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水泥混凝土路面性能与养护维修研究摘要：水泥混凝土路面是高等级公路路面结构的主要型式之一，但往往由于各种主客观原因，产生板底脱空、卿泥、裂缝和断板等病害。为了确保水泥混凝土路面的服务能力和使用品质，必须对其使用性能进行评价以制定养护维修方案，并实施修补和修复，从而恢复路面的使用性能和结构性能。为此，本文在参阅国内外大量相关的参考文献的基础上，结合河南省许昌地区水泥混凝土路面典型路段的调查和分析，开展了水泥混凝土路面性能评价与养护维修技术的研究。关键词：水泥混凝土；路面性能；养护维修；施工工艺1绪论公路运输在许昌地区交通运输中占主导地位，承担了绝大部分的客、货运量。目前，现有许昌地区干线公路大多采用水泥混凝土路面，而且今后所占的比重势必日趋增大。然而，在许昌地区干线公路水泥混凝土路面不同程度的出现早期破坏现象，且日益突出，水泥混凝土路面结构组合设计没有得到足够的重视，如高等级公路水泥混凝土路面因基层问题而带来的板底脱空、卿泥、裂缝、断板等病害屡见不鲜，造成了目前道路状况存在着严重问题，使得全年路况不稳定，起伏很大。因此，为了改变目前水泥混凝土路面的道路状况，提高路网的服务能力，开展水泥混凝土路面结构的使用性能检测评价及养护维修技术研究是非常及时和必要的。同时，许昌地区境内的干线公路路面已经实现水泥混凝土路面化，未来的一些重要线路将继续采用水泥混凝土路面，而区内现有的水泥混凝土路面，特别是重载较多的水泥混凝土路面，许多出现了早期破坏，维修养护任务繁重，水泥混凝土路面，并非如人们所想象：修成后一劳永逸。开展本课题的研究将有利于科学合理地进行水泥混凝土路面的养护维修结构设计，提高水泥混凝土路面养护维修设计和施工质量，降低工程造价，提高投资效益具有重要的指导意义，尤其对许昌地区水泥混凝土路面的养护管理具有重要的参考价值。2水泥混凝土路面路况及性能评价公路运输在许昌地区交通运输中占主导地位，近几年来，随着交通量的急剧增加及车辆重载、超载现象严，重，许昌市公路局所辖的水泥混凝土路面路段病害急剧增加，路面使用功能正急剧下降，部分路段病害已影响到行车安全。因此，为了维持水泥混凝土路面的正常使用功能，加强养护管理，对其病害进行综合治理己势在必行。2.1水泥混凝土路面路况调查路面调查的目的是运用各种仪器设备对路面状况的各种指标进行检测，以了解现有路面的使用性能，为制定养护管理方案提供依据，以便进行科学管理和长远规划。水泥混凝土路面路段结构检测主要包括路面调查、FWD动态弯沉检测、钻芯取样试验检测与排水系统调查几大方面内容，其中路面调查包括破损状况、结构强度、平整度及抗滑能力等四项内容。对水泥路面进行的FWD动态弯沉检测的主要目的是通过测量水泥混凝土板的动态弯沉，了解板的工作性能，以及估算水泥混凝土路基与路面各结构层的模量，为路面大、中修加铺层设计和罩面设计提供设计参数。钻芯取样试验检测主要是配合其他项目检测，钻取结构层芯样进行物理和力学试验，了解实际结构层厚度及结构层使用现状，为分析路面破损原因及确定维修方案提供强度和变形指标。排水系统调查主要是了解该路段当前排水情况及排水设施的损坏情况，以便为今后大中修排水系统设计和保养提供依据。结构调查的目的在于：l)路面调查主要用于该路段的现状分析与评定；2)检测项目主要为今后大中修提供设计依据或参数，同时，辅助路面调查，对该路段现状进行分析。2.2水泥混凝土路面性能评价该路段的横向力系数SFC为21.9，其等级为差；从实测抗滑系数看，该路段左幅的平均抗滑系数为16.9，而右幅的平均抗滑系数为27.0，这主要因为该路段左幅重载、超载车较右幅多，随着时间的增长，出现磨光现象。行驶质量指数RQI为6.5，评价等级为中，说明路基、路面施工质量控制一般。FWD动态弯沉检测结果表明，其中央弯沉D；平均值为97.54(大于规范值80)，变异系数为0.1896，说明该路段路面结构强度较弱，且不均匀；Dg平均值为44.15，变异系数为0.1735，说明路基压实差，且不均匀。从目测及调查看，存在较多的连续纵向裂缝断板，路况指数为48，评定等级为次，路面综合评定为次。结合FWD动态弯沉检测、钻芯取样检测与排水系统调查分析可知，该路段存在的工程隐患主要有以下几个方面：(1)设计方面该路段现有的交通量已达11681辆旧(标准轴载)，是《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTGD40一2004)中二级公路标准上限值的1.56倍(二级公路标准上限值为7500辆旧)，而且还有逐年增长的趋势(年平均增长率约为5.4%)。虽然该路段在1997年大修设计时已考虑到超重交通荷载这一情况，混凝土面层设计厚度为24一26cm，但就现今类似路面设计来看，混凝土面板推荐厚度为27cm左右，所以从理论上讲，混凝土面板设计过薄，不能满足超重荷载的要求。该路段连续配筋混凝土路面裂缝缝宽较大，因而极易造成路面雨水进入基层，引起路面结构层破坏，这是本路段存在的一大工程隐患。该路段现有的交通量已达12520辆/日，属特重交通，是一般二级公路规范上限值的1.67倍，且逐年增长的趋势明显，而其在设计时未考虑重载和特重交通量的影响，混凝土面层的设计厚度过薄，只有24cm，而建议值为27cm。1987年改建时为未进行排水系统的综合设计。路面结构组成不合理。采用石灰土作基层，这种材料目前按规范规定不能作为重交通高等级公路的基层，其早期强度低，而且其收缩性及水稳性差。该路段重载、超载车较多，因而极易引起路面结构层破坏，这是本路段存在的一大工程隐患。(2)施工方面个别路段路肩杂草堆积杂物未及时清除，使路面纵、横向排水不畅，可能会引发路面破坏。边沟及其路面设施未及时清理养护，特别是汛前暴雨后，应及时检查各种路用设施，清除沟中淤泥、杂草，确保排水畅通，降低水位。超载、重载严重，且未能采取有效对应措施。FWD动态弯沉检测变异数为18%较大，说明改建时，水泥混凝土施工控制不良。路基施工压实不足，造成路基不均匀沉陷，产生纵向裂缝和面板断裂。从钻芯取样的结果来看，面层的施工厚度部分没有达到设计厚度，最薄处为22.4cm。而且水泥混凝土混合料级配不满足要求，粗细集料搭配不均，部分振捣不实，混凝土中含有气孔，细骨料过少，从而导致表面裂缝的产生。(3)养护管理方面填方路段路肩杂草堆积杂物未及时清除，使路面纵、横向排水不畅。路面破损未及时修补或修补质量差，使路面板修补后不久再次损坏。超载、重载严重，且未能采取有效对应措施。通过对许昌地区4段典型的水泥混凝土路面结构进行现场调查、测试和分析计算，主要进行了以下工作，并得出相应的结果。(l)进行了气候、材料、施工资料、土质与路面结构和路况等的现场调查，并收集了大量的数据和资料，整理了4条调查路段混凝土路面的工程概况和路面结构情况。同时，根据各路段实际情况及检测要求，进行了野外钻芯、FWD弯沉检测、平整度与抗滑性能等现场检测和试验。(2)通过以上调查内容的资料与数据的整理和大量分析计算，提出了路面行驶质量指数RQI与平整度标准差口及横向力系数汉尸C与摆值刀尸万之间的换算关系，以便于路面行驶质量和表面抗滑能力的评价，由此得到了4条调查路段的路面状况指数尸CI、断板率DBL、行驶质量指数RQI、横向力系数了厂C、路面综合评定指标SI、FWD动态弯沉均值DI和Dg、面层和基层的反算模量以及混凝土的劈裂强度等分析结果，从而对各路段的强度质量、抗滑能力、破损状况及使用质量进行了评价，得到了相应指标的评定结果，并确定了最终的评定等级，即G1O7国道K759+000一K759+500段为良，G311国道K337+500一K338+000段为良，531省道K40+300一K40+800段为次，531省道K45+000一K45+500段为次。(3)根据各路段性能评价结果，从设计、施工和养护等方面分析了工程存在的隐患，为确定合理的养护管理维修方案和对策提供了合理依据，并为未来的大修改建提供了相关参数。2.3水泥混凝土路面结构性能的FWD检测FWD在公路检测中的应用主要表现在两个方面：一是根据弯沉盆反算路面结构各层的模量，研究路面材料在使用过程中的性能变化，提供设计参数；二是以FWD的弯沉盆作为指标，评价路面整体强度，为养护管理提供依据。通过FWD弯沉检测，一般可记录三方面数据：(l)落锤点最大弯沉；(2)以落锤点为中心的弯沉盆曲线；(3)弯沉盆各点随时间变化的时程曲线。然后根据这些数据可进行静态或动态的模量反算，得到路面材料野外实际的模量值。通过对许昌地区4段水泥混凝土路面典型结构的FWD检测，对面板和基层的强度和刚度、接缝传荷能力和板底脱空状况等进行了评价，从而为水泥混凝土路面养护维修方案设计和技术措施提供了合理依据和参数。(l)总结分析了水混凝土路面根据弯沉盆参数进行评价的方法和指标，介绍了水泥混凝土路面模量反算的数学模型和方法，并根据模量反算的结果对水泥混凝土面板和基层的强度和刚度进行了评价，提出了面板和基层顶面反算模量的评价指标。最终模量评定结果表明，G107国道面层模量合格率为62.7%，基层顶面当量模量合格率为100%；G3ll国道面层模量合格率为100%，基层顶面当量模量合格率为100%；531省道面层模量合格率为89.8%，基层顶面当量模量合格率为82.4%。(2)总结分析了FWD弯沉盆检测结果评价水泥混凝土路面接缝传荷能力的方法和指标，包括应力应变法、弯沉比法和模量比法，并进行了弯沉比法和模量比法的分析对比。结果表明，用模量比法测得的接缝传荷系数比用弯沉比法测得的传荷系数要小，且二者之间具有一定的相关性。(3)分析了FWD弯沉盆检测结果评价脱空的方法和指标要求，包括板角处的弯沉断面图法和美国NCHRP荷载一弯沉关系图法。同时，根据脱空处地基刚度参数的衰弱，采用文克勒地基板模型的有限元法，建立了脱空评定方法—比较分析法，并通过大量的统计分析得到了混凝土路面板脱空状况评定的回归公式，由此对调查路段进行了评价。结果表明，531省道脱空31处，脱空率为29%；G311国道脱空18处，脱空率为8%；G107国道脱空巧6处，脱空率为25%。3水泥混凝土路面的养护3.1典型结构的养护维修随着公路达到使用年限逐渐产生破坏，最终需要作某些处理。为了提高该路段的养护技术和服务水平，最大限度地发挥起功能，使有限的资源获得最大的价值，为公路使用者提供安全、舒适和经济的服务，对该路段的大中修或改善养护规划就显得至关重要。处理的方法根据实际情况，可以从简单的维修，直至彻底重建，对于承受中等和繁重的交通的路面，最普遍的处理方法实在就路面上铺设加铺层。水泥混凝土路面根据使用质量评定，需进行大修时，应根据面积、基础、面层情况、交通量等，分别选用水泥混凝土路面或沥青路面结构。在进行旧混凝土路面加铺层之前，应调查下列内容：l)公路修建和养护技术资料：路面结构和材料组成、接缝构造及养护历史等；2)路面损坏状况：损坏类型、轻重程度、范围及修补措施等；3)路面结构强度：路表弯沉、接缝传荷能力、板底脱空状况、面层厚度和混凝土强度等；4)已承受的交通荷载及预计交通需求，交通量、轴载组成及增长率等；5)环境条件：沿线气候条件、地下水以及路基和路面的排水状况等。为了确定合理的大中修养护维修典型结构，在对许昌地区4段典型路段的详细调查和分析的基础上，依据以上调查路段的分析结果，根据公路等级、交通等级、旧路路面结构形式、大中修要求，结合加铺层设计方法，提出适合许昌地区的水泥混凝土路面养护的典型结构——加铺层设计方法，目前主要有三种可用于加铺层设计的方法，即有效厚度法、挠度法和力学经验法。不管采用哪一种方法，重要的是进行路面状况调查，并且将拟建项目根据使用年限、交通、设计和路面状况，细分为一个或多个性质相同的分析路段。对旧路面较严重的损坏在加铺之前必须作适当的修补。如果确定的分析路段超过一个，必须从实际施工和经济上考虑，确定各个分析路段的加厚层设计方案。对于路面大修，提出了三种类型的典型结构方案：沥青混凝土AC型、多碎石沥青混凝土SAC型与沥青玛蹄脂碎石混合料SMA型。3.2养护维修技术（l）小修保养1