基层类型对连续配筋混凝土路面早期性能的影响

2015-08-05刘斌清

黑龙江交通科技 2015年1期

宋柳，刘斌清

(1.广西建设职业技术学院;2.广西交通科学研究院;3.广西道路结构与材料重点实验室)

0 引言

连续配筋混凝土路面(CONTINUOUSLY REINFORCED CONCRETE PAVEMENT)在面层纵向连续配有一定数量的钢筋，用以控制路面板纵向收缩产生的裂缝宽度和数量，横向钢筋仅起到构造钢筋的作用。在施工时不设胀、缩缝(施工缝及构造所需的胀缝除外)，行车舒适，养护费用少，使用寿命长，该结构在高速公路如得到应用，可极大地降低公路的修筑成本和养护成本。

近些年我国CRCP 研究取得了一定进展。但是，在路面实践中却很少关注基层顶面和CRCP 面板之间的隔离层等相关问题。CRCP 早期断裂和错台破坏仍很普遍，CRCP 使用寿命还远没有达到设计使用寿命要求。目前为提高CRCP 使用性能，大部分研究工作主要集中于CRCP 面层，而忽略了对基层对其早期性能的研究，使得设计理论不能完全反映路面的实际应用状况。鉴于此，分析不同基层类型对于CRCP 早期性能的影响因子已迫在眉睫。

1 基层类型分析

目前国内外水泥混凝土路面基层主要有三大类型:刚性基层、半刚性基层和柔性基层。虽然规范建议采用沥青混凝土或沥青稳定碎石基层，但这种基层类型用于水泥混凝土路面在国内未见报道，其结构和材料组成设计更需进一步的理论研究与实践检验。据美国联邦公路局在1990年的调查结果发现贫混凝土基层的工作性能一般较差，所以急需研究这种基层在我国的适用性问题。

对CRCP 而言，放在沥青稳定基层上的CRCP 裂缝模式比较理想，而采用无结合料的碎石作为基层时裂缝间距较大，而在水泥稳定基层上设一层薄的沥青混凝土层效果比较理想。如果CRCP 直接修筑在水泥稳定碎石或贫混凝土上，基层和面层之间需要使用润滑剂，以减小层间粘结，防止反射裂缝的产生。基层模量和强度越高，冲断就越小。基层侵蚀造成的不均匀支撑对CRCP 冲断也有很大影响。在开级配排水层上的CRCP 容易破坏。南达科他州修建的CRCP过早出现了严重的横向裂缝，将LTPP 数据根据基层类型划分成几个子数据库，则该路的横向裂缝与粒料基层对应的回归方程比较吻合。综合以上情况，说明基层类型对CRCP 的长期性能有较大的影响。

2 试验路连续配筋路面结构设计

2.1 试验路介绍

烟威高速公路于2008年进行了全面大修。在工程实施过程中，选择了其中一段为实验路段，用来研究在旧混凝土路面上加铺连续配筋混凝土路面结构的设计及施工技术，为今后设计和施工提供科学依据。原路面结构为24 cmJPCP+12 cm 水泥稳定砂砾+15 cm 水泥稳定砂砾，正常路段路面结构为32 cmJPCP +水泥处治开级配碎石(厚度不小于8 cm)+2 cm 同步碎石封层+原混凝土砸裂。试验路段以水泥稳定碎石作为基层、并使用AC－13 作为夹层、面层混凝土采用部分粉煤灰作为基本路面结构。基层类型分为3种。4 cm 沥青混凝土(AC－13)+开级配水泥碎石、密级配沥青碎石和4 cm 沥青混凝土(AC－13)+旧水泥混凝土面层。纵向配筋率采用0.7%，钢筋均布置在距离板顶9 cm 处(可以根据滑模摊铺机的实际振捣所需深度进行适当调整)，路肩均采用与行车道用拉杆连接的水泥混凝土路肩。基层宽度为路面全宽，路肩为设拉杆的接缝式水泥混凝土路面。纵横向分别采用φ16 和φ12、φ18 和φ16 螺纹钢筋。端部可以采用矩形钢筋混凝土锚固地梁、宽翼缘工字钢梁两种形式。不同路段的纵向钢筋根数相同，通过改变直径来改变配筋率。

2.2 配合比及原材料设计

基层、底基层的原材料选择以及配合比设计按照普通水泥混凝土路面相应结构层的要求进行;面层与基层之间的沥青混凝土的原材料选择以及配合比设计可以按照《沥青路面施工规范》的要求进行。见表1。

配合比设计原则:(1)满足水泥混凝土设计强度的要求;(2)满足施工工作性的要求;(3)满足环境耐久性的要求;(4)满足经济性的要求。最终推荐一合同段路面混凝土实验配合比为，水泥∶砂∶碎石∶水∶外加剂=1∶1.85∶3.30∶0.39∶0.014，水泥处治碎石基层最终配合比为，水泥剂量10%，用水量4.5%，19.5 mm∶4.75 mm∶砂=63∶27∶10。二合同段最终实验配合比为，水泥∶砂∶碎石∶水∶外加剂=1∶1.84∶3.14∶0.38∶0.014，水泥处治碎石基层最终配合比为:水泥剂量10%，用水量4.2%，19.5 mm∶4.75 mm∶砂=60∶30∶10。

表1 原材料及规格

2.3 测试方法及目的

为研究水泥混凝土路面的各种性能，原K157 +972～K158 +913.58 和K160 +880～K161 +430 段调整为连续配筋试验路段。测试元件埋设在试验段K158 +150～K158 +350(TLM7)和K158 +400～K158 +600(TLM9)的正常成缝路段。在TLM7 和TLM9 的开级配碎石层、沥青层和连续配筋混凝土层均埋设温度计，在连续配筋混凝土层埋设应变计(在裂缝处以及非裂缝处、纵横向均埋设)。测试内容包括:混凝土温度、相对湿度、混凝土应变、钢筋应变。采用元件为:静态混凝土应变计、动态混凝土应变计、温度计、与应力无关的应变计和静态钢筋计。混凝土应变包括纵横向的应变。纵向应变造成横向裂缝，横向应变造成纵向裂缝。

测试目的:(1)温度沿着板厚的变化情况;(2)湿度沿着板厚的变化情况;(3)验证环境荷载作用下路面内部的应力应变分析结果与实测的是否吻合;(4)验证汽车荷载作用下路面内部的应力应变分析结果与实测的是否吻合;(5)测试裂缝处的应力、应变情况，以便将来进行CRCP 应力分析时可以更好地考虑裂缝处的边界条件;(6)量测裂缝宽度的变化。

2.4 预成缝技术

对连续配筋混凝土进行预成缝，研究预成缝的时机、间距和适用条件等，从而减少裂缝宽度、剥落、表面损害、不良的裂缝形式，延长路面寿命。

试验路段采用国外先进软切缝技术形成预成缝，锯缝切口深度为3.8 cm，宽度为0.1 mm，锯缝时间约在初凝和终凝之间，约在浇筑混凝土4 h 以后。见表2。

表2 预成缝形式

后期需要观测裂缝的数量、裂缝的间距、裂缝的形状(特别是自然形成的裂缝)、裂缝的宽度和裂缝的传荷能力(用FWD 测试LTE)等内容。观测时间可以在施工后3 d、5 d、7 d、10 d、14 d、21 d、30 d、60 d、120 d、180 d 内观测，而且注意裂缝主要产生在冬天，冬天一定要有观测的时间。

3 基层类型对面层的影响

基层类型和特征是CRCP 设计的一个关键因素，它影响到裂缝间距、板的支撑状况、冲断、平整度和建造成本。对于承受重载交通的CRCP，坚实的基层的支撑是非常重要的。现场调查表明，CRCP 基层刚度和摩擦条件的大的变异性会导致裂缝宽度和裂缝间距的变异性。另外，不同基层的抗侵蚀能力和材料特性差别很大。对于承受重交通的CRCP，推荐采用沥青或水泥稳定基层。

(1)混凝土板与基层之间的粘结影响裂缝的间距。例如，放在沥青稳定基层上的CRCP 的裂缝模式比较理想。而采用无结合料的碎石作为基层时裂缝间距会较大。在水泥稳定基层上设一层薄的沥青混凝土层效果比较理想。如果CRC 直接修筑在水泥稳定碎石或贫混凝土上，基层和面层之间需要使用使用润滑剂，以减小层间粘结，防止反射裂缝的产生。

(2)基层的宽度也很重要，它需要超过CRCP 的边缘以增加边缘的支撑和提高抗侵蚀能力。

(3)基层的模量影响混凝土板中的应力。很明显，基层抗侵蚀能力越高，CRCP 出现板底脱空的可能性就越小。现场调查表明，增加贫混凝土基层的抗压强度可以减少冲断的的产生。开级配基层应该慎用，因为它可能会影响路面裂缝模式和结构稳定性。

(4)基层的摩擦性能影响裂缝的发展。人们很早就开始研究地基摩擦对混凝土路面板开裂的影响。研究发现，地基摩擦性能取于基层材料，且差异很大。破坏面并不是在路面板和基层界面上，而是在基层内部，除非在基层面采用了薄层沥青处理层。因水泥混凝土路面板与基层间的粘结力强于基层材料的抗剪强度，所以地基与路面板之间的摩擦特性与基层材料的抗剪强度有关。在连续式配筋混凝土路面中，当裂缝间距较大时，基层摩擦作用对裂缝发展有很大影响。

4 影响基层类型的因素

(1)基层类型的选择应该考虑以下因素:板厚、裂缝宽度、混凝土材料性质、裂缝间距、抗侵蚀能力、交通水平和成本。简单地说，就是用最小的成本修筑的基层使得板底支撑、裂缝间距、裂缝宽度、抵挡侵蚀的能力、平整度等处于可以接受的水平。

(2)基层下面底基层的使用取决于以下众多因素:路基的类型和刚度、基层的类型(如是粒料型还是稳定型)、是否使用开级配排水层。现场研究表明，对于修筑在稳定基层上的接缝式普通混凝土路面，侵蚀可能发生在基层的下部。对于这种情况，在基层下设粒料底基层对于减少基层的侵蚀和底部的脱空是很重要的。一些机构规定在稳定基层下设置粒料底基层。粒料底基层也可以用于防止软的细粒土路基对于粒料基层的污染。在开级配的基层下，设置符合一定级配要求的密级配粒料底基层对于阻止细粒土污染开级配基层是非常重要的。在刚度较大的稳定性开级配排水层上修建CRCP 会产生特殊的问题。面层的混凝土进入开级配基层会增加面层的有效厚度，从而影响裂缝间距和宽度。如果在CRCP 中修建排水层，该层应位于沥青处治基层和粒料底基层(防止路基土污染排水层)的中间。这种设计已经在重交通高速公路上成功应用。