水泥混凝土路面预制板拼接修复技术研究综述

杨万理，叶凌志, 黄 颖，秦军武

(1.西南交通大学土木工程学院 四川成都 610031；2.成都理工大学环境与土木工程学院 四川成都 610031)

在经济高速发展的今天，由于修复破损路面而造成长时间的交通拥堵已经不允许出现。采用普通混凝土对损坏的路面进行修复，材料强度发展慢、养护周期长，需要对道路长时间封闭养护后才能开放交通，给社会经济造成较大损失。快硬修复材料虽然能够实现快速开放交通，但也存在诸如凝固时间过短、后期强度倒缩、养护条件苛刻等问题。并且快硬材料的成本偏高，通常是普通混凝土价格的几倍到几十倍不等，难以广泛应用。预制水泥混凝土板(Precast Concrete Slab，简称PCS)快速修复水泥混凝路面技术是采用预制板对原水泥混凝土路面破损部位进行更换的新型修复技术。水泥混凝土路面预制板拼接快速修复技术具有开放交通快、养护成本低、环境影响小、气候适应性强、交通安全性高等优点。国内对该技术的研究起步晚，研究较为缺乏。目前主要集中在研究基层处理、轻质骨料、预应力配筋、预制板尺寸、接缝处理、调平技术以及施工工艺等方面。本文对目前国内水泥混凝土路面预制板拼接修复关键技术进行回顾和总结，并提出水泥混凝土路面预制板拼接修复技术的技术路线和发展趋势。

1 水泥混凝土路面的破坏类型

水泥混凝土路面的破坏主要包括接缝破坏和路面板本身的破坏。

1.1 接缝破坏

(1)拱起，即混凝土面板膨胀受阻时，在接缝两侧突然向上拱起的现象；

(2)错台，即横向接缝两侧路面板出现竖向相对位移，当胀缝下部嵌缝板与上部缝隙未能对齐或胀缝两侧混凝土壁面不垂直，使缝旁两侧在伸胀挤压过程中，上下错开而形成错台；

(3)唧泥，是指汽车行经接缝时，由缝内喷出稀泥浆的现象。由于车辆反复作用，基层塑性变形累积而同面板脱空，地面上水沿着接缝下渗而积聚在脱空的空隙中，在车辆经过时被挤压，沿着裂缝喷溅出来；

(4)挤碎，挤碎往往出现在横向接缝两侧数十米内范围内，这是由于胀缝内的滑动传力杆位置不正确、滑动端的滑动功能失效、施工时胀缝内局部有混凝土搭连或者胀缝内落入坚硬的杂屑引起。

1.2 路面板破坏

(1)裂缝，主要表现形式有：横缝、纵缝、网状裂缝和边角裂缝。导致裂缝的原因比较多，如：缩缝切割太迟、土基强度不够或不均匀、板厚不足、板长太大、混凝土质量差、施工不规范等。

(2)磨光，即路面被磨成光滑面，摩擦系数已经达到极限以下，这将致使路面平整度和抗滑性差，威胁行车安全。引起的主要原因有宏观或微观纹理处理不当、骨料硬度不够、施工期间混凝土没有达到设计强度等。

(3)坑槽，是指水泥混凝土表面局部破损，面层出现一定的孔穴，产生的主要原因有水泥质量不达标、轮胎防滑链或者履带车辆造成剥落、混凝土强度不足造成露骨等[1]。

水泥混凝土路面修复的施工流程是：板块的预制→旧路面破碎板凿除→基层处理→运输吊装→接缝处理。下面将对水泥混凝土路面预制板拼接快速修复技术中混凝土预制板尺寸、预制混凝土板轻型化、路面基层的处理、接缝处理方法及调平技术四个关键技术的研究进展和主要结论进行回顾和总结。

2 预制板拼接快速修复技术研究现状

2.1 混凝土预制板平面尺寸和厚度研究

混凝土预制板平面尺寸和厚度不仅与板的受力与变形密切相关，同时也关系到施工性能和使用性能。从实际工程经验来看，一般不宜采用过大和过小的尺寸，过大的尺寸不宜于运输和吊装，过小的尺寸会产生接缝过多，施工过程繁杂且车辆行驶质量差。刘静研究了板的平面尺寸和厚度对挠度与板底应力的影响，研究结果表明板的挠度随平面尺寸变小而快速递加，两者呈良好的二次关系；相反板纵向最大应力随板平面尺寸的变小而快速递减，也满足二次关系。这说明了挠度和应力都是板尺寸的敏感因素，当尺寸稍有变化，挠度和应力变化明显。板厚度对小板(如0.6 m×0.5 m)的挠度影响并不显著，但厚度的变化对板底应力的影响比较敏感。刘静的研究表明采用2.5 m×2 m预制拼接板进行路面的快速修复，是目前用时最短、占用路面最少、对交通影响最小的一项实用技术[2]。罗翥等研究了不同基层类型下板的平面尺寸对板内应力和变形的影响。结果表明无论在那种基层上，随着板的尺寸的减小，变形值有不同程度的增加。当小板(0.5 m×0.6 m)基层顶面当量回弹模量相差6倍时，其应力仅相差0.64 %，说明小板的适应性更优一些[3]。因此为了弥补基层存在的强度缺陷，预制板装配设计弯拉强度不应小于原有路面结构设计的弯拉强度，厚板有利于抵抗热膨胀破坏，减少翘曲变形，增加结构的稳定性，减少板件的松动和错台。在路面修复工程中，通常情况下预制板的厚度与原路面板的厚度一致。郑益等认为在相同的条件下，小板的温度翘曲应力比大板的要小，相同温度下疲劳应力也要小的多，5 m×2 m小板的温度疲劳应力为0.04 MPa，仅为5 m×4 m大板温度疲劳应力的(1.04 MPa)的4 %[4]。由此可见，小板的荷载和温度疲劳应力之和远小于混凝土的弯拉强度设计值，因此小板具有足够的承载能力，更为安全可靠。采用厚度与原路面板相同，平面尺寸比原路面板小并且强度稍高的预制板，既能满足预制板拼接路面耐久性的要求，又便于预制板拼接板的浇筑与吊装施工。

2.2 预制板混凝土板轻型化研究

过大的混凝土预制板自重会造成运输和吊装的不便，相关学者在此方面开展了研究工作。目前主要有两种思路：一是采用次轻混凝土；二是采用预应力混凝土。范瑛宏首次提出了将次轻混凝土运用于预制板拼接快速修复技术中，从而达到降低路面自重的目的。当陶粒取代普通混凝土粗骨料30 %时，其工作性能、承载能力均能满足路面使用要求，折压比与普通混凝土相近，经济性好，同时满足预制板的干缩、耐磨性等路面要求，并且能够减少板重200 kg/m3[5]。陈智杰采用轻质骨料(如陶粒等)部分取代普通粗骨料(碎石)进行路面板的预制，次轻混凝土的表面密度一般介于1 950～2 300 kg/m3，表观密度较小，强度高，自收缩性小。实验结果表明：当陶粒取代粗集料的比例达到50 %时，次轻混凝土具有符合性能要求的良好强度，满足耐久性的要求，并且自重减少10 %左右[6]。

范瑛宏采用弹性设计准则进行了预应力混凝土路面板的配筋设计，考虑荷载和温度作用下的预应力强度，得出施加的最小预应力值约为0.8 MPa，并得到了不同预应力钢筋之间的最大间距，提出了一种新型的施工方法[7]。陈智杰的研究表明，采用预应力技术能够保证预制路面板承载力的前提下将路面板的厚度减小约为普通混凝土板的厚度的30 %～60 %[6]。李志洪采用文克勒(Winkler)地基板理论提出预应力混凝土路面板设计方法和设计步骤，并提供了一个算例以供参考，另外采用预制预应力混凝土路面板还可以很好地限制和减小裂缝的宽度[8]。

2.3 路面基层的处理

路面的破坏在很大程度上是由于基层的破坏，经常出现裂缝，脱空等问题。为了避免这些问题，需要将基层找平。董丽华提出采用干拌砂浆进行路基修复的找平，干拌砂浆配合比为水泥∶砂子∶水=1∶4∶0.2。干拌砂浆易刮抹，并可随压实成型逐渐硬化，为装配式预制板和原路基之间提供强有力的支撑[9]。在干拌砂浆形成强度之前，受压时也不会产生侧向流动，只会产生微小的垂直流动，不会影响平整度。通常砂浆层厚度控制在20 mm以内，若大于20 mm砂浆层易出现应力集中，影响后期面板的耐久性。基层调平材料很大程度上决定了路面修复成败，要求基层调平材料平整度好、施工简便、成本低、流动性大以及早期强度高。刘卫东等运用Winkler弹性地基模型，建立三维有限元模型探讨了基层类型、路面板结构的平面尺寸和厚度对应力应变的影响。研究结果表明基层类型对路面板平面尺寸的选择有重要影响：当基层为水泥稳定粒料时，可采用2.5 m×4.5 m的预制板块；当基层类型为级配碎石时，宜采用5 m×2.5 m的板块；当基层类型为石灰与粉煤灰时，建议采用2.5 m×2.5 m的板块[10]。在预制板安装之前需要对路面基层的压实度进行检测，若压实度小于95 %，需要将基层挖除；若基层还有一定的板实性且压实度大于95 %，还需要对基层做承载板实验，当回弹模量满足设计值要求，则基层还可以继续使用。

2.4 接缝处理方法及调平技术

郑国永对比了4种接缝处理方案，即分别用环氧砂浆、TST弹塑体、碎石+环氧砂浆、道桥修复材料来处理接缝，根据实验路段的使用情况来看：环氧砂浆处理的接缝传荷能力最大，平均传荷系数为0.848，并且环氧砂浆黏结性能较好，使接缝两层的板体连为整体；TST弹塑体处理的接缝，其平均传荷系数为0.527，传荷性能比环氧砂浆稍差，属柔性的接缝处理；采用碎石+环氧砂浆处理的接缝传荷性能变化比较大，但平均传荷系数也达到了0.560，荷载的传递主要通过石子的嵌锁来实现，属于柔性接缝处理方法；道桥修复材料处理接缝处理方法的传荷能力最差，传荷系数只有0.216，不能很好的实现荷载的传递，也不能起到封闭防水的功能。笔者建议接缝采用小石子灌环氧液保证传递荷载，用TST弹塑性体作上层填塞保证车辆的平稳、舒适和接缝较好的耐久性[11]。吴德芳对比了集料嵌锁法和企口搭接法的传荷能力。集料嵌锁法是通过往接缝内挤嵌大粒径集料(尽可能选择与缝隙同宽的单粒径碎石)，并在填塞时用钢钎振捣以保证密实填充，填至距板顶面1～2 cm后，用填缝材料密封。企口搭接法是在预制板块时，设置企口缝，现场拼装时可以通过企口进行榫接，既可以保证接缝处荷载传递的能力，又可以保证路面的平整度。吴德芳通过对试验段施工数据的对比，发现这两种方法的传荷能力能分别达到60 %和85 %左右[12]。

郑益认为预制路面的接缝处理可以采用预埋传力杆的方式进行。通过预制板块时埋设的传力杆和预留传力槽进行搭接，然后用快速修复材料填充传力杆槽，既可以满足接缝的荷载传荷能力，又可以保证拼接路面的平整度[6]。调平技术是预制拼接板修复的关键技术，目前主要有两种：一种是在预制拼接板接缝之间设置传力杆搭接(图1)；另一种板块预制过程中在边角设置调平构件，装配过程中调节调平装置的螺杆减小相邻板的错台量，以保证路面的平整度(图2)。

图1 传力杆搭接示意[4]

图2 装配式路面调平示意[4]

3 结论及展望

预制板拼接修复技术是真正意义上的无阻碍交通快速修复技术，具有良好的经济效益和社会效益，是路面修复技术发展的趋势。国内对于水泥混凝土路面预制板拼接快速修复技术的研究仍处于初级阶段，目前研究热点主要集中在基层处理、预制板尺寸、接缝处理和调平技术等方面，尚未形成系统的可用于指导预制混凝土路面板设计、制造及施工的指南和规范。后续相关研究可从以下几方面开展：

(1)目前采用的轻质混凝土和预应力混凝土可减小预制板的重量，但这类板的耐久性、经济性，以及是否适应不同种类的基层还需要继续开展研究。

(2)TST改性沥青灌入法具有良好的传荷能力和较好的密封性，是目前接缝处理比较好的方式，这种接缝的耐久性研究还比较少。

(3)混凝土板的搭接、调平技术(包括设置传力杆和调平螺栓)已经取得一定进展，但仍不够成熟(如图1中传力杆左侧基层发生沉降，传力杆将失效)，需要进一步研究。

(4)采用其它胶凝材料、轻质骨料改善预制混凝土板的性能、密度的研究仍需继续开展。

(5)预制板拼接快速修复技术在实际工程中的应用效果，需要开展长期跟踪和监测。