不同摊铺方式下的道路基层混凝土性能分析

李宁

（衡水龙翔公路工程勘察设计咨询有限公司，河北衡水 053000）

0 引言

当前，为适应环境要求，我国公路工程中的路面大多采用半刚性基层的形式，其基本方式是将水、无机结合料等材质与碎石、砾石或土体进行充分混合，再进行压实、养护等工艺后，最终形成无机结合料稳定结构。该结构存在一系列不足，例如对通行荷载反应强烈、引起的反射裂缝较多，同时自身的透水性不佳，易造成积水现象，且材料受损后较难恢复。在其施工的养护等强阶段，该结合料受温度影响剧烈，往往导致力学性能受到一定程度的影响，不利于路用性能的发挥。为此，在不同的气候温度条件下，研究该形式基层的力学性能与适合的施工工艺具有较大的现实意义[1-2]，能有效指导实际中半刚性基层的施工，促进公路工程质量的提升。

我国北方区域气温普遍较低，而路面基层混凝土的等强发展需要适宜的温度条件。因此，满足其养护需求的时间较短，大多需要在低温下勉强实施混凝土养护，由此导致材质强度发展较慢，极易在通行车辆的荷载作用下发生损毁。因此，必须采取保温措施对基层混凝土实施养护。在此方面，有学者研究了路面混凝土随温度的变化情况，发现对拉应力而言，温度对其的影响远大于弹性模量因素，且混凝土入模后的前五天时间内，基体最易产生裂缝缺陷[3-4]。也有学者分析了路面混凝土在温度变化下的前期强度情况，认为施工时应当将早期开裂的风险因素尽量规避[5]。还有学者研究了路面基层在结构方面的具体设计措施，指出了不同温度条件下的设计参数要求[6]。

本文为研究不同温度条件下的基层混凝土相应性能，考虑摊铺方式的不同，设计10～30℃区间的试验环境，温度间隔为10℃，以分析相应试验工况下的混凝土力学性能，从而为实际中不同气候条件下的施工方案制定提供理论指导。

1 力学参数及路面结构的设定

按照《公路沥青路面设计规范》（JTG D50—2017）标准中给出的方法，我国路面结构的设计指标具体视道路的等级不同而定。具体而言，对于一级、二级公路，其路面设计指标选取主要考虑的是表面回弹弯沉与拉应力；对于道路等级为三级、四级，则主要指标为弯沉值。研究发现，当前路面结构形式的应用实践中，较为普遍的是上基层、下基层与底基层构造形式，各层厚度均为18cm。其中，上基层选取水泥稳定碎石，下基层考虑二灰稳定碎石，而底基层则一般为石灰土。以此为例，应用Kenpave力学分析软件，将试验稳定温度分别确定为10℃、20℃、30℃，其他参数见表1。试验荷载取为规定值100kN，垂直均布荷载设定为双圆形式，见图1，其等价半径取为10.65cm。

另外，按照当前我国的道路通行条件与环境，选取简化模型进行计算，获得在轴载180kN条件下，单圆轮压为0.869MPa，半径值为0.179 8m。

2 结果分析

2.1 分层摊铺

图1 荷载示意图

表1 试验参数设定

分层分期摊铺时，具体的工况为：在底基层施工结束后，对其进行等强养护，时长为7d或14d，然后依次进行下基层与上基层摊铺。在不同的等强温度条件下，路面各结构层的最大弯沉数据参见图2。由图2可知，当等强环境温度从10℃上升到30℃时，对于下基层，其最大弯沉值从4.52mm逐步降低至0.98mm；对于上基层，其最大弯沉值则从3.36mm逐步降低至0.69mm；对于面层，其最大弯沉值则从1.72mm逐步降低到0.49mm。

图2 分层分期摊铺最大弯沉值

进一步分析可知，不同环境条件下的层底最大拉应力值参见表2。由表2可知，当等强环境温度从10℃上升到30℃时，对于底基层施工工况，其层底所引起的最大拉应力值由0.276MPa逐步上升到了1.03MPa；而对应等强温度条件下的石灰土劈裂强度为0.04MPa与0.09MPa。因此，底基层的最大拉应力值均已超过材料的劈裂强度限值，表明裂缝将会发生，底基层发生破坏。同样当温度从10℃升至30℃时，上基层施工工况下，层底的最拉应力值分别为0.257、0.369以及0.548MPa，超出对应基层材料石灰土的劈裂强度限值，与此同时，拉应力值也大于下基层材料二灰稳定碎石的抗劈裂强度0.438MPa，也将会引起下基层稳定碎石材料的损坏。最后，在面层施工工况下，温度按上述升温时，对应上基层、下基层以及底基层，其层底产生的最大拉应力依次为0.162、0.276以及0.298MPa，而在10℃时，水泥稳定碎石的劈裂强度仅为0.15MPa，故此时上基层将会发生破损；而20℃时，二灰稳定碎石的劈裂强度为0.315MPa，故此时下基层也将会发生破损。

表2 不同等强环境温度时的层底最大拉应力值（分层摊铺）

2.2 连续摊铺

连续摊铺时，具体工况为：在底基层施工结束后，暂先不实施养护措施，而是直接继续施工下基层的摊铺，接着再展开上基层的摊铺。完成摊铺后，最终等强养护7d时间，最后实施面层摊铺。不同的等强环境条件下，路面的最大弯沉数据参见图3。由图3可见，当温度从10℃升至30℃时，最大弯沉数据呈现逐步下降的趋势，连续摊铺7d后，各温度条件下的最大弯沉值分别为1.20、0.96以及0.88mm。而在连续摊铺14d后，温度从10℃升至30℃时，最大弯沉数据分别变为1.07、0.89以及0.81mm。因此，相比分层施工工况下，连续摊铺时的弯沉值更小且整体更趋于平稳。

图3 连续摊铺最大弯沉值

连续摊铺7d后，不同等强环境条件下的层底最大拉应力数据如表3所示。由表3可知：

（1）10℃条件下，三个基层的最大拉应力数据分别为0.129、0.198以及0.038MPa，对应温度下的三种基层材料——水泥稳定碎石、二灰稳定碎石以及石灰土的劈裂强度依次为0.15、0.22以及0.04MPa，表明最大拉应力数据均在抗裂限值范围内，说明三个基层均不会发生破损。

（2）20℃条件下，三个基层的最大拉应力数据分别为0.154、0.220和0.056MPa，水泥稳定碎石、二灰稳定碎石以及石灰土的劈裂强度数据依次为0.22、0.314以及0.064MPa，表明最大拉应力数据均在抗裂限值范围内，说明三个基层也均不会发生破损。

（3）30℃条件下，三个基层的最大拉应力数据分别为0.165、0.219以及0.082MPa，水泥稳定碎石、二灰稳定碎石以及石灰土的劈裂强度数据依次为0.28、0.242以及0.08MPa，表明最大拉应力数据均在抗裂限值范围内，说明三个基层均不会发生破损。

表3 不同养生温度下层底最大拉应力值（连续摊铺7d）

连续摊铺14d后，不同等强环境条件下的层底最大拉应力数据见表4。由表4可见，各层底的最大拉应力数据均小于对应的劈裂强度，说明各基层都不会发生损坏。限于篇幅，不再赘述。

表4不同养生温度下层底最大拉应力值（连续摊铺14d）

2.3 对比分析

由上述试验数据的比较研究可知，采取基层分层施工方案时，最大弯沉数据较为分散，且对温度反应敏感，同时各层底产生的拉应力值均已超出相应基层材料的劈裂强度限值，将会引起各基层的破损；而当采取连续摊铺方案时，最大弯沉数值呈现较为稳定的趋势且数据均较小，各拉应力最大值也都在相应基层材料的劈裂强度限值之内，因此基层将不会产生损坏，实际施工时应当选择连续摊铺形式进行施工。

同时，考虑连续摊铺情况下的各拉应力最大值变化情况，为保证路面施工质量以及服役水平，提出现场施工中比较合理的路面施工方案为：等强环境温度为10℃时，宜在14d后实施面层施工；等强环境温度为20℃时，对于通行的车辆应予以限载，控制轴载值；等强环境条件为30℃时，在基层摊铺7d后即可展开面层摊铺，同时轴载值可允许适当放大。

3 结语

本文基于Kenpave力学分析软件，通过设定不同的等强环境条件，并同时考虑基层分层摊铺或连续摊铺等不同的施工方案，对比分析了各工况下的路面最大弯沉数据的变化发展情况，研究得出不同施工条件下的基层混凝土力学特性。根据试验数据的对比分析，提出相应合理的路面施工方案。结果显示：连续摊铺方案相较分层方案更加适合路面质量控制，前者不会产生基层破损现象；在不同的等强环境温度下，应采取针对性的路面实施方案，从而提升路面的最终成型质量。