超薄水泥混凝土路面结构与材料设计研究.pdf

RM C ： M 本 刊 特 稿S p e c ia 1 S t。 超薄水泥混凝土 路面结构与材料设计研乡 Re ： a r c h O l1 Sml c e a n d M a l i a l De s i r Ul t l a- - l q i n W h i R) p p i n g 杜 小婷长安大学 特殊地区公路工程教 育部重点实验室，陕西 西安 7 l O O 6 4 赵卫 东陕西省铜川公路管理局 ，陕西 铜川 7 2 7 0 3 1 0引言 超 薄 水 泥 混 凝 土( uTW )路 面养 护 维修 技 术 是道 路 罩面 养 护 的 有效 方法 ，对 改 善路 面 使用 性 能、 提高 承 载 能力 、 延长 道 路使 用 寿命 具有 明显作 用 。该 方法 施工 工 艺简 单、 成 本低 廉 ，后 期维 修 方便 ，在 广大 农村 地 区低 等 级道 路 上 有着 广 阔的应 用 前景 。 目前I I 1 、 v 路 面设计 一般 参考 普 通 水 泥 混凝 土路 面 设计 规 范 ， 国内 针 对 纤维 增强 水 泥 混凝 土路 面 特 点 的设计 方法 尚无 深入 研 究 。 因此 ， 本 文在 理 论计 算 与 分析 、 室 内试验 和试 验 路研 究 的基 础 上 ，参 照 公路 水泥 混凝 土路 面 设计 规 范 的有 关规 定 ，借 鉴 国 内外路 面 设计 方法研 究 成果 ，对 比分析 普 通 水泥 混 凝 土和 3 种 纤 维增 强 混 凝 土 的强 度 性 能和 疲 劳性 能 ，确 定适 U T W路 面使 用 的水 泥 混凝 土增 强 纤 维和 配 合 比组 成 ，提 出 了适用 于 普 通水 泥 混凝 土 和 纤维 增强 混凝 土I 爪 v路面 结构 设 计 方 法 ，供 设计 与养 护 施 工部 门参 考 使用 。 1 1 荷载应力分析 在 分析u1 r 、 v 路 面结 构 荷载应 力 时 ， 采 用 如 图 1 所 示 的 弹 性 三 层 体 系模 型 ，将5 1 0 c n 1 厚 的I r r 、 V 路 面 板 视作 面 层 ， 沥青 层视 为基层 ， 旧 沥 青 路面 基层 以下 部 分视 为 综合 地 基 。假 定 沥 青层 与 综合 地 基 之 间为 完 全连 续接 触 ，1 厂 r w路面 板 与沥 青 层 之 间 分别选 取 完 全连 续和 滑 动 接 触 两种 极端 情况 ，对I J r w路 面板底 一 7 一 卫 一 一 一 三 一 一 靼 晟 一 靛 一 弹 的用回算薄与的之 一 一 RM CM 本刊特稿 S p e c ia l S t O r y 尺 寸 J 、 ，根据 国 内外 关于 水泥 混 凝 土路 面 温度 场和 温 度应 力 研 究结 果 可 知 ，uT W 路 面 温 度 应 力 通 常 很 小 。计 算分析 表 明：相 同温度 梯 度 作 用 下 ，板 边底 部 中 点温 度翘 曲应 力 随 着板 厚 的增 大 而增 大 ，且 增 大 幅度逐 渐减 缓 ；温 度应力 随 的增 大而增 大 ，且 呈 线性 关 系 ，丘 每 增 大2 0 0 MP a ， 温度 应 力 增 大 约0 0 1 5 MP a ， 提高 1 0 左 右。 如 图6 所 示 ， 温度 翘 曲应 力 随路 面板 接 缝 间距 的 增 大 呈 曲线增 大 ，增 长幅 度逐 渐 减 小 ，但 接缝 间距 大 于 1 4 m后 ，应 力 提 高率 明 显减 小 ； 由 图7 可知 ， 温 度 应 力随 综 合地 基 弹性 模 量 的增 大 呈 凸曲线 形 式 变化 ， 当综 合地 基 弹 性 模 量 大 于 1 6 0 MP a 后 ， 温 度 应 力 明显减 小 ，而且 减小 幅度 很 大 。 通 过 分析 可知 ， 影 响 温度 应 力 的主 要 因素是 路 面板 厚 度 、接 缝 间 距 和综 合地基 弹 性模 量 。I J T w路 面 板 在 使用 过程 中 的温度 翘 曲应 力 远 小 于荷 载 应力 ，在 设计 中可暂 不 予 考 虑 。 1 -3 旧沥青路面承载力分析 旧沥 青 路面 铣 创 后 剩余 沥 青层 。 2 5 O 20 。 O 05 餐 叵 M P a 图7 综 合地 基弹 性模 量 对温 度应 力 的影 响 的厚 度和 品 质对I J T w路面 的使用 性 能具 有 明显 影 响。 因此 ，在1 兀 、 v路 面 结构 设计 中应 考 虑剩 余 沥青 层 对 荷 载应 力 的影 响。 研 究 表 明 ，路 面板 底 弯拉 应 力 随 沥青 层厚 度 基 本 呈线 性 变化 ，且 斜 率 与丘有 关 ， 随着 沥 青 层 弹 性模 量 的增 大 ，板 底 弯拉 应 力 呈 曲线减 小 。 对 于相 同 的 ，随 路 面 板厚 度 的增 大 ，荷 载应 力 随沥 青层 厚 度 线 性 变化 的斜 率逐 渐减 小 。 路面 板越 薄 ，沥 青层 厚 度 受板 底 弯拉 应 力 的 影 响越 明显 ，保 证 足够 厚 的有 效 沥 青 层 对uT w 路 面 的 使 用 性 能 越 重 要 。在 相 同 路面板 厚 度 下 ，随 沥 青 层厚 度 的增 大 ，应力 变 化 率逐 渐减 小 。板 厚较 小 时， 当沥 青层 厚 度 大 于6 c m后 ，应 力 变化 率 明 显减 小 。 路 面板 越 薄 ，沥 青层 厚 度 与弹 性模 量 对应 力 影 响越 大 ，故 应控 制 沥 青 层厚 度 大于6 L ， 以有 利于 I 厂 r 、 V路 面 的使 用 。 2 1 l 爪路面结构层厚度 U 1 W 路面 结构 层厚 度 主要 包括 路面 板 厚 度 、铣刨 后 沥 青层 剩 余 有 效厚 度 、 补强 层 或 整平 层厚 度 。 路 面 各结 构层 具 有 合理 的厚 度 组 合 ， 有 利 于 UT w 路 面 长 期 保 持 使 用 性 能 。 当 旧 沥 青 路 面 的承 载 能 力 不 符 合控 制标 准 值 要 求时 ， 设置 补强 层 。补 强层 厚 度根 据 承 载 能力 要 求 和 结构 层最 小 厚度 要 求 综合 确 定 。 当铣刨 后表 面 存在 局 部 范 围较 大坑 槽 或路 拱 不符 合 要求 时 ，应 设 置整 平 层 。 UT w 路 面 板 最 突 出 的特 点 是 厚 度 超 薄 ，通 常 在5 1 0 c m之 间 ， 根 据 交 通状 况 、轴 载作 用和 自然 因 素等 ， 通过 计 算确 定 路面 板厚 度 。 路 面 板 应 具 有 足 够 强 度 ， 且 表 面 平 整 、耐 磨 、抗 滑 。在 试 验 路修 筑 中， 分别选 取 了5L 邗 、8 c l 1 1 和 1 0c r n 三种 厚 度 ， 以及 普通 混 凝 土 、钢纤 维 混 凝 土 和 聚 丙 烯 纤维 网 混凝 土3 种 混凝 土 。 2 _ 2 I 爪 路面板平面尺寸 由于 I I T 、 路面 面板 厚 度 薄， 为 减 小板 内荷载 应 力 ，通 常平 面尺 寸 较小 ，适宜 接缝 间距 为0 6 1 8 m， 板块 通 常划 分为 矩形 。 通 过 理 论计 算 得 出 ，路 面板 平 面尺 寸对 板荷 载 应力 的影 向 程 度 与 板厚 度 、 层 间接 触状 况相 关 。 当路 面板 与地 基完 全 连续 接 触 时 ，板 平 面尺 寸 大于 1 0 mX 1 0 m，对荷 载应 力 影 响较 小 ，可 以忽 略； 当板 平面 尺 寸小于 1 0 mX 1 0 m时 ，则 必须进 行 应力 修 正 。层 间 滑动 接触 时，板 厚 为 7 c n 1 和 平 面 尺 寸 为 1 2 m X 1 _2 m 是 弯拉 应 力 变化 曲线 的分界 点 。 当 板厚 不大 于7 c m时 ，板平 面 尺 寸 宜 控制 在 1 2mX1 2m以下 ，这样 对减 小 弯拉 应 力作 用 明 显 ，从 而在 理论 上验 证 了在 美 国大量 试 验 路研 究 中 得 出 的结 果 。滑 动接 触 时应 力 的提 高率 随 板厚 的增 大 而减 小 ，随 板平 面尺 寸 的增 大而 增 大 ，故 对于 板厚 较 薄 时， 选 用较 小 的平 面尺 寸 ，有 利于I 爪 v 路 面长 期保 持使 用性 能 。 在试 验 路修 筑 中， 对不 同板 厚 、 不 同混凝土 分 别选 择 了0 9m、 1 1 m和 1 5 m三种 接缝 间距 ，在 观 测期 内使 用状 况均 良好。 因此 ，在 路 面 板 设计 中 ，应综 合 考虑 厚 度和 平 面尺 寸 ，使 其 满足 荷载 疲 劳 应力 要 求 ；为减 少施 工工 作 量 ，平 面尺 寸 不宜 过 J 、 ； 同时 ， 平 面 尺 寸 的确 定 应 与施 工路 段 路面 宽度 相 结 合 ，使 全 幅内板 块 尺 寸尽 量均 匀。根 据 中 国 的实 际情 况 ，建 议接 缝 间距 为1 0 1 5 m。 2 _ 3 I 爪 ， 与AC 层 间黏结 研 究发 现 ，I 丌W 路 面面 板 与 旧 弯拉 极 限荷 载平 均 值 的5 0 作 为抗 弯拉 弹性 模 量试 验 的荷载 标 准 ， 以 1 0 mi l l mi n - 的速 度 加 荷 ，进 行5 次 加 卸 荷循 环 ，利 用 干 分表 测 定 跨 中 挠 度 ， 反算 抗 弯拉 弹 性模 量 。 强度 性 能试 验结 果见 表2 。 由试 验 结 果可 以看 出 ，普 通 混 凝 土 和 纤 维增 强 混 凝 土2 8 d 抗 弯拉 强 度均 大 于6 0 MP a ，2 8 d 抗压 强 度 均 大于 3 5 0 MP a ， 满 足 设计 和 使 用 要 求 。 普 通 混 凝 土 、 钢 纤 维 混 凝 土 、 网 状 聚 丙 烯 纤 维 混 凝 土 和 聚 丙 烯 纤 维 混 凝 土 的7 d 抗 弯 拉 强 度 分 别 为2 8 d 强度 的9 0 2 、8 0 7 、 7 9 4 和8 7 7 ，7虢压 强 度 分别 为 2 8 d 强 度 的8 6 8 、8 2 3 、8 9 7 和 8 3 6 ，均 满 足I T W 路 面 混凝 土 高 早强 的 要 求 ，所使 用 的 高效 减 水 剂 为此 提供 了保 障 。 由表 2 可 知 ，4 种 混 凝 土 的7 d 抗 弯 拉 、 抗 压 强 度 差 别 不 大 ， 基 本 相 同 ， 其 中 钢 纤 维 混 凝 土 强 度 值 最 大 ，较 普通 混 凝 土 分别 大3 6 和 1 5 ，聚 丙烯 纤 维 混凝 土 强度 值 最 小 ，较 普 通 混凝 土 分 lJ ； J 2 5 和 l 0 3 。4 种 混凝 土 的2 8 d 抗 弯 拉 、 抗 压 强 度 差 别 较 明 显 ，其 中钢 纤 维 混 凝 土 强 度 最 大 ， 聚 丙 烯 纤 维 混 凝 土 强 度 值 最 小 ； 与 普 通 混 凝 土 相 比 ，钢 纤 维 混 凝 土 、 网 状 聚 丙 烯 纤 维 混 凝 土 和 聚 丙 烯 纤 维 混 凝 土 的 抗 弯 拉 强 度 分 别 大 1 5 9 、 1 5 4 和0 3 ，抗 压 强 度 钢 纤维 混 凝 土 大 7 1 ， 网 状 聚 丙 烯 纤 维 混 凝 土 和 聚 丙 烯 纤 维 混 凝 土 分 别 小 2 9 和 6 9 。 由 此可见 ，钢 纤 维和 F i b e r me s h 网状 聚 丙 烯纤 维 对 混凝 土 强 度 性 能改 善 明显 ， 尤其 是 抗 弯拉 强 度 ；而 聚 丙烯 纤 维 改 善效 果 不太 明 显 。 对 抗 弯 拉 弹 性 模 量 而 言 ， 纤 维 增 强 混 凝 土 明 显 J 、 于 普 通 混 凝 土 ，钢 纤 维 混凝 土 、纤 维 网 混凝 土 和 聚 丙 烯 纤 维 混凝 土 分别 为3 0 1 S p e c ia 1 s t0 r)， 本 刊 特 稿F I M C ：M 1 0 4 M Pa 、 2 6 9 m4 M P a 和 2 71 1 0 4 MP a ，分别 是普 通 混凝 土 的7 5 8 、 6 7 6 和6 8 1 。 由 此可 见 ，纤 维 增 强 后 对 混 凝 土 的 韧 性 具 有 明 显作 用 ，尤 其是 网状 聚丙 烯 纤 维和 单 丝 纤 维 ， 改 善 效 果 明显 。 这 对 改 善 l J T w路面 应力 状 况 非常 有利 。 4 - 3 疲劳性 能试验 分析 对路 面 用 水 泥 混凝 土 而 言 ， 弯 曲疲 劳性 能对 路面 使 用 性 能具 有 重 要 影 响 ，t g 是 路面 设计 不可 缺 少 的 参 数 。研 究采 用 1 5 c r n1 5 c mX5 5 c mf n 1 0c mX1 0c mX5 5 c m两种尺 寸 的小 梁 试 件 。利 用 美 国MTS ( 4 8 5 型 ) 电液 伺服 式 疲 劳试 验 机 进行 室 内三 分点 法加 荷 弯 曲疲 劳 试 验 。加 载模 式 采 用应 力 控 制 ，加 载 波形 采 用 连 续 正 弦 波 形 ；加 载 频 率 选 用 1 0 Hz ， 正 弦 波 荷 载 的 高低 应 力 比 为0 1 。 试 验 结 果 表 明 ： 钢 纤 维 混 凝 土 和 网状 聚 丙 烯纤 维 混凝 土 的回 归参 数值 明显 高 于普 通 混凝 土 ，说 明f t： 维增 强 混 凝 土 的抗 折疲 劳 性 能 明显 增 强 。在 高 应力 j v ,z g 下 ，钢 纤 维 混 凝 土 的疲 劳性 能优于 纤 维 网混 凝 土 ，但 差 别 不 大； 较低 应 力 水平 时， 纤维 网混凝 土 的疲 劳性 能明显 优 于钢 纤维 混 凝土 。 5 结语 ( 1 )uT w 路 面 养 护 技 术 适 用 范 围广 ， 尤其 是 用于 中 国一般 公 路 旧沥青 路 面 的维 修 ， 可 以明 显提 高 路面 承 载 能力 ，改 善行 车舒 适性 ， 延 长公 路 使用 寿 命 ，而 且维 修 施 工 工 艺简 单 ，维 修 效率 高 ， 大 幅降 低 维 修 费用 。 ( 2)UT W 路 面 板 因属 超 薄 面 板 ，板 内 主要 荷 载 为行 车荷 载 产 生 的荷 载应 力 ，温度 应 力 2 k , j ，可 以 忽 略不计 。板厚 、板 平 面尺 寸 、板 与地基模量比 、层间接触状况 对 荷载 应 力 的影 向明显 ，是 荷 载 应 力计 算的 主要 参 数 。 文 中经过 试 验 推荐 了在层 间完 全连 续 接触 状 况 下 平 面尺 寸 的修 正 系数值 。 ( 3 )建 立 以 路 面 板 的疲 劳 断 裂作 为I J 1 w 路 面 的主 要破 坏模 式 ， 以控 制行 车荷 载 反复 作 用在 板 内所 产 生 的荷 载 疲 劳应 力( 不大 于 混凝 土 弯拉强 度 )作 为路 面板 厚 度 设计 的标 ； 隹。 同时 ，利 用 计 算与 试验 结 果 ，确 定 了相 关 的设计 参 数 ，提 出 了I 厂 r w路 面板厚 度和 平 面尺 寸 的计 算 方法 。 ( 4 )UT W 路 面 混 凝 土 宜 采 用 高 早强 、 纤维 增 强 混凝 土 。综 合 混 凝 土 强 度 性 能和 疲 劳 性 能 分 析 结 果 ，聚 丙 烯纤 维 网 对 混凝 土 的增 韧 作 用 明显 ，搅 拌 易 分散 均 匀 ，适 合 I 丌W路面 使 用 。I R IM I I M 参考文献 ： 1 马晶， 罗乙 网状聚丙烯纤维在超薄水 泥混凝 土路 面 中的应 用【 7 】 公路 ， 2 0 0 4 ( 5 ) ： 1 5 0 -1 5 2 2 马 螽超薄水泥混凝土路面设计理论与方 法研究lD 1 西安： 长安大学，2 0 0 2 3 l 胡长顺， 马 蠡，路学敏， 等 超薄水泥混凝土 路 面试验路研究【I _公 路， 2 0 0 3 (5 ) ：6 0 6 3 4 】 胡长顺， 王秉纲 复合式路面设计原理与施 工技术lM】 北京：人 民交通出版社， 1 9 9 9 5 l柯杰平， 朱英朝l超薄水泥混凝土路面的几点 构g- J 西部探矿 工程，2 o o 4 ( 9 ) ： 2 0 0 2 O 1 6 1 房圆圆 ， 马培建， 李晓东超薄水泥混凝土路 面的性能分析和应用 青岛理工大学学 报，2 0 ,0 6 ， 2 7 ( 4 ) ： 2 7 2 9 3 3