浅谈混凝土路面设计中的若干问题

郭 敏

1 概述

水泥混凝土路面通常称白色路面,是一种高级路面。水泥混凝土路面有很多的优点:路面强度高、承载能力大、耐磨耗能力强、能见度好、使用寿命长、养护费用少,正因为有这些优点,故在高级、次高级路面建设中占有相当的比例。近年来,由于地方经济的增强,交通量猛增,大型车辆轴载成倍提高,水泥混凝土路面在多方面问题作用下,投入使用3年～5年后就出现了大量的早期破坏现象,严重缩短了使用寿命,使道路使用年限远远小于设计年限。并且出现一些较严重的缺陷,如路面的早期断裂、错台边角破损、平整度及粗糙度差等,给行车和养护带来一定的困难,且不易处理、修复费用高、难度大。究其原因,除了设计施工质量问题外,还有各种自然因素的影响。因此本文将从设计构造的角度,就如何提高水泥混凝土路面的使用性能,有效的控制路面的缺陷,结合自己的实践体会与具体做法提出一些探讨意见。

2 水泥混凝土路面结构组合设计

2.1 水泥混凝土路面对路基的要求

路基与道路结构层的接触应紧密、支承均匀,要有足够的强度和稳定性。路基按其上层干湿状况,分为干燥、中湿、潮湿和过湿四种类型。水泥混凝土路面下的路基应处于干燥或中湿状态。在高地下水位地段,应尽可能提高路基设计标高。当设计标高受限制而处于过湿或潮湿状态时,应选用粗粒土或低剂量石灰及水泥稳定细粒土作为路床填料,还可在边沟下设置排水渗沟等措施降低地下水位。路基压实可以消除大部分因水分干湿作用引起的自然沉陷和行车荷载反复作用而产生的压实变形,从而保证路基能给路面提供均匀的支撑,路基压实度应达到98%,并在含水量略大于最佳含水量时压实。

2.2 水泥混凝土路面对基层的要求

水泥混凝土路面的基层主要作用不在于承重,而是作为保证水泥混凝土路面结构整体强度,防止唧泥和错台,延长路面使用寿命,便于混凝土施工的重要支承层。因此要求基层强度均匀,整体性、稳定性好,表面平整、密实不透水。

保证基层特别是上基层(多层基层时)表面平整能够均匀支承面层,保证基层具有足够的刚度和耐冲刷能力,对延缓水泥混凝土路面的使用寿命有重要作用。施工中应严格控制水泥剂量、粗细料离析现象、压实度、表面平整度、养生等,保证基层有足够的强度和稳定性;表面平整密实,同时严格控制基层的强度、刚度、透水性,保证基层断面正确而平整、强度均匀、整体性好、防水性好,使其具有良好的应力扩散能力。对于路基用土、高液限黏土及含有机质细粒土,不能用做高速公路和一级公路的路床填料或二级和二级以下公路的上路床填料;高液限粉土及塑性指数大于16或膨胀率大于3%的低液限黏土,不能用做高速公路和一级公路的上路床填料。因条件限制而必须采用上述土做填料时,应掺加石灰或水泥等结合料进行改善。对于基层材料选择时,特重交通适宜贫混凝土、碾压混凝土或沥青混凝土时,设计计算应按复合式路面分析。且强度以试验为准,对水泥混凝土面层下基层的首要要求是抗冲刷能力。在渗入水和荷载的共同作用下会产生淤泥、板底脱空和错台等病害,导致行车的不舒适,并加速和加剧板的破裂。混凝土面层下采用贫混凝土基层,主要是为了增加基层的抗冲刷能力,并不要求它有很高的强度。

2.3 水泥混凝土路面对面层的要求

对于面层板来说,我国绝大部分混凝土路面的横向缩缝均未设传力杆。不设传力杆的主要原因是施工不便。但接缝是混凝土路面的最薄弱处,唧泥和错台病害,除了基层不耐冲刷外,接缝传荷能力差也是一个重要原因。同时,在出现唧泥后,无传力杆的接缝由于板边挠度大而容易迅速产生板块断裂。此外,接缝无传力杆的旧混凝土面层在考虑设置沥青加铺层时,往往会因接缝传荷能力差易产生反射裂缝而不得不加大加铺层的厚度。为了改善混凝土路面的行驶质量,保证混凝土路面的使用寿命,便于在使用后期铺设加铺层,新规定了在承受特重和重交通的普通混凝土面层的横向缩缝内必须设置传力杆。另外,新规范仅强调了在邻近桥梁或其他固定构造物处设置胀缝,取消了变坡点、小半径曲线设胀缝的限制,使行车更顺畅。

3 混凝土配合比的设计

传统配合比设计方法是一种基于经验的方法,混凝土结构对材料性能提出的要求比较简单,配制混凝土的原材料种类也比较少,因此传统的配合比设计方法还存在许多不足之处,随着现代建筑工程技术要求的提高,水泥混凝土配合比设计的指导思想应从强度设计向多种性能设计转化,从可行性设计向优化设计转化。

提高路面混凝土性能的核心在于提高集料与砂浆界面的粘结强度,这可以通过合理选择原材料和正确的配合比设计来实现。选用道路水泥或C3S和C4AF含量高的其他水泥品种;选用细度模数大,耐磨性好的细集料;岩石品种是选择粗集料的关键,应综合考虑岩石的物理力学性能,通过比较试验确定;配合比设计采用合适的水灰比、砂率及集灰比至关重要,也应尽量通过比较试验确定。

混凝土配合比设计理应是一个完善的体系,包括原材料选择、配合比计算、性能设计和性能检测。事实上,人们在进行配合比设计时已经有意或无意地采用了这一体系,但所采用的体系的完善程度各不相同,而且大都不完善。

4 路面接缝处理的设计

在混凝土路面板设计和施工过程中,要正确设置各种接缝,认真做好各种接缝的施工,防止水泥混凝土路面修筑后受气候、温度等环境因素变化的影响热胀冷缩,进而产生不规则裂缝或隆起,导致路面板破坏,尤其是胀缝位置面板破损较为普遍和严重。有的道路在通车1年～3年后逐步破碎损坏,破损率高达50%～90%以上。究其原因是多方面的,影响因素也复杂,但笔者认为主要是胀缝的构造、施工工艺及管理问题。从胀缝设计构造的角度主要解决位置设置、构造形式、传力杆设置和面板局部加强。胀缝设置除应遵循新颁水泥混凝土路面设计规范第4.2.5条规定外,要尽可能少设或不设胀缝,特别是平纵线形标准较高的平原微丘地形设置长间距胀缝,或只在结构物衔接处。这一点已经在国外工程中得到证实。其次一般常用的胀缝形式为设传力杆和不设传力杆两大类,不设传力杆的胀缝,其传荷能力较差,在重车反复作用下,胀缝的两侧容易发生错台。而设传力杆的胀缝,其传荷性能较好,从实际的应用效果来看,设传力杆的胀缝能较好的抑制胀缝病害,因此建议对于交通量大、重载车多的公路和城市道路采用传力杆的胀缝为最佳;反之可采用不设传力杆的枕梁式胀缝。但为了减少车辆反复冲击作用,枕梁上最好设置一层缓冲橡胶垫。根据传荷受力的需要设置传力杆。传力杆宜用直径为32 mm～35 mm较粗的光圆钢筋,同时胀缝两侧30 mm～40 mm面板范围内因传力杆存在而受力复杂,应在胀缝两侧30 cm～40 cm水泥混凝土板内布置加强钢筋。

5 结语

水泥混凝土路面在石料多产区具有较强优势,但目前存在的一些问题如解决不好,必定影响其发展与使用。在公路水泥混凝土路面设计中,还有许多问题。只有认真研究设计规范并结合生产实际,才能设计出经济合理的路面结构。

[1] JTG D40-2003,公路水泥混凝土路面设计规范[S].

[2] JTG F30-2003,公路水泥混凝土路面施工技术规范[S].

[3] JTJ 073-96,公路养护技术规范[S].

[4] 姚祖康.水泥混凝土路面设计方法中基层顶面回弹模量修正系数[J].公路,1996(11):10-13.

[5] 陈建奎,王栋民.高性能混凝土配合比设计新法——全计算法[J].硅酸盐学报,2000,28(4):194-198.