水泥路面早期损坏原因及检测修复新工艺

◇山东省陵县公路局 王吉升 邢训海

◇山东省滨州市公路局 潘立堂 刘吉华

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。

关键词

水泥路面 损坏机理 检测技术 修复机械

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。

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 蚀能力。

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。

1 水泥路面断裂损坏机理

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。

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。

2 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。

2.1超声波检测技术

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。

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 100KHz、下限频率为20KHz。

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:ν＝λf(ν为波速，λ 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。

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。

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。

2.2雷达检测技术

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。

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。

射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。

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。

2.3振动检测技术

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。

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。

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。

3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。

3.1冲击压实机

该机采用异形碾辊，其外形及工作原理如图1所示。

图1 异形碾辊外形及工作原理

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。

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。

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。

3.2液压多锤头破碎机

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。

液压多锤头破碎机(MHB——Multiplt Head Breaher)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。

3.3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。

20世纪末，美国RMI公司成功研制了共振式破碎机。

3.3.1共振破碎原理

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。

共振破碎机工作原理，如图2所示。

图2 共振式破碎机工作原理
1-振动梁; 2-锤头; 3-水泥板块

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。

3.3.2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6400m ²的破碎作业量，并且由于单车道作业，可以不中断交 通。

参考文献：

1、杨士敏. 高等级公路养护机械. 机械工业出版社, 2003.9

2、何挺继. 公路机械化施工手册. 人民交通出版社, 2003.1

3、张铁. 高速公路养护机械. 石油大学出版社, 2003.7

4、高贵平. 高等级公路养护技术与养护机械. 人民交通出版社,2001.7

工程建设机械2006.NO.4

路桥养护