超薄混凝土路面設計與施工技術試驗路研究★

朱江華 何春木 尹晶晶

0 引言

目前在瀝青路面上加鋪水泥混凝土路面設計方法大致經歷了以下兩個階段:

1)將加鋪層和舊路面層作為兩個層次，并假設下臥層為剛性的，因此層間粘結狀況不影響設計結果;

2)20世紀 80年代，歐洲提出了新的設計概念，在加鋪層和舊路面層之間設置一個粘結層，使得加鋪層和舊路面層完美的結合在一起。在這種新的設計理念的指導下形成了超薄混凝土技術(Ultra-Thin Whitetopping，簡稱UTW)，90年代歐美等國家對該技術展開了廣泛的應用研究[1]。

本文結合天大線超薄混凝土路面試驗路情況，主要探討超薄混凝土設計及施工技術，供同行參考。

1 超薄路面技術特點

超薄水泥混凝土路面結構是厚度不大于 100mm、與下臥瀝青混凝土層完全粘結的路面結構。這種結構具有以下幾個特征:

1)厚度一般在50mm～100 mm，小于薄混凝土路面(Thin Whitetopping，簡稱TWT，厚度100mm～200mm)和普通混凝土路面(厚度一般大于200mm);

2)水泥混凝土面層必須與下臥層完全粘結，整體受力。如圖 1所示，圖 1a)為普通混凝土加鋪層受力情況，加鋪層與原路面之間粘結力較小，加鋪層層底彎拉應力較大;圖1b)為超薄混凝土路面受力情況，加鋪層與下臥層形成一個復合整體，加鋪層內以壓應力為主，充分發揮水泥混凝土材料的高抗壓強度和下臥層的殘余強度;

3)接縫間距小，一般取12h～18h(h為UTW層厚度)，即接縫間距在0.6m～1.8m內。小板塊在車輛荷載作用下，大大降低了板底的彎拉應力和彎曲變形。圖 2為美國肯塔基州 1992年在某貨車路上鋪筑的試驗路，超薄層厚度為50mm，接縫間距為0.6m，工程效果良好[2];

4)一般采用纖維混凝土作為加鋪層材料，以提高水泥混凝土的抗彎拉強度和疲勞壽命。常用的有聚丙烯纖維單絲、聚丙烯纖維網、玄武巖纖維等。

2 試驗路超薄混凝土路面設計

2.1 試驗路概況

試驗路為天臺縣境內天大線公路，為山區三級公路，連接石梁鎮和天臺縣城。2009年 10月，配合天大線路面大修工程，選擇天大線起始 2.5 km兩側硬路肩作為試驗路鋪筑對象，進行了UTW路面試驗路施工。路肩上車輛荷載作用次數很少，既能滿足低交通量使用條件，且施工不影響道路正常運營，有利于試驗路施工及后續研究工作的開展。

為驗證超薄路面接縫間距的合理范圍，擬定多種間距，并交替布置普通混凝土、纖維混凝土，以比較其工程效果，如圖 3所示。每段 500m，兩側共分為 10段，每種類型 2段。

2.2 纖維混凝土配合比設計

纖維混凝土配合比設計分兩個階段:1)基準配合比設計;2)纖維混凝土配合比設計。基準配合比設計同普通公路水泥混凝土配合比設計方法。

2.2.1 原材料

材料質量標準根據JTG F30-2003公路水泥混凝土路面施工技術規范對中輕交通條件下普通水泥混凝土材料質量要求。

水泥:P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，水泥質量見表1。水:采用日常飲用水。質量符合規范要求。細骨料:中砂，細度模數 2.8，表觀密度2 632 kg/m3，含泥量0.9%。粗骨料:碎石，粒徑5mm～10mm和10mm～20mm兩種摻配而成，集料質量滿足規范要求，表觀密度2 839 kg/m3，組合級配符合規范要求。減水劑:早強減水劑，實測減水率15%，摻量為3%水泥用量。

表1 水泥性能指標

2.2.2 玄武巖纖維技術要求

目前國內外應用于UTW路面混凝土的纖維主要有以下幾種:聚丙烯纖維、聚丙烯纖維網。玄武巖纖維在房屋建筑混凝土結構中已有較廣泛的應用，此次應用玄武巖纖維作為增強材料。短切玄武巖纖維強混凝土力學性能與素混凝土試件的對比，玄武巖纖維對混凝土具有明顯的增強、增韌效果[3]。玄武巖纖維質量參考 GBT 23265-2009水泥混凝土和砂漿用短切玄武巖纖維中對短切玄武巖纖維的技術要求，玄武巖質量見表 2。

表2 玄武巖纖維質量

2.2.3 纖維混凝土配合比設計

本試驗路以抗彎拉強度為指標的經驗公式法計算確定 C40混凝土初步配合比，而后進行試拌調整得到如下基準配合比:

水泥∶砂∶石子∶水∶外加劑=1∶1.68∶3.26∶0.36∶0.030 0。

纖維混凝土配合比是在基準配合比中摻入不同劑量的纖維形成。為確定最佳纖維用量，采用2.5%，3.0%，3.5%水泥用量三種纖維摻量進行對比實驗，確定最佳纖維摻配量。

2.2.4 室內試驗結果分析

通過混凝土抗壓強度試驗和抗彎拉強度試驗確定最佳纖維摻量，并比較玄武巖纖維混凝土與普通混凝土的性能差異，實驗結果見表 3，表 4。經測定摻加玄武巖纖維，水泥混凝土坍落度有所降低，降低量在5mm～7mm。

表3 3 d和7 d抗壓強度比較 MPa

表4 3 d和7 d抗彎拉強度比較 MPa

抗壓強度試驗表明，添加玄武巖纖維，混凝土的抗壓強度有所下降，抗彎拉強度試驗表明，玄武巖纖維混凝土抗彎拉強度顯著提高，且3.0%為最佳摻量。

2.3 UTW混凝土路面平面設計

超薄混凝土路面平面設計的主要內容是接縫設計。UTW路面縱向橫向接縫宜采用12h～18h(h為UTW層厚度)。本次試驗路路面平均厚度5 cm，最大厚度7 cm，最小厚度4.5 cm。設計時采用了兩種間距:0.75m和1.20m，分別為15h和24h。采用24h的主要目的是為了檢驗接縫間距較大時 UTW路面的工程效果，驗證上述理論的正確性。

3 超薄混凝土路面施工技術

通過分段施工，總結若干段UTW路面施工的實際工程效果，發現UTW路面施工應注意以下問題，以避免出現脫皮、龜裂等破壞。

3.1 界面處治

應進行相應施工技術準備工作。因面層厚度約為 5 cm，層厚小，為避免混凝土出現早期起皮剝離現象，必須對原路面表面進行徹底清理。試驗路采用拋丸機打毛路面，而后用高壓水槍沖洗，表干后立即攤鋪混凝土面層，避免二次污染。

3.2 混凝土拌合與攤鋪

為了便于施工，在施工前應先按計算好的摻量，將玄武巖纖維分包裝好，拌合時將纖維與砂、石、水泥等同時加入攪拌機，先干拌 30 s，然后加水濕拌 90 s。外加劑原液應先加入拌合用水中稀釋，再和水一起加入攪拌機中。因面層厚度薄和纖維的使用，必須使用平板震動器振搗，不得使用插入式震動器振搗，避免影響纖維的分布。在纖維混凝土澆筑 1 h～2 h后，應對混凝土進行二次振搗，并對纖維混凝土表面拍打振實。充分的振搗一方面降低了混凝土的收縮應力，同時混凝土的粘聚性增大，有效阻止了混凝土的離析。由于摻入玄武巖纖維后形成三維網結構，混凝土的坍落度會略有降低，但杜絕人為加入大量的水，振搗后與一般混凝土不同，出漿量也會略有減少，抹平時與正常方法相同。為保證順利振搗和收面，一定要控制坍落度在適宜范圍內?，F場條件下坍落度會隨時間減少，故要搞好現場組織，盡可能縮短混凝土出機到入模的運輸時間，防止水分蒸發過多，影響坍落度。

超薄混凝土面層鋪筑的其他技術要求同普通混凝土路面。

3.3 接縫設置與混凝土養護

橫向縮縫的設置采用全部硬切的方式，切割深度為 1/5～1/4面層厚度。現場施工溫度及條件相同時，壓紋和假縫割應比一般混凝土滯后約 0.5h～1h。超薄混凝土應加強保濕養生，避免出現早期縮裂。試驗路施工初期，部分路段因保濕養生不足，出現了嚴重的龜裂。后期采用加大養生劑用量(2倍普通混凝土路面用量)等措施，表面開裂比率大大減小。

4 結論與展望

1)實驗表明，摻加玄武巖纖維降低了水泥混凝土的抗壓強度，提高了混凝土的抗彎拉強度，降低了路面剛度，提高了韌性，對路面結構受力有利，3%水泥用量為最佳玄武巖纖維摻量;

2)界面粘結的好壞對UTW路面結構受力至關重要，應嚴格控制其施工質量;

3)UTW路面混凝土因厚度薄，水分減少快，易出現縮裂病害，應加強早期保濕養生，確保施工質量。

試驗路完工后時間尚短，玄武巖纖維混凝土超薄路面的工程效果有待進一步監測。

[1] Ahmad Arddani.Thin and Ultra-Thin Whitetopping A Synthesis of H ighway Practice[R].WASHINGTON，D.C.:TRANSPORTATION RESEARCH BOARD，2004:3.

[2] Sanford P.LaHue，Robert J.Risser，Jr.Ultra-thin concrete overlay supports truck loads[R].Chicago:The Aberdeen Group，1992:2.

[3] 李為民，許金余.玄武巖纖維對混凝土的增強和增韌效應[J].硅酸鹽學報，2008，36(4):476-486.

[4] 胡長順.超薄水泥混凝土路面試驗路研究[J].公路，2003 (5):60-63.