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摘要：針對(duì)水泥混凝土路面在使用早期出現(xiàn)唧泥、斷板、錯(cuò)臺(tái)以及板角斷裂等耐久性問(wèn)題，本文從設(shè)計(jì)、施工和養(yǎng)護(hù)方面，對(duì)水泥混凝土路面應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述。通過(guò)對(duì)分析以及比較目前的發(fā)展趨勢(shì)，表明實(shí)現(xiàn)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工和養(yǎng)護(hù)技術(shù)研究進(jìn)展

任婷婷  黃興亮

陜西省建筑科學(xué)研究院,西安710082

    隨著現(xiàn)代交通的發(fā)展，重載及超載車(chē)輛增多，修筑瀝青路面帶來(lái)的問(wèn)題越來(lái)越突出，不僅瀝青價(jià)格居高不下使得路面造價(jià)不斷攀升，優(yōu)質(zhì)瀝青主要依賴(lài)于國(guó)外進(jìn)口，不利于國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，而且瀝青路面承受重載的能力低、使用壽命短，并嚴(yán)重污染地下水源，對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響日漸明顯[1-2]。而水泥路面承載能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好、使用壽命長(zhǎng)，且造價(jià)遠(yuǎn)低于瀝青路面，目前我國(guó)公路結(jié)構(gòu)形式中，有鋪裝路面里程的65%以上是水泥混凝土路面，美國(guó)高速公路網(wǎng)中，49%左右的路面是水泥混凝土路面，法國(guó)近年來(lái)建設(shè)的高速公路有30%為水泥混凝土路面。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展交通量越來(lái)越大，使得水泥混凝土路面出現(xiàn)唧泥、斷板、錯(cuò)臺(tái)等早期結(jié)構(gòu)破壞現(xiàn)象比較嚴(yán)重，這除了與路面使用材料有關(guān)外，更關(guān)鍵的是路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與路面施工質(zhì)量控制等因素的影響。本文擬對(duì)水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工和養(yǎng)護(hù)技術(shù)方面探討影響路面耐久性的因素，針對(duì)耐久性水泥路面的建設(shè)提出一些建議。

1.水泥混凝土路面典型結(jié)構(gòu)組合

    路面結(jié)構(gòu)包括面層和基礎(chǔ)，面層起平整、抗滑、耐磨作用，基礎(chǔ)主要對(duì)面層提供均勻支撐。通過(guò)對(duì)目前運(yùn)營(yíng)中的水泥混凝土路面進(jìn)行調(diào)查，水泥混凝土面層常見(jiàn)類(lèi)型有普通混凝土、鋼筋混凝土、連續(xù)配筋混凝土、鋼纖維混凝土、碾壓混凝土和混凝土預(yù)制塊等[3]。劉伯瑩等[4]對(duì)廣東、廣西、山西、河南、黑龍江、重慶和福建等省市的60個(gè)典型路段進(jìn)行調(diào)查，水泥混凝土路面面層厚度通常為23-36cm。基層根據(jù)交通等級(jí)的不同進(jìn)行分類(lèi)，用于特種交通的基層類(lèi)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(wěn)定粒料和瀝青穩(wěn)定碎石；而中等交通和輕交通則更多的用水泥穩(wěn)定粒料、石灰粉煤灰穩(wěn)定粒料和級(jí)配粒料；基層厚度多采用16-20cm。在冰凍地區(qū)、濕度較大路床等地區(qū)需要鋪設(shè)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(guó)加州針對(duì)因由縮縫滲入水而泡軟基層，造成面板脫空的早期病害現(xiàn)象，提出上基層用貧水泥混凝土的剛性基層，具體結(jié)構(gòu)為水泥混凝土面層25.9cm、貧水泥混凝土中面層15.2cm、級(jí)配碎石的下面層21.3cm，共計(jì)厚度為62.4cm厚，設(shè)計(jì)壽命是30年；近年來(lái)又將典型結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)為25cm水泥混凝土上面層、15cm貧水泥混凝土中面層和15cm級(jí)配碎石下面層結(jié)構(gòu)[5]。路肩、路面內(nèi)部排水以及路面接縫是否設(shè)置傳力桿等設(shè)計(jì)內(nèi)容對(duì)于病害出現(xiàn)的可能性也至關(guān)重要，路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部排水性好有利于提高基層的耐沖刷性能，針對(duì)水泥路面接縫薄弱環(huán)節(jié)，現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定重交通以上等級(jí)路面接縫需設(shè)置傳力桿。

2.水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論研究

    國(guó)外對(duì)水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)分析理論和設(shè)計(jì)方法的研究，迄今已有80余年歷史。通過(guò)不斷的理論探討、試驗(yàn)驗(yàn)證和實(shí)踐總結(jié)，在水泥混凝土路面的結(jié)構(gòu)分析理論和設(shè)計(jì)方法等方面取得了很多富有成效的成果。路面設(shè)計(jì)方法主要有經(jīng)驗(yàn)法和理論法，經(jīng)驗(yàn)法可分為標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)圖法和鋪設(shè)試驗(yàn)路方法，標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)圖表法以法國(guó)中央道橋試驗(yàn)室研究為代表，而試驗(yàn)路法主要以美國(guó)AASTHO和英國(guó)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(jìn)行設(shè)計(jì)，代表國(guó)家有印度、意大利、荷蘭和德國(guó)等；蘇聯(lián)按照霍格與霍爾于1938年提出的彈性半空間體地基無(wú)限大板的理論進(jìn)行設(shè)計(jì)。美國(guó)大約有17 個(gè)州公路局和許多城市道路部門(mén)按照美國(guó)波特蘭水泥協(xié)會(huì)(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(jìn)行路面設(shè)計(jì)。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(lián)和印度以板的極限彎沉作為控制指標(biāo)的設(shè)計(jì)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(jìn)行設(shè)計(jì)等等。

    在上述設(shè)計(jì)理論中，目前以Westergaard公式進(jìn)行的設(shè)計(jì)被歐、美、日等國(guó)一直沿用。該理論假定形變分量EZ極其微小，可以忽略，根據(jù)單元的平衡條件導(dǎo)出板中面的撓曲微分方程。通過(guò)計(jì)算過(guò)程可以了解，Westergaard設(shè)計(jì)方法主要用于計(jì)算單個(gè)輪載作用于無(wú)限大板或半無(wú)限大板上特定位置的應(yīng)力，對(duì)于有限尺寸板應(yīng)力計(jì)算并未涉及。我國(guó)1978年交通部科技發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目立項(xiàng)水泥混凝土路面設(shè)計(jì)理論研究，剛性路面設(shè)計(jì)采用彈性半空間地基上的彈性薄板理論，根據(jù)位移法有限元分析的結(jié)果，同時(shí)考慮荷載應(yīng)力和溫度應(yīng)力綜合作用產(chǎn)生的疲勞損壞確定板厚，以疲勞開(kāi)裂作為設(shè)計(jì)指標(biāo)[6-7]。

    2.1 荷載應(yīng)力計(jì)算

    水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)的主要承受外部車(chē)輛荷載作用,根據(jù)《公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范》，標(biāo)準(zhǔn)軸載(100 kN單軸-雙輪)作用于路面結(jié)構(gòu)臨界荷位 (板縱縫邊緣中部)處的疲勞荷載應(yīng)力計(jì)算式：σpr=kr·kf·kc·σps其中：σps為標(biāo)準(zhǔn)軸載Ps在自由板邊處產(chǎn)生的荷載應(yīng)力；kr為考慮接縫傳荷能力的折減系數(shù)；kf為考慮設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)荷載應(yīng)力累計(jì)作用的疲勞應(yīng)力系數(shù)；kc為考慮偏載和動(dòng)載等因素對(duì)路面疲勞損壞的綜合系數(shù)。

    荷載應(yīng)力計(jì)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(nèi)的應(yīng)力。通過(guò)計(jì)算結(jié)果確定出兩種臨界荷位分別是接縫無(wú)傳荷能力時(shí)，雙輪輪載作用于橫縫邊緣中部；接縫有傳荷能力時(shí)，雙輪軸載作用于縱縫中部。

    2.2 溫度應(yīng)力分析

    溫度的變化會(huì)使得路面沿厚度方向產(chǎn)生溫度梯度，而且這種變化是非線(xiàn)性的，從而在混凝土面層內(nèi)部產(chǎn)生溫度應(yīng)力，此應(yīng)力與荷載應(yīng)力疊加超過(guò)容許應(yīng)力，混凝土面層就會(huì)產(chǎn)生裂縫等破壞。水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)疲勞溫度應(yīng)力為路面結(jié)構(gòu)“可能”的最大溫度應(yīng)力與其疲勞系數(shù)的乘積，計(jì)算溫度應(yīng)力時(shí)按照單層板和雙層板分別進(jìn)行計(jì)算。

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

    雙層板溫度應(yīng)力計(jì)算時(shí),假設(shè)上下板層間連續(xù)、泊松比相同；上下板導(dǎo)熱系數(shù)、熱膨脹系數(shù)和初始硬化等效溫度相等；雙層混凝土路面板溫度應(yīng)力由溫度翹曲應(yīng)力和溫度內(nèi)應(yīng)力以及上下板變形協(xié)調(diào)條件引起的板間約束應(yīng)力。其中溫度內(nèi)應(yīng)力計(jì)算與單層板相同；溫度翹曲應(yīng)力計(jì)算比較復(fù)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(guān)。

3.路面結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)方法

    隨著交通量不斷增長(zhǎng)，重載、超載車(chē)輛增多，水泥混凝土路面使用后不久出現(xiàn)早期破壞現(xiàn)象，意味著舊規(guī)范的部分理論和方法不適應(yīng)現(xiàn)代路面發(fā)展的要求，為此，對(duì)舊規(guī)范進(jìn)行修訂，發(fā)布《公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D40-2002）（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“新規(guī)范”），新規(guī)范引入可靠度的概念[8-12]，增加了路面結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)方法，將材料、結(jié)構(gòu)參數(shù)的變異性及交通荷載參數(shù)的變異性引入結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，考慮不確定因素的影響，從而使路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加符合實(shí)際，并使設(shè)計(jì)同施工質(zhì)量管理和控制水平緊密結(jié)合起來(lái)，進(jìn)而提高我國(guó)混凝土路面施工及管理水平。

    混凝土路面結(jié)構(gòu)可靠度定義為：在規(guī)定的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)，在規(guī)定的交通和環(huán)境條件下，行車(chē)荷載疲勞應(yīng)力和溫度梯度疲勞應(yīng)力的總和不超過(guò)混凝土彎拉強(qiáng)度的概率。新規(guī)范綜合考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)的變異性以及設(shè)計(jì)方法與實(shí)際情況的不相符性?xún)蓚�(gè)不確定因素,得到綜合的可靠度修正系數(shù)。

4.路面水泥混凝土施工和養(yǎng)護(hù)

    路面出現(xiàn)早期破壞，除了與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有關(guān)外，路面施工技術(shù)也起著決定作用。混凝土路面的施工由模板安裝、傳力桿安設(shè)、混凝土拌合、運(yùn)輸、攤鋪、振搗、表面修正、接縫處理以及養(yǎng)護(hù)等工序組成，本文主要從攤鋪方式和養(yǎng)護(hù)方法上進(jìn)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(shù)要求高的工序，水泥混凝土路面鋪筑使用的機(jī)械有軌道式攤鋪機(jī)、三輥軸式攤鋪機(jī)、滑模式攤鋪機(jī)以及小型攤鋪機(jī)具等四種方式[13-17]。近年來(lái)，軌道式攤鋪機(jī)的應(yīng)用已逐漸減少，其缺點(diǎn)是自動(dòng)化程度較低，鋪筑的路面縱坡、橫坡、平直度和轉(zhuǎn)彎半徑的精度，在很大程度上取決于鋼軌和模板的鋪設(shè)質(zhì)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(jìn)的智能化施工技術(shù)，其工作效率高，從國(guó)內(nèi)施工單位來(lái)看，滑膜攤鋪機(jī)的攤鋪能力遠(yuǎn)大于攪拌機(jī)生產(chǎn)能力；而且滑模攤鋪質(zhì)量?jī)?yōu)；但是滑模攤鋪機(jī)設(shè)備投資大，工程造價(jià)昂貴，該設(shè)備主要依賴(lài)進(jìn)口。 軌道機(jī)因受模板制約連續(xù)作業(yè)困難，滑模機(jī)由于以滑動(dòng)模板成型路面，經(jīng)常在混凝土質(zhì)量不穩(wěn)定時(shí)出現(xiàn)麻面、塌邊現(xiàn)象。輥軸式攤鋪整平機(jī)是介于普通小型機(jī)具與滑模攤鋪機(jī)間的中檔機(jī)械，被廣泛地用于高等級(jí)公路施工中。三滾軸式水泥混凝土攤鋪機(jī)是經(jīng)濟(jì)型施工設(shè)備，其價(jià)格約為滑膜攤鋪機(jī)的1/25，工作時(shí)一根振搗軸在前，一方面振動(dòng)同時(shí)逆向旋轉(zhuǎn)，能夠削平運(yùn)動(dòng)前方的水泥混凝土拌合料并進(jìn)行振實(shí)，其鋪筑路面質(zhì)量?jī)?yōu)異。

    4.2水泥混凝土路面養(yǎng)護(hù)

    水泥路面耐久性不良，另外一個(gè)比較重要的影響因素是對(duì)養(yǎng)護(hù)的不重視，嚴(yán)重影響了路面的使用品質(zhì)。針對(duì)水泥混凝土路面破損狀況可將病害分為結(jié)構(gòu)性破壞和非結(jié)構(gòu)性破壞，其中結(jié)構(gòu)性破壞如裂縫、錯(cuò)臺(tái)、斷板、唧泥，而非結(jié)構(gòu)性破壞如麻面、露骨、脫皮等。

    1)接縫和裂縫類(lèi)養(yǎng)護(hù)

    水泥路面接縫材料老化失去防水功能，會(huì)造成水滲入下面泡軟基層，長(zhǎng)期交通作用下造成唧泥和面板脫空，因此對(duì)接縫破壞要及時(shí)進(jìn)行修補(bǔ)。目前普遍采用灌漿處理[18-19]，接縫養(yǎng)護(hù)一般采用改性環(huán)氧樹(shù)脂類(lèi)灌縫料，聚氯乙烯膠泥在水泥混凝土路面養(yǎng)護(hù)工程中的應(yīng)用也比較廣。輕微裂縫處理用灌縫料填灌, 嚴(yán)重裂縫采用切縫后填灌瀝青砂混合料進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。唧泥、脫空病害用板底壓漿進(jìn)行處置。

    2)斷板修復(fù)

    水泥混凝土路面在施工養(yǎng)生期或正常使用過(guò)程中產(chǎn)生裂縫，經(jīng)車(chē)輛荷載的重復(fù)作用，路面會(huì)沿裂縫處斷裂。路面嚴(yán)重破碎板、板角斷裂等破碎板塊需要先挖除，用早強(qiáng)混凝土或早強(qiáng)鋼筋混凝土進(jìn)行修補(bǔ)[20]。當(dāng)整個(gè)道路大部分路段狀態(tài)良好而只是個(gè)別或部分板塊破壞嚴(yán)重時(shí)，則采取更換板塊的方法，對(duì)更換板塊的路基和路面基層要按規(guī)范處理后澆注混凝土路面，并且重新澆注混凝土板時(shí)常常采用快凝材料，以便盡快開(kāi)放交通。

    3)麻面、露骨、脫皮等修復(fù)

    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(duì)破碎板及整個(gè)路面進(jìn)行修補(bǔ)和壓漿處理，厚度應(yīng)大于2.5cm。一般的麻面可不作處理，只對(duì)露骨嚴(yán)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(shí)踐。

    水泥路面在我國(guó)高等級(jí)公路中占有很大的比重，而且水泥路面對(duì)于環(huán)境保護(hù)、資源可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要，水泥砂石建材資源豐富，水泥消耗可以帶動(dòng)地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和就業(yè)，水泥混凝土路面在公路建設(shè)中發(fā)揮著重要作用。要促進(jìn)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(shè)計(jì)理論研究、施工技術(shù)和養(yǎng)護(hù)技術(shù)提高為依托。

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(本文來(lái)源：陜西省土木建筑學(xué)會(huì)  文徑網(wǎng)絡(luò)：尚雯瀟 尹維維 編輯  文徑 審核)

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