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摘要：針對水泥混凝土路面在使用早期出現唧泥、斷板、錯臺以及板角斷裂等耐久性問題，本文從設計、施工和養護方面，對水泥混凝土路面應用現狀進行了綜述。通過對分析以及比較目前的發展趨勢，表明實現水泥混凝土路面耐久性的可行性措施和手段。...

水泥混凝土路面結構設計、施工和養護技術研究進展

任婷婷  黃興亮

陜西省建筑科學研究院,西安710082

    隨著現代交通的發展，重載及超載車輛增多，修筑瀝青路面帶來的問題越來越突出，不僅瀝青價格居高不下使得路面造價不斷攀升，優質瀝青主要依賴于國外進口，不利于國內經濟的發展，而且瀝青路面承受重載的能力低、使用壽命短，并嚴重污染地下水源，對生態環境的影響日漸明顯[1-2]。而水泥路面承載能力強、穩定性好、使用壽命長，且造價遠低于瀝青路面，目前我國公路結構形式中，有鋪裝路面里程的65%以上是水泥混凝土路面，美國高速公路網中，49%左右的路面是水泥混凝土路面，法國近年來建設的高速公路有30%為水泥混凝土路面。隨著經濟的發展交通量越來越大，使得水泥混凝土路面出現唧泥、斷板、錯臺等早期結構破壞現象比較嚴重，這除了與路面使用材料有關外，更關鍵的是路面結構設計與路面施工質量控制等因素的影響。本文擬對水泥混凝土路面結構設計、施工和養護技術方面探討影響路面耐久性的因素，針對耐久性水泥路面的建設提出一些建議。

1.水泥混凝土路面典型結構組合

    路面結構包括面層和基礎，面層起平整、抗滑、耐磨作用，基礎主要對面層提供均勻支撐。通過對目前運營中的水泥混凝土路面進行調查，水泥混凝土面層常見類型有普通混凝土、鋼筋混凝土、連續配筋混凝土、鋼纖維混凝土、碾壓混凝土和混凝土預制塊等[3]。劉伯瑩等[4]對廣東、廣西、山西、河南、黑龍江、重慶和福建等省市的60個典型路段進行調查，水泥混凝土路面面層厚度通常為23-36cm。基層根據交通等級的不同進行分類，用于特種交通的基層類型有貧混凝土、碾壓混凝土、瀝青混凝土；用于重交通的有水泥穩定粒料和瀝青穩定碎石；而中等交通和輕交通則更多的用水泥穩定粒料、石灰粉煤灰穩定粒料和級配粒料；基層厚度多采用16-20cm。在冰凍地區、濕度較大路床等地區需要鋪設防凍墊層和排水墊層，一般用砂和砂礫材料，最小厚度宜大于15cm。美國加州針對因由縮縫滲入水而泡軟基層，造成面板脫空的早期病害現象，提出上基層用貧水泥混凝土的剛性基層，具體結構為水泥混凝土面層25.9cm、貧水泥混凝土中面層15.2cm、級配碎石的下面層21.3cm，共計厚度為62.4cm厚，設計壽命是30年；近年來又將典型結構精簡為25cm水泥混凝土上面層、15cm貧水泥混凝土中面層和15cm級配碎石下面層結構[5]。路肩、路面內部排水以及路面接縫是否設置傳力桿等設計內容對于病害出現的可能性也至關重要，路面結構內部排水性好有利于提高基層的耐沖刷性能，針對水泥路面接縫薄弱環節，現行規范規定重交通以上等級路面接縫需設置傳力桿。

2.水泥混凝土路面結構設計理論研究

    國外對水泥混凝土路面結構分析理論和設計方法的研究，迄今已有80余年歷史。通過不斷的理論探討、試驗驗證和實踐總結，在水泥混凝土路面的結構分析理論和設計方法等方面取得了很多富有成效的成果。路面設計方法主要有經驗法和理論法，經驗法可分為標準結構圖法和鋪設試驗路方法，標準結構圖表法以法國中央道橋試驗室研究為代表，而試驗路法主要以美國AASTHO和英國為代表。理論法是westergaard于1925年提出的，其思想是基于文克勒地基板理論公式或其后修正公式進行設計，代表國家有印度、意大利、荷蘭和德國等；蘇聯按照霍格與霍爾于1938年提出的彈性半空間體地基無限大板的理論進行設計。美國大約有17 個州公路局和許多城市道路部門按照美國波特蘭水泥協會(P C A ) 于1 9 6 9 年制訂的基于麥納材料疲勞理論方法進行路面設計。除上述方法以外，理論法還有西德提出的多層體系理論，蘇聯和印度以板的極限彎沉作為控制指標的設計理論以及意大利和捷克以板在荷載和溫度變化共同作用下的疲勞理論進行設計等等。

    在上述設計理論中，目前以Westergaard公式進行的設計被歐、美、日等國一直沿用。該理論假定形變分量EZ極其微小，可以忽略，根據單元的平衡條件導出板中面的撓曲微分方程。通過計算過程可以了解，Westergaard設計方法主要用于計算單個輪載作用于無限大板或半無限大板上特定位置的應力，對于有限尺寸板應力計算并未涉及。我國1978年交通部科技發展規劃項目立項水泥混凝土路面設計理論研究，剛性路面設計采用彈性半空間地基上的彈性薄板理論，根據位移法有限元分析的結果，同時考慮荷載應力和溫度應力綜合作用產生的疲勞損壞確定板厚，以疲勞開裂作為設計指標[6-7]。

    2.1 荷載應力計算

    水泥混凝土路面結構的主要承受外部車輛荷載作用,根據《公路水泥混凝土路面設計規范》，標準軸載(100 kN單軸-雙輪)作用于路面結構臨界荷位 (板縱縫邊緣中部)處的疲勞荷載應力計算式：σpr=kr·kf·kc·σps其中：σps為標準軸載Ps在自由板邊處產生的荷載應力；kr為考慮接縫傳荷能力的折減系數；kf為考慮設計基準期內荷載應力累計作用的疲勞應力系數；kc為考慮偏載和動載等因素對路面疲勞損壞的綜合系數。

    荷載應力計算方法是采用有限元法求解半空間地基上有限尺寸板，在任意荷載位置處板內的應力。通過計算結果確定出兩種臨界荷位分別是接縫無傳荷能力時，雙輪輪載作用于橫縫邊緣中部；接縫有傳荷能力時，雙輪軸載作用于縱縫中部。

    2.2 溫度應力分析

    溫度的變化會使得路面沿厚度方向產生溫度梯度，而且這種變化是非線性的，從而在混凝土面層內部產生溫度應力，此應力與荷載應力疊加超過容許應力，混凝土面層就會產生裂縫等破壞。水泥混凝土路面結構疲勞溫度應力為路面結構“可能”的最大溫度應力與其疲勞系數的乘積，計算溫度應力時按照單層板和雙層板分別進行計算。

    單層路面板的溫度應力由板內溫度梯度引起的板翹曲變形受到地基約束而產生的溫度翹曲應力和溫度沿板厚非線性分布而引起溫度內應力兩部分組成。用有限元法分析路面板溫度翹曲應力，并按Westergaard溫度翹曲應力公式得到板縱縫邊緣中部處的板底最大翹曲溫度應力。

    雙層板溫度應力計算時,假設上下板層間連續、泊松比相同；上下板導熱系數、熱膨脹系數和初始硬化等效溫度相等；雙層混凝土路面板溫度應力由溫度翹曲應力和溫度內應力以及上下板變形協調條件引起的板間約束應力。其中溫度內應力計算與單層板相同；溫度翹曲應力計算比較復雜，與上下板溫度梯度、上下板平均溫度及上下板層間接觸狀況有關。

3.路面結構可靠性設計方法

    隨著交通量不斷增長，重載、超載車輛增多，水泥混凝土路面使用后不久出現早期破壞現象，意味著舊規范的部分理論和方法不適應現代路面發展的要求，為此，對舊規范進行修訂，發布《公路水泥混凝土路面設計規范》（JTG D40-2002）（以下簡稱“新規范”），新規范引入可靠度的概念[8-12]，增加了路面結構可靠度設計方法，將材料、結構參數的變異性及交通荷載參數的變異性引入結構設計方法，考慮不確定因素的影響，從而使路面結構設計更加符合實際，并使設計同施工質量管理和控制水平緊密結合起來，進而提高我國混凝土路面施工及管理水平。

    混凝土路面結構可靠度定義為：在規定的設計基準期內，在規定的交通和環境條件下，行車荷載疲勞應力和溫度梯度疲勞應力的總和不超過混凝土彎拉強度的概率。新規范綜合考慮結構設計參數的變異性以及設計方法與實際情況的不相符性兩個不確定因素,得到綜合的可靠度修正系數。

4.路面水泥混凝土施工和養護

    路面出現早期破壞，除了與結構設計有關外，路面施工技術也起著決定作用�；炷�土路面的施工由模板安裝、傳力桿安設、混凝土拌合、運輸、攤鋪、振搗、表面修正、接縫處理以及養護等工序組成，本文主要從攤鋪方式和養護方法上進行分析探討。

    4.1混凝土路面的攤鋪

    路面攤鋪是施工工序中難度大、技術要求高的工序，水泥混凝土路面鋪筑使用的機械有軌道式攤鋪機、三輥軸式攤鋪機、滑模式攤鋪機以及小型攤鋪機具等四種方式[13-17]。近年來，軌道式攤鋪機的應用已逐漸減少，其缺點是自動化程度較低，鋪筑的路面縱坡、橫坡、平直度和轉彎半徑的精度，在很大程度上取決于鋼軌和模板的鋪設質量，此外鋼軌和模板需求量大，裝卸工作頻重。目前滑模攤鋪是最先進的智能化施工技術，其工作效率高，從國內施工單位來看，滑膜攤鋪機的攤鋪能力遠大于攪拌機生產能力；而且滑模攤鋪質量優；但是滑模攤鋪機設備投資大，工程造價昂貴，該設備主要依賴進口。 軌道機因受模板制約連續作業困難，滑模機由于以滑動模板成型路面，經常在混凝土質量不穩定時出現麻面、塌邊現象。輥軸式攤鋪整平機是介于普通小型機具與滑模攤鋪機間的中檔機械，被廣泛地用于高等級公路施工中。三滾軸式水泥混凝土攤鋪機是經濟型施工設備，其價格約為滑膜攤鋪機的1/25，工作時一根振搗軸在前，一方面振動同時逆向旋轉，能夠削平運動前方的水泥混凝土拌合料并進行振實，其鋪筑路面質量優異。

    4.2水泥混凝土路面養護

    水泥路面耐久性不良，另外一個比較重要的影響因素是對養護的不重視，嚴重影響了路面的使用品質。針對水泥混凝土路面破損狀況可將病害分為結構性破壞和非結構性破壞，其中結構性破壞如裂縫、錯臺、斷板、唧泥，而非結構性破壞如麻面、露骨、脫皮等。

    1)接縫和裂縫類養護

    水泥路面接縫材料老化失去防水功能，會造成水滲入下面泡軟基層，長期交通作用下造成唧泥和面板脫空，因此對接縫破壞要及時進行修補。目前普遍采用灌漿處理[18-19]，接縫養護一般采用改性環氧樹脂類灌縫料，聚氯乙烯膠泥在水泥混凝土路面養護工程中的應用也比較廣。輕微裂縫處理用灌縫料填灌, 嚴重裂縫采用切縫后填灌瀝青砂混合料進行養護。唧泥、脫空病害用板底壓漿進行處置。

    2)斷板修復

    水泥混凝土路面在施工養生期或正常使用過程中產生裂縫，經車輛荷載的重復作用，路面會沿裂縫處斷裂。路面嚴重破碎板、板角斷裂等破碎板塊需要先挖除，用早強混凝土或早強鋼筋混凝土進行修補[20]。當整個道路大部分路段狀態良好而只是個別或部分板塊破壞嚴重時，則采取更換板塊的方法，對更換板塊的路基和路面基層要按規范處理后澆注混凝土路面，并且重新澆注混凝土板時常常采用快凝材料，以便盡快開放交通。

    3)麻面、露骨、脫皮等修復

    大面積麻面、露骨、脫皮等病害, 常采用瀝青混凝土罩面處理，罩面前要對破碎板及整個路面進行修補和壓漿處理，厚度應大于2.5cm。一般的麻面可不作處理，只對露骨嚴重部分作整段處理，可用聚合物砂漿作薄層處理。采取加鋪鋼纖維混凝土路面或加鋪瀝青混凝土面層的工藝也有工程實踐。

    水泥路面在我國高等級公路中占有很大的比重，而且水泥路面對于環境保護、資源可持續發展至關重要，水泥砂石建材資源豐富，水泥消耗可以帶動地區經濟發展和就業，水泥混凝土路面在公路建設中發揮著重要作用。要促進水泥混凝土路面的普及、降低使用成本，必然要以水泥混凝土路面設計理論研究、施工技術和養護技術提高為依托。

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(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：尚雯瀟 尹維維 編輯  文徑 審核)

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