水泥混凝土路面接缝病害分析及填缝料技术应用

接缝是水泥混凝土路面结构的最薄弱环节,从我国各地的水泥混凝土路面使用性能调查结果来看,接缝的损坏相当普遍和严重,出现病害的机率大,类型也多,究其原因,主要是人们对接缝填缝料的作用没有予以足够重视,对其受力特性及材料性能缺乏了解, 忽视接缝切缝及灌缝施工工艺及质量,因此切实加强接缝施工和养护是非常必要的。

1 接缝常见病害和破损原因
水泥混凝土路面接缝常见病害、损坏的形态和影响范围主要包括接缝挤碎、拱起、唧泥和板底脱空、错台、填缝料丧失和脱落等等。

1.1 接缝挤碎
接缝挤碎是指邻近接缝约50 cm 宽度范围内,出现未扩展整个板厚的裂缝(碎裂深度最大处达到板厚的50%), 表面纵向延伸宽度可达3~40 cm 或者混凝土分裂碎块。接缝挤碎主要是胀缝填缝材料不合格或未填满,导致泥砂、碎石等杂物堵塞胀缝,阻碍了板块热膨胀, 从而引起应力集中使板端胀裂; 或接缝施工不当(包括缝板不垂直上宽下窄,传力杆、拉杆设置不当或伸缩端被堵死等) 从而不能自由伸缩,或因填缝料剥落、挤出、老化,接缝被硬石子阻塞, 或施工时偷工减料使胀缝不完全隔断,板块热膨胀时不能自由伸张, 则当混凝土伸胀时,混凝土板的上部产生集中压实力, 在超过混凝土的抗剪强度时, 板即发生剪切挤碎, 造成混凝土板破碎现象。

1.2 拱起
拱起是指混凝土板伸胀时产生的压力大于基层与混凝土板间的摩擦力,但未超过混凝土的抗压强度时,由于板的伸长,在填缝处相邻两板就会向上拱起。拱起主要是由于胀缝不按照设计施工、宽度不够,胀缝中的混凝土未彻底清理、部分路段的胀缝设置密度不够、养护差等原因,不能满足混凝土板的伸缩,造成混凝土板发生拱起。

1.3 唧泥和板底脱空
唧泥和板底脱空是指板接缝、裂缝或边缘下的基层细料被渗入并滞留在板底的有压水形成泥浆从接缝中或板边缘处挤出,并由此造成板底面与基层顶面出现局部范围脱空。唧泥和板底脱空主要是由于接缝填缝料失效,下渗的水积聚在面层下的脱空区内,基层材料不耐冲刷,接缝传荷能力差和重载反复作用,使空隙内的积水变成有压水,侵蚀基层并同基层内冲刷出的细料搅混成悬液,并沿接缝缝隙喷溅出,引起唧泥,进而出现板底脱空。唧泥的出现, 使面层板边缘部分失去支撑,久之,引起错台并导致板出现裂缝。

1.4 错台
错台是指接缝处相邻2 块板垂直高差出现8 mm以上的竖向相对位移。产生错台的原因较多,主要是由如下几方面引起:
(1) 当胀缝下部接缝板与上部缝隙未能对齐,或胀缝不垂直,则缝旁两板在伸胀挤压过程中会上下错动而形成错台;
(2)由于沿接缝渗入面空隙内的水分使基层软化,车轮驶经时,带有被冲蚀材料的有压水把这些材料冲积在驶近板板底脱空区域内, 使之升高,而驶离板后由于板下基层材料被冲蚀而下沉。
(3)传力杆放置不合理,使传力效果降低,都会导致错台的产生;
(4)当交通量或基层承载力在横向各幅上分布不均匀,各幅的沉降不一致,相邻板端出现挠度差;或路基填料土质不均匀,地下水位高,碾压不密实,这3 种情况结合在一起, 冬季产生不均匀冻胀,纵缝也产生错台现象。错台现象取决于接缝的传荷能力、基层材料的耐冲蚀性和水分3 方面因素。错台的出现,降低了行车的平稳性和舒适性。

1.5 填缝料丧失和脱落
在板缝填缝料失效和车轮行走振动的作用下,填缝料会被挤出而被车轮带走,形成接缝内无填缝料,或出现填缝料与板边脱离的接缝。纵缝和横缝由于未设拉杆而缝隙张开或由于填缝料损坏和缝隙张开, 水分易渗入而导致唧泥、错台、接缝碎裂等病害出现。

2 填缝料构造及受力情况解析
水泥混凝土路面接缝及填缝料构造如图1 所示,接缝槽宽度为7~10 mm,深度为水泥混凝土板厚度的1/5~1/3 ,接缝槽下部设置背衬条,上部用填缝料灌填。

在水泥混凝土路面使用期内,填缝料主要受到拉伸和剪切2 种作用。填缝料的拉伸是指水泥混凝土路面板温度下降引起的板收缩而导致了接缝的张开;剪切是指汽车行驶经过接缝时,受荷板与相邻的未受荷板的竖向位移差,如图2 所示。

接缝张开量△1,接缝两侧的竖向位移△2 与接缝宽度B 相比并非是微小量,故需考虑其大应变效应。与接缝宽度相比,板长度可视为无限,因此,填缝料的拉伸和剪切可处理为平面应变问题。接缝槽壁的混凝土弹性模量远大于填缝材料的有效模量,可将槽壁视为刚性。根据大应变有限元法分析:填缝料与槽壁接触交点处有应力集中现象,所以无论是拉伸和剪切,填缝料的最大应力均出现在填缝料上部的2 个角点处。这就提示了接缝填缝料损坏的最大可能是填缝料与混凝土粘结强度不足而脱开,初始脱开出现在填缝料上部的角点。
3 接缝填缝料的技术要求
接缝填缝料是保证混凝土板正常使用的主要组成部分。近几年来国内对接缝填缝料的研究较多,但接缝填缝料的检验标准及试验方法在现行规范中较少提到,只是《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTG D40—2003) 中对接缝填缝料提出了技术要求。接缝处如处理不好,则极易出现问题。首先是接缝渗水,由于接缝填缝材料不能与混凝土板壁紧密粘结在一起,或者接缝施工质量差,灌缝不饱满,导致路面水渗入基层,基层软化,混凝土板在荷载作用下出现裂缝。其二,如果填缝材料性能差,则杂物极易嵌入缝中,使接缝失去胀缩作用,板产生断裂。小石子嵌入时,使接缝处板端应力集中,以致接缝附近的混凝土板挤裂。
为了防止热胀冷缩造成的水泥混凝土路面的开裂,水泥混凝土路面在施工时根据《水泥路面施工技术规范》要求设有纵、横缝,为了保持路面行车的舒适性和防止地面水通过纵、横缝浸入路基,纵、横缝的缝隙必须填充弹性较好的材料,防止雨水冲刷, 避免汽车荷载作用造成的路面缝隙出现啃边、唧泥、错台及断板病害。填缝材料能起到水密和气密作用, 填缝料已广泛应用于水泥混凝土路面,使路面的质量得到提高,同时使路面使用寿命得到有效的延长。
接缝填缝料应选用与水泥混凝土接缝槽壁粘结力强、回弹性好、适应混凝土路面板收缩、不溶于水、不渗水、高温不流淌、低温时不脆裂、耐老化的材料。常用的填缝材料有聚氨酯焦油类、氯丁橡胶类、乳化沥青类、聚氯乙烯胶泥、沥青橡胶类、沥青玛蹄脂类以及橡胶嵌缝条等。

4 目前常用的嵌缝材料性能分析
4.1 聚氯乙烯胶泥嵌缝料
聚氯乙烯胶泥嵌缝料是以煤焦油及聚氯乙烯树脂为基料,并按一定比例加入增塑剂、溶剂和滑石粉等而成。其虽具有高温时不流淌、低温时不脆裂的特点,并有一定的回弹能力,但由于煤焦油组分的易挥发性,使用一段时间后就暴露了回弹能力显著降低,产生永久性变形不易恢复,抗嵌入性能差、脆裂,与缝隙壁面粘结开裂等致命弱点。而且该产品也是需要现场加热,趁热灌缝,难控制,煤油污染大。

4.2 焦油型聚氨酯嵌缝料
焦油型聚氨酯嵌缝料由于使用了可以室温固化的增粘树脂———聚氨酯,其性能较以往的加热式产品有了较大提高,主要表现在:不需要现场加热,大部分为双组分,现场按一定比例配制后,采用机械或人工灌缝,施工速度加快,灌缝质量提高;与缝隙壁面粘结强度大大提高,弹性好,不渗水。但由于该嵌缝料含有大量的煤焦油,虽然加入煤焦油可以降低成本,但降低了嵌缝材料的耐久性,其使用寿命一般为2~3 年。特别是个别地区和单位,由于施工技术不好, 导致该产品的路面使用寿命更短,仅有半年到1 年之间,就必须重新灌缝,给养护部门带来较大经济损失。

4.3 沥青玛蹄脂嵌缝料
它最大的优点是价格低廉,原料易得。但是实践证明,沥青作为嵌缝料还有诸多缺点:首先沥青是热塑性材料,施工时需现场加热,既不方便又不安全;其次沥青与水泥板粘结性差,易渗水、易老化、脆化、硬化、易剥落;再次沥青伸缩性差,几乎无弹性。

5 清灌缝工程施工实例
因S201 线K265 +606 ~K281 +000 和S305 线K17+262~K61+846 等路段水泥混凝土路面纵横缝沥青填缝料老化、脱落等原因致缝内填满泥砂等杂物,影响了水泥路面的正常伸缩。为了延长路面的使用寿命,保障行车安全,根据实际情况对省道201线和305 线水泥路面接缝进行全面清灌施工。

5.1 清灌缝施工工艺流程
安全维护→清扫路面→机械清缝→机械灌缝→清理残余填缝料→养生期→开放交通。

5.2 清灌缝施工步骤及技术要求
5.2.1 安全维护
水泥路面清灌缝施工路段采取半封闭施工,在封闭路段两端按规范要求设置安全施工标志、限速标志及分道安全锥帽等,诱导过往车辆安全通行。
5.2.2 清缝
用清缝机对旧路面纵、横缝中的砂石及其它污染物进行清理,对于无法清理缝内残余沥青或其他杂物用铁铲及铁丝进行清理,再使用大功率高压吹风机彻底吹净接缝隙中的尘土及其他污染物,确保缝隙壁及内部清洁、干燥无粉尘。缝壁经检验以擦不出灰尘方可灌缝为标准。水泥路面清灌缝施工必须采用新型专用的清、灌缝机,清缝机所用锯片厚度为5 mm,清缝深度不得小于3 cm,填缝料灌注深度为3~4 cm,杜绝手工清、灌缝;灌缝材料必须采用路面专用填缝料,严禁使用普通沥青或掺配普通沥青。当原纵、横缝偏窄时,必须用切缝机重新切割。切缝宽度宜控制在4~6 mm, 切缝时锯片晃度不大于2 mm,可先用薄锯片锯切到1/5 h~1/3 h 深度,再使用6~8 mm 厚锯片或叠合锯片扩宽接缝槽, 接缝槽深度宜为25~30 mm,宽度宜为7~10 mm。施工中要讲究锯片厚度并及时更换旧锯片,方能满足接缝槽宽度要求。目前有些地区和单位施工的水泥混凝土路面接缝槽宽度仅为3~5 mm, 填缝材料无法灌至设计深度且极易脱落和老化,远远不能满足接缝及填缝的施工技术要求。

5.2.3 灌缝
(1)填缝料加热
使用常温聚氨酯等填缝料时,应按规定比例将双组分材料按1 h 灌缝量混拌均匀后使用; 使用加温填缝料时应将填缝料加热至规定温度,加热过程中应将填缝料融化,搅拌均匀,并保温使用。本路段灌缝材料采用混凝土路面专用填缝料(加热式密封填缝料)进行灌缝。首先采用沥青加热设备对填缝料进行加热,对加热型填缝材料,按规定进行熔化,使其具有较好的流动性,加热温度不宜过高、过低,时间不宜过长,以避免材料老化或流动性较差。填缝料的加热温度不得超过180 ℃,并备足施工进度所需的合格热填缝料,以保障施工进度。填缝料在施工前应将不溶物通过滤网予以清除, 再将合格的填缝料注入灌缝机储备箱内; 在灌缝料加热的同时对混凝土路面灌缝机进行预热, 待灌缝机漏油嘴出油顺畅且达到规定的喷洒压力后,即进行灌缝作业。

(2)灌缝
用灌缝枪或灌缝机沿缝方向徐徐均匀地将加热后的填缝料灌入路面纵、横缝隙中,浇灌填缝料至缝填满为止(不宜过高或过低),灌缝深度至少应大于3 cm。灌缝应在路面干燥及路面板下没有积水时进行,保证填料与缝壁粘接牢固且不被高压水剥离、挤出。并设专人及时将流淌到接缝两侧面板缝隙外的填缝料在未固化前清除干净, 保持接缝表面清洁,以免影响路面平整度和路容路貌。灌缝顶面热天应与板面齐平;冷天应填为凹液面,中心低于板面1~2 mm。为避免填缝料被车轮带走,必要时应对已灌的缝采用滑石粉覆盖。

5.2.4 养生期
根据填缝料性质, 做好施工交通控制工作,待填缝料冷却后开放交通,以免其被行车粘掉。常温施工的嵌缝料低温天宜为24 h, 高温天宜为12 h;本工程采用加热施工式填缝料的施工,其养生期低温天宜为2 h,高温天宜为6 h。在灌缝料养生期间应封闭交通。

6 接缝清灌缝的处理原则
坚持周期性养护, 根据填料有效使用寿命,对全部构造缝进行全面清缝和普灌,其后每年入冬和雨季之前进行补灌,保证路面接缝全部密封。重视接缝经常性的清理、修补及养护,确保接缝完好。
(1)对纵缝及缩缝进行重新灌缝,首先清除原有的灌缝沥青材料,有的地方需要重新割缝,然后用聚氨酯进行灌缝,灌缝一定要饱满、密实。
(2)对胀缝进行重新处理,剔除原有缝隙中施工时未清理干净的剩余混凝土及不符合规定的硬木板,然后替换符合设计要求的软木或塑料泡沫。对缝隙较窄者,要重新割缝,再进行灌缝;对胀缝密度不足的部分路段,加设胀缝以满足板的自由伸缩。
(3)路面胀缝、桥台与路面接缝处应在填缝前,凿去接缝板顶部嵌入的木条,涂粘结剂后,嵌入胀缝专用多孔橡胶条或灌进适宜的填缝料,当胀缝的宽度不一致或有啃边、缺角等现象时,必须灌缝。

7 结语
了解水泥混凝土路面嵌缝料的受力及性能,重视接缝切缝及灌缝施工工艺及质量,减少水泥混凝土路面填缝料损坏严重的现象,切实有效地提高水泥混凝土路面的使用寿命。采用以上措施和方法对水泥混凝土路面接缝处理后,经过了2 年多的使用,该路段接缝基本完好,实践证明清缝处理方案和措施是可行的。

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