高配筋率CRCP横向裂缝产生规律研究

胡 涛,周吴军

(1.湖南建工交通建设有限公司,湖南 长沙 410004；2.华中科技大学 土木与水利工程学院,湖北 武汉 430074)

连续配筋水泥混凝土路面(Continuously Reinforced Concrete Pavement,CRCP)由于其优异的路用性能和较低的全寿命周期成本而被广泛应用于重载交通路段。我国早期修建的CRCP大多采用与美国相似的结构和配筋率设计[1,2],然而路用性能和耐久性并未达到预期,主要原因是重载交通荷载的不利影响。因此湖北省在个别极重载路段采用高达1.15%配筋率的双层配筋CRCP路面结构,并取得了优异的路用性能。

前期研究成果和工程应用经验表明冲断和窄横向裂缝间距存在显著的关联性,横向裂缝间距小于1 m的位置处出现冲断病害的概率更高。美国力学-经验路面设计指南建议合理的平均横向裂缝间距为0.9～1.2 m[6]。因此研究人员针对CRCP横向裂缝产生机理和裂缝间距预测开展了研究。环境和交通荷载在纵向产生的板内应力超出混凝土的强度是横向裂缝产生的根本原因,横向裂缝间距和宽度受到设计、施工和材料选择等方面因素的综合影响。横向裂缝间距随着施工温度值、混凝土线膨胀系数和纵向钢筋配筋率的增大而减小。以上相关研究成果主要是针对常规配筋率0.55%～0.85%的CRCP,高配筋率CRCP的横向裂缝产生规律及特征缺乏实验和经验数据。

本文依托湖北省高配筋率CRCP试验段开展了横向裂缝产生规律和特征的系统研究,特别是配筋率、养生方法、施工时间和交通荷载等设计和施工参数的影响规律。为我国高配筋率CRCP设计和施工的优化提供理论和实践依据。

1 现场试验

1.1 试验段信息

CRCP试验段位于湖北省黄冈市,总长度为8.1 km,建造期在2017年7月到2018年9月之间。如图1所示,路面结构从下至上分别为22 cm碎石化的旧水泥混凝土路面、20 cm碾压混凝土基层、4 cm AC-13沥青混凝土层和30 cm CRCP路面板。为了实现CRCP中水泥混凝土的较低线膨胀系数值,粗集料类型采用石灰岩碎石。CRCP采用双层配筋的方式,上、下层钢筋距离板底的距离分别为22 cm和4 cm,钢筋采用直径20 mm的螺纹钢筋。依据我国公路水泥混凝土路面施工技术细则的要求,全路段采用三辊轴施工和毡布洒水保湿养生,每天铺筑CRCP板的长度通常为200 m左右。

图1 CRCP结构示意/cm

1.2 现场试验测试

为了研究不同高配筋率的影响,在2018年1月13日至15日期间分别铺筑了三段配筋率为0.85%,1.00%,1.15%的CRCP,气温在0～12℃之间。横向裂缝调查的夏季施工段为随机选取的2017年8月期间铺筑的CRCP,气温在27～37℃之间。在开放交通前和开放交通后的12个月左右分别对横向裂缝的产生进行了两次现场调查。同时通过在CRCP路面板板中位置的不同深度处埋设纵向混凝土应变计监测其在环境荷载作用下的结构行为,埋设位置分别距离路面板底1，16.5，22，27 cm处,如图2所示。混凝土应变计的数据采集间隔时间为20 min,可同时采集应变和温度数据。

图2 混凝土应变计的现场埋设

2 各因素对横向裂缝的影响规律

2.1 纵向配筋率和施工季节

开放交通12个月后的CRCP横向裂缝间距分布如图3所示,冬季施工段中横向裂缝间距小于1 m的占比数随着配筋率的增加而增加,0.85%,1.00%,1.15%配筋率分别对应的占比数为5.3%，6.9%，14.4%。配筋率为1.15%的夏季施工段中横向裂缝间距小于1 m的占比高达62.4%,远高于冬季施工段。依据美国力学-经验路面设计指南可知夏季施工的高配筋率CRCP出现冲断病害的可能性更高。

图3 横向裂缝间距的分布

开放交通12个月后的平均横向裂缝间距与配筋率的关系如图4所示,0.85%，1.00%，1.15%配筋率的冬季施工CRCP平均裂缝间距分别为2.97，2.66，2.51 m,平均裂缝间距随着配筋率的增加而减小。相同龄期配筋率为1.15%夏季施工段的平均裂缝间距在1 m左右,明显低于冬季施工段的2.51 m。

图4 平均裂缝间距与纵向配筋率的关系

1990年1月美国得州在州际高速IH45上修建了配筋率0.55%～0.84%的双层配筋CRCP试验段并调查了横向裂缝间距,试验段路面板厚为38.1 cm,板底基层为2.54 cm的沥青混凝土,混凝土粗集料包括石灰岩碎石和砾石两种。得州IH45混凝土铺筑10个月后的CRCP平均横向裂缝间距如图4所示,混凝土粗集料类型和配筋率对平均裂缝间距有较为显著的影响。综上所述,高配筋率CRCP可以通过混凝土粗集料类型、施工季节的优化选择而实现合理的平均横向裂缝间距。

平均横向裂缝间距与配筋率的负相关性主要源于高配筋率将更大程度地限制混凝土的纵向变形,导致环境荷载作用下的CRCP路面板内纵向应力水平增高,进而出现更多的横向裂缝。0.85%和1.15%配筋率CRCP不同深度处混凝土的总应变日变化趋势分别如图5a和5b所示(注：0.85%配筋率CRCP底部传感器故障,数据无法获取),混凝土纵向总应变随着混凝土板中温度的变化表现出明显的胀缩行为。混凝土路面板不同深度处纵向总应变的极值和日变化量如表1所示,纵向总应变的日变化量总体趋势是随着板深的增加而减小。距离板底22 cm和27 cm处的混凝土纵向总应变的日变化量随着配筋率从0.85%增加到1.15%而显著降低,16.5 cm处的混凝土纵向总应变的日变化量受配筋率的影响不明显。表明上层钢筋以上的混凝土受到的约束水平随着配筋率的增加而显著提高,混凝土纵向应力水平在相同温度和湿度变化下随着配筋率的增加而升高,进而产生更多横向裂缝,表现为平均横向裂缝间距降低,与试验段调查获取的规律吻合,如图4所示。

表1 CRCP现场结构行为数据汇总(冬季施工段)με

图5 CRCP不同深度处混凝土总应变的日变化

2.2 养生条件和铺筑时刻

试验段在开放交通前后的横向裂缝数量增长情况如图6所示,在开放交通前的冬季施工CRCP路表面能发现的横向裂缝数量极少,在开放交通12个月后才出现了一定数量的横向裂缝。夏季施工CRCP开放交通前后的横向裂缝增长率大于98%,显著小于美国得州采用混凝土养生剂CRCP的增长率[16]。相比于喷洒养生剂,试验段采用的毡布洒水养生方式能有效降低混凝土早期干缩和温缩,延缓横向裂缝的产生时间和数量。

图6 开放交通前、后横向裂缝的发展(冬季和夏季施工)

为了研究混凝土铺筑时刻的影响,选取夏季施工中一天铺筑长度内的平均裂缝间距进行分析,以20 m为单位统计长度计算其平均横向裂缝间距,开放交通前后的平均横向裂缝间距如图7所示。横坐标的起点和终点位置分别对应一天铺筑中的上午和下午起、止施工时刻,纵坐标为以20 m为单位统计长度的平均横向裂缝间距。如图7所示,下午铺筑部分的平均裂缝间距要显著大于上午铺筑部分,特别是首、尾各20 m范围内的平均间距差异尤为突出。开放交通12个月后的平均裂缝间距降低到1 m左右,上、下午铺筑时刻差异的影响变得不明显。首20 m范围的平均裂缝间距为0.55 m,仍明显小于尾20 m范围的平均值,且CRCP首、尾两端的平均裂缝间距值均不在美国力学-经验路面设计指南建议的0.9～1.2 m范围内。开放交通前横向裂缝的产生主要受环境荷载的影响,铺筑时刻及其对应温度的影响则更为明显,开放交通后铺筑时刻影响减弱的主要原因是后续新裂缝的产生受到环境和交通荷载的共同作用。

图7 平均横向裂缝间距沿CRCP位置的变化

2.3 环境和交通荷载对横向裂缝的影响

武汉市白玉路双层配筋CRCP路段修建于2015年5—7月,选取其中一段152 m长的CRCP作为开放交通后横向裂缝产生规律的研究对象,如图8所示。依据交通荷载行驶轨迹的现场调查结果,前65 m范围内由于CRCP的不连续受到的交通荷载作用有限,主要为温度和湿度变化引起的环境荷载作用；后87 m范围则受到交通荷载和环境荷载的共同作用。分别在开放交通后的2016年10月和2019年4月开展了2次横向裂缝,新裂缝产生的相对位置值通过新裂缝与原裂缝的距离除以原裂缝间距表述。如图9所示,间距小于1 m的原横向裂缝之间无新裂缝产生,前65 m和后87 m在原横向裂缝中间位置(相对位置值为50%±10%)产生新裂缝的概率分别为 72.7% 和 30.8%。开放交通后新横向裂缝的产生规律受到环境荷载和交通荷载的共同作用,在环境荷载为主导时新裂缝产生位置多集中在原裂缝间距的中间位置,环境和交通荷载共同作用时的新裂缝产生位置则相对分散。

图8 白玉路现场调查

图9 新裂缝产生的相对位置

3 结 论

高配筋率CRCP常被用于提高极重交通路段的路面性能和耐久性,为了明确高配筋率CRCP横向裂缝的产生规律,本文通过现场裂缝调查和结构行为监测系统研究了高配筋率、施工时间和养生条件、环境荷载和交通荷载等主要因素的影响规律。

(1)平均横向裂缝间距随着纵向配筋率的升高而减小,CRCP上层钢筋以上的混凝土在环境变化下受到的约束和内部应力水平随着配筋率的升高而增大。

(2)冬季施工和毡布洒水养生能降低混凝土的温缩和干缩,可有效减少高配筋CRCP的横向裂缝数量和延缓横向裂缝产生时间。

(3)CRCP下午施工段的平均横向裂缝间距大于上午施工段,这一趋势在施工段端部的20 m范围内尤为明显,且随着开放交通后环境荷载和交通荷载的共同作用而逐渐减弱。

(4)环境荷载影响为主的新裂缝多产生于原横向裂缝的板中位置,环境荷载和交通荷载共同作用下的新裂缝产生位置则相对分散。