水泥混凝土路面养护技术研究.docx

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水泥混凝土路面养护技术研究

水泥混凝土路面养护技术研究

报告简本

一概述

《水泥混凝土路面养护技术研究》（200131878877）是2001年立项的西部交通建设科技项目，由广西区交通科学研究所和交通部公路科学研究所共同承担，参加单位有：

广西区高速公路管理局、广东省交通科学研究所、广西区公路管理局、石家庄市交通局、同济大学、江苏省建筑科学研究院有限公司。

水泥混凝土路面具有强度高、刚度大、扩散荷载能力强、稳定性好和使用寿命长等优点，因此，水泥混凝土路面得到广泛的应用，特别是高等级、重交通的道路，水泥混凝土路面应用得更广泛。

90年代以来，根据我国的资源条件和公路事业的发展需要，交通部提出了“黑白并举”的路面发展战略，对发展水泥混凝土路面采取了“因地制宜，积极稳妥，确保质量，加快发展”的16字方针，水泥混凝土路面的应用得到迅猛发展。

据初步统计，2004年末，我国现有的水泥混凝土路面通车总里程已达到了25.7万公里。

图1.1我国水泥混凝土路面发展里程统计图

随着水泥混凝土路面里程的不断增长，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，大多已出现不同程度的损坏。

国内早期修建的水泥混凝土路面，主要用于二级以下公路上，设计强度低、面板厚度薄，在车辆荷载及外界因素的作用下，有的修建不久便出现破坏，有的已超过使用年限，大多数进行过罩面、补强或改建。

近年修建的水泥混凝土路面，由于施工、养护及自然因素等原因，也出现了不同程度的损坏，虽然这些损坏大多还未严重到影响水泥混凝土路面的正常使用，但随着交通量的增长，损坏逐渐加剧，如不及时维修，将会给以后的养护带来更大的困难；造成不必要经济损失和不良的社会影响。

尽管水泥混凝土路面有诸多优点，一旦损坏，修复工作却困难得多。

因此，如何使现有的水泥混凝土路面保持结构完整，满足使用功能要求以及延长使用寿命，使现有公路保持良好的营运状态和服务水平，发挥更大经济效益和社会效益是公路管理养护部门急待解决的重要课题，也是影响水泥混凝土路面发展的关键技术。

依靠科技，提高养护技术及养护管理水平，是解决问题的关键。

养护技术是检测、设计、材料、工艺紧密结合的综合技术，先进的养护技术能有效地消除加速水泥混凝土路面破坏的不利因素，以最优的性能、最小的费用修复水泥混凝土路面损坏，保持路面畅通和使用可靠，使公路保持在一定服务水平上。

我国的水泥混凝土路面发展历史不长，水泥混凝土路面养护仍存在的突出问题主要有以下几个方面：

1.1路面结构承载能力检测评价技术落后

一定程度地忽略了路面结构承载能力检测评价技术，结构性能检测技术在养护中应用不普遍。

无法及时掌握水泥混凝土路面的承载能力状况，严重影响了对水泥混凝土路面的预控度，不知道水泥混凝土路面是否满足不断变化的交通荷载的要求，其直接后果是：

局部路段的水泥混凝土路面不堪承受日益增长的交通量，路面结构承载能力迅速降低，然后是出现大面积的断板以及破碎板，影响行车安全，大幅度增加了后期养护工作的难度及养护费用，大大降低了养护质量。

照片1.1广西某水泥混凝土路面破坏状况

对水泥混凝土路面进行科学、全面的检测与评价，是水泥混凝土路面养护的前提。

通过检测，可以提高有关部门对水泥混凝土路面预控程度，及时掌握水泥混凝土路面的结构性能，评定其对当前或今后使用要求的适应程度，从而合理地分配和使用有限的养护经费，采取措施有效控制或延缓水泥混凝土路面损坏的发展速率，延长水泥混凝土路面使用寿命，具有重大的技术经济效益。

1.2冰（盐）冻引起的破坏突出。

在我国北方（华北、东北和西北）地区，严格讲，我国长江以北、青藏高原、西北地区的重盐碱地均有或轻或重的盐冻破坏问题，特别是在城市道路和高等级公路的收费站路段上，冬季下雪后，为维持交通和安全，按公路养护规范的要求，洒除冰盐融雪除冰，结果对水泥混凝土路面、桥面、路缘石、护拦、泄水槽等所有混凝土表面结构和构造物造成了极其严重的盐冻损坏。

其主要的破损形式是表面砂浆起壳、粉化、剥落或脱落，并随着盐水渗透深度增加，砂浆成粉酥化向混凝土内部发展，破坏坑穴最深可达10cm，使路面桥面的平整度彻底损失，无法保证行车安全；其它表面结构的损坏严重影响使用功能并有碍路容美观。

另一方面，据目前所知，在水泥混凝土所有的耐久性破损问题当中，盐冻破坏的速度是最快的，比普通冰冻破坏的速度快约10倍，刚刚建成的水泥混凝土路面或表面结构物，只要在入秋的头一两场降雪时，洒了除冰盐，表面砂浆就开始剥落破损。

我国在水泥混凝土路面撒除冰盐或融雪剂的历史较短，上世纪80年代首先在北京市政道路撒盐除冰盐，90年代也开始在东北高等级公路上使用除冰盐，因此我国工程和科技界对除冰盐引起的混凝土破坏认识不足，在设计和建造混凝土路桥时均未采取防范技术措施，导致数起混凝土路桥的过早破坏，经济损失很大。

例如北京西直门立交桥使用仅19年，就因使用除冰盐导致桥面混凝土严重剥蚀和钢筋锈蚀破坏，不得已于1999年报废重建；黑龙江省哈绥公路1996年通车使用1个冬季后，就因撒除冰盐造成路面和路肩表面出现大面积的剥蚀破坏；新疆塔城机场（“八五”期间重点建设项目）1994年竣工，使用2年后跑道表面就出现起皮、剥落、孔洞、坑槽、裂缝等严重问题，不得不于1998年进行更新修复。

照片1.2-1山西大忻高速公路照片1.2-2黑龙江省某国道公路

水泥混凝土路面盐冻剥落破损水泥混凝土路面盐冻剥落破损

照片1.2-3黑龙江省某公路照片1.2-4黑龙江省某公路

路缘石盐冻剥落破损路缘边板盐冻剥蚀破坏

1.3脱空检测评价方法和板底灌浆处治技术不完善

一般水泥混凝土路面在运营一段时间后，路基已基本完成固结沉降，容易产生差异沉降脱空；同时，接缝填缝料开始老化、脱落，使接缝失去防水功能。

在重交通作用下产生唧泥、脱空等病害，面板一旦脱空，板内的荷载应力就会急剧增加，经过少量的疲劳循环后，很快就发生断裂破坏。

水泥混凝土路面接缝的存在，使得路表水容易灌入基层。

路表水灌入基层后，将引起基层材料的冲刷、溶蚀，进而发展成板底脱空。

照片1.3-1路面板底唧泥照片1.3-2板底脱空造成错台

照片1.3-3板角脱空造成扇形断裂照片1.3-4板底脱空造成矩形梯形断裂

板底脱空现象是水泥混凝土路面很常见的一种病害，特别是在早期修建水泥混凝土路面上，由于基层用材料（如二灰稳定碎石基层）抗冲刷和溶蚀能力低，在通车一段时间后（常见于3~5年），就有可能出现板底脱空。

板底脱空发展非常迅速，危害极大，有文献对板中、板边和板角存在平面尺寸为0，60cm×60cm，120cm×120cm，180cm×180cm的脱空状况进行了有限元分析计算。

当混凝土板均匀支承时，无论荷载作用于板中、板边还是板角，应力都较小。

一旦板底存在脱空，板体应力将激增，如脱空尺寸为60cm×60cm时，板边荷载应力较均匀支承时提高了32.4%。

如果考虑到疲劳分析的累积损伤，路面板的疲劳寿命将大为降低。

由于板底脱空而形成的常见路面病害有：

唧泥、错台、板角断裂、断板等

在我国，由于大多数水泥路面的养护管理单位对灌浆稳板技术不熟悉，关键技术并未掌握，加上目前非破损脱空检验技术上的困难，我国大多数水泥混凝土路面的灌浆效果并不理想。

主要原因是脱空发现过迟，灌浆时机偏晚，灌浆深度把握不准，水泥混凝土路面板的残余疲劳寿命已经不多。

其次是灌浆技术不过关，一些关键的技术指标即使在《公路水泥混凝土路面养护技术规范》中也不明确，灌浆稳板效果较差。

甚至有些水泥混凝土路面在灌浆后，并未使面板的疲劳寿命得到延长，反而加速了断裂破坏。

1.4水泥混凝土加铺方法厚度要求过大，在相当多的情况下不适用

在车辆荷载和环境因素作用下，水泥混凝土路面在使用一段时间使用后常出现一些破损或病害，如坑槽、露骨，路面板断裂，接缝产生错台、碎裂等；特别是在高填方、构造物台背、软弱地基路段和填挖交界处，经常出现较大的差异沉降，破坏了道路的纵向断面线形，严重影响行车的舒适性，甚至导致交通事故，成为高危路段。

如广西某高速公路上一桥头，由于台背填土高，通车3年后的差异沉降达

之多，造成过往车辆通过时严重跳车，经常有货物坠落，非常危险。

养护部门为确保交通安全，先后进行了多次路基灌浆，但效果不大，未能根本解决问题，后来只能经常性用沥青石屑进行找补，才能勉强确保交通顺畅，由此成倍地增加了养护工作。

对于这些路面结构总体承载能力满足交通量的要求，但存在明显的差异沉降的路段，如何进行有效处理，恢复其良好的行驶性能，提高行车的舒适性的问题，目前尚未见有好的解决办法。

另外，对于一些早期修建的水泥混凝土路面，由于设计时的交通量小、轴载轻以及水泥产量低、货源紧张等原因，路面板的设计厚度相对偏薄；再加上早期的施工技术落后，质量控制水平低，路面板厚度的变异性大，局部路段的路面厚度则更加薄。

以广西上世纪90年代初修建的某高等级公路为例，经钻芯取样调查，该公路部分路段路面板的厚度仅为

（设计厚度为

）。

对于这些路段，其结构承载能力总体偏低，很难满足现有交通量的要求。

如何充分利用这些公路既有结构承载能力，发挥其应有的社会及经济效益，是投资、养护管理部门非常关心的问题。

图1.2河北宣大高速公路部分路段沉降状况（通车后2年）

1.5路面板的修复问题仍然突出

水泥混凝土路面板的病害问题始终伴随着路面而存在，路面板的病害主要表现为：

裂缝、边角损坏和路面板破碎等。

由于多种原因，裂缝一直伴随着水泥混凝土路面的使用而存在，裂缝修补也是公路管养部门长期面对的主要问题之一。

据统计，仅桂柳高速公路，在短短8年多的时间里产生的各种裂缝就达60774延米（截止2003年12月底）；通车时间只有3~4年的柳州至南宁高速公路，产生的各种裂缝约20000延米（截止2002年底）；2004年，仅南宁高管处所管养的269公里水泥混凝土路面产生的各种裂缝达21000延米。

在一些交通繁忙的水泥混凝土路段，如何在很短时段内完成破碎板的修复，一直是道路管养部门关注的焦点。

如果利用普通水泥，按通常的现浇方法进行施工，要达到满足开放交通的弯拉强度，一般需要14~28d时间，在整个修复过程不仅影响了路面上车辆的正常行驶，还存在安全隐患，同时，在交通繁忙的路段上，长时间的交通封闭还会造成堵塞。

因此，一般交通要道路面及板块的修复不宜采用普通水泥混凝土。

研究水泥混凝土路面养护技术，目的是推广应用先进的水泥混凝土路面损坏检测技术，提高水泥混凝土路面损坏检测评价水平，提高养护管理部门决策的准确性和预见性；完善水泥混凝土路面修补设计，丰富水泥混凝土路面损坏修补形式；提高水泥混凝土路面修补材料的性能，保证水泥混凝土路面修补的有效性，保持或提高水泥混凝土路面的服务水平以和延长水泥混凝土路面修补的使用寿命；提出不同水泥混凝土路面损坏修补的施工工艺，有效地控制水泥混凝土路面损坏修补工序质量和施工质量。

我国现有的水泥混凝土路面通车里程已超过25万公里，随着水泥混凝土路面的飞速发展和广泛应用，水泥混凝土路面通车里程将迅速增长，在我国交通事业中的位置将越来越重要，对国民经济的影响也将越来越大。

因此，水泥混凝土路面养护技术不但有着广阔的应用前景，还有着非常重要的现实意义和巨大的经济效益及社会效益。

二主要研究内容

根据合同和可行性研究报告的要求，以及在课题实施过程中的调研结果，本项目的主要研究内容分为以下几个方面：

3.1.1路面结构承载能力无损检测与评价技术

1）路面板温度状况的快速无损测试方法研究

2）路面板温度梯度对路表弯沉的影响研究

3）路面结构参数的无损测试方法研究

4）水泥混凝土路面板的疲劳损伤研究

5）旧水泥混凝土路面板剩余寿命估算技术研究

3.1.2抗盐冻破坏机理与应用技术

1）水泥混凝土路面盐冻试验方法研究

2）水泥混凝土路面盐冻破坏机理研究

3）混凝土盐冻破坏的影响因素研究

4）水泥混凝土路面盐冻破坏的修补

5）抗盐冻混凝土的设计原则和防治技术措施

3.1.3板底脱空检测评价与处治技术

1）脱空形成机理及脱空变化规律

2）脱空板应力分析

3）板底脱空检测与评价技术

4）板底灌浆关键技术

5）灌浆施工工艺

6）灌浆效果检测及评价技术

3.1.4薄层修补技术

1）薄层修补界面剪切破坏应力分析

2）水泥混凝土路面薄层收缩特性试验研究

3）薄层修补界面处理技术试验研究

4）薄层修补路面疲劳特性研究

3.1.5板块修复技术

1）水泥混凝土路面裂缝修复研究

2）边角快速修复技术

3）预制拼装修复技术研究

4）全厚式现浇快速修复技术研究

三主要研究成果

通过广西交通科学研究所、交通部公路科学研究所等8家单位40余名工程技术人员近3年半的努力，圆满完成了合同规定的任务，各项技术经济指标达到预期要求。

取得的研究成果主要有：

专题一：

水泥混凝土路面结构检测评价技术

1、提出了水泥混凝土路面温度状况的无温度传感器测试（半理论测试）方法。

即利用路表温度函数模型和部分气象资料，辅以简单的现场实测温度数据，推算旧水泥混凝土路面瞬时温度状况的（即半理论测试）方法；

2、建立了水泥混凝土路面板温度梯度与路表弯沉的关系。

即建立水泥混凝土路面板温度梯度与路表弯沉的关系式；

3、对《公路水泥混凝土路面设计规范》（JTGD040-2002）中提出的基层顶面当量回弹性模量的无损测定方法进行了改进；通过大量的对比测试，指出利用此法测定基层顶面当量回弹性模量与实际存在显著差异，在应用时应对其进行修正，并提出了基层顶面当量回弹性模量的参考修正系数。

4、提出了基于路表弯沉曲线的水泥混凝土路面疲劳损伤度的计算方法，并建立了考虑疲劳损伤影响的路面车辆荷载和温度应力的计算公式。

5、建立了考虑温度和疲劳损伤影响的旧水泥混凝土路面板剩余寿命无损测试估算方法。

通过实践运用表明该方法能够较准确地估算出旧水泥混凝土路面板剩余寿命。

专题二：

水泥混凝土路面抗盐冻机理及应用技术

1、首次提出了适合于我国的水泥混凝土路面盐冻试验方法。

包括试验装置、试验条件、评价指标。

2、提出了水泥混凝土路面结冰压测定方法。

3、借助于本项目提出的盐冻试验方法和结冰压测定方法，首次测得NaCl浓度对饱水度、溶液结冰压和膨胀率的影响数据，并结合盐结晶压和化学侵蚀破坏较全面地解释了混凝土盐冻破坏机理和破坏现象。

4、水泥混凝土路面抗盐冻的设计原则与防治技术。

通过机理分析和试验研究水泥混凝土路面盐冻破坏的主要影响因素，提出可以使水泥混凝土路面的抗盐冻性能可以提高10倍以上的设计原则与防治技术。

5、优选出了盐冻破坏修复材料，并提出了相应修复工艺。

专题三：

水泥混凝土路面板底脱空与处治技术

1、探索提出了路面板底脱空发展变化规律。

即通过试验研究典型基层结构的水泥混凝土路面板底脱空的发展变化规律，并建立典型基层水泥混凝土路面板底脱空发展的预估模型。

2、建立了路面板底脱空检测方法与评价指标。

包括测试部位、测试荷载、测试时间、评价指标。

3、提出了确定路面板底灌浆深度的方法。

即根据脱空板底的实际状况，确定浅层灌浆还是深层灌浆的方法。

4、系统提出了路面板底灌浆材料性能指标与要求。

通过室内和现场试验研究，从灌浆材料的可灌性、灌浆效果、强度等方面对路面板底灌浆材料的性能提出具体的评价方法和指标要求。

5、建立了路面板底灌浆效果检测方法与评价指标。

专题四：

水泥混凝土路面薄层修补技术

1、研究了水泥混凝土薄层收缩特性。

通过试验研究，得出了水泥混凝土薄板收缩应力、应变发展规律及主要影响因素。

2、研究了水泥混凝土路面界面粘结影响因素。

通过试验研究，提出影响新旧水泥混凝土界面粘结性能的主要因素，包括界面宏观、微观粗糙度，界面剂等。

3、研究提出了水泥混凝土路面界面处理实用技术——高压水射流+酸蚀的界面处理方法。

利用此方法进行界面处理，利用路表原有的宏观粗糙度，可使新旧混凝土粘结抗剪强度达到6.0Mpa以上。

4、研究了薄层修补后水泥混凝土路面的疲劳特性。

通过室内小梁疲劳试验研究，建立了薄层修补复合小梁试件的双参数疲劳方程。

薄层修补复合小梁试件疲劳方程表明，水泥混凝土薄层修补能与旧混凝土粘结良好，共同受力。

5、铺筑了水泥混凝土薄层修补试验工程。

专题五：

水泥混凝土路面板块修复技术

1、提出了跨缝斜孔植筋裂缝修补方法。

即采用在裂缝两侧交叉钻斜孔、安装传荷装置为主要特征，实现恢复水泥混凝土路面整体性的裂缝修复方法。

2、提出了水泥混凝土路面预制拼装快速修复技术。

即在养护工作中，采用水泥混凝土预制板对路面破碎板进行更换的路面板修复技术。

3、提出了水泥混凝土路面预制拼装板接缝处理技术。

即采用小石子灌环氧液增强板间的荷载传递，用TST弹塑体作上层填塞，达到防止接缝漏水，行车平稳、舒适、耐久性好，预制拼装路面的传荷系数达到原有路面的传荷系数的接缝处理技术。

4、研制了复合型快速修补剂。

即通过试验研究，采用多元复合技术，研制具有早期强度高，后期强度倒缩小、收缩小、凝结时间长、且掺量低等优点的复合型快速修补剂；利用修补剂配制的快速修补混凝土初凝时间≥1h，在坍落度不小于3cm的情况下，6h抗折强度可达4.35MPa，且耐久性好；与52.5级水泥进行水泥混凝土路面整板全厚修补可实现8h可开放交通。

5、研究了早强修补剂的作用机理。

通过试验研究，全面阐述了早强修补剂的早强作用机理。

6、提出了快速修补混凝土的早期自收缩与干缩试验初始长度测试方法。

通过试验研究，确定快速修补混凝土的早期自收缩与干缩试验初始长度测试的依据和具体指标要求。

四主要创新点

1、建立了水泥混凝土路面板温度梯度和路表弯沉的关系式，并应用于评估旧水泥混凝土路面剩余寿命。

2、提出了运用路表弯沉曲线进行水泥混凝土路面疲劳损伤计算的方法。

3、对旧路面基层顶面当量回弹模量测试方法进行了修正，并提出了结算结果的修正系数。

4、提出了结冰膨胀压的测定方法，并运用它解释混凝土盐冻破坏机理。

5、提出了水泥混凝土路面板底灌浆深度的确定方法。

6、解决了水泥混凝土薄层修补关键技术，并研究了水泥混凝土薄层复合梁试件疲劳特性，建立了疲劳方程。

7、提出了水泥混凝土路面跨缝斜孔植筋修补方法。

8、提出并解决了水泥混凝土路面板的预制拼装修复技术。