桥隧工程混凝土面板处理工艺关键参数研究

龚成林，周建良，王　俊，鲍忠诚

（1.南京市住房和城乡建设委员会，江苏 南京 210000；2.南京城建隧桥经营管理有限公司，江苏 南京 210000）

桥隧工程混凝土面板处理工艺关键参数研究

龚成林1，周建良2，王俊2，鲍忠诚1

（1.南京市住房和城乡建设委员会，江苏 南京 210000；2.南京城建隧桥经营管理有限公司，江苏 南京 210000）

桥隧混凝土面板表层处理工艺对防水粘结层的效果具有较大影响，文章针对抛丸处理工艺，重点选择构造深度与层间粘结、剪切强度等指标进行室内试验和现场抛丸机械施工参数研究。研究结果表明：（1）层间粘结、剪切强度与构造深度、露骨率有着良好的对应关系，并建议抛丸后面板的构造深度不小于0.45 mm；在1～3 mm浮浆情况下，露骨率不小于28%；（2）抛丸机的行进速度、抛丸功率直接影响到面板处理效果，正式施工前，需进行试验段以确定合理的抛丸工艺参数；（3）结合南京市城西干道改造工程，提出城市路面抛丸工艺的施工工序、注意事项及质量控制标准，可为城市桥隧工程提供借鉴。

混凝土面板；抛丸工艺；施工参数；构造深度

沥青铺装层直接承受行车荷载作用，尤其是制动或加速时，在沥青混凝土铺装层与水泥混凝土面板的结合面产生很大的剪应力，当剪应力大于铺装层间抗剪应力时，会形成桥面沥青混凝土铺装推移拥包等病害［1］。层间剪应力产生的原因见图1，调查显示78%的桥面病害与层间粘结不良有关［2］。混凝土面板在施工时，表面会形成一层水泥浮浆层，为避免其对防水粘结功能的影响［3］，有必要对水泥混凝土桥隧面板的处理工艺进行研究。

图1 层间剪应力的产生原因

本文拟依托南京市城西干道改造工程，对城市桥隧混凝土面板抛丸工艺的关键参数进行研究，并提出抛丸工艺的质量控制标准与注意事项。

1 抛丸工艺验收试验指标研究

1.1 指标的提出

目前国内混凝土面板抛丸处理工艺大多以拉拔、剪切强度为评价指标，缺乏规范的混凝土面板验收参数；并且由于桥隧工程路面坡度大、交通条件恶劣、施工难度大，桥隧工程路面结构中剪切应力有很大程度的增加［4-6］。根据抛丸处理工艺施工效率高、处理后不需水洗等特点，结合现场实际工程验收要求，除常规表面清洁度、干燥度等验收指标外，提出构造深度和露骨率2个关键量化验收指标。

1.2 试验方案

为了研究及修正面板抛丸处理质量验收标准，采用抛丸机对同批原材料、同一级配、同一批次成型的水泥混凝土面板进行抛丸处理，得到不同的构造深度值，按照行业标准《路桥用水性沥青基防水涂料标准》（JT/T 535—2004）所规定的界面力学强度指标进行试验。根据现场的条件及要求，对防水粘结层的拉拔强度及剪切强度进行试验，控制界面所需要的构造深度和露骨率。

为了满足工程实际需要，该批水泥混凝土试验板采用C40级混凝土，共成型14块试验板，混凝土板的尺寸为30 cm×30 cm×10 cm，试件表面的浮浆厚度1～3 mm。抛丸机采用1-10 DS Globel型抛丸机进行表面抛丸处理，砂丸型号S460（直径1.4 mm，为目前高速公路桥面抛丸常用的钢丸粒径）。抛丸机行进速度分为12个档位，即1～12档，其中1档 3 m/min，2档6 m/min，3档9 m/min，4档12 m/min。取常用的前4档位进行对比研究。

1.3 试验研究及结果分析

根据现场施工要求及路面铺装结构主要以剪应力为主的力学特点［7］，选择拉拔强度、剪切强度作为控制因素，分析其与构造深度、露骨率之间的关系。

（1）拉拔强度影响因素分析

试验将统一制件的面板进行抛丸处理，形成不同的构造深度，防水粘结层采用热喷SBS改性沥青+碎石，厚度为1 cm，常温放置养护至干燥后进行粘结强度（附着力拉拔）试验，试验结果见图2。

图2 附着力拉拔试验结果

根据附着力拉拔试验结果，构造深度在一定的范围对应的粘结强度较强。如果构造深度偏小，不能达到较好的粘结强度，构造深度偏大会造成粘结层厚度不均，粘结强度也会减小。根据图2中拟合的二次关系式，20 ℃粘结强度达到1.0 MPa，构造深度达到0.42 mm即可。

（2）剪切试验

在防水粘结层上铺装5 cm厚SMA沥青混合料，并且在碾压机上压实成型混合料。待上层沥青混合料冷却后脱模，采用和现场相同的钻芯法取直径100 mm的圆柱体试件进行剪切试验，抛丸型号S460，抛丸功率15 kW，试验结果见图3～图5。

图3 抛丸前后剪切应力对比图

由图3试验数据可见，面板进行抛丸处理之后剪切应力明显增加，且行走速度与构造深度有一定的关系，行走速度较低时抛丸效果更明显，界面的构造深度较大。在实际施工处理过程中，要控制合理的抛丸机行走速度。

图4 构造深度与剪切应力关系

图5 露骨率与剪切应力关系

从图4、图5中可见，构造深度有其最佳对应范围。通过数据拟合可知，当要求剪切强度达到0.4 MPa要求时，构造深度大于0.3 mm左右即可满足要求，考虑到1.5倍的保证率系数，因此构造深度在0.45 mm较为合适。

综合附着力拉拔试验和剪切强度试验，建议抛丸后水泥面板的构造深度不小于0.45 mm；在1～3 mm浮浆情况下，露骨率不小于28%。

2 抛丸工艺现场施工关键性能参数研究

结合前期室内研究结果，为了达到最佳桥隧面板处理效果，本文结合现场研究和确定现场施工时的最佳工艺参数设定，选择抛丸施工过程中的3个关键参数进行比对研究：抛丸机的行进速度、抛丸机的功率 、水泥混凝土面板初始构造深度。

2.1 不同行进速度的影响

选取7、9、11号板进行对比，初始构造深度均为0.25 mm，功率为15 kW，速度分别为9、6、12 m/min，试验结果见图6。

图6 不同速度对水泥面板抛丸效果影响

从图6可以看出，随着抛丸机行进速度的加快，最终构造深度变化较小，但露骨率呈明显下降趋势。这是由于抛丸机的速度加快，可能导致抛丸处理不彻底从而影响抛丸效果。因此，在实际施工中，抛丸机的进行速度推荐采用6～10 m/min较为合适，以避免速度过快导致的露骨率或构造深度不足。

2.2 不同抛丸功率的影响

选取6、9、10号板进行对比，初始构造深度为0.25 mm，行进速度为6 m/min，抛丸功率分别为20 kW、15 kW、10 kW，试验结果见图7。

图7 不同功率对水泥面板抛丸效果影响

从图7可以看出，由于抛丸机功率的增大，露骨率和最终构造深度呈增大趋势，当功率增大到一定程度，构造深度和露骨率增长幅度较小。因此对于抛丸机的使用功率建议下限取10 kW，最佳功率为15 kW。

2.3 不同初始构造深度的影响

选取1、2、4号板进行对比，行进速度为9 m/min，抛丸功率为20 kW，初始构造深度分别为0.25、0.41、0.63 mm。试验结果见图8。

从图8可以看出，初始构造深度对最终抛丸效果没有明显的影响，抛丸前的构造深度主要受浮浆层的厚度影响，浮浆层厚度越大，抛丸处理的构造深度效果越不明显。因此在实际工程中，要注意水泥混凝土的材料选择、配合比设计及施工工艺，以控制水泥板成型的浮浆厚度。

图8 不同初始构造深度对水泥面板抛丸效果影响

综上所述，抛丸工艺施工过程中需注意2个关键问题：

（1）抛丸机的行驶速度和功率是影响抛丸效果的重要因素，需根据构造深度选择经济合理的行驶速度与功率。

（2）为了保证抛丸后的粗糙界面效果，应尽量选择机械允许的直径较大且质地坚硬的铁砂，并且在抛丸过程中及时添加铁砂来保证喷洒量和功率。

3 验收质量控制标准确定

3.1 施工工序及注意事项

混凝土面板抛丸处理过程中，必须严格遵守正确的施工工序（见图9）。

图9 施工工序

抛丸处理过程中，具体注意事项如下：

（1）施工环境温度5～40 ℃，雨雪天气禁止施工；面板应平整，钢筋头突起物应凿除，以免影响抛丸设备，避免出现漏砂等现象；油污、锈迹、杂物、尘土应清理，清扫干净。

（2）抛丸机按照试验段确定的行走速度匀速行驶，速度为5～8 m/min；多台抛丸机作业采用并行直线连续抛丸方式，2台机作业宽度重叠1～5 cm，并使搭接的部位不出现高低差。

（3）当一遍不能达到规定的露骨率及构造深度时应进行二次抛丸，直至满足技术要求；抛丸处置后的表面有均匀的粗糙度和良好的清洁度。

（4）对无法抛丸处置的边角等部位，采用手推式打磨机补充处置；对抛丸处置后面板暴露出来的裂缝、孔洞等缺陷，需进行修补；抛丸处置后应尽快进行防水粘结层的施工，减少二次污染。

3.2 抛丸质量控制标准

抛丸处理目前国内尚无相关技术规范标准，根据研究试验结果，结合工程实际，参照《公路桥涵施工技术规范》、《公路沥青路面施工技术规范》、《公路工程质量检验评定标准》，本文对基层处理提出如下控制标准。

表1 抛丸基层处理质量控制标准

（1）表观指标（见表1）

（2）粗糙度标准板对比法评价指标

为了便于施工验收时有直观的验收参考依据，对比不同粗糙度混凝土板的情况，将粗糙度分为5个等级，即C1、C2、C3、C4、C5。不同粗糙度等级的混凝土板构造深度等级对照见图10。

图10 水泥混凝土基层板构造深度等级对照版

（3）抛丸参数选择

根据研究结果，结合以往工程应用情况，提出不同程度处理效果和相应施工机械的选择参数，见图11，砂丸型号采用S460。施工单位在进行操作前，可以根据此参考图11进行初步选择，从而更好地规范混凝土面板抛丸处理工艺。

4 结论

本文在对抛丸处理工艺进行室内及室外试验的基础上，对其关键施工影响因素进行分析，得出以下结论：

（1）抛丸处理工艺过程中，面板构造深度与露骨率的大小直接影响到防水粘结层的粘结效果与剪切强度，通常抛丸后面板的构造深度不宜小于0.45 mm；在1～3 mm浮浆情况下，露骨率不小于28%。

（2）抛丸机的行驶速度和功率是影响抛丸效果的重要因素，施工过程中必须控制合理的行驶速度与功率，推荐行驶速度与功率为3档，15 kW。

（3）基于试验研究成果，提出抛丸处理工艺的施工工序及质量控制标准，并给出施工机械参数参考图，可为后期技术推广提供借鉴。

图11 水泥混凝土层面处理施工机械参数

［1］吴少鹏，王家主，陈太泉.长大纵坡沥青路面应力分析［J］.武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2006（6）：969-972.

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Research on Key Parameters of Treatment Technology for Bridge and Tunnel Concrete Deck

Gong Chenglin1， Zhou Jianliang2， Wang Jun2， Bao Zhongcheng1
（1. Nanjing Municipal Commission of Housing and Urban-rural Development， Nanjing 210000， China；2. Nanjing Tunnel and Bridge Administration Company Ltd.， Nanjing 210000， China）

The treatment of concrete deck in bridge and tunnels has great effects on the waterproof bonding layer. This paper conducts a special experimental research on shot-blasting， focusing on texture depth as well as bond and shear strength between layers. The results show that: （1） Interlayer bonding and shear strength have a good relationship with structure depth and the exposed aggregate rate， and the recommended value of the structure depth of the cement panel is not less than 0.45mm after shotblasting ； In the case of 1～3mm laitance， the exposed aggregate rate is more than 28%. （2） The speed and power of shot-blasting machine directly affect treatment effect of the panel. As a result， testing section must be carried out to determine the reasonable parameters of shot-blasting before formal construction. （3） Combining with Nanjing West Road reconstruction project， the construction procedure， the precautions and the quality control specification of shot-blasting of urban roads are proposed， which can be taken as reference for other urban bridge and tunnel projects.

concrete deck； shot-blasting technology； construction parameter； texture depth

U443.33

A

1672-9889（2016）01-0064-04

龚成林（1978-），男，江苏南京人，高级工程师，主要从事城市建设中长期规划、工程建设及项目管理工作。

2015-06-12）