谈钢纤维混凝土路面设计方法

周 惠 周志华 廖家荣

1 概述

钢纤维混凝土是在普通混凝土中掺入乱向分布的短钢纤维所形成的一种新型的多相复合材料。这些乱向分布的钢纤维能够有效地阻碍混凝土内部微裂缝的扩展及宏观裂缝的形成，显著地改善了混凝土的抗拉、抗弯、抗冲击及抗疲劳性能，具有较好的延性。其物理和力学性能优于普通混凝土路面。适用于桥面铺装、机场跑道、停车场和旧混凝土路面的加铺层等场合。现行《水泥混凝土路面设计规范》对钢纤维混凝土路面设计仅作了简单的规定:面板厚度取普通混凝土路面面板厚度的0.55倍～0.65倍，且不小于10cm。但混凝土新型的路面材料的优良性能在设计过程中未能体现出来。因此，有必要对钢纤维混凝土的设计方法进行探讨。

2 设计方法

在现有普通混凝土路面的设计方法中以钢纤维混凝土的设计参数(设计弯拉强度fcm、弯拉弹性模量Ec)取代普通混凝土的设计参数，进行钢纤维混凝土路面设计。

钢纤维混凝土的设计弯拉强度fcm、弯拉弹性模量Exc无图表可查，需要通过试验的方法获得。钢纤维混凝土的厚度计算先按普通混凝土的规定进行，然后决定钢纤维混凝土厚度，即根据钢纤维的体积率(一般为0.75%～1.2%)，采用普通混凝土加铺层厚度，其厚度还应符合钢纤维加铺层最小厚度的规定。钢纤维混凝土弯拉弹性模量Exc可由其弯拉强度推算。下面以实例阐明钢纤维混凝土路面设计方法和步骤。

3 钢纤维混凝土路面设计实例

江西有一条二级公路，根据全国公路自然区划图属于Ⅳ5区，其公里桩K23+000～K25+200原设计为沥青碎石路面，因该段设计标高低，基本与两边农田齐平，路基经处理后测得的弯沉值基本达到要求，经研究确定改钢纤维混凝土面层。

3.1 交通分析

根据2004年度当地公路管理局交通调查资料，将该路段各类车辆日交通量进行标准轴载换算得:N1=270轴次/d。交通量年增长率r=5%;车辆代表车型估计误差修正系数rq=1.2。故该工程竣工后第一年的标准轴载BZZ-100平均日当量作用次数Ns=270×1.2×(1+5%)=270×1.26=340次/d。查表知属重交通。

当设计年限t=30年、车道系数c=0.35，可计算得到设计年限内一个车道上标准轴载累计作用次数Ne为:

3.2 初拟路面结构

初估混凝土板厚24cm，则取钢纤维混凝土板厚24×0.6≈14cm，基层选用水泥稳定粒料20cm，E2=400mPa，板平面尺寸选为宽3.0m，长5.0m，纵缝为设计拉杆平缝，横缝为不设传力杆的缩缝(假缝)。

3.3 确定基层顶面的回弹模量Et

3.3.1 实测弯沉确定土基回弹模量E0

由E0与L0的经验关系式:E0=2 430×L0-0.7实测土基弯沉即可求得土基回弹模量。

该段实测弯沉数据如下(单位:0.01mm):

一组:114 173 188 219 219 219 147 225 220 157 158 90 108;

二组:118 126 132 142 105 127 143 156 168 170 152 144 163;

三组:123 150 134 145 164 180 110 125 172 145 163 152 106 98 178。

表1 钢纤维混凝土矿料级配

表2 钢纤维混凝土抗压、抗折强度测试结果(面板厚度14cm)

根据实测的41个弯沉数据，计算弯沉 L平均值为152(0.01mm)，标准差 S 为 35.1(0.01mm)，保证率系数 Za为1.645，得出符合规范要求的弯沉代表值:L0=L(平均)+Za×S=152+1.645 ×35.1=210(0.01mm)。

土基回弹模量计算:

试验结果:钢纤维混凝土矿料级配见表1，钢纤维混凝土抗压、抗折强度测试结果(面板厚度14cm)见表2。

3.3.2 确定材料参数

根据实测混凝土的设计弯拉强度和弹性模量，计算基层顶面的当量回弹模量Et。

1)确定设计弯拉强度fcm。

路面以设计弯拉强度作为设计控制指标，取28 d龄期的14cm板厚的钢纤维混凝土两组试件，每组3根同条件制作和养护的试件，用三分点加载试验方法确定。

根据表2的抗折强度值，6个试件fcm平均值为7.63mPa，λ值取2，弯拉强度的标准差为0.103 3，则设计弯拉强度fcm按下式计算:

2)确定弹性模量Ec。

因无实测条件，根据《现代道路路基路面工程》按下式计算:

根据回弹弯沉值L0，按下式转换成基层顶面的当量回弹模量Et为:

3.4 确定荷载疲劳应力Qp

荷载在混凝土面层内产生的应力，采用半无限大地基上弹性小扰度薄板的力学模型和有限元法进行分析计算，并采用纵缝边缘中部作为应力计算时的临界荷位。

3.4.1 确定疲劳应力系数kf

3.4.2 计算轴载在临界荷位处产生的最大应力Qp

根据《现代道路路基路面工程》，不考虑接缝传荷能力的应力折减系数，综合系数kc查表得1.35，应用有限元法得出的应力计算图，通过查图得出标准轴载在临界荷位处产生的荷载应力Qps。拟定钢纤维混凝土板厚14cm，已知基层选用水泥稳定粒料20cm，E2=400mPa，则 Ec/Ec1=36 065/400=90.2，通过查应力计算图得Qps=2.23mPa，修正后的荷载疲劳应力:

3.5 确定温度疲劳应力Qt

3.5.1 确定温度翘曲应力Qtm

其中，Qtm为最大温度梯度时的温度翘曲应力，MPa;ac为混凝土的线膨胀系数，通常可取1×10-5/℃;Ec为混凝土的弯拉弹性模量，MPa;h为混凝土面板厚度;Tg为所在地混凝土面板的最大温度梯度，℃/cm，按表取用换成板厚14cm的温度梯度值为55℃/cm;kx为考虑温度沿板厚非线性分布的温度应力系数，按板长L与板相对刚度半径r的比值L/r和板厚h按图确定，其中r=0.537h(Ec/Etc)1/3。

1)确定温度应力系数kx。

基层顶面当量回弹模量的修正公式Etc=nEt=0.35×52.83=18.5mPa，则 Ec/Etc=36 065/18.5=1 949。

那么:

L/r=500/94=5.32，由板温度翘曲应力系数值的图求得温度应力系数 kx=1.09。

2)确定温度翘曲应力Qtm。

3.5.2 确定累计疲劳损伤系数kt

由于温度翘曲应力年变化所产生的累计疲劳损伤系数kt，按所在地公路自然区划和最大温度翘曲应力Qtm同混凝土设计弯拉强度fcm的比值，由相应的温度应力疲劳系数表确定，则:

相应得疲劳损伤系数kt=0.294。

3.5.3 确定温度疲劳应力Qt

温度疲劳应力:

3.6 检验初拟的路面结构

按下述条件检验:

其中，Qp为荷载疲劳应力，MPa;Qt为温度疲劳应力，MPa;fcm为混凝土的设计弯拉强度，MPa。

因为满足Qp+Qt=(0.95～1.03)×fcm条件，所以拟定的路面面层厚度满足要求。

4 结语

通过探讨钢纤维混凝土路面设计方法，阐明了路面结构层的组合设计，应根据该路的交通繁重程度，结合当地环境条件和材料供应情况。钢纤维混凝土路面的混凝土面板要求具有较高的弯拉强度，表面平整、抗滑、耐磨。它与普通混凝土路面相比，钢纤维混凝土路面厚度可以减薄35%～45%，而缩缝间距可以增至15m～20m，胀缝与纵缝可以不设。

当今，伴随着运输量和汽车载重的增加，作为重交通或特重交通等级的水泥路面，使用钢纤维混凝土路面将成为一种趋势。特别在地方交通项目中的连接线工程以及养护工程中，钢纤维混凝土路面具有很大的实用价值。

[1]JTJD40-2002，公路水泥混凝土路面设计规范[S］.

[2]JTG F30-2003，公路水泥混凝土路面施工规范[S］.

[3]JTG E30-2005，公路工程水泥及水泥混凝土试验规程[S］.

[4]尤晓暐.现代道路路基路面工程[M］.第2版.北京:清华大学出版社，北京交通大学出版社，2008.