連續(xù)配筋水泥混凝土路面開裂過程及影響因素分析

屠建波，王 誠

（1.浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，浙江 杭州 310006；2.后勤工程學(xué)院軍事土木工程系，重慶市401311）

連續(xù)配筋水泥混凝土路面開裂過程及影響因素分析

屠建波1，王 誠2

（1.浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，浙江 杭州 310006；2.后勤工程學(xué)院軍事土木工程系，重慶市401311）

為了解CRCP路面的開裂過程及影響因素，借助有限元軟件ANSYS，對(duì)CRCP路面早期及后期的開裂過程進(jìn)行了分析，并討論了地基阻力、筋材模量、溫差及黏結(jié)剛度對(duì)CRCP路面開裂行為的影響。結(jié)果表明：在水泥混凝土面層鋪設(shè)初期，裂縫大約在其間距為40 m時(shí)穩(wěn)定；當(dāng)水泥混凝土板長(zhǎng)小于15 m時(shí)，地基摩阻力對(duì)板中混凝土的應(yīng)力影響很小；筋材模量越大，筋材約束混凝土變形的能力就越強(qiáng)，最終水泥混凝土的開裂間距越小；溫差越大，水泥混凝土路面的開裂速度也越快，但最終水泥混凝土的裂縫間距是趨于一致的；筋材與混凝土間的黏結(jié)剛度越大，水泥混凝土路面的開裂速度越快，最終的裂縫間距也越小。

連續(xù)配筋水泥混凝土路面；有限元分析；開裂過程；影響因素

0　引言

連續(xù)配筋水泥混凝土路面（CRCP）是指在水泥混凝土面層配置一定數(shù)量的縱向連續(xù)鋼筋和橫向鋼筋，橫向不設(shè)接縫的路面。CRCP路面［1］是道路工程師為了克服普通水泥混凝土路面的各種病害及改善路用性能而采用的一種路面結(jié)構(gòu)形式，具有完整而平坦的行車表面，增強(qiáng)了路面板的整體剛度，改善了汽車行駛的舒適性。

由于鋼筋混凝土本身的特性，CRCP路面不可避免地會(huì)因濕氣變化、溫度變化、地基摩阻力及筋材約束等因素作用而產(chǎn)生收縮裂縫。裂縫會(huì)影響路面的整體性，是CRCP路面設(shè)計(jì)的重要控制指標(biāo)。因此，本文綜合連續(xù)配筋水泥混凝土路面在施工和使用過程中的實(shí)際情況，在不考慮荷載作用的前提下，對(duì)水泥混凝土強(qiáng)度形成期間和強(qiáng)度形成后的CRCP路面進(jìn)行分析，了解了干縮、溫縮、筋材約束及地基約束作用過程及效果，從而對(duì)CRCP的開裂過程進(jìn)行探討，為優(yōu)化CRCP路面設(shè)計(jì)方案提供理論依據(jù)。

1　CRCP開裂過程及計(jì)算模型建立

1.1開裂過程

CRCP路面［2］出現(xiàn)裂縫通常是由干縮、溫縮、地基約束力及鋼筋約束力共同作用引起的。由于在水泥混凝土強(qiáng)度形成期間，鋼筋對(duì)混凝土的約束力很小，因此，本文把水泥混凝土強(qiáng)度形成期間的路面開裂稱為早期開裂，強(qiáng)度形成后的路面開裂稱為后期開裂。

路面的早期裂縫主要是由干縮、溫縮以及地基約束力引起。面層剛鋪筑完成時(shí)，是沒有裂縫的板體，失水、降溫使面層板體向中軸收縮。由于地基阻力的作用，板體收縮受到約束，板體產(chǎn)生收縮應(yīng)力。當(dāng)收縮應(yīng)力大于材料的抗拉強(qiáng)度時(shí)，在最大應(yīng)力處或基層薄弱處產(chǎn)生收縮裂縫。

路面的后期裂縫主要由溫縮、地基約束力及鋼筋約束力引起。隨著時(shí)間的推移，路面干縮失水基本完成，此時(shí)路面的收縮主要為溫縮，溫縮受到地基阻力和鋼筋約束力的作用，導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生。特別是經(jīng)過一個(gè)冬天的降溫影響，路面內(nèi)部收縮裂縫進(jìn)一步發(fā)展，最終形成穩(wěn)定的規(guī)則裂縫。

1.2計(jì)算模型

圖1　有限元計(jì)算模型

2　CRCP早期開裂分析

由于在水泥混凝土強(qiáng)度形成期間，筋材對(duì)混凝土的約束力很小，因此不考慮筋材約束。對(duì)板長(zhǎng)為100 m的連續(xù)配筋路面進(jìn)行有限元分析，以期得到路面建成初期在干縮應(yīng)力與地基阻力作用下裂縫發(fā)展的規(guī)律以及穩(wěn)定以后的裂縫間距。

由于路面建成初期，溫差變化不大，因此，為方便計(jì)算，在混凝土強(qiáng)度形成之前僅考慮干縮應(yīng)力和地基阻力。計(jì)算模型中面板厚度為26 cm，地基摩擦系數(shù)取1.5，水泥單位重γc=24 000 N/m3，混凝土初期抗拉強(qiáng)度取2.5 MPa，干縮應(yīng)變?chǔ)舠h取0.000 2。為了方便計(jì)算，干縮應(yīng)變的產(chǎn)生通過降低溫度來模擬，見下式：

式中：εsh為干縮應(yīng)變；αT為溫縮系數(shù)，10-6/℃；ΔT為降溫幅度，℃。

通過計(jì)算得到0.000 2的干縮應(yīng)變折合成20℃的溫差。試驗(yàn)結(jié)果如表1和圖2所示。

表1　不同混凝土板長(zhǎng)的板中應(yīng)力

圖2　不同板長(zhǎng)時(shí)混凝土板中應(yīng)力

由表1知，在水泥混凝土面層鋪設(shè)初期，由于混凝土的干縮作用及地基阻力的作用，面層產(chǎn)生裂縫，大約在裂縫間距為40 m時(shí)穩(wěn)定。因此，在后面的分析中，以40 m作為起始路面長(zhǎng)度。

3　CRCP后期開裂分析

在對(duì)連續(xù)配筋混凝土路面的后期開裂進(jìn)行分析時(shí)，本文通過有限元對(duì)地基阻力、筋材模量、溫差及黏結(jié)剛度對(duì)開裂行為的影響進(jìn)行分析。分析一種因素的影響時(shí)，其他因素保持不變。計(jì)算模型中板長(zhǎng)為40 m，面板厚度為26 cm，筋材直徑為16 mm，縱筋間距為11 cm。

3.1地基阻力影響

新的用戶如果想要獲得水權(quán)，或許可從政府預(yù)留的水權(quán)中申請(qǐng)，但更普遍的情況是必須從老用戶手中購買。愿意賣水權(quán)者，肯定是他自己用水的效益不如賣水收入高；而買水權(quán)者，肯定他使用水資源的效益要超過購買水權(quán)的成本。因此，通過水權(quán)的交易，水資源不斷從低效用水者向高效用水者轉(zhuǎn)移，從而實(shí)現(xiàn)水資源的高效配置，并可借助市場(chǎng)機(jī)制隨時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整、不斷優(yōu)化。

為了研究地基摩阻力對(duì)路面后期開裂的影響，在其他條件相同的情況下，對(duì)僅考慮筋材約束和同時(shí)考慮地基阻力及筋材約束兩種情況下的板中應(yīng)力進(jìn)行比較。計(jì)算模型中筋材為50 GPa的玄武巖纖維筋，摩擦系數(shù)取1.5，溫差取35℃，黏結(jié)強(qiáng)度取34 MPa/mm，結(jié)果如圖3所示。

圖3　地基阻力對(duì)板中應(yīng)力的影響

由圖3可知，當(dāng)水泥混凝土板長(zhǎng)小于15 m后，地基摩阻力對(duì)板中混凝土的應(yīng)力影響很小，混凝土開裂主要受筋材的約束，筋材約束越強(qiáng)，板體斷裂越快。對(duì)于連續(xù)配筋水泥混凝土路面，裂縫間距指標(biāo)為1～2.5 m，因此在后面的開裂影響因素分析時(shí)，忽略地基摩阻力的影響。

3.2筋材模量影響

為了研究混凝土強(qiáng)度形成后筋材模量對(duì)混凝土開裂的影響，筋材模量分別取210 GPa（鋼筋）、150 GPa、100 GPa、50 GPa（玄武巖纖維筋），溫差取35℃，黏結(jié)強(qiáng)度取34 MPa/mm，結(jié)果如圖4所示。

圖4　筋材模量的影響

由圖4看出，在不計(jì)地基阻力影響下，當(dāng)溫差和黏結(jié)剛度相同時(shí)，筋材的模量對(duì)混凝土開裂間距有較大影響；筋材模量越大，筋材約束混凝土變形的能力就越強(qiáng)，開裂速度越快，表現(xiàn)為最終水泥混凝土的開裂間距越小；并且連續(xù)配筋路面板中應(yīng)力隨著板長(zhǎng)減小而減小，板長(zhǎng)大于20 m時(shí)應(yīng)力變化較為緩慢，板長(zhǎng)小于20 m時(shí)，應(yīng)力急劇減小。

通過長(zhǎng)期觀測(cè)玄武巖筋CRCP路面和鋼筋CRCP路面的開裂速度，發(fā)現(xiàn)玄武巖筋CRCP路面開裂較慢，與前面有限元分析的結(jié)論一致，即路面開裂速度隨筋材模量的增大而增大。為了保證行車舒適性，CRCP路面的裂縫寬度要很小，而裂縫寬度與裂縫間距正相關(guān)，路面要求較快完成開裂，因此有必要提高玄武巖纖維筋的模量。

3.3溫差影響

為了研究混凝土強(qiáng)度形成后溫差對(duì)混凝土開裂的影響，溫差分別取30℃、35℃、40℃、45℃，筋材模量取50 GPa（玄武巖纖維筋），黏結(jié)強(qiáng)度取34 MPa/mm，結(jié)果如圖5所示。

圖5　溫差的影響

由圖5可知，當(dāng)筋材模量和黏結(jié)剛度相同時(shí)，溫差越大，水泥混凝土路面的開裂速度也越快，但最終水泥混凝土的裂縫間距是趨于一致的。

3.4黏結(jié)剛度影響

為了研究混凝土強(qiáng)度形成后黏結(jié)剛度對(duì)混凝土開裂的影響，黏結(jié)剛度系數(shù)取34 MPa/mm、40 MPa/mm、50 MPa/mm、60 MPa/mm，筋材模量取50 GPa（玄武巖纖維筋），溫差取35℃，結(jié)果如圖6所示。

從圖6看出，當(dāng)筋材模量和溫差相同時(shí)，筋材與混凝土間的黏結(jié)剛度越大，水泥混凝土路面的開裂速度越快，最終的裂縫間距也越小，說明兩者間的黏結(jié)剛度對(duì)配筋設(shè)計(jì)有較大的影響。

4　結(jié)論

（1）在水泥混凝土面層鋪設(shè)初期，裂縫大約在其間距為40 m時(shí)穩(wěn)定。

圖6　不同粘結(jié)剛度的影響

（2）當(dāng)水泥混凝土板長(zhǎng)小于15 m時(shí)，地基摩阻力對(duì)板中混凝土的應(yīng)力影響很小，在進(jìn)行配筋理論分析時(shí)，可忽略地基摩阻力的影響。

（3）筋材模量越大，筋材約束混凝土變形的能力就越強(qiáng)，最終水泥混凝土的開裂間距越小；溫差越大，水泥混凝土路面的開裂速度也越快，但最終水泥混凝土的裂縫間距是趨于一致的；筋材與混凝土間的黏結(jié)剛度越大，水泥混凝土路面的開裂速度越快，最終的裂縫間距也越小。

（4）連續(xù)配筋路面板中應(yīng)力隨著板長(zhǎng)減小而減小，板長(zhǎng)大于20 m時(shí)應(yīng)力變化較為緩慢，板長(zhǎng)小于20 m時(shí)，應(yīng)力急劇減小。

（5）增加筋材模量和增大筋材與混凝土間的黏結(jié)剛度總的來說對(duì)實(shí)現(xiàn)連續(xù)配筋路面的設(shè)計(jì)指標(biāo)是有利的。在不考慮筋材應(yīng)力的情況下，溫差大小主要影響開裂速度，對(duì)最終的開裂間距影響較小。

［1］顧興宇，董僑，倪富健.連續(xù)配筋水泥混凝土路面裂縫發(fā)展規(guī)律研究［J］.公路交通科技，2007，24（6）：37-40，45.

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U416.216

B

1009-7716（2016）01-0015-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.01.005

2015-08-18

屠建波（1975-），男，浙江余姚人，工程碩士，高級(jí)工程師，主要從事城市道路及路面結(jié)構(gòu)研究。