混凝土预制块体路面应用探析

莫品疆，归 翀

(广西交通职业技术学院，广西 南宁 530023)

混凝土预制块体路面应用探析

莫品疆，归 翀

(广西交通职业技术学院，广西 南宁 530023)

混凝土预制块体路面的主要特点是结构强度高、耐久性好、工程造价低，适用于建设资金缺乏的农村公路的建设。文章分析了混凝土预制块体路面结构承载机理，提出了适合于农村公路的混凝土预制块体尺寸，并结合路面施工工艺及混凝土块体的预制工艺，根据现有的路面结构设计方法，提出了适合于农村公路的混凝土预制块体路面结构组合设计方案，为混凝土预制块体路面设计和施工提供参考。

混凝土；预制块体；路面；设计；应用

0 引言

目前我国公路路面主要以沥青混凝土路面和水泥混凝土路面构成的“二元”路面结构为主，然而这两种路面存在着造价高、工期较长、后期养护费用高等问题，如何利用有限资金，建成造价相对低廉、使用寿命相对较长、养护成本较低的农村道路，是一个值得深究和亟待解决的问题。混凝土预制块体路面因其块体可以在预制厂批量生产，平面尺寸、强度、厚度等基本指标容易控制，质量能够保证[1]，而且造价低、寿命长、养护成本低等特点，与沥青路面和水泥路面相比有很大优势，所以在农村公路建设使用混凝土预制块体路面是一个很好的选择。

1 混凝土预制块体路面结构承载机理

混凝土预制块体路面是由高强、高精密度的水泥混凝土预制块体按照特定的排列

方式紧密排列、块体间用嵌缝砂填灌而成的路面，在行车荷载的作用下受边缘约束形成稳定的嵌锁从而限制了相邻的块体间相互转动、错开的趋势[2]，见图1。正是由于块体间相互错开的趋势，使得相接触的块体间产生了摩擦力，形成了抗剪强度。

图1 边缘约束块体路面横断面图

如图2所示，如果施加的路面荷载越大，块体间相互错开的趋势越明显，产生的挤压力越大，荷载就会由荷载中心下的块体扩散至周围的块体，从而将荷载扩散到更大的范围。联锁块铺面的这种由块体间的挤压将竖向荷载转化为水平推力的过程，在力学上描述为“拱”。通过以上分析，对比图3所示的拱结构受力示意图可知，混凝土预制联锁块铺面具有明显的拱效应。

图2 拱效应示意图

图3 拱结构受力示意图

在一般的路面设计中为了路面排水的需要而设置路拱横坡，而对于水泥混凝土预制块铺面来说，这将使得块体间侧向挤压力更为明显。在有路拱横坡存在时块体间相互挤压的过程见图4。由图4可知在荷载P的作用下，A点竖向位移至A′点，当弯沉l=h时，块体的侧向压缩量VL为：

VL=L-L1=l×sinα≈l×α(1)

式中:α——路拱横坡。

如α=2%，则VL=0.02×l。

由式(1)可知，回弹弯沉越大，块体侧向压缩量越大，块体所受的挤压力越大，对荷载的扩散能力越大。同时侧向摩擦阻力越大，接缝的抗剪强度越大。

图4 路面拱存在时的铺面拱效应示意图

2 混凝土预制块体尺寸的确定

2.1 平面尺寸的确定

根据各级汽车荷载车轮着地面积宽度(行车方向)为20cm，所以块体宽度最小取10cm。道路路面混凝土块体的长宽比一般为1.5～2[3]，根据上述块体尺寸选择的基本原则，以汽20级为例，通过计算机程序计算，分别在20cm×30cm、20cm×60cm两个矩形中以任意长宽为x、y的小矩形进行分割,使得分割后大矩形中x×y面积一半的小块总面积最小。宽度取10cm，长宽比分别取1.5、1.6、1.7、1.8、1.9进行计算，计算结果表明，长宽比为1.8最为理想。但是出于便于施工的考虑，长宽比选择1∶2，所以取块体的平面尺寸为10cm×20cm。

2.2 厚度的确定

在车辆荷载作用于路面块体上时，块体底部受到较大的弯拉应力，在考虑单个块体受力情况时，应使其处于最不利状态下，即块体完全“腾空”，呈现为简支梁的状态，运用有限元法计算不同厚度的块体底部“腾空”，上部轮载为0.7MPa时，块体底部所产生的弯拉应力。块体平面尺寸为10cm×20cm，块体厚度分别采用4cm、6cm、8cm、10cm、12cm。计算结果如表1所示。

表1 腾空块体底部最大弯拉应力值表

由表1可知，当块体厚度在8cm时，块体底部弯拉应力就很小了，所以在农村公路中，块体的厚度主要推荐3个尺寸为：8cm、10cm、12cm。

3 块体路面结构组合设计

3.1 结构厚度设计

根据以往的经验和试验论证，在保证安全的前提下采用了厚度等效法和模量等效法，将预制块体等效为其厚度的0.25～0.35倍的密级配沥青混凝土[4]，运用公路路面设计程序系统2003计算，得出混凝土预制块体路面结构推荐设计方案为：基层厚度为35cm，垫砂层厚度为3cm，见图5。

图5 块体路面初步拟定结构图

3.2 级配碎石基层

碎石的级配是级配碎石基层强度与刚度最重要的影响因素，所以碎石级配的设计是级配碎石基层设计的主要内容。影响级配的主要因素为集料最大公称粒径和4.75mm与0.075mm筛孔通过百分率。

参考国内外级配碎石基层混合料的级配组成范围，结合混凝土预制块体路面的结构形式，确定适合于农村混凝土块体路面级配碎石基层混合料的级配组成范围，如表2所示。

表2 混凝土预制块体路面级配碎石基层混合料 推荐级配范围数值表

3.3 垫砂层

混凝土预制块体铺面与其它道路路面不同的是路面是由许多预制块体拼装而成，在面层与基层之间还存在一层一定厚度的垫砂层，垫砂层厚度一般在3～5mm。参考国内外关于混凝土预制块体路面结构垫层砂与填缝砂规格的要求，结合试验路段当地砂质的具体情况确定垫层砂与接缝砂的级配范围如表3所示。

表3 垫层砂与接缝砂级配表

3.4 块体混凝土配合比设计及性能试验

采用标号为42.5MPa的水泥成型C30水泥混凝土预制块，参考《普通混凝土设计规程》(JGJ55-2011)中普通混凝土的设计方法，确定块体混凝土的配合比[5]。通过计算配合比，进行试拌，确定试拌配合比，拌和成型，各成型一组试件，每组6块，放入养护室内养护，到养护龄期后对试件进行强度试验，绘制强度和胶水比的线性关系图，确定胶水比为2.68，即水胶比为0.37。在确定的水胶比基础上，上下浮动0.05得到三个水胶比，然后以这三个水胶比成型试件进行块体性能试验。即以水胶比为0.32、0.37和0.42 基准，块体尺寸以20cm×10cm×10cm为标准，混凝土预制块体材料用量比例为mc0∶mw0∶ms0∶mg0=1∶0.37∶2.32∶3.2，分别成型试件并进行性能试验。

3.4.1 抗压强度试验

块体抗压强度采用试验室内压力试验机，精度(示值相对误差)≤±1%。采用室内养护28d的预制块体进行试验[6]，对于要进行抗压强度试验的块体应清除表面松动颗粒和浮渣，然后放入温度为室温的水中浸泡24h±0.25h。每个水灰比成型6块试件进行抗压强度试验，试验结果以6块试件抗压强度平均值和单块最小值表示，其试验结果如表4所示。

表4 抗压强度试验结果

通过抗压强度的试验数据来看，当水灰比为0.37时，块体强度达到了Cc40 《混凝土路面砖》(GB28635-2012)的强度等级[7]。

3.4.2 抗折强度试验

块体抗压强度采用试验室内抗折试验机，精度(示值相对误差)≤±1%。采用室内养护28d的预制块体进行试验，对于要进行抗压强度试验的块体应清除表面松动颗粒和浮渣，然后放入温度为室温的水中浸泡24h±0.25h。每个水灰比成型6块试件进行抗折强度试验，试验结果以6块试件抗折强度平均值和单块最小值表示，其试验结果如表5所示。

表5 抗折强度试验结果表

通过以上抗折的数据来看，0.37的水灰比能够使块体的抗折强度达到Cf4.0《混凝土路面砖》(GB28635-2012 )的强度等级。

通过试验数据得出，用0.37的水灰比所成型的试件与其它两个水灰比所成型的试件相比，其单个试验性能并不是最好的，但是从拌和难易程度、振动压实、强度、吸水率等综合情况来看，其综合性能优势比较明显，所以试验证明0.37的水灰比较为合适。

4 结语

混凝土预制块体路面以其块体可以在预制厂批量生产，质量能够保证，而且具有造价低、寿命长、养护成本低等特点，在我国农村公路建设中已经有一定的应用。随着理论研究的进一步深入，如通过再生混凝土骨料在预制块体中的应用研究，进一步降低混凝土预制块体路面的建设成本，混凝土预制块体路面还将会得到更广泛的关注，并在我国农村公路建设中占据更大的比例，而且在城市道路、有特殊要求的特殊路段也将会出现混凝土预制块体路面的应用。

[1]陈炳生.预制块路面设计应用研究[C]. 上海：上海市公路学会，1999.

[2]孙立军.联锁块铺面的结构承载理论[J]. 土木工程学报，2005，28(4):15-21.

[3]王春红.云南省农村公路新型路面典型结构研究[D].西安：长安大学，2011.

[4]JTGD50-2006，公路沥青路面设计规范[S].

[5]JGJ55-2011，普通混凝土配合比设计规程[S].

[6]JTGD40-2011，公路水泥混凝土路面设计规范[S].

[7]GB28635-2012，混凝土路面砖[S].

Discussions on the Application of Precast Concrete Block Pavement

MO Pin-jiang，GUI Chong

(Guangxi Vocational and Technical College of Communications，Nanning，Guangxi，530023)

The main features of precast concrete block pavement is the high structural strength，good durability，and low construction cost，which is suitable for the construction of rural highway lack of construction funds.This article analyzed the structure-bearing mechanism of precast concrete block pavement，proposed the precast concrete block size suitable for rural highway，and combined with pavement construction technology and the prefabrication process of concrete blocks，and based on existing pavement structure design methods，it proposed the structure combination design plan of precast concrete block pavement suitable for rural highways，thereby providing the reference for the design and construction of precast concrete block pave-ment.

Concrete；Precast blocks；Pavement；Design；Application

莫品疆，硕士，副教授，研究方向：公路桥梁工程技术。

U

A

10.13282/j.cnki.wccst.2015.06.009

1673-4874(2015)06-0035-04

2015-05-08