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浅谈水泥路面的早期损坏成因及检测修复

摘要:水泥路面是高等级公路主要路面结构型式之一。使用中的水泥路面,由于多种原因会产生断裂、裂缝、磨损等多种形式的损坏,严重影响道路运输效果、经济效益和社会效益。因此,需要及时的保养维护或修复。针对水泥路面损坏的机理、原因,介绍了水泥路面状态现代检测技术和修复机械。

作者:李慧萍

水泥混凝土路面(简称水泥路面,俗称白色路面)是公路,特别是高等级公路的主要结构型式之一。它是以水泥与水拌和成水泥浆为结合料,以碎(砾)石、砂为集料,加入适量的添加剂,搅拌成水泥混凝土来铺筑的路面。

1.水泥路面具有如下优点:

(1)强度高、刚度大,具有较高的承载能力和扩散载荷的能力。

(2)稳定性好,受气候条件等自然因素影响小,不易出现沥青路面的某些因稳定性不足而产生的损坏如变软、痈包、车辙、波浪等,也不存在沥青路面的老化、龟裂等损坏现象。

(3)耐久性好,抗磨耗能力强,而且能通行包括履带式车辆在内的各种运行机械。

(4)水泥混凝土对油和大多数化学物质不敏感,有较强的抗侵烛能力。

(5)表面较粗糙,抗滑性和附着性好,从而提高车辆行驶的稳定性和车辆行驶性能的发挥。

(6)水泥路面色泽鲜明,反光能力强,对夜间行车安全有利。因此,在我国公路建设与发展中,水泥路面会占有越来越大的比例。

2.水泥路面断裂损坏机理

(1)水泥道路从断面上来看,自上而下分为4个层次。其中最上面与车轮接触的是面层——水泥路面板块(简称水泥板块),它直接承受各种行车载荷。接下来是基层与垫层,其作用是扩散面层传下来的集中载荷。最下面的是土基层,是整个公路的基础。

(2)理论上水泥板块与路基紧贴在一起,车轮载荷均匀地传递到土基层。水泥板块主要承受压应力,只要压应力不超过水泥混凝土抗压强度,水泥板块便不会损坏。但是,由于用材不当,或施工工艺不合理,或施工质量控制不严等原因会造成水泥板块与路基之间出现先天性的或后天引起的贴合不良的现象,一旦两者之间出现空隙——水泥板块悬空,在车轮载荷的作用下,悬空处的水泥板块承受弯曲变形造成的拉应力,而且水泥板块承受的是脉动载荷、其抗拉强度仅是抗压强度的1/5?1/10,因此水泥板块很容易断裂。

3.水泥路面状态检测工艺水泥板块一旦断裂,其维修作业量大、费用高,而且要长时间影响交通。因此,对已投入使用的水泥路面应加强日常监控,尽早发现面层与基层之间的空隙,并及早采取补救措施,以保证公路畅通,并延长其使用寿命。基于不同的基础理论,水泥板块是否悬空可以用不同的方法检测。最简单、最直接,也是目前我国常用的传统方法是钻孔取样法,这是一种盲目的被动的方法。随着科学技术的发展,声波法、雷达法、振动分析法等无损检测方法已开始应用于水泥路面状态检测中。

3.1超声波检测技术。

(1)由于超声波具有激发容易、检测工艺简单、操作方便、价格便宜等优点,因此在道路状态检测中,特别是高等级水泥路面路基检测中的应用有着较广泛的前景。

(2)超声波是一种频率高于人耳能听到的频率?20Hz?20KHz)的声波。实践证明,频率愈高,检测分辨率愈高,则检测精度愈高。因此实践中利用超声波检测水泥路面状态时,其上限频率为lOOKHz?下限频率为20KHz?

(3)超声波是一种波,因此它在传输过程中服从波的传输规律。例如:超声波在材料中保持直线行进;在两种不同材料的界面处发生反射;传播速度服从波的传输定理:v=Xf(v为波速,X为波长,f为波的频率)。资料证明,波速对于水泥路面路基检测十分有用,因此一般也称超声波检测法为波速法。

(4)波速法是超声波检测水泥路面路基状态的最基本的方法。研究证明,波在介质材料中行进的速度愈大,则介质材料的坚硬性愈大;反之,则介质材料愈松软。而介质材料的坚硬性实质上也反映了该种材料强度的高低,因此材料强度愈高,波速应愈大;材料强度愈低,则波速应愈小。这样,知道了波速,亦即知道了材料强度。

(5)在土工试块及某些岩体中利用波速法进行无损检测有比较成熟的经验,用得也比较广泛。但水泥路面路基情况比较特殊,作为无损检测的超声波探头无法生根或埋置,从而造成检测工作的难度。因此,应该采用波速法与回弹法相组合的综合法。

3.2雷达检测技术。

(1)由于雷达检测技术具有无损、快速、简易、精度高等突出优点,我国于20世纪90年代开始应用于公路工程施工和养护质量的监控以及水泥路面路基状态检测中。

(2)雷达检测技术实质上是一种高频电磁波发射与接收技术。雷达波由自身激振产生,直接向路面路基发射射频电磁波,通过波的反射与接收获得路面路基的采样信号,再经过硬件、软件及图文显示系统得到检测结果。雷达所用的采样频率一般为数兆赫?MHz),而发射与接收的射频频率有的要达到吉赫(GHz)以上

(3)频电磁波的产生是依靠一种特制的固体共振腔获得。雷达波虽然频率很高、波长很短,但同样遵守波的传播规律,即也有入射、反射、折射与衰变等传播特点,人们正是利用这些特点,为公路工程质量监控和状态检测服务,满足无损、快速、高精度的检测要求。

(4)用于水泥路面路基状态检测的探地雷达主要由天线、发射机、接收机、信号处理和终端设备(计算机)等组成。探地雷达检测是利用高频电磁波以宽频带短脉冲的形式,其工作过程是由置于地面的发射天线发送入地下一高频电磁脉冲波,地层系统的结构层可以根据其电磁特性如介电常数来区分,当相邻的结构层材料的电磁特性不同时,就会在其界面间影响射频信号的传播,发生透射和反射。一部分电磁波能量被界面反射回来,另一部分能量会继续穿透界面而进入下一层介质材料。电磁波在地层系统内传播过程中,每遇到不同的结构层就会在层间界面发生透射和反射。由于介质材料对电磁波信号有损耗作用。所以透射的雷达信号会越来越弱。各界面反射电磁波由天线中的接收器接收,并由主机记录,利用采样技术将其转化为数字信号进行处理。从测试结果剖面图得到从发射经地下界面反射回到接收天线的双程走时t?当地下介质材料的波速已知时,可根据测到的精确t值求得目标体的位置和深度。这样,可对各测点进行快速连续地探测,并根据反射波组的波形与强度特征,通过数据处理得到探地雷达剖面图像。通过多条测线的探测,即可知道场地目标体平面分布情况。通过对电磁波反射信号(即回波信号)的时频特征、振幅特征、相位特征等进行分析,便能得知地层的特征信息——介电常数、层厚、空洞等。

3.3振动检测技术。

(1)与声波法、雷达法比较,振动检测技术有其自身特点,理论较为成熟,对测试设备和测试环境要求不高;利用计算机技术可实时检测、快速处理数据。

(2)振动检测技术是采用动力学方法,分析水泥板块在不同的支撑条件下的固有振动特性及响应特性的变化,比较水泥板块在悬空状态下振动响应特性的差异,从而找出水泥板块是否悬空的判定依据。

(3)用于水泥板块振动检测系统的原理是:通过声卡记录水泥板块的振动响应信号,首先把拾音器(麦克风)接到声卡的接口上,然后打开Win9附件中的录音机应用程序,用鼠标单击红色的录音按钮。使用基频为440Hz的激振器激振水泥板块,紧贴路面的拾音器即记录需要的记录内容。录音结束后再用鼠标单击“停止”按钮,计算机中就形成一个以WAV作扩展名的声音文件,录音过程到此结束。此时单击一下“回放”按钮,即可播放刚才记录的文件,对采集的数据进行FFT处理,即可得出不同支撑条件下水泥板块的振动信号的频率成分。4.水泥路面修复工艺及设备水泥路面常见的损坏形式有:板块裂缝与折断,板块边缘角隅破损,板块垂直错台与拱起,板块表面磨损与麻面等。水泥路面维修常用的工艺有:扩缝、清缝、灌缝,凿孔、切槽、搅拌、摊铺、振捣、拉毛、钻孔、顶升,破碎和翻修等。水泥路面常用的维修机具有:破碎机、凿岩机、高压水清洗机、切缝机、封层机、水泥搅拌机、振捣器等。限于篇幅,本文仅简单介绍3种具有现代技术水平的水泥路面破碎设备。

4.1冲击压实机。

(1)断裂稳固是一种在修筑加铺层前处理原水泥路面的方法,在国外尤其在美国是一种成熟的技术、有完善的工艺。

(2)冲击压实机的压实轮有3边、4边、5边和6边形,轮体有实体和可填式空体。目前我国使用的多为3边轮和5边轮。

(3)冲击压实机的压实能来自两个方面:一是冲击轮的自重;二是冲击轮滚动时所产生的冲击功能。同时由于多边碾压轮的蓄能快速释放,也加大了对水泥板块的冲击。其巨大的冲击能以每秒1.5?2.2次的低频率冲击水泥板块,所产生的强烈冲击波可向水泥板块下面的底基层和土基层传播,从而使击碎板块得到压实稳固,不仅保持击碎板块的强度,还能使其成为块状料嵌锁型基层结构,紧密嵌压在原路面底基层中,形成高强度的底基层,从而减少或缓解原路面板块反射裂缝,并减小面层的水平和垂直应力。冲击压实机实际施工效果显示:冲压一遍,在水泥板块边出现数条裂缝;随着冲压遍数增加,纵向裂缝增大增多,横向裂缝也开始出现;冲压5遍后水泥板块已破碎,裂缝呈网状并分布于整幅板块,部分板块完全破碎,其尺寸为30?40cm;冲压15?20遍后水泥板块尺寸变为20?30cm,且碎块处于极佳的嵌锁稳固状态,完全符合施工工艺设计的要求。

4.2液压多锤头破碎机。

(1)在较长一段时间里,人们曾利用液压挖掘机的破碎器(俗称液压破碎锤)和落锤式水泥路面破碎机对旧水泥路面板块进行破碎。但由于它们作业速度慢、效率低,业已被液压多锤头破碎机所代替。

(2)液压多锤头破碎机?MHB—MultipltHeadBreaher)由两部分组成:前半部分为动力装置柴油机和液压系统;后半部分工作装置破碎系统——中间设有两排各3对锤头,两侧各有一对翼锤。柴油机驱动液压泵,液压泵为液压缸提供压力油。液压缸的往复运动带动各锤头交替地锤击水泥板块并使其破碎。每对锤头提升高度可独立调节。液压多锤头破碎机的作业宽度可达4m/次,工作速度可达62.5m/h?

4.3共振式破碎机。上述冲击压实机和多锤头破碎机均存在振动噪声大,工人劳动强度大,碎块尺寸大且不均匀,需要多次重复作业、效率低等缺点。特别是不均匀的碎块作为基层使用,难以避免新路面反射裂缝的产生,使其实际使用受到很大限制,甚至有的国家如美国已禁止使用重锤冲击式破碎工艺来修复水泥路面。

4.3.1共振破碎原理。(1)共振式破碎机是利用振动梁带动工作锤头振动,其频率约44Hz?振幅为20mm?锤头与水泥板接触,通过调节锤头的振动频率使其与水泥板块的固有频率成整数倍时,激发其共振,将水泥板块破碎。(2)安装在工作锤头2上的专用传感器感应水泥板块的振动反馈,由控制器自动调节工作锤头的振动频率,并搜寻水泥板块的固有频率。当两者发生共振时,水泥板块因内部颗粒间的内摩擦阻力迅速减小而崩溃——破碎。共振式破碎机可同时控制水泥板块的碎块粒径和破碎深度。

4.3.2共振式破碎机的特点。由于共振式破碎机工艺合理、自动控制工作参数,因此具有如下的特点:(1)碎块尺寸理想、均匀。由于共振破碎力发生在整个水泥板块厚度范围内,能使工作锤头下方的水泥板块均匀破裂。通过微调振动频率,可以使碎块粒径达到8?20cm的理想尺寸。此外,破碎后的水泥面层,其上部粒径较小、下部的较大,不仅可有效地阻止新铺筑的路面的反射裂缝的产生,而且提高了路基的承载能力。(2)由于破碎深度可以控制,可以保持路基结构及其内的管线设施完好无损。(3)振动噪声污染轻,施工适应范围大。由于共振式破碎机使用的高频低幅振动波衰减速度很快、传递范围小(2?3m),因此不影响道路下方及周围的结构物和设施,可适用于水泥路面的公路、机场、港口、城市道路等修复工程。(4)破碎深度大,施工效率高。通过调节振动频率和振幅,共振式破碎机作业深度可达66cm?每天可完成2000m或近6400m2的破碎作业量,并且由于单车道作业,可以不中断交通。