截距值法评定水泥混凝土路面板底脱空应用效果研究

王国忠

(山西省交通建设工程质量检测中心(有限公司) 太原市 030032)

0 引言

我国已通车高等级公路主要以沥青混凝土路面为主,但在市政道路及低等级公路中,水泥混凝土路面因其固有的优势受到管理者的偏好,主要优点有:(1)刚度大。水泥混凝土路面有着较高的抗压、抗拉、抗弯和抗磨等力学性能[1];(2)稳定性好。水泥混凝土面板水稳定性、热稳定性较好,水泥混凝土路面在气倏条件变化较大的区域,较少出现稳定性差的缺损;(3)耐久性好。因水泥混凝土路面有着很好的强度和稳定性,不需要频繁的养护、维修,使用时间长;(4)抗侵蚀能力强。水泥混凝土不易被油或些许化学物质腐蚀,抗侵蚀能力较强;(5)养护费用少。设计和施工养护正常的条件下,水泥混凝土路面所需养护工艺、数量及经费投入不到沥青路面的1/3。但水泥混凝土路面也存在一些不足之处,如:(1)建设初期投资费用大;(2)拌合成型所需水泥、水用量大;(3)横、纵接缝处易成为薄弱位置,通常会出现接缝的损坏、裂缝、错台、板角断裂、断板等;(4)修补存在一定的困难等。尤其是水泥板接缝料损坏容易使得雨水进入基层,在行车荷载的反复作用下很容易导致面板底部产生脱空,但早期病害难以发现,最终产生板角断裂、断板等病害,给维修养护带来较大的困难。

运城市某市政道路水泥混凝土路面已运行十三年,路面出现了不同程度的破损、断板、脱空、唧浆等病害,严重影响通行能力,为维护城市形象,提升该路段通行能力,当地政府决定对路面进行一次全面升级改造,同时要求科学、合理利用原有路面,实现经济、效益最大化,通过综合分析,需对原有路面面板进行全面的脱空检测。

1 检测评定方法

水泥混凝土路面面板在行车荷载反复作用、温度变化、环境等多种因素综合作用下会出现接缝料损坏、剥落、变形、断裂等病害。如果接缝料损坏未能及时对其补充,降水容易沿着纵、横向接缝间隙渗透至基层甚至垫层中,通过各种因素的反复综合作用,导致基层、垫层和路基产生局部的脱空,最终在面板表面反映为雨天唧泥、严重错台、板角断裂、断中开裂和传力杆锈蚀等[2]。

同济大学周玉民等[3]通过现场调查结合理论研究,将水泥混凝土路面板底脱空分为结构性脱空和唧泥型脱空两种类型。结构性脱空因水泥混凝土面板板底温度变化导致产生翘曲、基层在荷载和环境的因素作用下产生塑性变形累积等原因形成,其脱空严重程度和深度较小,对板的应力扰度影响较小,但为初期板底滞留降水提供了存储空间。若降水通过横向、纵向接缝进入到结构性脱空区域,则基层顶面将在行车荷载反复作用下,使板底冲刷,基层顶面细小稳定颗粒变为不稳定并不断被冲走,最终结构性脱空发展成为唧浆脱空。

研究表明,通过行车动荷载及温度梯度作用下的变形分布计算分析[4],以及面板表面损坏现场观察的情况,推定不设传力杆水泥混凝土面板的板底脱空发展规律通常是先板角后横向接缝,再向四周脱空发展,并且行车方向的前板板底脱空区严重程度明显大于后板[5]。

目前对板底脱空的检测方法主要有:经验判断法(人工判别),声振判别法(通过声音回波变化识别),弯沉指标判别法(贝克曼梁、落锤式弯沉仪)以及探地雷达法。对于面板表面无明显缺陷的板底脱空主要用落锤式弯沉仪检测,落锤式弯沉仪判定板底脱空主要有弯沉差、截距值法、夹角法、弯沉值与荷载的斜率法等,其中截距值法应用较为广泛,文章主要通过截距值法来判定板底是否脱空,并现场取芯分析截距值法的有效性[6]。

通过对该路段现场调查及原始资料查阅,该路段原始面板均不设传力杆,在运营过程中部分板因严重破损进行过换板处理,原有水泥混凝土路面面板厚25cm,强度为C25,更换后的板厚度为30cm,强度为C30。

该路段为双向六车道,将行车方向内侧车道命名为第一车道,依次向外为第二车道、第三车道。检测前对水泥面板逐板编号,编号规则:从小桩号至大桩号,检测位置面向大桩号分别为“左上角”、“右上角”、“左下角”、“右下角”,命名规则见图1。

图1 板块命名及编号规则

采用落锤式弯沉仪对板角分3级加载(50kN、70kN、90kN)进行弯沉检测,见图2。

图2 落锤式弯沉仪

通过截距判定板底是否脱空,对典型板取芯验证见图3。

图3 左幅第二车道第259#板

按照线性回归统计方法,计算得到式(1)中的回归系数a、b,当测点的线性回归截距值 b 大于 50μm 时可判定为脱空。由于大量的脱空主要出现在板角,应避开晴天正午前后温度较高及显著负温度梯度(夜晚或清晨)时段,宜选择在早晚板块上下表面温差较小时段,或者凉爽多云、阴天温差变化不大的天气检测。

W=aP+b

(1)

式中:W为弯沉值(0.001mm);P为荷载值(kN);a为回归曲线斜率;b为回归曲线截距值。

2 结果分析

本次共检测299块,采用截距值法判定脱空52块,脱空率17.4%;选取13块典型面板进行脱空检测(包含10块判定为脱空的面板,3块判定为未脱空的面板),其中右幅第二车道15#板、16#板进行过更换,左幅第三车道220#面板钻芯后无明显脱空,钻芯取样见表1,脱空深度与截距值的关系见图4。

表1 工农街水泥路面芯样检测结果

图4 脱空深度与截距的关系

由表1可知,采用截距值法未判定为脱空的面板左幅第三车道225#、200#,通过钻芯取样后存在4mm、5mm的脱空。

由图4可知,在不考虑面板厚度、强度影响因素的情况下,采用截距值法与板底脱空相关性仅为0.529,右幅第二车道15#板、右幅第三车道35#板,截距分别为50.6μm、50.3μm,但脱空深度为12mm、8mm, 15#与35#板截距比值为1.001,但脱空比达到1.5。

剔除右幅第二车道15#板、右幅第三车道35#板,对剩余相同结构板块进行截距值与脱空关系分析,结果见图5,相关性可达到0.932。

图5 相同面板结构脱空深度与截距关系

由上述分析可以得知,采用截距值法在对板底脱空判定时,需结合取芯结果判定板底是否脱空;不同面板结构虽然截距值相同,但脱空值相差较大,可见在进行脱空判定需综合考虑截距与面板厚度及强度的影响,有条件时建立面板强度、厚度与脱空的关系,进一步完善板底脱空判定依据。

3 结论

通过运城市某市政道229块水泥面板采用截距值法结合钻芯取样结果进行脱空判定,得出如下结论:

(1)采用截距值法对板底脱空情况判定时,得出该路板底脱空率17.4%。

(2)采用截距值法对板底脱空情况判定时,需结合取芯结果判定板底是否脱空。

(3)脱空判定需综合考虑截距与面板厚度及强度的影响。