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灌浆技术处治旧水泥混凝土路面应用探讨
    摘  要：水泥混凝土路面在使用过程中会产生诸多的病害，本文尝试通过对旧水泥混凝土路面板唧泥，脱空等混凝土路面主要病害的分析，分析讨论采用灌浆技术来解决此类病害的相关问题，并从对脱空板的确定，灌浆加固机理、设计考虑、施工方法，技术实施等方面进行了较详细的介绍和分析从经济的角度评价了灌浆技术的可行性。
    关键词：水泥混凝土路面  脱空分析  灌浆处治  评定

    前言：
    近几年来，我国城乡各地修建了大量的水泥混凝土路面，毋庸置疑，这对提高我国公路路面质量，增强公路的抗灾能力，改善公路行车条件，提高客货运输效益，均起到了积极的作用。随着水泥混凝土路面的养护管理工作日益繁重。一是早期修建的水泥混凝土路面大多已接近使用年限，需要翻修；二是近期修建的水泥混凝土路面，由于诸多原因，有的也出现了不同程度的损坏。为了及时修复已损坏的水泥混凝土路面，保证公路运输畅通，一些设计、科研院（所）、施工及养护管理部门已在这方面做了大量的工作，从实践中探索了一些较为成功的水泥混凝土路面修补技术。这些技术有的已经通过工程考验，证明是可行的；有的则刚刚问世，有待进一步检验。
    路面是公路工程的重要组成部分之一，它直接承受和传递行驶车辆的荷载作用，并抵御各种自然条件的侵袭。在我国176万公里公路网中现有路面里程已达91%，有高级、次高级路面里程为41%。1990以来，随着我国大规模公路基础设施建设的展开，水泥混凝土路面公路得到史无前例的快速发展。截至到2002年底，我国已拥有水泥混凝土路面公路16.8万公里，是1989年里程长度的14.7倍，13年中净增15.6万公里，平均年增长率为25%。在总里程28.9万公里的高级路面（沥青混凝土路面和水泥混凝土路面）公路中，水泥混凝土路面占到了58%。中国已经成为当今世界上拥有水泥混凝土路面里程最多的国家之一。
    为全面建设小康社会，实现交通新的跨越式发展的目标，新世纪头二十年我国公路建设仍将大踏步前进。“五纵七横”国道主干线有望于2010年前贯通，西部八条大通道将于2020年前全面建成，“十三纵十五横”国家重点公路建设由东向西逐步推进。与此同时，为加快农村公路建设，“修好农村路，服务城镇化，让农民兄弟走上油路和水泥路”。国家启动了“通畅工程”和“通达工程”。按照规划，至2020年我国公路通车里程将达到（260~300）万公里，其中高速公路预计达到7万公里。可以预见，水泥混凝土路面公路仍将有大的发展，今后几年水泥混凝土路面的建设规模将会以每年数万公里至十万公里的速度向前延伸。在我国水泥混凝土路面的建设具有得天独厚的资源优势，水泥产量连续13年居世界第一，2002年年产水泥达到6.3亿吨。大力发展水泥混凝土路面技术，不仅全部原材料均可立足国内市场，也有利于促进国民经济的可持续发展。水泥混凝土路面质量的好坏直接影响行车速度、安全、舒适和运输成本。它具有强度高、刚度大、受温度影响小、使用寿命长等优点。但水泥混凝土路面接缝较多，对超载较为敏感，易发生脱空、唧泥、裂缝等先期病害，从而导致路面的破损，如何治理与预防脱空、唧泥等病害，搞好水泥混凝土路面的养护，延长公路的使用寿命，改善其通行能力，具有十分重要的意义。
    1、水泥混凝土面板唧泥、脱空形成主要原因
    唧泥和脱空病害的产生有其内在因素和外界因素：内在因素是基层本身的质量、组成以及混凝土面板接缝状况；外界因素则是汽车荷载和气候变化。我国路面基（垫）层材料一般都选用稳定类集料，其模量远小于混凝土面层的模量。水泥混凝土路面在重车荷载的反复作用下，板下基面板底与基（垫）层之间将出现微小的空隙，即出现了板下局部脱空，或称为原始脱空区。同时温度湿度的变化，以及板内温度的非线形分布，引起板向上或向下的翘曲，加速了板与基础之间的分离，形成板底脱空。脱空的出现又为水的浸入创造了条件，当路面接缝或裂缝养护不及时，雨水从破损处浸入基层，渗入的水将在板下形成积水（自由水）。积水与基层材料中的细料形成泥浆，并沿面板接缝缝隙处喷溅出来，形成唧泥。唧泥的出现进一步加剧了板底的脱空。这样周而复始，恶性循环最终导致路面的损坏。
    2、板下封堵的必要性
    在修复水泥混凝土路面时，采用板下封堵的目的是为了恢复对路面结构的支承，它是通过向这些空隙灌浆而实现的。灌浆时要施加一定的压力，而施加的压力不应使路面板抬升。
    板下封堵作为一种预防性维护措施，应在板角刚一出现支承丧失的情况时就尽快地进行。支承丧失的表现是弯沉增大，横向接缝形成错台，交通车道或路肩的接缝和裂缝附近积存细屑。
    在路面板尚未发生严重裂缝时，板下封堵是一种比较经济的修复方法。如果初始弯沉很小，最好不要灌浆，因为板下封堵所造成的扰动可能会使弯沉增大。
    板下封堵不能矫正沉降，不能提高结构设计能力，也不能消除因板内温、温度变化及板上交通荷载而造成的垂直错台。但是由于空隙被填充，减小了弯沉，恢复了结构的整体性，因此减小了未来发生唧泥以及错台和板断裂的可能性。只有在支承能力丧失程度有限的接缝、裂缝处才进行板下封堵。
    3、加固机理
    在现有混凝土路面设计理论中，我们把混凝土板看作是小挠度弹性薄板，其假定条件是面板与地基间完全接触(不脱空)。同时混凝土板是一种脆性材料,抗压强度高、抗弯拉性能差。在正常情况下，面板均匀支承时，无论荷载作用位置，应力都较小。而一旦脱空，板角处由于基础支撑的丧失处于悬臂状态，板内将产生过大的应力、剪力，混凝土板很快达到极限寿命。水泥混凝土板灌浆是通过注浆管，施加一定压力将浆液均匀注入板底空隙、板下基（垫）层中，以充填、渗透、挤密等方式，赶走板底、基层裂隙中的积水、空气后占据其位置，经人工控制一段时间后，浆液将原来的松散颗粒或裂隙胶结为整体，形成一个良好的“结石体”。灌浆改善了板底原有受力状态，恢复板体与地基的连续性。达到加固基础，治理病害的目的。
    4、设计考虑
    板下封堵工程设计，包括选择一种合格的灌浆混合料，测试路面有没有脱空，预计灌浆的量和决定适宜的灌浆孔。
    4．1灌浆混合料
    水泥混凝土路面板下封堵的灌浆材料一般由水泥、粉煤灰、砂、外掺剂和水组成。灌浆材料质量的优劣直接影响灌浆的效果，因此，不管用何种灌浆材料都应通过试验来选择。
    4．1．1灌浆材料应具有的特点
    （1）早期强度高。要求材料具有一定抗压强度和弯拉强度，同时强度应尽可能早的形成，以便及早通车。
    （2）流动性好。灌浆加固是在一定压力下将浆体压入到板下的空隙，常用的灌浆压力在1.0~1.5Mpa左右，若浆体本身粘度大，流动性不好，在灌浆过程中不能充分灌入空隙，影响加固质量。
    （3）无收缩。灌浆加固层的收缩将造成与板体和基层之间的粘结减弱，影响灌浆加固效果。
    4．2脱空板的确定
    脱空板可采用人工观察法、弯沉测定法等方法来确定。人工观察法是通过肉眼观察接缝、裂缝、唧泥等情况初步判定脱空，当重车行过，能感到混凝土板有竖直位移进，或下雨之后，有明显唧泥现象的板块，认为是脱空。这种方法的缺点是主观性强，即使是有经验的工程师也不能避免错判、漏判。弯沉测定法是测试板角弯沉，如果超过某一限值，即认为存在脱空。我国交通部行业标准《公路水泥混凝土路面养护技术规范》（JTJ073.1-2001）(以下简称《规范》)中也明确规定水泥混凝土面板脱空位置的确定可采用弯沉测定法。
    4．2．1弯沉仪测定法
    （1） 加载车。采用相当于黄河JN150重型标准汽车，后轴重10t
    （2） 仪表。5.4m长杆贝克曼梁，百分数表（至少三套）。
    （3） 测点。路面每幅每条横向接缝或裂缝测4个点位，测点在接、裂缝两则的4个角点上。
    （4） 车轮位置。角点处，车轮着地矩形的边缘离中缝及横向接（裂）缝的距离不大于10cm。
    （5） 变位感应支点位置。贝克曼梁的变位感应支点应尽量接近角部或边缝，不一定要紧靠近车轮，不必将感应支点落在两轮胎之间的间隙处。
    （6） 相隔两道缝。贝壳曼梁的中间支点及百分表支座支点应与变位感应点保持相隔两道接（裂）缝，至少相隔一道缝，不能落在同一完整板块上。
    （7） 读数。汽车应以5km/h的速度驶离测点至少5m以上，并且相隔至少一道缝，当百分表读数稳定时，才能读数。
    （8） 记录。
    （9） 凡弯沉值超过0.635mm的，应确定为板块脱空。
    4．3砂浆量的预测
    每个接缝的灌浆量一般为0.03m3~0.09m3。
    4．4材料
    采用粉煤灰水泥混合料并掺外加剂。粉煤灰掺水泥是一种能支承荷载的高强度耐久混合料，粉煤灰的颗粒级配和球形形状还使它具有填充细小空隙所需要的易流动性。
    外掺剂包括减水剂、膨胀剂，以补偿粉煤灰的收缩。
    4．5设备要求
    配制粉煤灰砂浆，需要专门用于配制胶质材料的混合器才能配制出处于悬浮状态、抗游离稀释的真正的胶质混合料。可用一部水泥喷射泵为砂浆加压。为了能在发现板移动时尽快地停止灌浆，应使用回流管以减少板的移动或过度灌浆。采用砂浆回流系统有助于消除砂浆在喷射管内的初凝，砂浆的流动一被切断，管内的砂浆就可回流到泵中，水箱也需要加压泵，且容量应能满足一天的生产需要。有些砂浆拌和装置带有大小适宜的水箱。应使用能扩张的胶喷嘴以便使喷射管牢牢地贴紧也壁。
    4．6板上封堵砂浆孔的分布
    钻孔的的形式应能提供足够多的孔，使砂浆能流到路面下的所有空隙内。板下封堵的常用钻孔分布形式。孔的分布形式随水泥混凝土路面的不同设计类型而变化。因为对不同的板长、使用性能和破损形式的分布会有所不同，板下封堵的位置也需做相应的调整。
    钻孔应穿过板并进入未经处治的垫层。如果基层经过稳定处理，空隙往往存在于垫层和土基之间。侧孔应穿透经过垫层并钻入土基内，深度最大不超过7cm。砂浆喷射管的输出管口不能低于混凝土板的板底，这样才能使砂浆流入混凝土板以下的所有空隙以及基层以下的所有空隙。在砂浆流不到的地方，必须用泵向孔内射入少量的空气以形成一个小空腔同脱空部位贯通。
    板下封堵期间要进行严密的观察，以免灌浆过度，板被抬升。当砂浆从相邻孔流入裂缝、接缝与路肩下方时，可停止灌浆。
    5、板下封堵施工准备
    板下封堵工作是用泵将稀砂浆混合料从路面上的钻孔灌入到板下的空隙中。对水泥混凝土路面进行稳定和板下封堵，用混合料填充板下的空隙，使之形成一个不溶解的坚硬块体。
    5．1定位
    上海某公路试验段为一级公路，建于1997年，设计板厚24cm。主要采用弯沉指标来确定脱空板。首先选取水泥混凝土面板荷载最不利作用位置作为检测点，宜选取横缝及纵缝附近的点。采用两台5.4m长杆弯沉仪及BZZ-100标准轴载（后轴轴载为10t）测定。测点分主点、副点。主点位于板横缝前10cm，加卸载，副点在横缝后10cm，无荷载（正常行车方向为前）。将一台弯沉仪置于主点，即测定车的轮隙中间，另一台弯沉仪置于副点处。分别测定主、副点弯沉（按前进方向右轮测试）右轮处于纵缝30cm左右。在《美国路面修复手册》中规定凡弯沉值超过0.635mm的,应确定为板块脱空。
    5．2制备砂浆混合料
    5．2．1浆液材料基本要求
    常用的水泥砾材料包括：水泥、粉煤灰、水、外加剂等。将浆体制成7.07*7.07*7.07cm立方体试件,标准养护7d,其抗压强度应到5Mpa以上,浆体应具有良好的可泵性、和易性、保水性，浆体过稠不能均匀布满板底空隙，浆体过稀，干缩性大。在施工中，为防止浆体的干缩，浆液中宜掺加一定量膨胀剂。流动度是影响可灌性的主要因素，一般流动度越高，可灌性就越好。由于在现行规范中未对此做明确规定，参照预制梁板压浆施工经验，采用水泥浆稠度试验漏斗（体积1725ml±5ml）,以浆体自由全部流完的时间作为流动度来控制。其中，在室温条件下，纯水的流出时间为8s（室内试验结果）。表1列出了在标准条件下，不同水灰比、不同材料配比之间的流动度结果及试件强度。从表中可发现水泥净浆不管掺或不掺减水剂，其流动性都比相同条件下水泥粉煤灰浆体的流动性要好。因此，可以看出，二级粉煤灰单位何种的需水量要同条件下水泥粉煤灰浆体的流动性要好。因此，可以看出，二级粉煤灰单位体积的需水量要大于水泥。文献（1）中提出：对于不掺减水剂的水泥净浆，其流动度不应小于16s；掺减水剂的浆体可减小到12s；流动度最大应不大于26s。在施工中，浆体流动度不宜过小，控制在20-30s之间较好。否则会产生泌水现象。
    5.2．2试验资料
    从表中可看出，在相同水灰比情况下，流动性随着水泥与粉煤灰的比例产生变化。同时，粉煤灰比例也影响水泥浆的后期强度。在相同条件下，水灰比越大，则浆体的强度会逐渐降低，因此，不宜采用过大的水灰比；根据上述试验结果，在施工中采用的浆液配比为：水泥：粉煤灰:水:早强剂=1:0.5:0.7+0.5%。在取得大流动性的前提下，保证了浆液的强度。如表1
    浆液流动度及力学试验指标
    浆液配合比  (水泥：粉煤灰：水) 水灰比 流动度  (s) 7天强度(Mpa) 28天强度(Mpa) 浆液配合比 (水泥：粉煤灰：水） 水灰比 流动度  (s) 7天强度(Mpa) 28天强度(Mpa)
    1：0.0：0.4 0.4 96.79 21.58 51.25 1：0.4+0.5%SN-II 0.4 16.4 18.42 42.1
    1：0.5：0.7 0.47 85 10.41 23.65 1：0.5：0.65+0.5%SN-II 0.43 42.96 17.1 　
    1：0.5：0.75 0.5 32.53 6.97 　 1：0.5：0.7+0.5%SN-II 0.47 21.99 11.85 27.27
    1：0.7：0.8 0.47 79.21 7.96 19.13 1：0.7：0.8+0.5%SN-II 0.47 32.16 10.55 24.51
    1：0.7：0.9 0.56 21.75 8.08 17.18 1：0.7：0.8+0.75%SN-II 0.47 29.5 10.55 　
    1.0：1.0：1.0 0.5 47.51 5.93 　 　 　 　 　 　
    注：浆体制成7.07*7.07*7.07cm立方体试件，放在标准养护室进行养护；SN-II指早强剂。
    5．3机械设备
    水泥混凝土路面板下封堵的灌浆设备主要由压浆泵、灰浆搅拌机、胀卡头、水箱和30kw发电机组等组成。
    5.3.1压浆泵的选择
    （1）泵的压力。压浆泵的压力应根据灌浆材料不同，管路的长短等因素来确定。水泥粉煤灰作为灌浆材料，压浆泵的初始起动压力宜为1.5Mpa，即15Kg/cm2。
    （2）输送管的管径。由于输送距离较短，一般输送半径不大于30m，故宜选用压浆管管径64mm，排浆管径51mm。
    （3）输送量。每台压浆机组额定工程量为单幅100m即20块，每班工作有效压浆时间按4h计，则压浆机每小时材料输送量应大于是1.5m2,宜采用3 m2/h输送量的压浆泵。
    5.3.2灰浆搅拌机的选择
    灰浆搅拌机有两个功能，一是灰浆搅拌，二是灰浆储存，且灰浆储存内设有搅拌轴以防止灰浆沉淀离析。该设备主要参数：工作效率：6m3/h；搅拌轴转速70n/min。
    5.3.3胀卡头
    胀卡头是压浆工作的重要部件，它是压浆管与水泥混凝土板衔接的媒介。胀卡头宜选用最大外径107mm，内孔直径为38mm。为使压浆顺利进行，胀卡头的最小旋紧力矩不得小于120kh.m
    6、施工方法
    6.1确定板下封堵位置
    对板角进行弯沉测定，凡弯沉超过0.635mm的板，就应进行板下封堵。
    6.2钻砂浆喷射孔
    孔的直径不大于5cm，要保持垂直同时又圆，其深度要穿透经过稳定的基层垫层，但钻入土基的深度不行大于7cm，用吹气的方法形成空腔以便于砂浆的初始分布。
    6.3砂浆准备
    将水泥、粉煤灰放入筒内，搅拌15s，然后加入所需的外加剂，搅拌15s。再加水搅拌，将砂浆送入搅拌器，用泵送出。
    7、灌浆技术的实施
    将膨胀橡胶灌浆栓塞或与装配有和出料口相接的软管插入孔内，灌浆栓塞或软管的出料口不能伸至混凝土板底部以下。要连续地向泵内送砂浆，直至观察到砂浆已从一个孔流入另一个孔。当观察到板开始抬升，或砂浆流动线路内的压力迅速升高时停止泵送。管线中的精密的压力计来监视。压力计带有保护罩，以防稀砂浆流入。
    空隙中的水被砂浆排挤出来后，可任其流走和排走。灌浆后至少2h以内要求所有交通避开此区域。流到路面接缝内的砂浆应予清除，以保持适宜的接缝缝隙。在相邻的两个砂浆喷射孔之间出现横向裂缝的情况下，可用喷涂环氧树脂的方法封堵。
    一个孔灌完浆后，应拨出灌浆栓塞并立即插上木塞，以便有足够的时间使砂浆充分凝固。在回复压力的作用下不会将砂浆从孔中挤出时，方可将临时用的木塞拨出，并将孔用快凝水泥砂浆久性地密封，抹平与路面等高。
    残留在路面或路肩顶面上的砂浆要趁其未粘在面层上时扫掉，并用水冲刷，以免留下斑渍。如果砂浆流到了缝隙内，应趁其尚未将缝隙密封时，及早将砂浆混合料去除，并将损坏的接缝及时用填缝料填好。灌浆后2h内应避免车辆通过灌浆区。
    8、灌浆效果评定
    试验段灌浆前后弯沉资料见表2(单位mm)。表2中灌浆前数值均大于控制指标，认为板底出现脱空，需灌浆处治，从检测资料可看出原混凝土面板通过灌浆提高了承载力。
    试验段灌浆前后弯沉对照表
　 表2
    桩号 灌浆前值 灌浆后值 主点比较 副点比较
    主点弯沉 差异弯沉 主点弯沉 差异弯沉 前-后 前-后
    4+478.7 0.34 0.12 0.24 0.04 0.1 0.08
    4+483.7 0.36 0.16 0.18 0.04 0.18 0.12
    4+488.7 0.34 0.08 0.18 0.04 0.16 0.04
    4+513.7 0.34 0.08 0.24 0.02 0.1 0.06
    4+518.7 0.32 0.16 0.2 0.04 0.12 0.12
    4+523.7 0.44 0.18 0.34 0.08 0.1 0.1
    4+583.6 0.42 0.22 0.22 0.02 0.2 0.2
    4+588.6 0.32 0.08 0.18 0.02 0.14 0.06
    4+593.6 0.28 0.06 0.24 0.02 0.04 0.04
    4+598.6 0.36 0.22 0.2 0.02 0.16 0.2
    4+603.6 0.3 0.1 0.2 0.04 0.1 0.06
    4+618.6 0.6 0.38 0.26 0.06 0.34 0.32
    4+623.6 0.3 0.08 0.22 0.08 0.08 0
    4+628.6 0.3 0.1 0.2 0.06 0.1 0.04
    4+633.6 0.22 0.02 0.16 0.02 0.06 0
    4+638.6 0.34 0.1 0.22 0.02 0.12 0.08

    灌浆处治旧水泥混凝土路面早中期破坏与“换板”相比最大的优点就是利用原路面板。其直接成本随脱空情况及处治目的不同而不同，一般介于每平方米10—30元左右。“换板”翻修混凝土路面每平方米成本一般需120－140元。与后者相比，前者的直接成本明显低。灌浆作为一种治理混凝土路面病害、及时可行的科学养护技术，具有成本低、见效快、操作简便、对车辆行驶影响小，受自然因素影响小等优点。在公路施工和养护工程中，具有可观的经济效益和社会效益。
    大多数破损板本身的质量良好，病害主要是由于下承层造成的。有关资料建议灌浆钻深度一般为混凝土板底3－5cm，根据施工经验，钻孔深度应穿透达到垫层中。传统的“换板”只能改善板本身状态，而板下灌浆通过灌浆压力可把浆液渗透到相邻混凝土板下，起到灌浆一块板加固几块板的作用。
    产生脱空板的原因有：填缝料的失效，水的浸入，基层材料中的细集料。因此，必须加强接缝的养护，及时疏导路面积水，来预防、防治路面先期病害，在基（垫）层施工中，应严格控制混合料中的细集料含量。
    9、结束语
    灌浆技术作为一种新型的加固技术，可广泛的应用到公路施工其它方面。如：高速公路桥头跳车、软土地基处理、机场路加固等。而且由于其处治质量主要控制指标－弯沉与旧板加铺沥青混凝土面层的设计指标相吻合，具有一定科学性，所以也适用于旧板加罩沥青面层的旧板加固中。相信在以后灌浆技术会更好的为我们服务，提高我们混凝土路面的质量。

参考文献：
    1.中华人民共和国行标准.公路水泥混凝土路面养护技术规范（JTJ073.1－2001）.北京：人民交通出版社，2001
    2.中华人民共和国交通部标准. 公路桥涵施工技术规范（JTJ041-89）.北京：人民交通出版社，1989
    3.李华、金志强.水泥混凝土路面修补技术.北京：人民交通出版社，1997
    4.傅智、金志强.水泥混凝土路面施工与养护技术.北京：人民交通出版社，2003
    5.交通部行业标准.公路养护技术规范（JTJ073-96）.北京：人民交通出版社，1996
    6.中华人民共和国国家标准.水泥混凝土路面施工及验收规范（GBJ97-87）.北京：中国计划出版社，1987
    7.翟站立.路基路面施工及养护技术.北京：人民交通出版社，2001