水泥混凝土路面彎拉強度控制標準及方法

彭大為 張西

（岳陽市通衢興路公司）

0 引言

由于水泥混凝土路面材料來源廣、造價低、抗壓強度高等優點，作為我國兩種主要路面結構之一，廣泛用于公路與城市道路中。但一些水泥混凝土路面投入使用后不久就出現斷裂損壞現象，大大縮短了路面使用壽命，致使維修養護費用增加，給社會造成較大經濟損失。其主要原因之一是施工完成后的水泥混凝土路面抗彎拉強度沒有達到設計強度標準。因此，抗彎拉強度是水泥混凝土路面設計和施工控制最重要的強度指標之一。一般道路用混凝土若原材料滿足規范要求、配合比設計正確，抗壓強度可達到設計規范要求，但抗彎拉強度雖一般只有其抗壓強度的1/8～1/12，卻難以達到設計規范要求，導致路面易出現斷裂破損。針對一般工程人員對彎拉強度認識不足，本文主要分析、研討了水泥混凝土路面彎拉強度的設計標準、標準值測試方法、合格性判定方法，并給出了與配合比設計配制彎拉強度、抗壓強度、水泥抗折強度、水灰比、劈裂強度和彎拉彈性模量參數的相互轉化經驗公式，供相關技術人員參考。

1 設計標準

公路水泥混凝土路面設計規范[1]規定：面層板分析應采用彈性地基板理論，混凝土設計強度采用28d 彎拉強度，其標準值按照交通荷載等級確定，舊混凝土路面彎拉強度采用實測值。

采用該規范進行水泥混凝土結構厚度設計時，設計標準為車輛荷載、溫度應力共同作用下面層板在設計基準期內不產生疲勞斷裂，以滿足路面結構性能要求條件；在兩個作用力最大時不發生極限斷裂作為驗算標準。并考慮路面結構重要性和施工變異性二個可靠度因素，即在一定的交通、環境條件下和設計使用年限內滿足彎拉強度設計要求的概率。按公式⑴、⑵進行設計控制。

式中：

σpr——車輛行車荷載疲勞應力，MPa；

σtr——溫度疲勞應力，MPa；

σr，max——最重軸載造成的最大荷載應力，MPa；

σt，max——所在區域最大溫度梯度造成的最大溫度應力，MPa；

γr——可靠度系數。

素混凝土或碾壓混凝土的彎拉強度也是控制疲勞開裂的重要調節因素，其基層應以行車荷載在設計使用年限內無疲勞斷裂為設計標準，按公式⑶進行設計控制。

式中：

σb.pr——行車荷載疲勞應力，MPa；

fb.r——基層材料彎拉強度標準值，MPa。

舊混凝土路面加鋪瀝青路面設計時，當加鋪瀝青層厚度較小時，加鋪層對降低舊混凝土板內荷載應力很有限，舊混凝土路面仍起關鍵的承載作用，其應力和彎拉強度在設計中起控制作用；當瀝青加鋪層厚度較大時，可按新建瀝青路面進行加鋪結構設計即可。

2 試驗方法

現行規范公路水泥混凝土路面施工技術細則[2]中給出了路面混凝土彎拉強度試驗方法，如圖1 所示，用中點單點加載的方法確定；現行規范公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程[3]中給出路面混凝土彎拉強度試驗方法，如圖2 所示，用三分點兩點加載的方法確定。兩個規范因發行時間不一致，根據需要選用。可采用彎拉試驗機、萬能試驗機或帶有抗彎拉試驗架的壓力試驗機，具體試驗步驟及要求見相應規范，中點單點加載試驗的彎拉強度按公式⑷計算，三分點加載試驗的彎拉強度按公式⑸計算：

式中：

Rf——彎拉強度，MPa；

P——荷載；

L——支座距離，mm；

b——試樣寬度，mm；

h——試樣厚度，mm。

中點單點加載法，結果以5 個試件彎拉強度的平均值和單個試件最小值表示，計算精確至0.01MPa。

三分點兩點加載法的測定值為3 個試件測量值的算術平均值。若極大、極小值中一個與中間值差值大于中間值的15%，則剔除該兩值，試件彎拉強度取中間值；若兩值與中間值的差值均超過15%時，則結果判定無效。如有1 個試件斷裂面位于加載處外側，則彎拉強度計算依據另外2 個試件的結果；若該兩值的差值不超過兩值中最小值的15%，測試結果則取兩值的平均值，否則結果判定無效。若有2 個試件出現斷裂面位于加載處外側，則該組試驗判定無效。

3 技術參數相關性

混合料組成材料、養生條件和試驗方法不同，水泥混凝土材料的彎拉強度、抗壓強度、彈性模量以及劈裂抗拉強度會發生變化[4-7]。上述因素對各項指標影響程度不同，因此難以在各項指標之間建立理論轉換關系式，一些研究者則通過大量試驗建立了許多指標間經驗轉換關系式。

3.1 配制彎拉強度

水泥混凝土路面配合比設計時28d 彎拉強度的均值按公式⑹計算配制。其中混凝土彎拉強度標準值應不低于規范規定的最小值。其它類型混凝土彎拉強度配制計算公式相同，其標準值滿足設計值要求。

式中：

Cvf——彎拉強度變異系數；

t——保證率系數；

s——彎拉強度試驗標準差，MPa。

3.2 抗壓強度

1990 年代初，交通部公路科學研究所等單位對碎石、卵石混凝土進行了大量的彎拉強度和立方體抗壓強度試驗，擬合出經驗公式（7）。

采用該式，通過抗壓強度預估彎拉強度時，得到的彎拉強度值偏高，而通過彎拉強度預估抗壓強度時，得到的抗壓強度值偏低。其他研究者提出了處于中間值的經驗公式⑻轉換。

式⑻中的抗壓強度為圓柱體試件的試驗結果，立方體試件的強度一般比圓柱體試件大10%～15%，根據公式⑻轉換為立方體試件強度，計算列出了現行規范中[1]彎拉強度與抗壓強度值的對應關系。

美國力學經驗法設計指南給出如下由抗壓強度預估彎拉強度的公式⑼：

3.3 水泥抗折強度及水灰比

面層混凝土配合比設計優先使用正交試驗法，采用直觀及回歸分析得出滿足要求的目標配合比。二級及二級以下公路路面混凝土配合比可采用經驗公式，碎石混凝土按公式⑽計算，卵石混凝土按公式⑾，鋼纖維混凝土按公式⑿計算。

式中：

fs——水泥實測抗折強度（28d），MPa；

fm同公式⑹；

λ——鋼纖維含量特征值。

3.4 劈裂強度

1980 年代初，江蘇交通廳、中國民航機場設計院等對石灰巖和花崗巖碎石混凝土進行鉆孔取樣劈裂強度和彎拉強度試驗[8]，回歸分析擬合出以下經驗關系式：

式中：

fr——混凝土面層彎拉強度標準值，MPa；

fsp——舊混凝土面層劈裂強度標準值，MPa。

美國力學經驗法設計指南則提出：水泥混凝土劈裂強度一般在0.6～0.7 倍彎拉強度范圍內變動，建議采用0.67 倍彎拉強度作為劈裂強度。上述公式⒀中劈裂強度在彎拉強度的0.52～0.63 范圍內變動，略低于該建議值。綜合上述兩個方法，彎拉強度與抗拉（劈裂）強度值的對應關系如下所述。

混凝土路面板的彎拉強度標準值可采用鉆孔芯樣的劈裂試驗測定結果。鉆芯、圓柱體劈裂強度與標準小梁彎拉強度試驗與強度換算，高速公路、一級公路通過不低于15 組試驗結果的統計分析確定。二級及二級以下根據粗集料巖石品種類型確定，由空間工程設計研究局通過114 個鉆芯試驗確定，相關系數0.66，公式適用于正常強度范圍，外延應用時存在不合理性。石灰巖、花崗巖碎石混凝土按公式⒀確定，玄武巖碎石混凝土按公式⒁確定，礫石混凝土按公式⒂確定。

3.5 彎拉彈性模量

1980 年代中期，江蘇公路管理局等對石灰巖碎石混凝土、花崗巖碎石混凝土等進行了彎拉彈性模量（撓度法）和彎拉強度試驗[9]，得到轉換經驗公式⒃，計算列出了規范中彎拉彈性模量值的經驗取值。

美國力學經驗法設計指南給出的抗壓強度與彈性模量的換算公式⒄。

式中：

Er——面層彎拉彈性模量，MPa；

rr——混凝土重度，N/m3。

建議在實踐中根據當地實測混凝土抗壓強度、彎拉強度、劈裂抗拉強度及彈性模量試驗數據建立本地區混凝土材料力學指標的經驗換算公式，并以此進行混凝土路面設計取值。

4 合格評定

標準小梁彎拉強度用于評定施工配合比；鉆芯劈裂強度用于評價實際面層施工密實度及彎拉強度[10,11]。各級公路面層的彎拉強度應采用標準小梁試件評定，采用鉆芯取樣圓柱體劈裂強度換算的彎拉強度進行驗證。

式中：

fcs——合格平均彎拉強度，MPa；

K——合格評定系數；

σ——彎拉強度統計均方差。

各等級公路面層混凝土彎拉強度應按規范要求檢測頻率取樣，一個統計數據為每組3 個試件平均值。試件組數大于10 組時，按公式⒅判定，若試件組數不超過19 組時，可以允許有1 組最小彎拉強度值在0.80～0.85fr范圍；若組數大于19 組時，一級及以上公路最小彎拉強度≥0.85fr，其它公路允許1 組最小彎拉強度值在0.80～0.85fr間；當試件組數≤10 組時，可用非統計方法評定，平均值≥1.15fr，最小值≥0.85fr。

合格性評判規定：當標準小梁與鉆芯平均彎拉強度標準值、最小值和統計變異系數滿足要求則判定合格；當部分路面標準小梁彎拉強度不足時，應每公里每車道加密鉆取≥3 芯樣，實測劈裂強度，重新換算彎拉強度滿足要求則判定合格，否則為不合格。

5 結論

⑴分析了水泥混凝土路面彎拉強度的設計標準及公式、標準值測試方法及計算公式、合格性判定方法及公式；彎拉強度在水泥混凝土結構厚度設計中起重要的控制作用；路面混凝土彎拉強度試驗方法可根據需要選取中點單點加載或三分點加載方法；標準小梁彎拉強度用于評定施工配合比，鉆芯劈裂強度用于評價實際面層施工密實度及彎拉強度。

⑵給出了水泥混凝土路面彎拉強度與配合比設計中配制彎拉強度、水泥抗折強度、水灰比、抗壓強度、劈裂強度、抗彎拉彈性模量等技術參數的相互轉化經驗公式，可供水泥混凝土路面設計與施工人員參考。