大间距接缝配筋水泥混凝土路面技术

2020-11-10杨泽亮连井龙

土木工程与管理学报 2020年5期

杨泽亮，连井龙，罗辉

(1.华中科技大学土木工程与力学学院，湖北武汉 430074；2.中信光谷(武汉)建设投资有限公司，湖北武汉 430074)

连续配筋水泥混凝土路面(CRCP)内设置了连续纵向钢筋，且只在必要位置设置横向接缝，不设置任何形式的缩缝及胀缝，所以裂缝细小且分布均匀，具有良好的力学性能，因此得到广泛的应用[1～3]。CRCP的裂缝宽度由配筋控制，所以理论上无需防水，但实际中CRCP的水损害现象仍会发生[4]。当水损害出现在间距过小的横向裂缝之间便会引起冲断破坏。

为了克服CRCP的这种早期破坏，许多学者对裂缝间距及宽度的控制进行了大量研究，发现面层厚度以及路面配筋是两个关键因素[5,6]。此外在实际工程中，为了防止不合理裂缝的出现，常对CRCP进行预切缝，切缝间距在不同地区、不同工程中存在较大差异，主要由工程经验决定[7～10]。如果切缝间距过大，则会产生新的横向裂缝，容易造成冲断破坏[11]；但间距过小也会容易引起结构损伤。因此，裂缝间距主动控制需要使裂缝不会再次开裂，裂纹宽度不会太大，不会出现冲断破坏。许多学者也对一些已建成的CRCP进行了调查和监测，结果表明：大部分裂缝间距与设计不一致，经预切后仍出现新的横向和纵向裂缝；在路面病害中，冲断破坏占90%，是路面病害中亟待解决的主要问题[12]。

根据上述分析可以得出，冲断破坏由不合理的裂缝间距造成。干缩和温缩共同作用引起的变形受内部钢筋和基底的限制，使得CRCP早期容易产生横向裂缝。因为早期阶段，混凝土的温缩及干缩发展较为迅速，且强度未达到设计值，产生的拉应力超过了当时的抗拉强度，所以裂缝迅速增长。2～3年后，横向裂缝逐渐稳定，仅随温度波动。基于此种情况，本文提出了大间距接缝配筋水泥混凝土路面(RCPS)的新型结构，接缝间距可达40～100 m。一方面，通过配筋保留了CRCP优良的承载力；另一方面，大间距接缝的设置可以部分释放干缩应力及温缩应力，避免路面开裂，为特大交通压力下的城市水泥混凝土路面设计提供了一种新的解决方案。

1 路面结构与原理

1.1 路面结构

图1(图中：①②③④⑤依次表示基层、隔离层、配筋水泥混凝土面层、伸缩缝、钢筋网)为本文提出的RCPS路面结构。隔离层布置在基层上以减小面层与基层之间的摩擦阻力，使得面层可以自由移动。具体路面板长度将由隔离层自身性能决定，即减阻效果越好，长度越长。纵横向钢筋网可以单层布置，也可以双层布置，主要由设计承载力、温度及湿度变化范围等因数确定。路面之间通过伸缩缝纵向连接，其可伸缩0.5～10 cm且不影响行车舒适性，并且下方需进行对应的排水设计，将水迅速排出。通过控制伸缩缝的间距，即RCPS面层长度，使得路面不会产生较大的拉应力，确保RCPS不会出现横向裂缝，保证了路面的完整性，预防出现水损害和冲断破坏。

图1 大间距接缝配筋水泥混凝土路面结构示意

1.2 路面结构原理

图2显示了本文提出的RCPS路面结构不产生横向开裂的原理。当温度下降时，面层收缩，隔离层的约束会使内部产生纵向温度应力σthermal，也就是说σthermal完全由面层与隔离层之间的摩擦力提供。

图2 大间距接缝配筋水泥混凝土路面受力分析

图中：σthermal为路面的温度应力，σthermal=F/S0=μgρcl0/2≤[ft]，其中，F为面层的摩擦力(按式(1)计算)，S0为面层的横断面面积，ρc为密度，μ为摩擦系数(与摩擦截面性质相关的常数)，l0为面层长度，[ft]为路面抗拉强度设计值。

假设面层与隔离层之间的摩擦系数为μ，则面层的摩擦力F按式(1)计算。

F=μG/2

(1)

式中：G为配筋混凝土面层的重量，按式(2)计算。

G=ρcV0g=ρcS0l0g

(2)

式中：V0为面层的体积；g为重力加速度。

将式(2)代入式(1)，则

F=μG/2=μgρcl0S0/2

(3)

在摩擦力F的作用下，配筋混凝土面层的温度应力σthermal为：

σthermal=F/S0

(4)

将式(3)代入式(4)，则

σthermal=F/S0=μgρcl0/2

(5)

根据式(5)可以看出，由于面层的密度基本为常数，所以温度应力σthermal与面层的长度l0及摩擦系数μ呈正相关。只要路面的温度应力σthermal不大于其抗拉强度设计值[ft]，那么配筋混凝土面层就不会开裂。因此可在面层内设置钢筋网，钢筋网的参数可按实际需求设计，从而提高面层的抗拉强度设计值[ft]。另外通过设置隔离层，减小了摩擦系数μ，降低面层的温度应力σthermal，最终使得温度应力σthermal小于其抗拉强度设计值[ft]。此外，路面两端在季节温度变化下会出现周期性移动，若端部位移过大，会降低行车舒适性，影响相邻结构[13]。因此，端部位移也是RCPS的一个控制指标。

2 参数敏感性分析

利用ANSYS软件探究不同参数对路面结构的影响。由于几何结构及荷载的对称性，建模时面层和垫层只取一半长度。采用罚函数法定义接触关系，将刚度设置为5 N/m[14]。假定面层为钢筋混凝土，面层以下分别为隔离层、垫层。为了简化模型，隔离层厚度为0，由粘结强度和摩擦系数表征。地基作为约束作用在垫层上，垫层尺寸经过计算确定为120 m×7 m×0.3 m[13]。此外，模型仅考虑整体降温，忽略温度梯度及翘曲应力。约束设置上，垫层完全约束，侧面设置横向约束，截面设置纵向约束，具体模型见图3，模型中的主要材料参数见表1。

图3 有限元模型

2.1 经典工况下的有限元分析

本节对路面的经典工况进行分析以找出用于敏感性分析的关键指标。本模型中，温缩系数为1×10-5，降温幅度为20 ℃，干缩系数为2×10-4，但由于ANSYS中无法直接设置干缩变形，故等效为温差作用在结构上[15]。隔离层参数上，摩擦系数设置为0.5，粘结强度设置为0.1 MPa；面层参数上，面层长度设置为60 m，厚度设置为0.22 m。其他参数与表1相同。

表1 模型材料参数

图4a为纵向应力分布云图，可以看出，应力沿纵向由端部向中部逐渐增大，最大拉应力出现在路面中部，为6.76 MPa；端部应力为压应力，值为0.053 MPa，远小于中部处的应力。横向应力分布如图4b所示，应力呈对称分布，且越靠近中心应力越大。纵向位移分布如图4c所示，趋势正好与应力方向相反，最大位移出现在端头，为6.7 mm；路面中段由于完全约束，位移很小。横向位移由于变形均极小故未在文中展出。因此，跨中应力和端部位移最能反映路面结构性能，故将作为后续参数分析的控制指标。

图4 经典工况下的路面模拟结果

2.2 隔离层参数分析

从1.2节可以看出，约束主要取决于隔离层与面层之间的摩擦系数与粘结强度。本节摩擦系数由0.1逐渐增加到1.0，增量为0.1。粘结强度分别为0.02，0.04，0.06，0.08，0.1，0.15，0.2，0.3，0.4，0.5 MPa。其他参数保持不变。

图5a为路面跨中应力随隔离层参数的变化曲线。可以看出，当粘结层强度从0增加到0.15 MPa时，路面应力随之增大，但增长幅度逐渐减小；当粘结强度大于0.15 MPa时，应力几乎不再变化。而摩擦系数从0.1增大到1.0时，应力始终增大，虽然增长幅度渐小，但对路面结构的影响一直存在。图5b为不同隔离层参数下端部位移变化曲线，其变化趋势正好与图5a相反。这是因为摩擦系数与粘结应力的增大会加强对面层的约束，使得内应力增大，端部位移减小。根据分析结果，路面最大端部位移不超过12 mm，由此可推断，RCPS的隔离层应尽可能降低摩擦系数与粘结强度。

图5 隔离层参数分析

2.3 面层参数分析

面层长度和厚度是RCPS设计中另外两个重要参数。在面层参数分析中，面层长度从40 m增加到100 m，增量为10 m；面层厚度由0.22 m增加到0.32 m，增量为0.02 m。其他参数与2.1节相同。图6a为不同面层参数下跨中应力的变化曲线。结果表明，跨中应力随面层厚度增加而减小，且两者呈近似线性关系；跨中应力随着长度的增加而增大，但增长幅度逐渐减小。当面层长度为40 m时，厚度从0.22 m增加到0.32 m，跨中应力降低了24.8%；当厚度为0.32 m，长度从40 m增加到100 m时，应力增加191.12%。因此，面层长度是影响跨中应力的主要因素。端部位移变化如图6b所示，变化趋势也与应力相反，原因与2.2节相同，最大位移不超过10.5 mm。

图6 面层参数分析

对比隔离层参数与面层参数对路面结构的影响，显然隔离层参数的作用更大。对于跨中应力，在隔离层参数分析中，跨中应力最小值为0.08 MPa，最大值为9.18 MPa，增加了11375%；在面层参数分析中，最小值与最大值分别为3.04，10.2 mm，增加了236%，远低于前者。端部位移在隔离层参数中的变化范围为6.08 mm，也大于面层参数分析中的变化范围。因此可以得出，摩擦系数与粘结强度是实施RCPS的关键。

3 隔离层室内试验

由第2节可知，隔离层的实施效果对于大间距接缝配筋水泥混凝土路面设计理念的实现具有决定性的作用。本节利用隔离层室内试验测试不同隔离层材料的隔离效果，确定隔离层最优的组合形式，以保障大间距接缝配筋水泥混凝土路面的有效实施。除了常规的稀浆封层、蜡制养护剂，本试验还采用了ABS板以及PET膜作为隔离材料[16,17]。

ABS板全称为苯乙烯共聚物板，是板材行业新兴的一种材料，具有较好的冲击强度，高机械强度、高刚度、低吸水性，能耐热不变形，在低温条件下也具有高冲击性，兼具韧、硬、刚相均衡的优良力学性能[18]。PET膜又名耐高温聚脂薄膜，无色透明、有光泽，耐摩擦，硬度及韧性高，是常用的阻透性基材之一。相比于常见的塑料薄膜，PET膜刚度更大，类似于薄片，所以基本不会出现褶皱、卷边现象，而且更难破损[19]。试验具体工况如表2所示。

表2 隔离层试验工况

3.1 层间剪切试验

层间剪切试验主要模拟面层膨胀收缩变形产生的应力，试验示意图如图7[20](图中：①②③④⑤⑥依次表示反力架、千斤顶、力传感器、小梁试件、隔离层、基层)所示。实验前隔离层上浇筑尺寸为150 mm×150 mm×550 mm的小梁试件并养护28 d。养护完成后，将螺旋千斤顶、力传感器和试件的中心布置在同一水平面上并对准。之后缓慢地推动千斤顶，直到试件完全脱离基层，并用力传感器记录下最大水平力Tmax。为便于试验结果分析，将最大水平力Tmax与试件自重m之比定义为综合摩擦系数fh[21]：

图7 层间剪切试验示意/mm

fh=Tmax/m

(6)

该值可综合反映层间粘结应力与最大静摩擦力。

图8为不同隔离层下，经过层间剪切试验后的分离面状况。可以明显看出，隔离层工况为PET膜、PET膜+砂以及ABS板+瓜米石的试件分离面光滑平整；而蜡制养护剂隔离层、稀浆封层隔离层以及无隔离层工况下的试件分离面粗糙程度依次增大，部分隔离层材料粘结在分离面上，具有较多的孔隙。这些情况的存在会影响面层与基层的受力，易发生应力集中，从而导致面层开裂。此外，由于分离面的不平整，面层在行车荷载中也更加容易发生疲劳破坏[22]。

图8 层间剪切试验后的分离面状况

图9为各个隔离层的综合摩擦系数。可以看出，隔离层的存在明显降低了试件的综合摩擦系数，其中ABS板系列隔离层(工况1～工况3)和PET膜系列隔离层(工况4～工况13)的综合摩擦系数均降到1以下。所有工况中，1 mm ABS板+15 mm厚瓜米石组合(工况3)的效果最好，相比于无隔离层(工况16)的综合摩擦系数减小了99.5%。对于ABS板系列隔离层(工况1～工况3)，瓜米石厚度的增加可以降低综合摩擦系数，但过厚的瓜米石层不仅会造成工程造价的增加，还会增加面层大变形的潜在可能性。对于PET膜系列隔离层(工况4～工况13)，粗砂层的存在确实可以降低综合摩擦系数，但并非越厚越好，例如隔离层为10 mm厚粗砂+0.3 mm厚PET膜的综合摩擦系数(工况13)反而大于隔离层仅为0.3 mm厚PET膜(工况9)。在PET膜厚度上，0.2 mm PET膜系列(工况4～工况8)综合摩擦系数平均值为0.500，0.3 mm PET膜系列(工况9～工况13)综合摩擦系数平均值为0.489，仅相差0.011，故PET膜厚度对综合摩擦系数的影响可忽略不计。对于常规隔离材料，蜡的隔离效果也较好，这是因为石蜡基层与面层间产生有效的润滑[23]。

图9 各隔离层综合摩擦系数

3.2 滑动摩擦系数试验

如图10(图中①②③④⑤⑥依次表示反力架、千斤顶、力传感器、小梁试件、隔离层、基层)所示，在不同的法向压力下，测定顶推小梁试件时基层表面的滑动摩擦系数，以表征小梁被推滑动的难易程度[20]。试验过程与层间剪切试验基本相同，但试件需要匀速滑动，当推力基本稳定时才能记录，以减少试验误差。根据施加的法向压力M与试验测得的水平推力F，按式(7)计算滑动摩擦系数：

f=F/M

(7)

在试验中，对于含PET膜的隔离层工况，既出现了试件与膜一起相对基层/砂滑动的现象，也出现了试件相对于膜滑动的现象。说明试件和膜之间的摩擦系数与膜和基层/砂之间的摩擦系数相近。而对于ABS板+瓜米石的隔离层工况，试验中试件与ABS板一起相对于瓜米石滑动。这是因为瓜米石表面光滑，呈圆球状，且ABS板表面又十分平整，所以该界面的滑动摩擦系数最小。

图11为各隔离层的滑动摩擦系数。ABS板系列隔离层(工况1～工况3)的滑动摩擦系数平均值为0.29，PET膜系列隔离层(工况4～工况13)的滑动摩擦系数平均值为0.41，蜡隔离层(工况14)、稀浆封层隔离层(工况15)的滑动摩擦系数分别为0.51，0.65，均小于无隔离层(工况16)情况下试件的滑动摩擦系数。这些隔离层的滑动摩擦系数大小情况也与试验过程中观察到试件分离面的粗糙程度相吻合。

图11 各隔离层滑动摩擦系数

3.3 拉拔试验

参照文献[24]，测得面层与基层之间的法向粘结应力，试验示意图如图12(图中：①②③④⑤⑥⑦⑧依次表示反力架、力传感器、千斤顶、钢绞线、带环膨胀螺栓、试件、隔离层、基层)所示。首先在隔离层上浇筑直径为110 mm、高度为150 mm的圆柱形混凝土试件并养护28 d，带环膨胀螺栓预埋在试件顶部。试验时，拉力由反力架和螺旋千斤顶提供，通过钢绞线传递。与前两个试验相同，螺旋千斤顶、力传感器和试件的中心需在同一水平面上并对准，以保证试件轴向受拉，之后测得最大拉拔力Pmax。法向粘结应力σ为最大拉拔力Pmax与拉拔试件横截面积A的比值：

图12 拉拔试验示意/mm

σ=Pmax/A

(8)

该值可以反映出路面层在翘曲变形时的约束强弱。

图13为各工况的法向粘结应力。各隔离层法向粘结应力的相对大小情况与层间剪切试验结果一致。ABS板和PET膜材料表面光滑致密，使得水泥浆难以渗入，完全阻断了面层与基层的粘结。所以ABS板系列(工况1～工况3)以及PET膜系列(工况4～工况13)的法向粘结应力很小，均不超过4 kPa，这也是它们综合摩擦系数与滑动摩擦系数几乎没有差异的原因。蜡制养护剂和稀浆封层能够填补基层表面的孔隙，对过渡层的形成有一定的抑制作用。此外，石蜡分子的范德华力极小，极难粘合，所以蜡隔离层的法向粘结应力要小于稀浆封层隔离层[22]。而当面层与基层之间无隔离层时，水泥浆会渗入基层表面中的孔隙形成过渡层，极大增加了粘结应力。

图13 各隔离层法向粘结应力

根据上述三个试验的分析结果，ABS板系列隔离层与PET膜系列隔离层均有优秀的隔离性能。但从实际工程的角度考虑，一卷PET膜的尺寸规格为800 m×1.2 m(长×宽)，远远大于ABS板，施工铺设更为方便。在PET膜下铺设适当厚度的砂层可以减少摩擦系数，但减小幅度不大。实际施工中砂层厚度控制较为困难，并且如未铺设均匀，反而会增大摩阻力。另外试验表明，PET膜的厚度对摩擦因素的影响可忽略不计。对于0.2 mm PET膜隔离层这一工况，其综合摩擦系数相比无隔离层下降了99.05%，隔离性能优异，布置完成后即可摊铺面层水泥混凝土，对天气要求低，而且造价为6.4元/m2，低于绝大多数的传统隔离层材料[25]。因此，最终选取仅0.2 mm PET膜这一工况作为大间距接缝配筋水泥混凝土路面的隔离层。

4 工程应用研究

4.1 工程介绍

青山区是武汉新兴的工业城区，冬冷夏热，温差较大，而武惠堤南路则是连接青山区武钢外贸码头与武钢厂区的交通要道，大型特大型货车较多，属于极重交通等级。为了评估RCPS结构的有效性，本文依托武汉青山区武惠堤南路改造工程进行了现场试验。试验道路长80 m，宽8.2 m；底基层厚0.2 m，为级配碎石；基层厚度0.24 m，为水泥混凝土。隔离层选用0.2 mm PET薄膜，铺设时紧贴基层表面，均匀平整，尽量减少摩擦阻力。隔离层完成后，安置模板并预留伸缩缝，之后铺设钢筋网。因为RCPS路面结构消除了横向接缝，所以纵向配筋可按普通钢筋水泥混凝土路面处理，以将路面板拉在一起所需的最大拉力确定。当路面达到临界开裂状态时，最大拉力出现在路面中心位置，等于面层从中心到端部的摩擦阻力。根据普通钢筋水泥混凝土路面纵向配筋率计算公式，该试验路纵向配筋率最终为0.31%；横向配筋设计上，实际工程中横向配筋数量较小，主要是保持纵向钢筋间距不变，所以只有纵向钢筋的12.5%～20%，配筋间距按相关规定不得超过0.8 m[26]。本项目中，横向配筋间距为0.6 m。钢筋网铺设完成后，浇筑水泥混凝土面层，用振捣器振捣，避免蜂窝和孔洞。面层厚度根据文献[26,27]，可采用普通水泥混凝土路面设计方法，主要考虑荷载应力与温度应力，但RCPS特殊的长度和隔离层并不适用传统的温度应力计算方法，采用本文第二节有限元模型的计算结果更为合适。因此参考类似工程[26,28,29]，初拟面层厚度为0.3 m，路面抗弯拉强度按设计规定为5 MPa，按照普通水泥混凝土路面设计流程进行计算，其极限状态满足检验条件。最后当混凝土强度达到规定强度时，安装伸缩缝。

图14 现场施工步骤

为了测量路面干缩、温缩过程中的应力变化，将光纤光栅应变传感器通过扎带固定并与纵向钢筋紧密相连，间距为10 m。此外还安装了温度传感器，以消除温度变化对监测结果的影响，具体布置如图15。试验路施工完成后，利用光纤光栅解调仪采集数据。

图15 应变传感器布置/m

4.2 应力监测结果

图16a为试验路段应力-凝结时间变化曲线，各曲线变化趋势基本一致，表明传感器工作状态正常。刚浇筑时，路面应力为压应力，之后随着凝结时间的增加发展为拉应力且幅度较大。4.9天后，路面出现最大拉应力，为2.98 MPa。出现的位置距离端部42 m，即最靠近路面中部的位置，这是因为越靠近中间位置所受的约束就越大。同理，在所有监测点中，距离端部2 m处应力最小。在达到最大值后，应力曲线趋于平缓，并随环境温度变化而波动，12天后开始下降。

图16b为应力与端距的变化关系，为了避免温度和凝结时间的影响，各点位置均选取路面出现最大应力时刻的监测数据。可以看出，应力与端距呈显著的线性相关，当超过路面中点时，应力开始下降。该现象与第1节的设计理论相吻合，验证了RCPS结构和方法的合理性。

图16 应力监测结果

4.3 裂缝观测

试验路段通车2个月后，对路面裂缝进行观测，发现试验路上裂缝形态为表面裂缝，主要发生在路面边缘，底部肉眼可见，走向不明显，主要原因可能与混凝土浇筑后养护不当与行人踩踏有关[30]。试验路段并未观察到横向裂缝，因为隔离层的存在降低了面层的粘结强度与摩擦阻力，并通过伸缩缝的间距控制，实现配筋混凝土面层在环境温度和湿度作用下的纵向自由变形，应力未超过混凝土的开裂强度，保证了路面的完整性。