装配式水泥混凝土路面板破坏防治研究

田正旺

(山西省晋中路桥建设集团有限公司 晋中 030600)

水泥混凝土路面强度高、刚度大、稳定性好，可以有效地利用周边的天然材料，具有一定的经济优势，符合国家目前着力建设资源节约型、环境友好型社会的指导方针。由于传统的现浇水泥混凝土路面养护周期长且开放交通晚，装配式水泥混凝土路面的优势就体现出来[1-2]。该技术不仅改变了传统的水泥混凝土路面建造模式，解决了水泥混凝土强度增长缓慢与施工后快速开放交通这一主要矛盾，而且由于该混凝土面板是在工厂预制，其施工基本不受环境的影响，对保证施工质量有极大的帮助，因此得到广泛应用。

1 装配式水泥混凝土面板破坏机理

装配式混凝土路面与现浇式都属于水泥混凝土路面大类，因此在破坏机理方面与现浇混凝土路面基本相同。主要有面板本身破坏和板间接缝或面层与基层连接部分出现问题而破坏，此外，由于装配式混凝土板的特殊性，在拼装吊装工艺过程中也容易出现板间错台和板底脱空等病害。

1.1 水泥混凝土面板本身破坏

板本身的破坏通常有两方面原因：①板在生产过程中出现的病害破坏。现浇水泥混凝土路面在浇筑过程中由于水分上浮在混合料表面形成凹面，产生较大表面张力带来塑性收缩裂缝，在水泥水化反应升温时与周围环境间由于温差产生收缩裂缝、在初期由于养护不到位或是环境过于干燥等产生的干燥收缩裂缝等；②板受到车辆荷载或温度荷载引起的破坏。主要表现为由干缩、冷缩等引起的横向裂缝，由于基层或土基等承载力不足产生的纵向裂缝，以及水泥混凝土板本身强度不足产生的交叉裂缝等。

1.2 面板间接缝或层间连接处破坏

板间接缝处的破坏可包括板块活动、拱起、错台、唧泥、接缝材料破坏等。其中接缝材料破坏由板间填料引起；拱起是由于板在温度下降的影响下收缩而使得缝隙张开，产生的空隙由破碎的硬质料填充，当温度上升时板内产生较大压应力，从而导致板体破坏拱起；其余病害均可归为一类原因：因路基不均匀变形、填缝材料的缺失而导致路面水渗入，在基层与面层之间形成自由水，这部分自由水在行车荷载的反复推挤下，产生巨大的水压力，冲刷基层材料，产生唧泥，从而使得面层与基层连接部分因活动而不稳定使得水泥混凝土面板移动，故而产生板块活动、错台。

1.3 拼装吊装工艺过程中出现的破坏

预制拼装工艺的整体过程主要分为预制新板、现场调平及整理3个步骤。混凝土的自重较大，且其抗拉强度远小于抗压强度，在吊装时板底因弯拉应力超过混凝土的抗拉强度产生微型的裂缝甚至断裂，或吊装点周围存在应力集中，导致吊装点附近混凝土损伤。

在旧路改造时，由于预制板的厚度通常与旧板相同，在板底灌浆处理后，往往会比原路面高出一部分，当然也可能是由于不可避免的施工偏差而导致路面不平整导致新板受力不均匀而出现破坏。

2 装配式混凝土面板破坏防治研究

2.1 水泥混凝土面板材料配合比影响

根据室内小型拌和楼的拌和容积将配合比中所有材料用量均乘以0.6%的折算系数，折算出室内混凝土配合比拌合所需材料的质量。试验中保持水灰比不变，通过调整砂率和粗集料的种类，以及在水泥中掺入适量硅灰以满足路用性能指标[3]，对水泥混凝土进行最佳配合比设计。各试验配合比及抗压强度、抗折强度结果见表1。

表1 水泥混凝土室内试验配合比

针对2种不同的粗集料分别进行了构造深度与砂率的关系曲线试验，结果见图1。针对不同的构造深度，进行了摩擦系数与构造深度的关系曲线试验，结果见图2。

图1 构造深度-砂率关系曲线

图2 摩擦系数-构造深度关系曲线

经过配合比试验分析得出，砂率越小且水泥中加入10%硅灰，粗集料碎石选用玄武岩配制成的水泥混凝土路面板的路用性能较好。

2.2 基层破坏防治要点

在我国的水泥混凝土路面设计中[4]，针对不同的交通条件，推荐的基层材料见表2。

表2 基层材料

在基层材料中，贫混凝土、碾压混凝土、水泥稳定碎石、二灰稳定碎石等属于半刚性基层，沥青稳定碎石、沥青混凝土等基层属于柔性基层。装配式混凝土面板由工厂提前预制并养护好，在路面拼接时即已具备相当高的强度，材料已失去可塑性。虽然预制过程中尽量做到平整，但实际成品难免在底接触面有部分位置高低不平，此时与基层接触面难免有脱空的部位，接触示意图见图3。虽然在后续的灌浆操作中可以通过灌浆料对接触面空隙进行填充，但仍不能保证浆料充满空隙。因此，半刚性基层由于其本身刚度大、弯沉小等特点使预制拼装路面板底面更容易脱空，而柔性基层变形较大，韧性较好的特点对于预制水泥混凝土路面板更加有益。

图3 预制板和基层接触示意图

同时，从路面长期性能考虑，2种基层对于路面的影响也有着本质的区别。半刚性基层由于本身是脆性材料，在长时间使用过程中不可避免会产生细小裂缝。随着时间的延长，这些小裂缝逐渐扩散直至连通扩大。在车辆荷载作用下，裂缝处产生突发性应力集中，在剪切力与弯拉效应反复作用下，使基层抗弯拉强度降低影响传荷能力，使水泥混凝土面板受力过大而产生破裂。由路面病害或长期荷载作用带来的水平方向的挤推力往往会使柔性基层产生细小裂缝而最终导致破坏。

综上分析，在条件允许的情况下，若能在半刚性基层表面增加适当厚度的柔性层，并相应地提高预制水泥混凝土板的生产工艺、受力性能，则可以使装配式水泥混凝土路面的使用寿命更长。

2.3 面层破坏防治要点

预制拼装路面中面层使用的是整块的预制水泥混凝土板，需在作为上面层的混凝土板与基层之间铺设较薄的附加层作为下面层[5]，以实现与现浇工艺相同的传力效果。下面层应采用柔性层，缓冲由温度梯度尤其是被忽略的负温度梯度等带来的板角翘曲，避免发生病害破坏。

基于施工的时效性及成本要求，下面层本身不应过厚。其关键作用是承接上面层与基层，作为传力层与填充层，主要目的为在施工时柔性承接，同时，其本身要具备基本的、较普通灌浆料更高的强度与更好的耐久性。据此，对2种不同施工要求的下面层进行如下分析。

1) 对于施工期极短的工程，主体可以采用由强度等级至少为42.5 MPa的水泥配制的强度相对较大的流动性水泥砂浆铺设。为使其在具备流动性的同时具备较高的强度，在经济条件允许的情况下，尽量掺入10%～15%的矿物掺合料，过多将会影响自流平效果，具体可采用相对廉价的二级粉煤灰或矿粉。同时，为了保证其浇筑后直到预制板安放期间保持流动性，需掺加少量缓凝剂，通常1%左右即可。另外，因其需要在硬化后尽早地产生强度，可以根据需要加入少量的早强剂，一般掺入1%左右即可。据此，给出流动性水泥砂浆配合比推荐，见表3。

表3 流动性水泥砂浆配合比

2) 对于施工期相对较长、可封闭施工的工程，可采用沥青混合料或沥青碎石混合料进行铺设。因其厚度较小，材料使用方面与柔性基层中使用的沥青稍有不同，可以参考沥青表面处治工艺。有研究表明集料使用石灰岩的配合比在处治中优于使用花岗岩的配合比。在常见的沥青混合料中，乳化沥青及SBS改性沥青相对较好，基质沥青相对较差。

2.4 拼装吊装过程破坏防治要点

预制板起吊是板从预制到现场安放过程中安全性的关键，需基于板的尺寸对其进行受力分析及配筋设计[6-7]，保证在运输过程中混凝土板不会出现受力断裂等情况。

旧路改造中，新板与旧板的连接处，传荷问题是关键点。因此在预制板的现场安置中，关键点在于接缝处置。对于接缝处的处置方法目前主要有集料嵌锁、企口搭接和传力杆3种方式。

1) 早期主要采用集料嵌锁方式。在吊装前，对预制板的4个侧面进行凿毛处理。在吊装就位后，在接缝下半部贯入尽可能粗的单一粒径碎石，并配以钢纤插捣，保证密实填充。然后将配置好的环氧砂浆灌入填充密实的缝隙内。用同样的方法灌入第2层石子和环氧砂浆，然后用加热至 170 ℃的熔融TST改性沥青黏结料封住接缝表面,使其与路面平齐，静置2 h以后即可开放交通。这种接缝处理方法, 既能满足缝隙的密封防水要求又能实现良好的荷载传递功能。

2) 企口搭接方式。对预制板边缘进行企口设计，通过预制板之间的榫接来实现预制板之间的荷载传递。该方法在预制板的后场预制过程中较为复杂，并且对板块预制精度要求较高，需要对模板提出特殊要求，将板块两端分别预制成“凹”形、“凸”形，以保证预制板之间的企口搭接效果；在现场拼装施工时，需要格外注意，避免出现拼装板企口搭接失败的情况。

3) 目前使用的传力方式为插入传力杆传力，被认为是最可靠的方式。在板块预制过程中预先埋设传力杆，拼装时将相邻的拼装板连接起来，通过传力杆来传递相邻板之间的荷载。该方法具有施工方便、传荷能力好的优点，同时还可以通过传力杆的连接作用，对拼装路面实现初步的平整度控制。

该方法是在预制板的后场预制过程中，将传力杆预先埋设在预制板一侧边缘处，埋设长度为传力杆长度的一半，埋设深度为板厚的一半，同时在传力杆埋设之前进行表面喷塑处理，以保证传力杆表面的光滑与防腐；相对于传力杆埋设的另一侧设置传力杆槽，槽口向下，既有利于相邻板块的传力杆连接，又可以保证路面的平整。由于传力杆在板与板之间可以起到架立支撑的作用，因此同时起到保证拼装路面平整的作用，而拼装板板底稍许的空隙可以通过灌浆的方式进行弥补。拼装后的路面经过灌浆、磨平和灌缝后，即可开放交通。传力杆系统构造见图4，槽位细节见图5。

图4 传力杆系统图

图5 槽位细节图

3 结论

1) 预制拼装工艺在设计阶段模具配筋等都属于普通工艺，应着重注意水泥混凝土预制板本身的混凝土配合比，保证具有高整体性、高抗弯拉强度指标，并严格养护，确保预制板本身质量满足道路要求。

2) 传力系统是装配式混凝土路面整体性能的基础，目前主流传力方式为预设传力杆。针对传力杆处的处理以固定稳定为关键，同时应配合喷塑处理，保证传力杆不受腐蚀，使传力性能长期、稳定。

3) 在预制板拼接过程中调平时，应反复确认是否与基层贴合良好。尽量贴合紧密、平整，减少层间空隙，以保证路面长期使用性能。