板向上或向下翘曲，加速了板与基 础之间的分离；再加之车轮荷载的重复作用使得板底基础发生了微小的塑性变形， 于是水泥混凝土路面板底与基层之间出现微小的孔隙，即原始脱空区。 混凝土面板具有很大的刚度，对路基的强度要求不高，因此，在路基支撑均 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 板会产生弯沉变形。由于办的弯沉会使路基产生一定的塑性变形，板在荷载驶离 后恢复原状，而路基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却很大。 荷载作用域路面板上不同部位时，所产生的弯沉量不同，板角处大于板边缘处， 而板中部的量最小。由于不同的部位板的弯沉量有差异，路基的累积塑性变形量 也不同，在板角下为最大，板边缘次之，板中部最小。这样，在板角和板边缘处 就形成了板底同路基顶面间的脱空。脱空就意味失去了部分支撑，势必会显著增 加板内的弯拉应力。 混凝土路面板会受到环境温度的影响，产生很大的温度应力，为避免板的断 裂或拱起，设置了纵缝、横缝。在自然环境下，正是由于纵缝、横缝的存在，水 的入侵时不可避免的。在重载车辆的作用下，车轮使得后板回弹时形成真空这种 负压进一步将水泵入已形成的原始空隙中，随着混凝土板下水的积累，基础材料 趋向于自由水饱和状态。在重型车频繁的作用下，移动荷载引起的水动压力，使 得某些未经处置的细粒料和联结较弱的胶粒料受到冲刷，并随着水的被挤出而被 带出，这些液体就形成了唧泥现象，如图2 1 所示m 1 。 第二章水泥混凝土路面脱空的机理及判定 细科由于抽吸i i 堆积 图2 1 唧泥形成示意图 h g 2 1f o r m i n gs c h e m a t i cd i a g r a mo fs p u r t i n gs l u r r y 这种现象一旦发生，路面板就会局部失去基层的支撑作用而产生断裂及多台， 减水会沿缝隙下渗，并积滞在脱空区内，车轮驶过时，后方板的边缘或板角先向 下弯沉，将脱空区内积滞的水挤向前方，而后车轮驶到前方板上时，又将水挤向 后方。由于行车速度较快，积滞水受到积压后流动速度很高，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，泥浆沿接缝或裂缝边缘冒出，细粒土不断被带出，脱空区扩 大，板的支撑条件更加恶化。对于刚刚形成唧泥的板来说，只是产生在缝边及板 边缘的局部范围内，随着唧泥的进一步发展，混凝土路面板下的基础材料由于被 挤出带走，地基就不能给路面板以完全的支撑，这样周而复始，恶性循环，最终 导致路面的损坏。 2 1 2 影响脱空的因素 地基的问题 地基不稳定或不均匀支撑，可能在下属情况下出现： 1 ) 膨胀性粘土( 包括液限大于4 0 ， 土) 的不均匀收缩和膨胀变形； 2 ) 不均匀冻胀。季节性冰冻地区， 湿条件变化； 塑性指数大于1 0 的很高、高和中液限粘 土质不均匀( 对冰敏感性不同) ；路基潮 3 ) 软弱地基的不均匀沉降； 4 ) 填挖交替或新老路基交替段； 5 ) 调料不匀质，压实不均匀或压实度不足； 第二章水泥混凝土路面脱空的机理及判定 施工的原因 由于公路路线通过的区域工程地质条件的差异，纵断常为割线设计，大部分 为填、挖方路基，也有半填半挖及零填挖路基，使得路基的均匀性控制施工十分 困难。 明涵、桥梁提前的修建使得路基碾压设备无法靠近涵壁和台背，这些客观因 素的存在，导致填方路堤工后的不均匀沉降量增加，容易造成搭板下脱空。 地表水冲刷 路基因降雨等原因，有时处于浸润状态。于是，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。这种现象一 旦发生，路面板又会因为局部失去基层的支撑作用而产生断裂与错台。 车辆荷载的作用 由于车辆荷载的作用，大部分行车道( 重载卡车行驶段居多) 在运行3 5 年 后，混凝土路面纵、横接缝便破坏成贯穿裂缝，从而加剧了地表水的冲刷。 2 1 3 结论 板下脱空。是由于先期施工时没有控制好路基的均匀性，使得施工后产生 过大的不均匀沉降量所致； 由于车辆荷载的作用，板与板之间传荷能力低，车辆荷载对板的不同部位 产生的压应力不同，从而导致基层累积产生的塑性变形不同，增加了纵、横接缝 的透水性，造成地表水的冲刷； 当嵌缝料失效后，地表水的入渗在板的不同空间部位在强度上存在很大的 差别，致使基层强度、变形不均，产生唧泥冲刷作用，这种现象进一步加速了板 下脱空的形成。 2 2 脱空的危害 一般来说，水泥混凝土路面与地基之间是紧密联结的，在理论上无论是运用温 克勒地基模型还是弹性半无限地基模型，都假定路面薄板与地基问的竖向位移是 连续的。一旦发生脱空现象，令脱空点的地基反力为零即可。文献1 中取脱空位 置位于板中、板边及板角，假定脱空尺寸为0 、6 0 c m x6 0 c m 、1 2 0 c m x1 2 0 c m 、1 8 0 c m x1 8 0 c m ，计算了不同荷位作用时，板的最大扰度和板中的最大应力，荷载响应计 算结果见表2 1 。 当混凝土板均匀支撑( 脱空尺寸为o ) 时，无论荷载作用于板中、板边还是板 角，应力都很小，板角荷载下面板的最大拉应力一般仅为板边荷载下板底最大拉 应力的1 3 左右；一旦发生脱空现象( 如6 0 c m x 6 0 c m ) ，板角应力急剧增大，甚至 第二章水泥混凝士路面脱空的机理及判定 大于相同脱空尺寸下的板边应力。如果考虑到疲劳分析的累积损伤，板反反复复 的在较大应力的作用下，很快达到极限寿命。同时从两块板的有限元分析来看， 脱空对传荷能力变化不大；而当接缝传荷能力较差时，能力虽脱空尺寸的变化而 降低。 表2 1 路面板脱空状态下荷载响应分析 t a b l e 2 1r e s p o n s ea n a l y s i so fc e m e n tp a v e m e n ts l a bo nl o a d 脱空尺寸 板中荷位板边荷位板角荷位 6 。 0m 8 。o - u6 。o “ ( 位于作用荷载下方) ( 硼) ( k g c m 2 ) ( m m ) ( k g c m 2 ) ( r a m ) ( k g c m 2 ) 00 2 5 0 81 7 0 70 4 2 0 82 7 80 6 1 8一1 0 0 2 6 0 c m x 6 0 c m0 2 6 7 51 8 60 5 2 3 93 6 81 5 0 4 13 4 1 3 1 2 0 c m 1 2 0 c m0 3 0 2 61 9 8 20 6 9 8 74 1 3 22 7 6 5 24 2 0 6 1 8 0 c m 1 8 0 c m0 3 5 7 2 1 0 9 0 9 3 6 5 4 5 3 7 4 4 7 2 8 4 7 5 4 当路面板出现脱空后，其路面弯沉值明显增大，最大时为良好路面板弯沉值的 4 倍之多，车辆在出现脱空的路面板上行驶时，路面板出现了较大的挠度，路面板 将会在局部出现应力集中的现象，在这种较大绕度和应力作用下，再加上车辆周 而复始的作用，恶性循环，最终必将导致路面板的破裂，影响路面的行车状况。 而且水泥混凝土面板的病害蔓延十分严重，如不对已脱空面板进行及时治理，将 会影响到道路寿命。 2 3 脱空的判定 根据公路水泥混凝土路面养护技术规范的要求，水泥混凝土面板脱空位 置的确定可采用弯沉测定法：用5 4 m 长杆弯沉仪，即相当于b z z - 1 0 0 重型标准汽 车，弯沉仪测点与制作不应放在相邻两块板上，待弯沉车驶离测试板时，读取百 分表值。凡弯沉超过0 2 m m 或两相邻板弯沉差超过0 0 6 m m 时，即确定为面板脱空。 此方法即为贝克曼梁法。随着近些年来国内外对此课题研究的不断深入，各种新 设备的开发和应用，使得水泥混凝土路面脱空判定的方法多种多样。目前，最常 用的水泥混凝土路面脱空判定方法大都是通过落锤式弯沉仪和路面雷达系统完成 的。 2 3 1 路面雷达 雷达的组成与工作原理 路面雷达是专用于道路无损检测领域的探地雷达的一种，它的频率高、精度 1 4 第二章水泥混凝土路面脱空的机理及判定 高、探测深度浅，天线类型为空气耦合式。它主要由固体腔、天线( 发射机和接收 机) 、信号处理机、时窗、波形显示与打印等部分组成。典型的路面雷达系统及工 作原理如图2 2 所示。 图2 2 路面雷达系统及工作原理 f i g 2 2g p rs y s t e ma n dw o r k i n gp r i n c i p l e 图2 2 中，第一部分固体腔是雷达系统的核心，超宽带脉冲地磁波就由此产 生，它是一种特制的固体共振腔，产生的频率可达2 g h z 以上。共振腔要求振源稳 定，选频准确。第二部分天线，包括发射天线和接收机天线部分，发射天线是将 波源的尖频电磁波定向向路面发送的主要器件，要求定向性好、发射稳定、功损 小。为了使天线不贴地发射，以便车载悬空快速扫描测定，天线特制成空气藕合 聚焦型，并做成向下喇叭型。接收天线的任务在于捕捉到微弱的反射信号并对其 进行放大，然后传递给信号处理机。第三部分是时窗记录器，故称时间窗。采样 收发时间为雷达测时的主要工作，因此，时间窗对雷达检测来说甚为重要。一般 时间窗为1 0 n s 一3 0 0 n s 。第四部分是波形显示器，它真实、直观地将测量结果显 示载波形图上。第五部分是打印输出部分，用于结果的输出。 雷达发射的电磁波是一种宽带、高频电磁波，一般频率为数1 0 - - - 2 0 0 0 m h z ，频 率自激产生，穿透能力强。其工作原理以由面层、基层和路基组成的三层路面结 构体系为例来说明。 第二章水泥混凝土路面脱空的机理及判定 1 5 当由振源产生产生脉冲电磁波，。，并由天线定向成一定角度向路面发射时， 波的一部分在第一界面r ( 路面与空气界面) 反射，应等于a 。，反射量为4 。 同时另一部分向下穿透。由于空气的介电常数为1 ，而路基路面材料的介电常数均 大于1 ，有的大得较多，因而穿透波的大部分能量被该种材料吸收，同时，波在其 中产生折射，折射角风小于波的入射角口。当折射波沿成方向传播碰到第二界面 置( 面层与基层界面) 时，波的一部分通过界面蜀法线反射，风应与届相等，同 时又向风界面穿透反射，与界面第二法线成的反射角口：应等于口。，成为波的 一次小循环，反射量为a ，。另一部分继续向下，穿透界面到基层，一部分能量损 耗于该层，同时产生折射，折射角为y 。电磁波折射后，又碰到第三界面层( 基层 与路基界面) ，同样，波一部分向上反射，并穿透面层到空气，成为波的一次中循 环，反射量为以。同理，波的另一部分继续向下，穿透界面到达路基，折射角的 大小，理论上与上述相同。当路基均质无限，无异物时，穿透折射波的能量损耗 于无限体中，没有向上反射。但情况并非如此，路基中由于种种原因，包括分层 压实形成的人为界面，使这些区域的介电常数发生变异，因而入射的电磁波就在 这些区域的界面上向上反射，穿透基层面层到达空气，形成入射波的第一次大循 环。 由上面的分析可以知道，雷达波与其它波一样，具有相同的传播特点与规律。 其中一个最突出的特点，就是雷达波碰到界面就要反射，上面所叙述的波的 一次循环，大、中、小三种循环状态，就体现了波的这种特性。也正是由于波的 这三种状态的循环，给路基路面的物理力学指标的检测提供了条件，雷达检测技 术正是利用了这一特性。雷达接收天线接收到的反射信号实际上就是电磁波在各 结构层界面上的反射信号的迭加，于是反射信号就有一系列的波峰组成。由于反 射作用，峰值将相继减小，这实际上也反映了电磁波在介质中的衰减特性。图2 3 为一典型的三层路面结构雷达反射波示意图。 一 厂 乜 图2 3 三层路面结构雷达反射波示意图 f i g 2 3g p rr e f l e c t e dw a v eo ft h r e ep a v e m e n ts t r u c t u r e 图2 3 中，4 为电磁波于空气与路表界面凡产生的反射波幅，彳：为面层与基 1 6第二章水泥混凝土路面脱空的机理及判定 层界面r 。产生的