旧水泥混凝土路面板底脱空的综合判断

陆学村，聂　臣，陈晓文

（广东盛翔交通工程检测有限公司，广东广州511400）

旧水泥混凝土路面板底脱空的综合判断

陆学村，聂臣，陈晓文

（广东盛翔交通工程检测有限公司，广东广州511400）

水泥混凝土路面板底脱空，严重影响路面的正常使用。文中首先阐述板底脱空机理，然后介绍FWD法和探地雷达法两种脱空检测手段，并结合东莞市清凤公路清溪段工程检测情况，进行综合判定板底脱空情况。

水泥混凝土路面；板底脱空；FWD；探地雷达

水泥混凝土路面是高等级路面的重要结构形式，具有强度高、寿命长、稳定性好，能适应不同交通等级和对环境适应性强等优点。但是，在实际使用过程中，由于混凝土路面板是刚性体，而路基是弹塑性体，在行车荷载作用下，路基累积形成的塑性变形，使混凝土板底部与基础不再保持紧密接触，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，再加上渠化交通的重复作用，板角产生裂缝，直接影响路面行驶性能和结构强度。基于此，混凝土板底脱空判定是当前水泥路面检测领域中的热点研究之一。目前，最先进的路面无损检测设备为落锤式弯沉仪（FWD）和路面雷达测试系统（GPR），国内外的脱空识别及判断研究也是基于这两种设备来开展。本文通过FWD和GPR进行实际工程检测，对最大弯沉值、弯沉差判定法、传荷系数法及路面雷达判定法进行脱空判定的综合比较。

1　脱空机理

现场浇注成型的水泥混凝土，由于水泥浆体向下渗透，使得路面板与基础之间形成整体，但受温度和徐变的影响，路面板产生收缩和翘曲，在路面板与基层顶面间产生间隙，形成原始脱空。虽然在路基及基层均匀支撑作用下，由于水泥混凝土面板具有很好的刚度和强度，使得面层板可直接设置在路基顶面。然而，当行车荷载作用于路面上时，面层板会产生竖向变形，从而使路基产生一定程度的变形。虽然路面板在荷载驶离后可恢复原状，且路基的弹性变形也可以恢复，但路基竖向变形中仍残留不可恢复原状的塑性变形。即使单次荷载作用下的塑性变形量微小到忽略不计，但在道路寿命周期内行车荷载反复作用后的累积量却很大。同时，混凝土路面板为避免温度应力而产生的断裂，人为设置纵缝和横缝，也是直接为路表水的下渗形成天然通道，动水压力使得基层表面的细粒料受到冲刷，在“泵吸”作用下形成唧泥，这样，在板角和板边缘处进一步加剧脱空，显著增加路面板的弯拉应力，造成板角断裂。

2　脱空判定方法

2.1FWD检测法

水泥混凝土路面板的路表弯沉是路面结构强度的重要表征，而板底脱空能显著影响路表弯沉。理论弯沉盆数值是随荷载作用点距离的增大而减小，如果最大弯沉值没有出现在荷载中心处，则说明可能存在脱空现象，原理如图1所示。

图1　混凝土板在FWD荷载作用下的变形规律示意

经理论计算，荷载作用于路面板上不同位置的弯沉量也不同，板角处大于板边缘处，而板中部的弯沉量最小，因此，板角弯沉通常被用来判断是否发生板底脱空，主要指标有最大弯沉值、弯沉差和传荷系数。

应用FWD法对东莞市清凤公路水泥混凝土路面脱空进行判定。本次脱空检测采用荷载50 kN、承载板半径150mm量测板角荷载作用下的弯沉曲线，通过荷载中心处最大弯沉值D0＞0.2mm，弯沉差ΔD＞0.06mm和板间传荷系数Kj＜80时三大指标来综合判断脱空情况。FWD检测东莞市清凤公路水泥混凝土路面板脱空的统计结果见表1，各车道弯沉检测数据见图2～图5。

图2　上行行车道弯沉沿线分布

图3　上行超车道弯沉沿线分布

图4　下行行车道弯沉沿线分布

图5　下行超车道弯沉沿线分布

表1　脱空板块统计　（单位：块）

由表1统计结果可知，弯沉差指标判定中的不脱空板为207块，与“优良”的传荷能力板块数（204块）大体相等，同时整体大于由最大弯沉值判断的不脱空板块数（163块）。为了较为准确地判断板底脱空情况，针对最大弯沉值＜20（0.01mm）未脱空板块进行传荷能力低于“优良”和弯沉差＞6（0.01mm）的数据进行筛选，共计7块路面板符合此项要求，列于表2。

对2号路面板钻芯取样，如图6所示，面层与基层粘结较好，未存在脱空现象，仅在基层芯样长度方面存在断裂碎化；对7号路面板钻芯取样，芯样如图7所示，相邻两块路面板板底唧泥严重，基层松散粒化，且掺杂部分泥土。表明在最大弯沉值＜20（0.01mm）的情况下，弯沉差法判定为“不脱空”及传荷系数判定为“中”等水平的路面板，层间结合较好，不存在脱空现象；但在弯沉差法判定为“脱空”和传荷系数属“差”、“次”等水平的路面板则脱空现象明显。此外，晴朗天气下FWD落锤法板底脱空检测，与雨后对路面板发生脱空路段检测结果相比，准确度更高。

2.2探地雷达检测法

路用探地雷达（GPR）是随着电磁技术的发展而兴起的道路检测设备，其发射和接收的是高频脉冲电磁波。根据电磁波理论，电磁波在地下介质中的传播特性取决于介质的波阻抗η，又主要与介电常数ε相关，成反比关系：。由于脱空区域内一般为水或空气，其介电常数分别为81.0和1.0，明显不同于路面材料的介电常数，见示意图8。示意图9则是反射波形，反射波A来自混凝土—空气的界面反射，反射波B来自空气—基层的界面反射，反射波C是A和B的叠加结果，GPR图形显示中最终得到的是波形C。由此，可根据反射波强度变化（即反射系数R）和反射波的时间差确定脱空位置和尺寸，其脱空、未脱空介电常数与反射系数关系式如下：

表2　脱空存疑板块统计表

图6　2号路面板芯样

图7　7号路面板芯样

（1）层间结合状态下的交界面处反射系数Rcb为：

式中：εc、εb分别为水泥混凝土面板（concrete）与基层（base）的介电常数，一般为6～9，εb为6～15，Rcb为-0.010～-0.053。

（2）层间脱空状态下的交界面处反射系数Rcx为：

式中：εx为脱空层介电常数，若脱空层为水时，一般εx为81，Rcx为-0.325～0.250；若脱空层为空气时，εx为1，Rcx为0.058～0.250。

反射系数R直解反映了介质的电性及其差异。由上述表达式可知，在一定深度范围内，相邻两介质的相对介电常数ε差异越大，反射波越强，反射界面越容易识别。

利用瑞典MALA公司生产的RAMACX3M型地质雷达，采用反射剖面法对东莞市清凤公路路面板底脱空存疑板块进行检测。所用技术参数为：天线中心频率800 MHz，采样点数512，采样时窗20 ns，采样点距100 cm。

路面病害图像解释：在时间剖面图上空洞的特征是强弧形反射波；板底脱空则表现为面层与基层之间存在能量较强的反射波同相轴。下面通过典型板底雷达图像进行分析。

4号、5号板块雷达成像图见图10，6号板块雷达成像图见图11。图像显示6号板块成像图层间部位的雷达反射信号未出现散射、绕射现象，信号幅度较弱，没有明显的层间反射信号，判断为未存在脱空现象。4号板块（中心桩号K24+240）在基层和底基层部位，雷达反射信号强，三振相明显，层间有明显的强反射界面信号，判断为存在脱空现象；5号板块（中心桩号K24+320）近小桩号部位，层间有明显的强反射界面信号，经现场勘查存在唧泥现象，判定为脱空。

图8　路面板雷达脱空识别（单位：cm）

图9　反射波波形

图10　4号、5号板块雷达成像

图11　6号板块雷达成像

结合落锤法脱空检测结果，在最大弯沉值＜20（0.01mm）的基础上，弯沉差＞6（0.01mm）的板块可以判定为脱空；当弯沉差＜6（0.01mm），且传荷能力低于“优良”时，从路面检测趋严的角度上，建议判定为脱空。

3　结语

本文结合东莞市清凤公路旧水泥混凝土路面大修工程，采用FWD最大弯沉值法和弯沉差法对旧混凝土板底脱空进行识别，并结合探地雷达（GPR）成像图综合判定板底脱空，其判定结果证明：

（1）落锤式弯沉仪FWD能有效识别旧混凝土板底脱空，实现路面检测的无损化和快速化，在实际工程运用中建议首先采用最大弯沉值法识别板底脱空情况，然后考虑弯沉差法和传荷系数法综合判定板底脱空情况。

（2）探地雷达技术（GPR）在路面检测中，合理选择天线频率、采样频率等参数，利用计算机进行增益、滤波等数据处理，能够快速准确地检测出结构层厚度、路面板底脱空等病害，为高速公路维修保养及安全运营提供可靠的检测数据。

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Comprehensive Judgment of the Void Beneath Used Cement Concrete Pavement

LU Xue-cun，NIE Chen，CHEN Xiao-wen
（Guangdong Shengxiang Traffic Engineering Testing Co.，Ltd.，Guangzhou 511400，China）

The voidbeneath cement concrete pavement slabseriously affects the normal working of CCP.This paper expounds the mechanism of CCP void，then introduces two voids detecting means，theFWD and ground penetrating radar（GPR）means，combined with Qingfeng road detection situation，to make acomprehensive judgment.

cement concrete pavement；voidbeneath pavement slab；FWD；GPR

U416.216

A

1671-8496-（2016）-03-0010-05

2016-01-15

陆学村（1984-），男，工程师，硕士

研究方向：主要从事路桥试验检测技术研究