熱帶雨林地區(qū)混凝土路面脫空復合修補技術應用研究

曹 偉，劉建鵬，張雪鋒

（中國水利電力對外公司，北京 100120）

0 引言

菲律賓南公路改造維護工程位于南呂宋島，為首都馬尼拉南向大動脈，工程全長207 km，絕大部分路段為水泥混凝土路面和水泥混凝土路面加鋪一層瀝青混凝土面層（瀝青厚度在2~5 cm），工程所在地屬于熱帶雨林地區(qū)，年平均降雨量約2500mm，局部地區(qū)年平均降雨量3000~4000mm，該地區(qū)降雨量大，持續(xù)時間長，項目所在地有一個相對分明的旱雨季，旱季5個月（2月~6月），雨季7個月；由于結構設計、施工、環(huán)境和經(jīng)濟發(fā)展等因素，很多路面早期破損嚴重，導致該公路每年有30%以上的地段處于翻修施工中，在巨額投入的同時，也極大地影響了正常的交通物流，每年大規(guī)模的翻修施工，還產(chǎn)生大量的施工廢料，污染環(huán)境。

對于已脫空的混凝土面板必須及時采取補救措施，以防止板體出現(xiàn)斷裂和破碎灌漿就是一種常用修補手段大量的研究表明[1-6]，在對脫空板進行灌漿補強的基礎上，加鋪瀝青混凝土面層，能充分利用舊混凝土板的剩余強度和壽命，減少廢棄舊混凝土板對環(huán)境的破壞并節(jié)約資源，具有突出的優(yōu)勢，交通干擾小，工程進展快，道路通行能力大大提高，同時能極大的改善路面的平整度，提高道路的行駛質(zhì)量和道路使用舒適度。

1 混凝土路面脫空的判定

在對路面現(xiàn)狀進行綜合評定的基礎上，對舊水泥混凝土面板的脫空情況進行分析（為了表述方便，原有的水泥混凝土板上蓋有一層瀝青混凝土面層的路面，歸類為舊水泥混凝土路面），采用如下方法確定脫空的水泥混凝土板：

（1）重型重載車輛通行時人在板的邊緣感覺有垂直位移和翹動的版塊，如圖1。

圖1 脫空引起的水泥混凝土面板損壞

圖2 水泥混凝土板唧泥

圖3 瀝青面層上的反射裂縫（瀝青面層厚2.5 cm）

（2）通過目視現(xiàn)場檢查，面板有明顯的唧泥現(xiàn)象，如圖2，面板板角相鄰兩條填縫材料嚴重剝落，相鄰板間出現(xiàn)錯臺3mm以上時，對于水泥混凝土板上已有瀝青面層的路面，從反射裂縫的大小基本可以確定脫空程度，如圖3。

（3）對于外觀不易判斷的版塊，檢測4個邊角的彎沉值，彎沉值超過0.2mm的板，如圖2。

（4）利用FWD在板邊分4次加載，以荷載為縱坐標，彎沉值為橫坐標作圖，其彎沉值連接線在橫坐標上有截距存在時，可判定為脫空。

2 灌漿材料要求與配合比

考慮到水泥漿流動性大易于灌注但強度低，水泥砂漿流動性略低于水泥漿，但強度高、收縮性小、材料成本低等特性；同時考慮到熱帶雨林地區(qū)的環(huán)境特性，分別就水泥漿和水泥砂的灌漿效果進行了試驗。

2.1 原材料及技術要求

2.1.1 普通硅酸鹽水泥

工程用的水泥為當?shù)氐腡ype 1P 水泥，相當于國內(nèi)的425#水泥，執(zhí)行標準為美國的AASHTO-M 240/ASTM C695。

2.1.2 粉煤灰

工程用的粉煤灰，符合美國的AASHTOM 17規(guī)定，相當于國內(nèi)的二級粉煤灰。

2.1.3 混凝土膨脹劑（UEA）

工程用的混凝土膨脹劑，來自于中國，采用中國標準，限制膨脹率為0.03%~0.05%，加入膨脹劑之后，不得對灌漿材料的凝結時間、強度等性能帶來不利影響。

2.1.4 復合早強劑

復合早強劑來自當?shù)兀瑘?zhí)行ASTM C-494標準，要求早強劑的減水率≥10%，抗壓強度:3天≥140%，7天≥120%，對鋼筋無銹蝕作用。

2.1.4 細沙，

細沙最大直徑不得超過0.6 mm，含泥量低于1%，質(zhì)量符合AASHTO T 71規(guī)定。

2.1.5 水

天然潔凈水或者自來水，滿足混凝土拌合用水的技術要求。

2.2 水泥漿與水泥砂漿的配合比選擇

關于確定灌漿用的水泥漿和水泥砂漿的配合比，現(xiàn)有研究成果已經(jīng)有非常成熟，基于大量的現(xiàn)有研究成果[7-10]，結合當?shù)夭牧系男阅埽?jīng)過實驗室的試驗，得出如下配合比：

水泥漿的配合比為，水泥∶粉煤灰∶膨脹劑∶早強劑∶水=1∶2∶0.1∶0.07∶1.2。

水泥砂漿的配合比為，水泥∶粉煤灰∶沙∶膨脹劑∶早強劑∶水=1∶0.45∶0.45∶0.06∶0.1∶0.6。

3 混凝土里面脫空復合修補

3.1 鉆孔定位和設備

鉆孔定位如圖4所示，具體要求及步驟如下：

（1）每塊水泥混凝土板鉆5個孔，輕微裂縫板應鉆4~6個孔；

（2）鉆孔位置距混凝土板自由邊和裂縫的距離控制在50~100 cm；

（3）鉆孔深度45~70 cm，達到基礎結構層以下即可。

鉆孔采用取芯鉆機，鉆頭為定制取芯鉆頭，外徑為5 cm，長度為80 cm。灌漿機采用SUB8.0雙缸砂漿泵，最大灌注壓力8 MPa。配套的發(fā)電機、水車、工作車輛等設備。

3.2 灌漿材料試驗

圖4 注漿孔的布置方案圖

選取了2段脫空水泥混凝土路面進行灌漿材料試驗，每段100m，工況1為水泥漿，工況2為水泥砂漿。

灌漿順序為：從脫空板嚴重的地方開始，由遠到近，由大到小。灌漿壓力的控制應根據(jù)灌漿材料的不同和水泥混凝土板的脫空情況具體確定，當漿體從壓過的或未壓過的孔溢出時，應及時用木塞塞緊溢出孔，10min后方可拔出木塞。漿體從裂縫、自由邊、其它孔處溢出時，保持壓力1~2min，視為該孔已壓滿漿，進入下一孔的灌漿程序。

工況1：大部分空板在滿漿壓力在1.0 MPa以下，少部分脫空板滿漿壓力需達到1.5 MPa。

工況2：大部分空板的滿漿壓力在2.5 MPa左右，但有部分空板程度不是很嚴重的需要壓力達到3.5~4..0 MPa，才能壓滿漿。

灌漿完成之后養(yǎng)護3天，即可開放交通，并檢驗兩種工況的注漿效果，結果如下：

表1 兩種注漿材料試驗結果數(shù)據(jù)

工況1 在開放交通35天時出現(xiàn)第一塊脫空板，開放交通90天時總共有6塊水泥混凝土板（每塊長4.5m）再次出現(xiàn)脫空。

工況2 在開放交通的90天時，只有一塊舊混凝土板出現(xiàn)輕微的脫空。

從上述數(shù)據(jù)可以得出，采用水泥砂漿材料灌漿的道路平整度要比采用水泥漿材料灌漿的道路平整度差，這是由于水泥砂漿的流動性弱于水泥漿，需要更大的注漿壓力，導致脫空板抬高，引起較大的錯臺。但由于脫空板灌漿之后會在道路上加蓋一層瀝青混凝土面層，所以水泥砂漿灌漿引起的路面粗糙度輕微增加，對道路并無影響。

綜上分析，采用水泥砂漿灌漿抗壓強度更高，灌漿效果更好。

3.3 瀝青面層攤鋪

灌漿材料選定之后，開始將灌漿施工應用于工程的所有脫空板，灌漿之后的路面在養(yǎng)護3天之開放交通，開放交通1個月之后未發(fā)現(xiàn)再次脫空的，隨即開始加鋪50 mm厚瀝青混凝土面層。瀝青油采用AC60/60、其余材料、攤鋪設備和施工工藝均按照當?shù)貥藴蕡?zhí)行。

4 成果及效益分析

2015年12月和2016年9月，菲律賓中央政府和世界銀行的技術代表分別組織了兩次實地考察和成果鑒定，認為該技術為菲律賓首創(chuàng)，在預防交通事故、提高道路使用率和保護環(huán)境等方面取得了顯著的效果和較大的經(jīng)濟與社會效益。建議在菲律賓全面推廣該應用成果。

在三年的時間里，累積灌漿脫空板53km，加蓋瀝青面層61 km，外加零星的換板和其它施工，總投入約2000萬美元，按照當?shù)卣峁┑臄?shù)據(jù)，在灌漿開始之前，當?shù)睾椭醒胴斦磕険芸罴s1500萬美元用于該段道路的翻修和維護，三年的投入將近4500萬美元，采用復合修補施工技術后的三年多的時間里節(jié)省了2500萬美元。

表2為當?shù)亟煌ú總兘o出的年車流量數(shù)據(jù)（2013年9月工程正式開工）。

表2 道路年車輛通行量 單位：輛

圖7 道路年車輛通行量增加示意圖

表3 道路年平均國際平整度

從上述數(shù)據(jù)對比可以得出，該技術應用，具有成本低、見效快、施工簡單、提高公路通行性能、大大改善了公路平整度和提高公路使用者舒適性等優(yōu)點。該復合修補技術完全達到了預期的設計目標和效果。

5 結論

混凝土路面由于地基沉降、基礎施工質(zhì)量差、超載等原因，地表水通過板塊間縫隙滲入到空隙中，重載車通過時，空隙內(nèi)的水和泥土從縫隙中擠出，導致水泥混凝土板脫空，周而復始，惡性循環(huán)，最終會導致路面的損壞。熱帶雨林地區(qū)降雨量大，持續(xù)時間長，地表水滲入能力強，雨水對路基的沖刷更甚。在熱帶雨林地區(qū)，對脫空板灌注水泥砂漿，同時加鋪瀝青混凝土面層的復合修補技術，能充分利用舊混凝土面板的結構功能，并迅速恢復水泥路面的通行能力，改善路面的行駛質(zhì)量，舒適性好，可以有效的減少路表水侵入到路基，防止路基結構層沖刷病害，同時也充分利用舊混凝土面板的剩余壽命，減少廢棄舊混凝土板對環(huán)境破壞并節(jié)約資源，相比換板施工就有明顯的優(yōu)勢，交通干擾小，工程進展快，投入少見效快，道路通行能力大大提高。研究成果為中國南方地區(qū)的舊混凝土路面延壽和修復，提供了工程實例和借鑒。在應用該復合修補技術的過程中，總結出了以下經(jīng)驗和結論：

（1）對于熱帶雨林地區(qū)，水泥砂漿的灌漿效果要明顯優(yōu)于水泥漿的灌漿效果。灌漿過程中，必須嚴格按照灌漿程序進行施工，加蓋瀝青混凝土面層之前必須仔細檢查每一塊水泥混凝土板的脫空情況，防止水泥混凝土板“帶病“加鋪瀝青混凝土面層。對于現(xiàn)存的水泥混凝土板上已經(jīng)加鋪了4~5 cm瀝青面層的路面，其下層水泥混凝土面板有脫空現(xiàn)象的，應用復合修補技術效果同樣良好。

（2）部分脫空板特別嚴重的地方，灌漿之后必須在水泥混凝土路面上鋪設瀝青專用土工布或者其它的防裂結構物，或者加厚瀝青混凝面層，如若不然，在攤鋪瀝青6~12個月之后，瀝青表面會出現(xiàn)反射裂縫，水泥混凝土路面再次脫空。對水泥混凝土脫空板應用復合修補技術是一種很好的解決方案，但必須嚴格控制瀝青加蓋層的施工質(zhì)量，防止瀝青面層出現(xiàn)車轍、鼓包和開裂。

（3）經(jīng)過3年應用和觀察，舊水泥混凝土面板剩余抗壓強度在原設計強的75%以上的，應用復合修補技術效果良好，隨著剩余抗壓強度的降低，應用效果成加速遞減趨勢，剩余抗壓強度低于原設計強度50%時，不建議使用復合修補技術。

（4）經(jīng)過小范圍的試驗，在灌注脫空較為嚴重的水泥混凝土板時，3孔灌漿和5孔灌漿的效果，沒有明顯的差別，如果3孔灌漿可行，可以節(jié)省40%的鉆頭和鉆孔時間，提高鉆孔效率，節(jié)省鉆孔成本，有待后續(xù)的觀察和試驗。

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