工矿区重载交通水泥混凝土路面结构组合特征探究

胡继明

（宁夏煤矿设计研究院有限责任公司 宁夏 银川 750011）

0 引言

随着我国公路运输事业的日益繁荣，并顺应交通运输发展趋势，适当提高轴限，使用大吨位车辆进行运输，以解决我国当前运力紧张之矛盾和满足国民经济急需大量能源及时运出能源基地之所需，以降低运输成本和提高经济效益成为必要的情况下，研究适合重载交通的材料特性及路面结构等内部品质，尽快提出适宜的重载路面设计方法是十分必要的。

1 重载交通对各结构层的要求

1.1 面层

水泥混凝土面层直接承受行车荷载和环境因素 （温度和湿度）的作用，应具有足够的抗弯拉强度和耐久性以及良好的表面特性及其耐久性。随着交通量增大及重轴载车辆不断增多，水泥混凝土路面出现相当严重的早期病害，如路面露石、剥落、开裂、断板等，也即普通水泥混凝土路面的耐久性问题受到了严峻的挑战。因此，在国内迅速发展高等级公路建设及重载交通运输现象的日益严重的今天，发展长寿命低维护路面，采用高性能路面混凝土，提高混凝土的抗折强度与耐久性是当前路面混凝土的发展趋势。

1.2 基层

对于承受重载交通混凝土路面，对基层的抗冲刷能力和刚度的要求越高，宜选择贫混凝土或水泥用量大的水泥稳定碎石混合料作基层。但这类刚度大的基层具有温度收缩和温度翘曲应力大的缺点。沥青混凝土或沥青稳定粒料基层具有抗冲刷能力强而刚度不大的特点。选用多孔隙粒料或者水泥或者沥青稳定开级配碎石作透水基层，可以将通过面层接缝或裂缝渗入路面结构内的水分迅速排除，从而提高路面的使用性能和使用寿命。

对于重载交通混凝土路面，基层的宽度宜与路肩同宽，厚度一般在18-23cm范围内选取。排水基层的厚度为8-12cm。

1.3 垫层

对于承受重载交通混凝土路面，可选择的垫层材料有级配碎（砾）石、粗砂、炉渣、水泥稳定粒料。级配碎石、粗砂和炉渣等类垫层具有自由排水和适应荷载或温度作用时板变形的能力，适宜在重载路段做垫层，但这种垫层容易在荷载反复作用下产生剪切变形，施工时要充分压实。还应注意的是，虽然设置垫层可以缓解水对上部结构层的破坏，但为防止水对路基和垫层的破坏，稳定类垫层和稳定类路肩基层表面宜设置防水封层。

对于重载交通混凝土路面，要求垫层应按路床顶面全宽铺筑，其厚度一般在15-25cm。

1.4 路基

为保证重载作用下路基的稳定、密实、匀质，应采取下列措施：

（1）为控制路基的不均匀变形，须在地基、填料、压实等方面采取相应的措施；

（2）路堤标高应尽可能超过中湿状态路基的临界高度，使路床处于中湿或干燥状态；

（3）路基土的湿度变化与周围环境的影响处于动态平衡状态，在多雨潮湿地区，此平衡状态的湿度接近于土的塑限。

2 重载交通路面结构组合原则

2.1 层间结合形式

事实上，水泥混凝土路面结构通常是将混凝土直接浇筑在基层表面上。而基层表面存在凹凸不平和孔隙或裂隙，混凝土在浇筑振捣过程中水泥砂浆会渗入基层一定深度。待混凝土凝固后，水泥砂浆将面板、基层联接成一个整体。面板与基层界面之间存在一薄水泥砂浆过渡层。该过渡层自上而下力学性质是变化的，过渡层顶面力学性质如刚度和强度等与混凝土面板力学性质相近，而过渡层底面的力学性质接近于基层力学性质。在过渡层没有破坏的情况下，水泥砂浆过渡层既有啮合作用又有粘结作用，使得面板与基层层间形成了一个整体而具有良好的结合性能，在力学性质上基本处于完全结合状态。施工期间水泥混凝土早期收缩变形将远远大于温度变形，收缩变形在混凝土面板中产生巨大的拉应力，为了防止早期断板的出现，必须及时锯缝。锯缝后缝的顶端将由于应力集中而产生裂纹并向下扩展。在裂纹贯穿板厚的瞬间，混凝土在裂纹两端附近的拉应力完全释放，混凝土板将产生巨大的回复力而使面板收缩，而与面板融为一体的基层将阻止面板的收缩，这就必然在过渡层中产生巨大的剪力，剪力的作用将使混凝土面板与基层在薄弱界面发生彼此分离与破坏，且分离界面处于一种非光滑的凸凹不平状态。过渡层破坏，面板与基层分离，混凝土路面继续胀缩和产生温度变形，使板产生巨大的剪应力。然而，板的自重以及面板与凸凹不平的基层之间的咬合作用，对路面板收缩起到阻碍作用，导致剪应力对板直接施加撕裂破坏，从而使板底不同部位微裂纹的产生成为必然。同时，混凝土是集料颗粒加强水泥浆基体的两相复合材料，在浇注振捣成型时呈现为一种疏孔、微裂纹弥散的结构状态，混凝土内部含有微裂纹、微孔隙。

2.2 路面结构内部排水系统

混凝土路面在有水的影响下，远没有达到设计使用年限就已经破坏。这主要是因为目前所采用的措施基本上都是从“抗的原则”提出的，进入路面结构内部的水无法有效排除，重载交通产生的动水压力反复作用于基层，即使冲刷性能非常良好的贫混凝土基层也难以抵制这种水的侵蚀作用，出现唧泥、脱空等破坏。因此，在这种情况下，必须设置路面结构内部排水系统，将积滞在路面结构内的水分迅速排除到路面及路基范围之外，可以改善水泥混凝土路面的使用性能，提高其使用寿命。

2.3 刚性路肩

路肩除了为路面提供侧向支撑外，也承受越占交通、停放交通和正常交通等车辆荷载的作用，因此路肩本身应具有一定承载能力。由于行车荷载作用在混凝土面板边缘和角隅处所产生的应力和挠度要比作用在板中时大很多，且大量表面水沿路面和路肩间的接缝渗入路面结构，积滞在板边缘下的空隙内，而路肩的面层和厚度往往薄于行车道路面相应结构层，因而其基层顶面均高于路面基层顶面，在车辆荷载作用下混凝土路面的边缘易受到冲刷而产生唧泥、错台现象，引起面板产生角隅断裂和横向裂缝。因而，混凝土路面的外侧边缘和路肩是影响路面使用性能和使用寿命的一个薄弱部位。

2.4 接缝和传力杆

为了减少和防止雨水下渗路面结构层内对基层造成冲刷破坏，对于路面所有接缝尽量做到密封，并在冬季缝隙增宽时及时增补和更换填缝料，使缝隙填料保持饱满不渗水，避免碎屑及杂物等不可压缩的材料混入。设传力杆接缝具有良好的传荷能力和耐久性。

3 重载交通路面典型结构

（1）不管是设排水基层还是不设排水基层，其顶面宜设隔离层。建议不设排水基层的隔离层采用1-2cm沥青石屑；排水基层建议采用土工织物，能排水，但细粒土能随水一起透过。

（2）路肩均宜采用混凝土硬路肩的形式，路肩与路面板之间应设置拉杆。路面板与路肩混凝土均设传力杆，路肩面层内传力杆间距可设置大些，譬如50-75cm。

（3）对于降雨量不大的地区重载交通道路，可采用不设排水基层的路面典型结构，但必须做好路肩一路面间的边缘排水系统。可视交通量的大小，基层也可采用贫混凝土基层。

（4）对于南方多雨地区的重载交通道路，宜采用设排水基层的路面典型结构，但排水基层应做好防水层。如果交通量特别大，可将水泥处治碎石透水基层改用多孔贫混凝土基层。

（5）路基条件良好且满足防冻厚度要求，可不设垫层。路基条件一般或者由防冻要求时，路基顶面宜设置垫层。垫层宜采用天然砂砾或级配砂砾或碎石。

4 结束语

针对我国优质路用沥青不足和水泥资源相对丰富，以及水泥混凝土路面研究取得可喜成果，将水泥混凝土路面应用于矿区重载荷道路乃至高等级公路，必将是我国今后高等级公路发展的一个重要策略和方向。

［1］姚祖康.水泥混凝土路面设计[M].合肥:安徽科学技术出版社，1999.

［2］田波.重载水泥混凝土路面结构分析[M].上海:同济大学,2001.