談鋼纖維混凝土路面設計方法

周 惠 周志華 廖家榮

1 概述

鋼纖維混凝土是在普通混凝土中摻入亂向分布的短鋼纖維所形成的一種新型的多相復合材料。這些亂向分布的鋼纖維能夠有效地阻礙混凝土內部微裂縫的擴展及宏觀裂縫的形成，顯著地改善了混凝土的抗拉、抗彎、抗沖擊及抗疲勞性能，具有較好的延性。其物理和力學性能優于普通混凝土路面。適用于橋面鋪裝、機場跑道、停車場和舊混凝土路面的加鋪層等場合。現行《水泥混凝土路面設計規范》對鋼纖維混凝土路面設計僅作了簡單的規定:面板厚度取普通混凝土路面面板厚度的0.55倍～0.65倍，且不小于10cm。但混凝土新型的路面材料的優良性能在設計過程中未能體現出來。因此，有必要對鋼纖維混凝土的設計方法進行探討。

2 設計方法

在現有普通混凝土路面的設計方法中以鋼纖維混凝土的設計參數(設計彎拉強度fcm、彎拉彈性模量Ec)取代普通混凝土的設計參數，進行鋼纖維混凝土路面設計。

鋼纖維混凝土的設計彎拉強度fcm、彎拉彈性模量Exc無圖表可查，需要通過試驗的方法獲得。鋼纖維混凝土的厚度計算先按普通混凝土的規定進行，然后決定鋼纖維混凝土厚度，即根據鋼纖維的體積率(一般為0.75%～1.2%)，采用普通混凝土加鋪層厚度，其厚度還應符合鋼纖維加鋪層最小厚度的規定。鋼纖維混凝土彎拉彈性模量Exc可由其彎拉強度推算。下面以實例闡明鋼纖維混凝土路面設計方法和步驟。

3 鋼纖維混凝土路面設計實例

江西有一條二級公路，根據全國公路自然區劃圖屬于Ⅳ5區，其公里樁K23+000～K25+200原設計為瀝青碎石路面，因該段設計標高低，基本與兩邊農田齊平，路基經處理后測得的彎沉值基本達到要求，經研究確定改鋼纖維混凝土面層。

3.1 交通分析

根據2004年度當地公路管理局交通調查資料，將該路段各類車輛日交通量進行標準軸載換算得:N1=270軸次/d。交通量年增長率r=5%;車輛代表車型估計誤差修正系數rq=1.2。故該工程竣工后第一年的標準軸載BZZ-100平均日當量作用次數Ns=270×1.2×(1+5%)=270×1.26=340次/d。查表知屬重交通。

當設計年限t=30年、車道系數c=0.35，可計算得到設計年限內一個車道上標準軸載累計作用次數Ne為:

3.2 初擬路面結構

初估混凝土板厚24cm，則取鋼纖維混凝土板厚24×0.6≈14cm，基層選用水泥穩定粒料20cm，E2=400mPa，板平面尺寸選為寬3.0m，長5.0m，縱縫為設計拉桿平縫，橫縫為不設傳力桿的縮縫(假縫)。

3.3 確定基層頂面的回彈模量Et

3.3.1 實測彎沉確定土基回彈模量E0

由E0與L0的經驗關系式:E0=2 430×L0-0.7實測土基彎沉即可求得土基回彈模量。

該段實測彎沉數據如下(單位:0.01mm):

一組:114 173 188 219 219 219 147 225 220 157 158 90 108;

二組:118 126 132 142 105 127 143 156 168 170 152 144 163;

三組:123 150 134 145 164 180 110 125 172 145 163 152 106 98 178。

表1 鋼纖維混凝土礦料級配

表2 鋼纖維混凝土抗壓、抗折強度測試結果(面板厚度14cm)

根據實測的41個彎沉數據，計算彎沉 L平均值為152(0.01mm)，標準差 S 為 35.1(0.01mm)，保證率系數 Za為1.645，得出符合規范要求的彎沉代表值:L0=L(平均)+Za×S=152+1.645 ×35.1=210(0.01mm)。

土基回彈模量計算:

試驗結果:鋼纖維混凝土礦料級配見表1，鋼纖維混凝土抗壓、抗折強度測試結果(面板厚度14cm)見表2。

3.3.2 確定材料參數

根據實測混凝土的設計彎拉強度和彈性模量，計算基層頂面的當量回彈模量Et。

1)確定設計彎拉強度fcm。

路面以設計彎拉強度作為設計控制指標，取28 d齡期的14cm板厚的鋼纖維混凝土兩組試件，每組3根同條件制作和養護的試件，用三分點加載試驗方法確定。

根據表2的抗折強度值，6個試件fcm平均值為7.63mPa，λ值取2，彎拉強度的標準差為0.103 3，則設計彎拉強度fcm按下式計算:

2)確定彈性模量Ec。

因無實測條件，根據《現代道路路基路面工程》按下式計算:

根據回彈彎沉值L0，按下式轉換成基層頂面的當量回彈模量Et為:

3.4 確定荷載疲勞應力Qp

荷載在混凝土面層內產生的應力，采用半無限大地基上彈性小擾度薄板的力學模型和有限元法進行分析計算，并采用縱縫邊緣中部作為應力計算時的臨界荷位。

3.4.1 確定疲勞應力系數kf

3.4.2 計算軸載在臨界荷位處產生的最大應力Qp

根據《現代道路路基路面工程》，不考慮接縫傳荷能力的應力折減系數，綜合系數kc查表得1.35，應用有限元法得出的應力計算圖，通過查圖得出標準軸載在臨界荷位處產生的荷載應力Qps。擬定鋼纖維混凝土板厚14cm，已知基層選用水泥穩定粒料20cm，E2=400mPa，則 Ec/Ec1=36 065/400=90.2，通過查應力計算圖得Qps=2.23mPa，修正后的荷載疲勞應力:

3.5 確定溫度疲勞應力Qt

3.5.1 確定溫度翹曲應力Qtm

其中，Qtm為最大溫度梯度時的溫度翹曲應力，MPa;ac為混凝土的線膨脹系數，通常可取1×10-5/℃;Ec為混凝土的彎拉彈性模量，MPa;h為混凝土面板厚度;Tg為所在地混凝土面板的最大溫度梯度，℃/cm，按表取用換成板厚14cm的溫度梯度值為55℃/cm;kx為考慮溫度沿板厚非線性分布的溫度應力系數，按板長L與板相對剛度半徑r的比值L/r和板厚h按圖確定，其中r=0.537h(Ec/Etc)1/3。

1)確定溫度應力系數kx。

基層頂面當量回彈模量的修正公式Etc=nEt=0.35×52.83=18.5mPa，則 Ec/Etc=36 065/18.5=1 949。

那么:

L/r=500/94=5.32，由板溫度翹曲應力系數值的圖求得溫度應力系數 kx=1.09。

2)確定溫度翹曲應力Qtm。

3.5.2 確定累計疲勞損傷系數kt

由于溫度翹曲應力年變化所產生的累計疲勞損傷系數kt，按所在地公路自然區劃和最大溫度翹曲應力Qtm同混凝土設計彎拉強度fcm的比值，由相應的溫度應力疲勞系數表確定，則:

相應得疲勞損傷系數kt=0.294。

3.5.3 確定溫度疲勞應力Qt

溫度疲勞應力:

3.6 檢驗初擬的路面結構

按下述條件檢驗:

其中，Qp為荷載疲勞應力，MPa;Qt為溫度疲勞應力，MPa;fcm為混凝土的設計彎拉強度，MPa。

因為滿足Qp+Qt=(0.95～1.03)×fcm條件，所以擬定的路面面層厚度滿足要求。

4 結語

通過探討鋼纖維混凝土路面設計方法，闡明了路面結構層的組合設計，應根據該路的交通繁重程度，結合當地環境條件和材料供應情況。鋼纖維混凝土路面的混凝土面板要求具有較高的彎拉強度，表面平整、抗滑、耐磨。它與普通混凝土路面相比，鋼纖維混凝土路面厚度可以減薄35%～45%，而縮縫間距可以增至15m～20m，脹縫與縱縫可以不設。

當今，伴隨著運輸量和汽車載重的增加，作為重交通或特重交通等級的水泥路面，使用鋼纖維混凝土路面將成為一種趨勢。特別在地方交通項目中的連接線工程以及養護工程中，鋼纖維混凝土路面具有很大的實用價值。

[1]JTJD40-2002，公路水泥混凝土路面設計規范[S］.

[2]JTG F30-2003，公路水泥混凝土路面施工規范[S］.

[3]JTG E30-2005，公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程[S］.

[4]尤曉暐.現代道路路基路面工程[M］.第2版.北京:清華大學出版社，北京交通大學出版社，2008.