水泥混凝土路面高聚物注浆修复前后动力响应分析

2021-05-27位可可王笑风万晨光褚付克

河南科学 2021年4期

位可可，王笑风，万晨光，杨博，褚付克

（1.交通运输行业公路建设与养护技术、材料及装备研发中心，郑州 450000；2.河南省交通规划设计研究院股份有限公司，郑州 450000）

改革开放以来，我国交通事业发展迅猛，路面等级不断提高，其中水泥混凝土路面凭借其强度大、稳定性高、耐久性好等优点已在公路建设中广泛应用. 然而，由于唧泥翻浆、路基不均匀沉降、超载等原因，极易导致路面板底与基层之间出现脱空现象，如果不能及时对脱空进行处理，将导致混凝土面板开裂甚至出现断板，断裂后的路面板板体，在地表水和车辆荷载的共同作用下又重新加速了新的脱空和新的断裂产生，最终造成混凝土路面破碎，丧失承载能力［1］.

针对水泥混凝土路面板底脱空修复方法主要包含两种：冲击压稳处治技术［2-3］和水泥压浆方法［4］. 冲击压稳处治技术是采用专用冲击压稳设备将旧路面板破碎，然后碾压使破碎块牢固嵌挤在基层顶面上，用作新建路面基层，该方法适用于大规模脱空病害处置；水泥压浆方法是在混凝土面板底脱空部位钻孔，通过注浆管利用高强压力将水泥浆压入脱空空隙，水泥浆凝固后产生强度，恢复路面使用性能，延长路面寿命，是目前高等级水泥混凝土路面养护中应用最为广泛的一种方法. 但是水泥注浆也存在浆液流动性差，需要养生等问题.

高聚物注浆技术是近年来兴起的一种高速公路深层病害快速修复技术，通过对混凝土路面结构病害部位注射多组分高聚物材料，利用高聚物材料发生聚合反应后体积迅速膨胀并固化的特性，实现对空洞的快速填充以及对沉陷混凝土板的抬升，从而恢复水泥混凝土路面使用性能. 相比于传统水泥混凝土路面维修方法，高聚物注浆技术具有如下优点：①施工快捷，养护周期短（高聚物材料反应15 min即可达到最终强度的90%以上）；②材料具有自膨胀性（最高可达25 倍），实现对裂隙或空隙的填充和沉陷混凝土板的抬升；③注浆孔小（直径16 mm），对路面结构破坏小；④材料自重轻，对结构产生的附加荷载小；⑤具有较高的抗拉和抗压强度.

目前高聚物注浆技术研究主要集中在高聚物材料力学特性［5-12］及其在岩土体中的流动扩散填充加固机理方面［13-16］，对于交通荷载作用下高聚物注浆修复后水泥混凝土路面力学性能恢复状态的研究很鲜见［17-21］.本文基于ABAQUS 有限元软件建立水泥混凝土路面三维数值模型，通过在基层底部设置不同脱空面积、不同厚度脱空模型，分析交通动荷载作用下高聚物注浆修复前后路面结构以及高聚物修复材料本身应力变形规律，并将结果与水泥浆修复效果进行对比，验证高聚物注浆修复效果，为水泥路面脱空病害高聚物注浆修复提供理论支持.

1 数值模型

1.1 道路几何模型的建立

国内外研究表明有限元计算方法可以准确可靠地进行水泥混凝土路面力学的计算分析，因此可利用ABAQUS有限元软件建立三维水泥混凝土路面模型，路面结构是由三种结构材料组成，分别为：面层（水泥面板）、基层（水泥稳定碎石）、压实路基（如图1），各结构参数取值如表1、2所示. 每块面板尺寸为4 m×5 m；不考虑接缝材料传荷问题，仅考虑传力杆传荷，将传力杆采用梁单元模拟，取其弹性模量为200 GPa，泊松比为0.3.

图1 水泥混凝土路面模型Fig.1 Cement concrete pavement model

表1 道路修复材料参数Tab.1 Road repair material parameters

表2 道路结构材料参数Tab.2 Road structural material parameters

1.2 冲击荷载的选择

在脱空部位所对应的面层中心点冲击施加荷载，采用9 t的FWD作为冲击荷载（如图2），首先将冲击荷载简化为半正弦荷载，其荷载周期为32 ms，峰值为1.29 MPa.

2 模拟结果及弯沉试验验证

2.1 脱空面积对于路面结构响应的影响规律

该脱空部位设置在水泥面板下（基层），脱空面积分别设置为0.5、0.6、0.7、0.8 m2，并在脱空部位对应的面层表面施加9 t 的FWD冲击荷载. 图3是面板表面弯沉值沿垂直于行车方向的变化曲线；图4 是面板底所受最大拉应力沿垂直于行车方向的变化曲线；表3表示高聚物修复材料和水泥浆修复材料在路面施加FWD冲击荷载过程中所受的最大拉应力. 路径为0 m时，对应的面板区域为FWD施加位置.

图2 周期荷载变化曲线Fig.2 Change curve of periodic load

图3 面板弯沉值沿垂直于行车方向变化曲线Fig.3 The deflection change curves of the panel along the vertical direction

图4 板底拉应力沿垂直于行车方向变化曲线Fig.4 The tensile stress change curves along the vertical direction at the bottom of the panel

表3 道路修复材料所受最大拉力Tab.3 The maximum tensile stress of the road repair materials 单位：MPa

从图3～图4可以看出，脱空未修复道路路表弯沉值和板底拉应力值都随脱空面积的增大而增大，且在高聚物注浆和水泥注浆的修复下，路表弯沉值和板底所受拉应力均能得到有效的恢复，提高了路面承载力.

从表3可以看出，水泥浆层受最大拉应力随脱空面积的增大而减小，高聚物层受最大拉应力随脱空面积的增大略微增大，但增幅并不明显，这是因为高聚物自身的变形协调的能力较强，而水泥浆属于刚性材料、弹性模量较大，受力远远大于高聚物层的受力，极易出现被拉坏的现象，且自身的变形协调能力较弱.

2.2 脱空厚度对于路面结构响应的影响规律

将脱空厚度分别设置为0.01、0.02、0.03、0.04 m，并绘制路表弯沉和面板底拉应力沿垂直于行车方向变化曲线及道路修复材料所受的最大拉应力，分别如图5，图6，表4所示.

从图5～图6可以看出，脱空未修复道路路表弯沉值和板底拉应力值随脱空厚度的增大，其变化不明显，因为路面脱空区域的水泥板如简支梁一样，简支梁的受力状况不受桥高的影响，但简支梁的梁长会影响着本身的受力，这也说明了水泥混凝土路面出现基层脱空时，脱空厚度对水泥板受力影响不大，但脱空面积会影响着水泥板的受力状况.

从表4可以看出，高聚物层和水泥浆层受最大拉应力随脱空厚度的增大而减小，从材料力学方面解释，对于一块板来说，在板上方施加一个垂直向下的力时，板的厚度越大，其所受的弯拉应力越小.

图5 面板弯沉值沿垂直于行车方向变化曲线Fig.5 The deflection change curves of the panelalong the vertical direction

图6 板底拉应力沿垂直于行车方向变化曲线Fig.6 The tensile stress change curves along the vertical direction at the bottom of the panel

表4 道路修复材料所受最大拉力Tab.4 The maximum tensile stress of the road repair materials 单位：MPa

2.3 交通荷载对于路面结构响应的影响规律

为了研究交通荷载对路面结构力学响应的影响规律，保持脱空面积为0.4 m2，脱空厚度为0.01 m不变，并在脱空部位对应的面层表面分别施加5 t、7 t及9 t的FWD冲击荷载.

路表弯沉值和板底所受拉应力沿垂直于行车方向的变化曲线见图7，图8.

图7 面板弯沉值沿垂直于行车方向变化曲线Fig.7 The deflection change curves of the panel along the vertical direction

图8 板底拉应力沿垂直于行车方向变化曲线Fig.8 The tensile stress change curves along the vertical direction at the bottom of the panel

修复材料所受最大拉力如表5所示.

从图7～图8可以看出，三种路面类型的板底所受拉应力值和路表弯沉值都随着荷载的增大而增大，但脱空路面的增量最大，说明了路面在脱空状态下的力学性能相对较差，若不及时修复，很可能出现断板现象.

从表5可以看出，高聚物层和水泥浆层受最大拉应力随荷载的增大而增大，水泥浆层的增量要远大于高聚物层的增量，且水泥浆硬化后属于刚性材料，自身的协调变形能力较弱，在交通荷载的作用下极易出现被拉坏的状况.

表5 道路修复材料所受最大拉力Tab.5 The maximum tensile stress of the road repair materials 单位：MPa

2.4 工程案例

本文依托山东威青高速公路脱空高聚物注浆修复工程案例，对存在脱空的水泥混凝土路面板部位进行了高聚物注浆修复，在注浆前后利用落锤式弯沉仪（FWD）对路面弯沉进行了检测，现取该工程部分结果如表6，图9，图10.

表6 弯沉检测结果Tab.6 The results of deflection test

图9 K161+400桩号注浆前后路面弯沉Fig.9 The deflections of pavement before and after polymer grouting in the K161+400

图10 K135+625桩号注浆前后路面弯沉Fig.10 The deflections of pavement before and after polymer grouting in the K135+625

从图9～图10可以得知，高聚物注浆有效地修复了脱空路面，提高了路面承载力；当交通荷载从5 t增加到9 t时，桩号K135+625和K161+400在脱空状态下的路面弯沉增加量分别是123.4 μm和83.3 μm，而高聚物注浆修复修的路面弯沉增加量分别是84.2 μm和49.7 μm，都小于相对应脱空状态下的路面弯沉增加量，说明了脱空路面的力学性能较差，同时验证了2.3节结论.