设置隔离层的水泥混凝土路面技术研究

2010-07-12谷彦华

黑龙江交通科技 2010年1期

谷彦华

(石家庄公路桥梁建设集团)

1 概述

水泥混凝土路面是一种强度高、刚度大、扩散荷载能力强、稳定性好、耐久性好的路面结构。水泥混凝土路面己经成为我国高等级公路路面结构的主要类型。但是,普通水泥混凝土本身是一种脆性很高的材料,其适应温度、荷载的变形性能较差,在实际使用过程中,其使用寿命常常不能达到设计的使用年限,有些路面甚至在通车后短短的一、两年就出现断板现象,水泥混凝土路面的破坏十分普遍。如何提高在建道路和将建道路的使用寿命,是公路建设亟待解决的首要问题。因此,引入新的理论、新的方法,提高水泥混凝土路面新结构并进行建设的技术眼界,具有十分重要的现实意义。

2 水泥混凝土路面的层间破坏过程

2.1 “过渡层”的形成和分离破坏过程以及其薄弱性质

(1)“过渡层”的形成过程

“过渡层”是指存在于面层与基层之间的(如图 1示),因面层混凝土浇注过程中水泥浆渗入基层后形成的具有一定深度的,力学性质介于面层与基层之间的一个中间层。“过渡层”的存在是一客观实际。

现行的水泥混凝土路面结构是将水泥混凝土直接浇筑在基层表面形成的,将混凝土直接浇筑在基层表面后,水泥砂浆渗入基层便形成了“过渡层”。在面层混凝土浇筑在基层上后,“过渡层”将面层与基层粘结为一个整体。

图 1 过渡层

(2)“过渡层”的分离破坏

面层、过渡层和基层紧密结合,形成了一个整体——这是水泥混凝土路面的层间结构初始状态。由于混凝土自身收缩、温度变形、外载的作用,割缝的顶端将由于应力集中而产生裂纹并向下扩展,在裂缝贯穿板厚的瞬间,混凝土板在裂纹两端附近的拉应力完全释放,就像一个拉紧的弹簧突然断开一样,混凝土板将产生巨大的回复力而使面层收缩,这种突然产生的回复力是非常巨大的。但是,基层将阻止这种回复运动,这就必然在连结界面产生巨大的剪力,剪力的作用将很快使本已严重损伤的过渡层剪坏而形成水平方向的裂纹,这一裂纹使面层与基层沿过渡层分离,形成分离界面,实际的分离界面可能是不规则的。这一界面把本来融为一体的面层、过渡层和基层分为两部分,分离后的面层和基层各自存在一个破坏面,破坏面附近严重损伤且存在大量表面裂纹。

(3)“过渡层”的薄弱性质

从细观角度看,过渡层中的初始缺陷远远多于混凝土的初始缺陷,集料与集料之间、集料与水泥之间的界面弱连结均在过渡层中形成大量的裂纹,其中一些裂纹大致沿垂直方向,且一些裂纹的尖端可能已经进入混凝土面层。

水泥混凝土路面与基层分离后,“过渡层”或其一部分将附着在路面板的底面,相对于面层而言,附着于路面底面的“过渡层”有明显的薄弱性质,主要表现在:

第一,“过渡层”的天然缺陷:即“过渡层”本身的缺陷,与面层相比,它本身存在的空隙与缺陷更多。

第二,“过渡层”的表面缺陷:即“过渡层”的表面缺陷和表面裂纹,是因面层与基层的层间分离破坏而引起的。

2.2 “过渡层”对面层材料性能和对面层混凝土疲劳性能的影响以及对路面结构的破坏机理

(1)从断裂力学角度解释“过渡层”对面层材料性能的影响

断裂力学理论认为,一旦结构出现裂纹,则裂纹尖端将出现巨大的应力集中,即出现应力的奇异性,含有裂纹的物体的承载力将远远低于相应的无裂纹物体的承载力。所以从断裂力学理论观点看,过渡层中的裂纹,其裂纹尖端同样具有巨大的应力奇异性,这种奇异性导致裂纹向前扩展,而裂纹扩展又不断将裂纹尖端应力奇异性向前推进,直至穿过过渡层而进入混凝土面层,裂纹进入混凝土面层将会引起面层材料强度的降低,导致面层会在低应力状态下发生断裂现象,降低面层材料的弯拉强度。

(2)过渡层对面层混凝土疲劳性能的影响

前面的分析表明,过渡层破坏后的表面凹凸不平,且有表面裂纹出现,有的裂纹可能已经进入混凝土面层,由于板底的拉应力最大,板底表面的凹凸不平、薄弱过渡层和表面裂纹对疲劳寿命的影响非常大。

疲劳强度是混凝土路面设计的关键指标,对现行水泥混凝土路面结构,面层底面凹凸不平,且存在薄弱的过渡层和表面裂纹,它的疲劳强度必然远远低于混凝土光滑试件的疲劳强度。因此,含过渡层混凝土面层的疲劳强度会比同样静力强度的普通混凝土面层的疲劳寿命低,“过渡层”对材料疲劳特性的影响不容忽视。

(3)过渡层对路面结构的破坏

水泥混凝土路面模型假定,面层与基层为光滑接触。面层与基层的初始状态是连为一体的,与理想的光滑接触条件存在本质的不同。但路面层间紧密结合的初始状态难以保持,面层与基层之间最终要分离。层间分离破坏后,在车辆荷载的作用下以及温度、收缩等因素的影响,分离后的面层与基层会出现相对移动,层间的这种相对移动,将使面层与基层由理想的完全接触变为不均匀的多点弹性支承,从而导致面层与基层之间非均匀脱空的出现,使面层与基层并不保持光滑接触,造成路面在理想支承下的计算承载力远高于实际承载力。

因此,面层与基层的分离不是单纯的脱离,分离作为一种破坏,并非仅仅形成一个理想的分离界面,分离面附近的材料将破坏并部分破碎。面层与基层之间破碎层的出现,将对路面的破坏将产生多种综合性的影响。

第一,破碎层非均匀膨胀,加剧路面非均匀脱空,使路面承载力下降。

第二,破坏层附近的界面损坏严重,在外载和环境因素作用下,加剧附着于面层底面的过渡层的破坏。

第三,水沿路面割缝进入面层与基层的界面后,在车辆荷载冲击作用下,会引起松散破碎层的冲刷脱空,使面层与基层接触状况进一步恶化。

3 设置隔离层的新型水泥混凝土路面结构

要解决路面在低应力水平下的破坏问题,必须从面层与基层的接触界面入手,消除过渡层的产生。因此,我们必须对混凝土面层与基层的接触面进行专门设计,尽可能使面层与基层的接触界面光滑,尽可能避免层间破坏,尽可能使面层与基层各自在界面附近保持完好,使实际建成后的路面结构与理论模型尽可能一致,所以提出了设置隔离层的新型路面结构。

设置隔离层的水泥混凝土路面结构是在面层与基层之间设置一足够薄、能够阻止水泥浆进入基层且不与基层粘结的薄膜层的路面结构形式。隔离层材料必须能完全隔离面层水泥砂浆进入基层。隔离层需足够薄,仅起到一个分界面的作用。

设置隔离层后,路面结构的计算模型回归到传统的路面结构的经典计算模型。隔离层的路面结构简化了路面计算模型。设置隔离层的水泥混凝土路面结构,由于面层与基层相互分离,即使基层存在裂缝,在荷载作用下,裂尖对面板受力性能的影响甚微。因此,对于设置隔离层的路面结构而言,不仅面层开裂不会引起基层开裂,而且基层开裂也不会引起面层开裂。综合上述,对于水泥混凝土路面结构而言,设置隔离层一方面避免了过渡层的产生,另一方面也可消除面层与基层开裂破坏的相互影响,这体现了设置隔离层水泥混凝土路面结构的合理性和优越性。它具有抗裂性能好、适应变形能力强、承载力高和实际使用寿命长等优良的力学性能。

隔离层材料的选材需满足三个条件:第一,隔离层必须是在基层表面形成后加铺上去、不与基层表面粘结的薄膜类产品。第二,隔离层必须能够完全割断水泥砂浆进入基层。第三,隔离层必须足够薄,仅起分离界面的作用。第四,隔离层材料必须便于施工操作,不易在施工中发生褶皱、破损。