基層類型對連續(xù)配筋混凝土路面早期性能的影響

宋 柳，劉斌清

(1.廣西建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院;2.廣西交通科學(xué)研究院;3.廣西道路結(jié)構(gòu)與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

0 引 言

連續(xù)配筋混凝土路面(CONTINUOUSLY REINFORCED CONCRETE PAVEMENT)在面層縱向連續(xù)配有一定數(shù)量的鋼筋，用以控制路面板縱向收縮產(chǎn)生的裂縫寬度和數(shù)量，橫向鋼筋僅起到構(gòu)造鋼筋的作用。在施工時(shí)不設(shè)脹、縮縫(施工縫及構(gòu)造所需的脹縫除外)，行車舒適，養(yǎng)護(hù)費(fèi)用少，使用壽命長，該結(jié)構(gòu)在高速公路如得到應(yīng)用，可極大地降低公路的修筑成本和養(yǎng)護(hù)成本。

近些年我國CRCP 研究取得了一定進(jìn)展。但是，在路面實(shí)踐中卻很少關(guān)注基層頂面和CRCP 面板之間的隔離層等相關(guān)問題。CRCP 早期斷裂和錯(cuò)臺破壞仍很普遍，CRCP 使用壽命還遠(yuǎn)沒有達(dá)到設(shè)計(jì)使用壽命要求。目前為提高CRCP 使用性能，大部分研究工作主要集中于CRCP 面層，而忽略了對基層對其早期性能的研究，使得設(shè)計(jì)理論不能完全反映路面的實(shí)際應(yīng)用狀況。鑒于此，分析不同基層類型對于CRCP 早期性能的影響因子已迫在眉睫。

1 基層類型分析

目前國內(nèi)外水泥混凝土路面基層主要有三大類型:剛性基層、半剛性基層和柔性基層。雖然規(guī)范建議采用瀝青混凝土或?yàn)r青穩(wěn)定碎石基層，但這種基層類型用于水泥混凝土路面在國內(nèi)未見報(bào)道，其結(jié)構(gòu)和材料組成設(shè)計(jì)更需進(jìn)一步的理論研究與實(shí)踐檢驗(yàn)。據(jù)美國聯(lián)邦公路局在1990年的調(diào)查結(jié)果發(fā)現(xiàn)貧混凝土基層的工作性能一般較差，所以急需研究這種基層在我國的適用性問題。

對CRCP 而言，放在瀝青穩(wěn)定基層上的CRCP 裂縫模式比較理想，而采用無結(jié)合料的碎石作為基層時(shí)裂縫間距較大，而在水泥穩(wěn)定基層上設(shè)一層薄的瀝青混凝土層效果比較理想。如果CRCP 直接修筑在水泥穩(wěn)定碎石或貧混凝土上，基層和面層之間需要使用潤滑劑，以減小層間粘結(jié)，防止反射裂縫的產(chǎn)生。基層模量和強(qiáng)度越高，沖斷就越小。基層侵蝕造成的不均勻支撐對CRCP 沖斷也有很大影響。在開級配排水層上的CRCP 容易破壞。南達(dá)科他州修建的CRCP過早出現(xiàn)了嚴(yán)重的橫向裂縫，將LTPP 數(shù)據(jù)根據(jù)基層類型劃分成幾個(gè)子數(shù)據(jù)庫，則該路的橫向裂縫與粒料基層對應(yīng)的回歸方程比較吻合。綜合以上情況，說明基層類型對CRCP 的長期性能有較大的影響。

2 試驗(yàn)路連續(xù)配筋路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)路介紹

煙威高速公路于2008年進(jìn)行了全面大修。在工程實(shí)施過程中，選擇了其中一段為實(shí)驗(yàn)路段，用來研究在舊混凝土路面上加鋪連續(xù)配筋混凝土路面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及施工技術(shù)，為今后設(shè)計(jì)和施工提供科學(xué)依據(jù)。原路面結(jié)構(gòu)為24 cmJPCP+12 cm 水泥穩(wěn)定砂礫+15 cm 水泥穩(wěn)定砂礫，正常路段路面結(jié)構(gòu)為32 cmJPCP +水泥處治開級配碎石(厚度不小于8 cm)+2 cm 同步碎石封層+原混凝土砸裂。試驗(yàn)路段以水泥穩(wěn)定碎石作為基層、并使用AC－13 作為夾層、面層混凝土采用部分粉煤灰作為基本路面結(jié)構(gòu)。基層類型分為3種。4 cm 瀝青混凝土(AC－13)+開級配水泥碎石、密級配瀝青碎石和4 cm 瀝青混凝土(AC－13)+舊水泥混凝土面層。縱向配筋率采用0.7%，鋼筋均布置在距離板頂9 cm 處(可以根據(jù)滑模攤鋪機(jī)的實(shí)際振搗所需深度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整)，路肩均采用與行車道用拉桿連接的水泥混凝土路肩。基層寬度為路面全寬，路肩為設(shè)拉桿的接縫式水泥混凝土路面。縱橫向分別采用φ16 和φ12、φ18 和φ16 螺紋鋼筋。端部可以采用矩形鋼筋混凝土錨固地梁、寬翼緣工字鋼梁兩種形式。不同路段的縱向鋼筋根數(shù)相同，通過改變直徑來改變配筋率。

2.2 配合比及原材料設(shè)計(jì)

基層、底基層的原材料選擇以及配合比設(shè)計(jì)按照普通水泥混凝土路面相應(yīng)結(jié)構(gòu)層的要求進(jìn)行;面層與基層之間的瀝青混凝土的原材料選擇以及配合比設(shè)計(jì)可以按照《瀝青路面施工規(guī)范》的要求進(jìn)行。見表1。

配合比設(shè)計(jì)原則:(1)滿足水泥混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度的要求;(2)滿足施工工作性的要求;(3)滿足環(huán)境耐久性的要求;(4)滿足經(jīng)濟(jì)性的要求。最終推薦一合同段路面混凝土實(shí)驗(yàn)配合比為，水泥∶砂∶碎石∶水∶外加劑=1∶1.85∶3.30∶0.39∶0.014，水泥處治碎石基層最終配合比為，水泥劑量10%，用水量4.5%，19.5 mm∶4.75 mm∶砂=63∶27∶10。二合同段最終實(shí)驗(yàn)配合比為，水泥∶砂∶碎石∶水∶外加劑=1∶1.84∶3.14∶0.38∶0.014，水泥處治碎石基層最終配合比為:水泥劑量10%，用水量4.2%，19.5 mm∶4.75 mm∶砂=60∶30∶10。

表1 原材料及規(guī)格

2.3 測試方法及目的

為研究水泥混凝土路面的各種性能，原K157 +972～K158 +913.58 和K160 +880～K161 +430 段調(diào)整為連續(xù)配筋試驗(yàn)路段。測試元件埋設(shè)在試驗(yàn)段K158 +150～K158 +350(TLM7)和K158 +400～K158 +600(TLM9)的正常成縫路段。在TLM7 和TLM9 的開級配碎石層、瀝青層和連續(xù)配筋混凝土層均埋設(shè)溫度計(jì)，在連續(xù)配筋混凝土層埋設(shè)應(yīng)變計(jì)(在裂縫處以及非裂縫處、縱橫向均埋設(shè))。測試內(nèi)容包括:混凝土溫度、相對濕度、混凝土應(yīng)變、鋼筋應(yīng)變。采用元件為:靜態(tài)混凝土應(yīng)變計(jì)、動態(tài)混凝土應(yīng)變計(jì)、溫度計(jì)、與應(yīng)力無關(guān)的應(yīng)變計(jì)和靜態(tài)鋼筋計(jì)。混凝土應(yīng)變包括縱橫向的應(yīng)變。縱向應(yīng)變造成橫向裂縫，橫向應(yīng)變造成縱向裂縫。

測試目的:(1)溫度沿著板厚的變化情況;(2)濕度沿著板厚的變化情況;(3)驗(yàn)證環(huán)境荷載作用下路面內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變分析結(jié)果與實(shí)測的是否吻合;(4)驗(yàn)證汽車荷載作用下路面內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變分析結(jié)果與實(shí)測的是否吻合;(5)測試裂縫處的應(yīng)力、應(yīng)變情況，以便將來進(jìn)行CRCP 應(yīng)力分析時(shí)可以更好地考慮裂縫處的邊界條件;(6)量測裂縫寬度的變化。

2.4 預(yù)成縫技術(shù)

對連續(xù)配筋混凝土進(jìn)行預(yù)成縫，研究預(yù)成縫的時(shí)機(jī)、間距和適用條件等，從而減少裂縫寬度、剝落、表面損害、不良的裂縫形式，延長路面壽命。

試驗(yàn)路段采用國外先進(jìn)軟切縫技術(shù)形成預(yù)成縫，鋸縫切口深度為3.8 cm，寬度為0.1 mm，鋸縫時(shí)間約在初凝和終凝之間，約在澆筑混凝土4 h 以后。見表2。

表2 預(yù)成縫形式

后期需要觀測裂縫的數(shù)量、裂縫的間距、裂縫的形狀(特別是自然形成的裂縫)、裂縫的寬度和裂縫的傳荷能力(用FWD 測試LTE)等內(nèi)容。觀測時(shí)間可以在施工后3 d、5 d、7 d、10 d、14 d、21 d、30 d、60 d、120 d、180 d 內(nèi)觀測，而且注意裂縫主要產(chǎn)生在冬天，冬天一定要有觀測的時(shí)間。

3 基層類型對面層的影響

基層類型和特征是CRCP 設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵因素，它影響到裂縫間距、板的支撐狀況、沖斷、平整度和建造成本。對于承受重載交通的CRCP，堅(jiān)實(shí)的基層的支撐是非常重要的。現(xiàn)場調(diào)查表明，CRCP 基層剛度和摩擦條件的大的變異性會導(dǎo)致裂縫寬度和裂縫間距的變異性。另外，不同基層的抗侵蝕能力和材料特性差別很大。對于承受重交通的CRCP，推薦采用瀝青或水泥穩(wěn)定基層。

(1)混凝土板與基層之間的粘結(jié)影響裂縫的間距。例如，放在瀝青穩(wěn)定基層上的CRCP 的裂縫模式比較理想。而采用無結(jié)合料的碎石作為基層時(shí)裂縫間距會較大。在水泥穩(wěn)定基層上設(shè)一層薄的瀝青混凝土層效果比較理想。如果CRC 直接修筑在水泥穩(wěn)定碎石或貧混凝土上，基層和面層之間需要使用使用潤滑劑，以減小層間粘結(jié)，防止反射裂縫的產(chǎn)生。

(2)基層的寬度也很重要，它需要超過CRCP 的邊緣以增加邊緣的支撐和提高抗侵蝕能力。

(3)基層的模量影響混凝土板中的應(yīng)力。很明顯，基層抗侵蝕能力越高，CRCP 出現(xiàn)板底脫空的可能性就越小。現(xiàn)場調(diào)查表明，增加貧混凝土基層的抗壓強(qiáng)度可以減少沖斷的的產(chǎn)生。開級配基層應(yīng)該慎用，因?yàn)樗赡軙绊懧访媪芽p模式和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

(4)基層的摩擦性能影響裂縫的發(fā)展。人們很早就開始研究地基摩擦對混凝土路面板開裂的影響。研究發(fā)現(xiàn)，地基摩擦性能取于基層材料，且差異很大。破壞面并不是在路面板和基層界面上，而是在基層內(nèi)部，除非在基層面采用了薄層瀝青處理層。因水泥混凝土路面板與基層間的粘結(jié)力強(qiáng)于基層材料的抗剪強(qiáng)度，所以地基與路面板之間的摩擦特性與基層材料的抗剪強(qiáng)度有關(guān)。在連續(xù)式配筋混凝土路面中，當(dāng)裂縫間距較大時(shí)，基層摩擦作用對裂縫發(fā)展有很大影響。

4 影響基層類型的因素

(1)基層類型的選擇應(yīng)該考慮以下因素:板厚、裂縫寬度、混凝土材料性質(zhì)、裂縫間距、抗侵蝕能力、交通水平和成本。簡單地說，就是用最小的成本修筑的基層使得板底支撐、裂縫間距、裂縫寬度、抵擋侵蝕的能力、平整度等處于可以接受的水平。

(2)基層下面底基層的使用取決于以下眾多因素:路基的類型和剛度、基層的類型(如是粒料型還是穩(wěn)定型)、是否使用開級配排水層。現(xiàn)場研究表明，對于修筑在穩(wěn)定基層上的接縫式普通混凝土路面，侵蝕可能發(fā)生在基層的下部。對于這種情況，在基層下設(shè)粒料底基層對于減少基層的侵蝕和底部的脫空是很重要的。一些機(jī)構(gòu)規(guī)定在穩(wěn)定基層下設(shè)置粒料底基層。粒料底基層也可以用于防止軟的細(xì)粒土路基對于粒料基層的污染。在開級配的基層下，設(shè)置符合一定級配要求的密級配粒料底基層對于阻止細(xì)粒土污染開級配基層是非常重要的。在剛度較大的穩(wěn)定性開級配排水層上修建CRCP 會產(chǎn)生特殊的問題。面層的混凝土進(jìn)入開級配基層會增加面層的有效厚度，從而影響裂縫間距和寬度。如果在CRCP 中修建排水層，該層應(yīng)位于瀝青處治基層和粒料底基層(防止路基土污染排水層)的中間。這種設(shè)計(jì)已經(jīng)在重交通高速公路上成功應(yīng)用。

5 結(jié) 語

通過關(guān)于連續(xù)配筋混凝土路面資料的系統(tǒng)整理分析，結(jié)合試驗(yàn)路段的具體情況，對基層類型的重要性、影響因素及對連續(xù)配筋面層的影響進(jìn)行了詳細(xì)闡述，希望對面層的設(shè)計(jì)工作提供一定的借鑒和參考。

［1］周志剛，張起森.連續(xù)式配筋混凝土路面研究綜述［J］.長沙交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2000，(9).