无筋预应力水泥混凝土路面研究

2014-11-17闫平军

交通运输研究 2014年16期

闫平军

（邢台市公路管理处，河北邢台 054000）

1 无筋预应力混凝土路面的发展概况

无筋预应力混凝土路面根据产生预压应力的方法不同，主要分为两种，即采用千斤顶施加压应力和采用膨胀混凝土自身膨胀产生自应力。

千斤顶加力无筋预应力混凝土路面是在两个固定的锚固端浇筑混凝土板，并预留放置千斤顶的空隙，待混凝土达到规定强度后，在两端采用千斤顶施加压应力，然后封闭空隙。美国丹尼波工程公司在20世纪90年代提出了类似的无筋预应力混凝土路面。它通过埋置在混凝土板中的组合装置（缝-压装置）对混凝土板施加预压应力，缝-压装置所需反力通过埋置在路基中的桩来提供，并在路基中埋设与路面板相连的约束件来阻止混凝土板的拱起破坏。当完成以上各装置的埋设后，采用连续式摊铺机一次完成路面板浇筑，当混凝土板达到一定强度时，给缝-压装置泵入液体，从而产生预压应力。由于温度等作用会引起混凝土板的膨胀收缩而导致板的变形，造成混凝土板内预应力的变化，采用与缝-压装置相连通的液压蓄压器控制板的预应力，使混凝土板中的预应力变化始终保持在较小的范围内。这种无筋预应力混凝土路面虽然能够实现混凝土板的机械化施工，但是在浇筑混凝土板之前却要花费大量的人力完成各种装置的埋设。

早在19世纪中期，人们利用普通硅酸盐水泥水化产生的硫铝酸钙会使混凝土膨胀这一特点，发明了膨胀水泥和膨胀混凝土。我国是最先研究膨胀水泥的国家之一，并于1957年由建筑材料科学研究院研制成功硅酸盐膨胀水泥。美国于1958年研制成功K型膨胀水泥，随后又研制成功M型和S型膨胀水泥。膨胀水泥主要用于生产自应力混凝土压力管、工厂地面、比赛场地的无缝地面等。随着膨胀混凝土技术的成熟，人们开始研究膨胀混凝土在道路中的应用，利用膨胀混凝土膨胀时体积增大的特点，约束混凝土板的两端，从而产生预应力。这种无筋预应力混凝土路面尚处于研究、试验阶段。

2 无筋预应力混凝土路面的概念

水泥混凝土路面的温度应力通常由三部分组成：混凝土路面温度非均匀升高或降低而引起的温度翘曲应力、温度沿混凝土板深度方向非线性变化引起的温度内应力、混凝土板与基层以及相邻板块之间的相互约束引起的胀缩应力。当板长超过6m时，温度应力的数值会超过荷载应力，从而成为决定混凝土板断裂的主要因素。影响温度应力大小的因素，除了混凝土板的平面尺寸以及地基和混凝土板的相对刚度外，主要为混凝土板的温度梯度。在日间时，混凝土板的温度梯度为正，板顶温度大于板底温度，此时，在混凝土板的板底引起的温度内应力为压应力。当混凝土板的平均温度升高时，由于层间约束以及相邻板块的钳制作用，也会在板底产生压应力。

钢筋预应力混凝土路面中钢筋在混凝土板板底产生预压应力，而当车辆荷载作用在混凝土路面上或在正温度梯度下，会在混凝土板底产生拉应力，此时，钢筋产生的预压应力会抵消部分荷载应力和翘曲应力。

同样，在较低气温时浇筑水泥混凝土路面，并且采用水泥浆将板底与基层黏结起来，当夏季气温升高时，混凝土板板底和板顶温度都会升高，由于板底与基层黏结在一起，限制了混凝土板的膨胀，因此在板内产生的膨胀应力比在正常温度下施工时产生的膨胀应力要大。而且由于相邻板块的约束作用，同样会产生较大的膨胀应力。由于在正温度梯度下，混凝土板的温度翘曲应力在板底时为拉应力，在板顶时为压应力，而产生的膨胀应力在板底和板顶时均为压应力；同时，由于非线性的温度场在混凝土板板底同样会产生压应力，这与在混凝土板的板底施加了预压应力的预应力钢筋混凝土路面类似。因此，把采用这种施工方法修筑的混凝土路面定义为无筋预应力水泥混凝土路面。板底的预应力可以抵消温度翘曲应力，也可以抵消部分荷载弯拉应力。当混凝土路面的温度等于或低于施工温度时，由于低温施工所产生的额外的膨胀应力会消失，而水泥混凝土路面设计理论中的荷载应力与温度翘曲应力的耦合在夏季时最不利，在气温较低的季节，混凝土路面的板底所受应力比夏季要低，因此，采用此施工方法修筑的混凝土路面理论上可以起到预应力的作用。

由于水泥浆的黏结强度较低，一般只有1.0MPa左右，如果按照规范公式计算，温度翘曲应力一般在1.5～2.0MPa之间，1.0MPa的黏结强度肯定是不够的，但是，实际混凝土板的温度翘曲应力受到温度内应力以及膨胀应力的影响，并不会达到规范公式的计算值。邢台市公路处在1998年修筑的水泥混凝土路面，当时没有特意黏结，只是由于振捣过量，渗入基层的水泥浆造成了混凝土板与基层之间的黏结，2006年钻芯取样时发现，层间黏结状况非常完好，并且钻心处的水泥混凝土板的厚度只有18cm，经过近8年的使用，并无断板和层间黏结破坏。这就是层间黏结作用产生的预应力抵消了部分翘曲应力，从而没有造成层间黏结状态的破坏。规范中的温度翘曲应力公式是按照层间自由滑动、四边自由的混凝土板计算的，而实际上，混凝土板与基层之间的摩擦，四边相邻板块的钳制以及混凝土路面的湿度等对温度翘曲应力的影响很大，根据经验和检测数据可知，实际的温度翘曲应力（板底不黏结）比采用经验公式计算值小很多。因此，采用水泥浆作为混凝土板与基层之间的黏结材料，其抗弯拉强度可以满足要求。

在水泥混凝土路面设计中，温度翘曲应力大约占总应力的40%，能够基本在不增加投资，不增加施工难度的情况下降低温度翘曲应力，有利于改善受力状况。因此，开展无筋预应力水泥混凝土路面的研究具有重要的现实意义。

另外，将混凝土板与基层黏结起来还有很多优点：

（1）混凝土板与基层黏结可以阻止从接缝渗入的水在板底扩散，防止基层冲刷、唧泥和板底脱空等病害；

（2）当混凝土板与基层黏结起来时，层间摩阻力增大，混凝土板两端滑动区的长度减小，由于平均温度升高引起的端部伸长量也会减小，因此可以减少甚至取消胀缝的设置，从而减少或消除因胀缝引起的病害。

3 试验路方案

为比较无筋预应力混凝土路面与普通水泥混凝土路面所产生的温度应力、荷载应力，分别修筑了基于层间完全黏结的无筋预应力混凝土路面和层间光滑接触的普通水泥混凝土路面。具体方案如下。

（1）在水泥稳定碎石基层上加铺塑料膜隔离层，然后浇筑混凝土板，用来模拟层间光滑接触状态。

（2）在水泥稳定碎石基层上洒布水泥浆，然后浇筑混凝土板，用来模拟层间完全黏结状态。

混凝土面板尺寸为4.5m×5.0m，硬路肩为1.5m×5m，不设胀缝，没有传力杆，拉杆为Φ14螺纹钢，长80cm，间距为70cm。

水泥混凝土抗折强度为5MPa，抗压强度为30～35MPa，混凝土没有任何外掺剂。混凝土坍落度小于5cm。

无筋预应力混凝土施工的气温应该在10oC左右，采用三辊轴施工工艺，喷膜（塑料膜）养生，没有其他特殊处理。

混凝土板底与基层的黏结方法为：在浇筑水泥混凝土板之前，在水泥稳定碎石基层上撒布水泥干粉，撒布量采用画方格的方法，控制在每平方米用量为2.5kg，然后洒水，用笤帚扫匀，同时拌成浆状，在水泥粉呈浆状时浇筑面层混凝土板。

4 应变计的安装时机、位置及安装方法

4.1 水泥稳定碎石基层应变计的埋设方法

当水泥稳定碎石基层养生成型后，在板中、板边和板端位置钻取基层芯样，并在芯样底面安装振弦式应变计，将芯样放回原处，用硬质胶（桥梁黏贴碳纤维）将芯样周围的缝隙灌满。具体过程如图1～图3所示。

图1 水泥稳定碎石基层应变计的埋设

图2 将芯样放回原处

图3 用硬质胶将芯样周围的缝隙灌满

4.2 水泥混凝土面板应变计的埋设方法

在每年10月1日至第二年5月1日之间浇筑水泥混凝土路面，振捣整平完成后，分别在混凝土板板底和板顶两层挖坑埋设振弦式应变计。终凝时读取应变计读数，具体过程为：（1）挖坑埋设应变计；（2）混凝土回填；（3）表面修整。

本文研究所用的应变计为内埋式振弦应变计（如图4所示），适用于各种混凝土结构内部的混凝土及钢筋应变的测量。内埋式应变计采用两芯电缆，若配温度传感器，则采用四芯电缆。

图4 振弦式应变计

振弦式应变计的工作原理为：由激振电路驱动电磁线圈，当信号的频率和弦的固有频率相接近时，弦迅速达到共振状态，振动产生的感应电动势通过检测电路滤波放大、整形传给单片机，单片机根据接收的信号，通过软件方式反馈给激振电路驱动电磁线圈。通过反馈，弦能在电磁线圈产生的变化磁场驱动下在本振频率点振动。当激振信号撤去后，弦由于惯性作用仍然振动，单片机通过测量感应电动势脉冲周期，即可测得弦的振动频率，最后将所测数据显示出来。

振弦式应变计变量计算公式为：

式中：ε为当前时刻相对初始时刻的应变量（με）；K为振弦式应变计标定系数（με/Hz2）；为振弦式应变计当前时刻的输出频率模数（Hz2）；为振弦式应变计初始时刻的输出频率模数（Hz2）；KT为温度修正系数（με/℃），取决于被测材料与传感器铜弦温度形变系数之差，该系数随不同测试结构体的材料会有所不同（一般工作环境下混凝土结构KT=2.2με/℃，钢结构KT=0.2με/℃）；Ti为振弦式应变计当前时刻的温度值（℃）；T0为振弦式应变计初始时刻的温度值（℃）。

当混凝土板或水稳碎石基层内部的应力发生变化时，应变计将同步感受路面各结构层的变形，变形通过应变计前、后端座传递给振弦，并将此变形转变成振弦应力的变化，从而改变振弦的振动频率。通过电磁线圈激振振弦并测量其振动频率，频率信号经电缆传输至读数装置，即可测出被测结构物内部的应变量，并且可以同步测出应变计埋设点的温度值。内埋式应变计主要工作参数如表1所示。

表1 内埋式应变计参数

应变计分别埋设于混凝土面板的板底及板顶，为保证准确定位，采用钢筋支架进行固定，如图5所示。

图5 应变计的固定支架

5 荷载应力及温度应力的检测

水泥混凝土路面养生完成后，于2012年2月7日分别用后轴重为10t和20t的载重车，检测混凝土板板顶、板底以及水泥稳定碎石基层底面的荷载应力，具体检测结果如表2～表4所示。选择此时进行测试，主要是与施工时的低温环境接近，不会有温度应力的影响。

表2 荷载作用于板中的实测荷载应力

表3 荷载作用于板边的实测荷载应力

表4 荷载作用于板端的实测荷载应力

温度应力检测过程：在2012年初夏季节，根据天气预报，选择升温幅度较大，预计温度梯度较大的日期检测。

检测时选择下午2：00开始，以最快速度读取板顶、板底各应变计的频率和稳定读数，然后用取芯机将应变计连同其周围混凝土一同取出，使混凝土应力释放，再把带有应变计的芯样放到干燥箱内，将应变计温度注意调整到取芯前的温度再读取频率读数，用各应变计在取芯前后温度相同时的频率变化计算应变，从而得到取芯前的应力。具体检测结果如表5、表6所示。