高速公路水泥混凝土路面加铺层设计与应用研究

李　琳　罗　芳

(郑州财经学院 土木工程学院， 河南 郑州　450000)



高速公路水泥混凝土路面加铺层设计与应用研究

李琳罗芳

(郑州财经学院 土木工程学院， 河南 郑州450000)

[摘要]高速水泥混凝土路面经出现板底脱空、板角断裂、坑洞、错台等病害，导致混凝土路面的使用性能和行车安全出现较大的隐患，从理论和试验角度分析高速公路水泥混凝土路面加铺层的力学性能 。结果表明：分析不同材料组分外加剂对浆液流动性和强度影响较大，高速混凝土路面二次压浆稳板施工的方法具有较好的适用性， 施工前后路面的高程、弯沉值等参数符合规范要求；沥青加铺层的厚度越大，车辆荷载作用下接缝处的弯沉差越小，应力集中大幅减小；设置LSPM层的沥青加铺层的荷载应力较低，基本没有应力集中的现象，可以较好的避免沥青加铺层反射裂缝。

[关键词]高速公路; 水泥混凝土; 加铺层; 设计

0前言

水泥混凝土路面主要以水泥混凝土为，其优点是稳定性好、强度高、耐久性好，但随着使用年限的增加，水泥混凝土路面出现不同程度的破坏，在较大温差和车辆超载等作用下，高速水泥混凝土路面经出现板底脱空、板角断裂、坑洞、错台等病害，导致混凝土路面的使用性能和行车安全出现较大的隐患，为此需要对混凝土路面进改建。目前，主要是通过挖除重铺、“白加白”、“白加黑”这几种方法，其中“白加黑”具有建筑垃圾少、周围环境的影响小、易于养护维修等优点，进而得到广泛的应用。

国内外学者高速公路水泥混凝土路面加铺层设计与应用研究进行了很多研究，“白加黑”的结构设计方法一般是试验和实际调查未基础，结合当地的具体条件确定参数，提出经验公式。Windmill,A等通过试验和野外观测，建立水泥路面进行沥青加铺的结构力学预测模型[1]；Gulden通过研究提出不采取防裂措施的情况下，加铺层的厚度要大于等于10 cm[2]; Majidzadeh.K, Abdulshafi.A等[3]提出计算水泥混凝土路面沥青加铺层反射裂缝的新模型；J.M.Rigo、S.S.Cescotto和P.J.Kuck等[4]开发模拟加铺层反射裂缝的有限元程序，该程序可以较好的反映温度变化对路面结构的影响；林爱萍深入分析了土工布的施工工艺对水泥路面沥青加铺层的反射裂缝的影响机理[5]；周志刚、张起森、郑健龙对桥联增韧效应进行了深入分析[6]；裘国光采用实际工程的方法研究GSOG沥青混合料直投式施工技术，发现该方法可以有效预防水泥混凝土路面反射裂缝[7]。

高速公路水泥混凝土路面由于应用较多，在不同的地区出现的问题各不一样，所以针对不同的路面问题进行加固处理一直是国内外研究热点，目前对我国对沥青加铺层设计没有较为规范的方法，本文针对实际施工中的压浆技术的配合比及施工细节进行深入分析，确定压浆原材料的最佳配合比，采用有限元法建立数值模型，研究沥青加铺层厚度对高速公路水泥混凝土路面加铺层路面的力学行为。

1配合比试验及控制指标

1.1压浆材料

1.1.1原材料及外加剂

采用PO32.5级普通硅酸盐水泥，细度模数小于2.5的洁净砂，II级以上粉煤灰。根据高速公路水泥混凝土路面要求压浆浆液大流动度、早强的要求，实验选用了FDN-P泵送剂、FDN-100高效减水剂、FTS高效流动剂、TGM普通泵送剂、食盐、TQ压浆剂、滑石粉、铝粉、快燥精、以及LM-1复合外加剂等。

从表1可以看出: 水泥砂浆中不加减水剂，会使得沉入度较小，进行压浆施工工艺施工时会产生不利的影响，TQ压浆料在水灰比较大时会产生较大的收缩反应，铝粉最为具有膨胀性的材料，会让浆液

硬化体的强度衰减加快。初步选定配比2和配比4作为现场施工试验配比。水泥砂浆流动性指标主要通过沉入度进行判断，如果沉入度大于120 mm时，流动的指标将无法测定出口，因此采用测竖直流动度仪的仪器进行竖直流动度的测定。

表1 试验配比方案Table1 Testproportionscheme序号水泥/kg砂/kgFDN-P/kgFDN-100/kg190011604.5290011604.5311001300411001300590011604.5690011604.5TQ/kg铝粉水/kg水灰比沉入度/mmR7d/MPa4770.5310513.44770.5312713.94770.5312013.31106000.55>12023.65400.6>12014.30.545400.6>1204.9

1.1.2浆液的试配

在高速公路工程施工及养护施工过程中，有时候对工期要求较高，需要工程在24 h甚至12 h就能够交通，规范要求压浆浆液12 h的强度最低为3.5 MPa。按照规范要求及实际工程的使用需要，在满足浆液配合比的前提下，其流动度会较小，无法满足底板孔隙率的要求，本文通过试验确定该浆液的配合比。

由表2可得: 配合比6的24 h强度达到5.48 MPa满足了大流动度无收缩的压浆液的需求。

表2 快硬早强试验配比Table2 Ratiooffasthardearlystrengthtest序号水泥/kg砂/kg泵送剂/kg外掺剂/kg粉煤灰/kg铝粉水/kg水灰比流动度/sR12h/MPaR24h/MPa1130090054.5620.155850.4518702.53213009005快燥精22620.155850.4518802.24313009005无水碳酸钠1.5620.155850.4519702.24411009005TF-24修补剂620.156280.48142沉水散裂5.4859009005TJ高效道路剂208620.156560.5283沉水散裂69009005TK高效道路剂208620.156560.5127

2工程应用

2.1工程背景

某高速公路东段在市区境内，全长1200 km，其中大部分为水泥混凝土路面，只有5 km的沥青混凝土路面。高速公路建设完成通车后由于各种原因路面出现缝料脱落、唧泥、错台、断裂，为此本文将对高速公路水泥混凝土路面的二次压浆工艺及处治效果进行深入分析。

2.2施工工艺

对原始的水泥混凝土进经雷达探测并取芯检查，发现基层与底基层出现脱空的现象，见图1(a)。为此压浆孔的钻孔要分别经过基层、底基层最后到达砂垫层，孔深在80 cm左右，首先在混凝土板的钻孔内放入压浆头，拧紧螺栓然后按连续前进、由低到高原则进注浆，这样施工不但可以让浆液流动顺畅，也可以排除积水和空气。通过试验得到的压浆的在0.4 MPa左右，浆液会产生一定的升力，所以要时刻观察压浆板四周接缝，尽量使路面平顺。

在第一次压浆的三天后进行第二次压浆(见图1(b))，第一次压降主要是处理混凝土板底的脱空情况，第二次压浆目的是避免路基不均匀下沉产生的纵向裂缝。因此，钻孔位置应在路面板纵缝附近，经过这两次压浆处理之后，可以延长高速公路面板使用寿命。

图1　高速公路第一次和第二次压浆钻孔Figure 1　First and second time pressure grouting borehole of Freeway

2.3结果分析

对压浆前后进行水准测量，其中620个观测点中，混凝土板块的平均升幅为3.9 mm，在1～6 mm变化的的点占73%。通过分析高程变化(见图2)可知: 路面的高程平均抬高5～10 mm，压浆后89.6%弯沉值小于0.1 mm，探地雷达反射波形图变化较大，反映出板下在压浆后呈密实状态，抽芯检验9浆液平均厚度为14.8 mm。

图2　高程变化统计图Figure 2　Elevation change statistics

压浆结束后，对高速公路段进行抽芯检查，得到了57个芯样，平均厚度为15 mm，浆液填充板底脱空部位后，恢复了板底的均匀支撑，底基层的整体强度得到提高(见图3、图4)。

图3　高速公路水泥面板钻芯芯样

图4　注浆后应用效果

3有限元分析

高速公路水泥混凝土路面加铺沥青层在工程中应用较为广泛，国内外针对混凝土路面铺筑也进行了很多的试验。本文通过有限元法建立数值模型，研沥青加铺层厚度对高速公路水泥混凝土路面的力学行为，并由针对性的提出相应的措施。

3.1有限元模型建立

本文采用ANSYS建立数值模型，路面结构模型为基础、沥青加铺层和水泥混凝土路面，，见图5所示。水泥混凝土路面板长为5 m，宽度为4.5 m，厚度为24 cm，基础扩大尺寸为12.01 m×6.5 m×9 m，采用8节点实体单元。在进行网格划分的时候，要细化接缝及其附近加铺层结构，因为这些部位的计算精度要求较高，路面整体和局部结构网格划分图6所示。本文的行车荷载轮胎内压0.7 MPa，单个轮压接触面积为360 m2，双轮间距为34 cm。沥青加铺层采用Targe l70单元，水泥混凝土路面用三维八节点面，面单元Conta 174。

图5　计算模型Figure 5　Computational model

图6　路面结构实体模型及有限元网格划分

由于高速公路水泥混凝土路面有接缝存在，在裂缝处较为容易出现应力集中，因此，加铺层的破坏模式主要由底层拉应力以及剪应力引起，在计算中主要计算这2个力。

3.2模拟结果分析

① 沥青加铺层厚度对应力影响。

沥青加铺层的厚度越大，车辆荷载作用下应力集中大幅减小，但沥青加铺层不能无限地增厚，主要受造价和高速公路路面标高的限制。有限元建模分析时，沥青加铺层的接缝处加铺层应力及弯沉差变化见图7和图8。

图7　加铺层层底应力随厚度变化规律图Figure 7　Layer stress with the thickness change

图8　弯沉及弯沉差随厚度变化规律Figure 8　Variation of deflection and deflection with thickness

由图可知: 等效应力和最大剪应力与随加铺层厚度呈反比，加铺层厚度由6 cm增大到18 cm，曲线下降速率较快，可以看出沥青加铺层的厚度的增大可以减小加铺层的应力；由图8可得，随着沥青加铺层厚度的增大，接缝处的弯沉及弯沉差变小，因此，沥青加铺层的厚度在15 cm之下对应力的影响较大， 根据计算结果及实际工程情况取12～18 cm为宜 。

② 沥青碎石裂缝缓解层厚度对应力的影响分析。

由有限元计算分析分析可知，LSPM裂缝缓解层设置在高速公路水泥混凝土面层与新铺设沥青加铺层之间时，对车辆荷载应力影响较大，设置LSPM层的沥青加铺层的荷载应力较低，基本没有应力集中的现象，未设置LSPM缓裂层时，应力集中现象较为明显。从图9中可以看出，设置大粒径沥青碎石缓解层可以较好的避免沥青加铺层反射裂缝。

图9LSPM裂缝缓解层时加铺层底主应力(X方向)分布云图

Figure 9Distribution of the main stress (Xdirection) of the bottom of the layer in the relief layer of the LSPM crack

4结论

本文采用有限元方法，并通过试验方法对高速公路水泥混凝土路面加铺层的力学性能进行了分析，得出了以下主要的结论。

① 本文采用不同的原材料进行压浆浆液的配合比组成研究，在分析不同材料组分外加剂对浆液流动性和强度影响的基础上，提出压浆浆液最佳配合比。

② 结合工程案例，分析了进行高速混凝土路面二次压浆稳板施工的方法，分析施工前后路面的高程、弯沉值等参数，验证了压浆稳板治理的有效性。

③ 采用有限元方法研究沥青加铺路面结构结构的性质，沥青加铺层的厚度越大，车辆荷载作用下接缝处的弯沉差越小，应力集中大幅减小，设置LSPM层的沥青加铺层的荷载应力较低，基本没有应力集中的现象，可以较好的避免沥青加铺层反射裂缝。

[参考文献]

[1]Windmill, A.Asphalt and Coated Macadam for Airfield Pavements. Civil Engineering (London), May,1984,p34-43.

[2]Gulden,W. ,Brown,D. Overlays for Plain Joinied Conerete Pavemenis[R]. Georgia DePariment of Transportation,1984.

[3]GB 50290-98,土工合成材料应用技术规程[S].

[4]CJJ 169-2011,城镇道路路面设计规范[S].

[5]林爱萍.水泥混凝土路面加铺沥青混凝土面层反射裂缝的防治措施[J].科技信息，2009(3):697.

[6]周志刚,张起森,郑健龙.加筋材料阻止沥青路面反射裂缝的桥联增韧的有限元分析[J].土木工程学报,2000(2):93-99.

[7]裘国光.GSOG沥青混合料在白加黑路面改造中的应用[J].工程材料与设备,2013,131(3):144-147.

Design and Application of Cement Concrete Pavement on Expressway

LI Lin, LUO Fang

(Zhengzhou Institute of Finance and Economics, Zhengzhou, henan 450000, China)

[Abstract]Highway cement concrete pavement slab bottom cavity, slab corner fracture, holes, wrong and Taiwan etc.disease, resulting in greater danger of concrete pavement performance and traffic safety, this paper from the point of view of theory and test analysis highway cement concrete pavement layer has good mechanical performance.The results show that the analysis of different groups especially additive on slurry fluidity and strength of large high-speed concrete pavement secondary pressure stable pulp board construction method has better applicability, before and after the construction of pavement elevation, bending deflection and parameters meet the requirements specification; asphalt overlay layer thickness is greater, the vehicle load under the seams of curved sinking difference is small, stress concentration greatly reduced; setting the LSPM layer of asphalt overlay layer load stress is low, basically no stress concentration phenomenon, can better avoid reflective crack in asphalt overlay.

[Key words]expressway; cement concrete; overlay layer; design

[收稿日期]2016-03-22

[作者简介]李琳(1981-)，女，河南郑州人，研究生，讲师，研究方向：建筑工程施工管理及结构分析。

[中图分类号]U 416.02

[文献标识码]A

[文章编号]1674-0610(2016)03-0117-05