工礦區(qū)重載交通水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)組合特征探究

胡繼明

（寧夏煤礦設(shè)計研究院有限責(zé)任公司 寧夏 銀川 750011）

0 引言

隨著我國公路運輸事業(yè)的日益繁榮，并順應(yīng)交通運輸發(fā)展趨勢，適當(dāng)提高軸限，使用大噸位車輛進行運輸，以解決我國當(dāng)前運力緊張之矛盾和滿足國民經(jīng)濟急需大量能源及時運出能源基地之所需，以降低運輸成本和提高經(jīng)濟效益成為必要的情況下，研究適合重載交通的材料特性及路面結(jié)構(gòu)等內(nèi)部品質(zhì)，盡快提出適宜的重載路面設(shè)計方法是十分必要的。

1 重載交通對各結(jié)構(gòu)層的要求

1.1 面層

水泥混凝土面層直接承受行車荷載和環(huán)境因素 （溫度和濕度）的作用，應(yīng)具有足夠的抗彎拉強度和耐久性以及良好的表面特性及其耐久性。隨著交通量增大及重軸載車輛不斷增多，水泥混凝土路面出現(xiàn)相當(dāng)嚴重的早期病害，如路面露石、剝落、開裂、斷板等，也即普通水泥混凝土路面的耐久性問題受到了嚴峻的挑戰(zhàn)。因此，在國內(nèi)迅速發(fā)展高等級公路建設(shè)及重載交通運輸現(xiàn)象的日益嚴重的今天，發(fā)展長壽命低維護路面，采用高性能路面混凝土，提高混凝土的抗折強度與耐久性是當(dāng)前路面混凝土的發(fā)展趨勢。

1.2 基層

對于承受重載交通混凝土路面，對基層的抗沖刷能力和剛度的要求越高，宜選擇貧混凝土或水泥用量大的水泥穩(wěn)定碎石混合料作基層。但這類剛度大的基層具有溫度收縮和溫度翹曲應(yīng)力大的缺點。瀝青混凝土或瀝青穩(wěn)定粒料基層具有抗沖刷能力強而剛度不大的特點。選用多孔隙粒料或者水泥或者瀝青穩(wěn)定開級配碎石作透水基層，可以將通過面層接縫或裂縫滲入路面結(jié)構(gòu)內(nèi)的水分迅速排除，從而提高路面的使用性能和使用壽命。

對于重載交通混凝土路面，基層的寬度宜與路肩同寬，厚度一般在18-23cm范圍內(nèi)選取。排水基層的厚度為8-12cm。

1.3 墊層

對于承受重載交通混凝土路面，可選擇的墊層材料有級配碎（礫）石、粗砂、爐渣、水泥穩(wěn)定粒料。級配碎石、粗砂和爐渣等類墊層具有自由排水和適應(yīng)荷載或溫度作用時板變形的能力，適宜在重載路段做墊層，但這種墊層容易在荷載反復(fù)作用下產(chǎn)生剪切變形，施工時要充分壓實。還應(yīng)注意的是，雖然設(shè)置墊層可以緩解水對上部結(jié)構(gòu)層的破壞，但為防止水對路基和墊層的破壞，穩(wěn)定類墊層和穩(wěn)定類路肩基層表面宜設(shè)置防水封層。

對于重載交通混凝土路面，要求墊層應(yīng)按路床頂面全寬鋪筑，其厚度一般在15-25cm。

1.4 路基

為保證重載作用下路基的穩(wěn)定、密實、勻質(zhì)，應(yīng)采取下列措施：

（1）為控制路基的不均勻變形，須在地基、填料、壓實等方面采取相應(yīng)的措施；

（2）路堤標高應(yīng)盡可能超過中濕狀態(tài)路基的臨界高度，使路床處于中濕或干燥狀態(tài)；

（3）路基土的濕度變化與周圍環(huán)境的影響處于動態(tài)平衡狀態(tài)，在多雨潮濕地區(qū)，此平衡狀態(tài)的濕度接近于土的塑限。

2 重載交通路面結(jié)構(gòu)組合原則

2.1 層間結(jié)合形式

事實上，水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)通常是將混凝土直接澆筑在基層表面上。而基層表面存在凹凸不平和孔隙或裂隙，混凝土在澆筑振搗過程中水泥砂漿會滲入基層一定深度。待混凝土凝固后，水泥砂漿將面板、基層聯(lián)接成一個整體。面板與基層界面之間存在一薄水泥砂漿過渡層。該過渡層自上而下力學(xué)性質(zhì)是變化的，過渡層頂面力學(xué)性質(zhì)如剛度和強度等與混凝土面板力學(xué)性質(zhì)相近，而過渡層底面的力學(xué)性質(zhì)接近于基層力學(xué)性質(zhì)。在過渡層沒有破壞的情況下，水泥砂漿過渡層既有嚙合作用又有粘結(jié)作用，使得面板與基層層間形成了一個整體而具有良好的結(jié)合性能，在力學(xué)性質(zhì)上基本處于完全結(jié)合狀態(tài)。施工期間水泥混凝土早期收縮變形將遠遠大于溫度變形，收縮變形在混凝土面板中產(chǎn)生巨大的拉應(yīng)力，為了防止早期斷板的出現(xiàn)，必須及時鋸縫。鋸縫后縫的頂端將由于應(yīng)力集中而產(chǎn)生裂紋并向下擴展。在裂紋貫穿板厚的瞬間，混凝土在裂紋兩端附近的拉應(yīng)力完全釋放，混凝土板將產(chǎn)生巨大的回復(fù)力而使面板收縮，而與面板融為一體的基層將阻止面板的收縮，這就必然在過渡層中產(chǎn)生巨大的剪力，剪力的作用將使混凝土面板與基層在薄弱界面發(fā)生彼此分離與破壞，且分離界面處于一種非光滑的凸凹不平狀態(tài)。過渡層破壞，面板與基層分離，混凝土路面繼續(xù)脹縮和產(chǎn)生溫度變形，使板產(chǎn)生巨大的剪應(yīng)力。然而，板的自重以及面板與凸凹不平的基層之間的咬合作用，對路面板收縮起到阻礙作用，導(dǎo)致剪應(yīng)力對板直接施加撕裂破壞，從而使板底不同部位微裂紋的產(chǎn)生成為必然。同時，混凝土是集料顆粒加強水泥漿基體的兩相復(fù)合材料，在澆注振搗成型時呈現(xiàn)為一種疏孔、微裂紋彌散的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，混凝土內(nèi)部含有微裂紋、微孔隙。

2.2 路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部排水系統(tǒng)

混凝土路面在有水的影響下，遠沒有達到設(shè)計使用年限就已經(jīng)破壞。這主要是因為目前所采用的措施基本上都是從“抗的原則”提出的，進入路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的水無法有效排除，重載交通產(chǎn)生的動水壓力反復(fù)作用于基層，即使沖刷性能非常良好的貧混凝土基層也難以抵制這種水的侵蝕作用，出現(xiàn)唧泥、脫空等破壞。因此，在這種情況下，必須設(shè)置路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部排水系統(tǒng)，將積滯在路面結(jié)構(gòu)內(nèi)的水分迅速排除到路面及路基范圍之外，可以改善水泥混凝土路面的使用性能，提高其使用壽命。

2.3 剛性路肩

路肩除了為路面提供側(cè)向支撐外，也承受越占交通、停放交通和正常交通等車輛荷載的作用，因此路肩本身應(yīng)具有一定承載能力。由于行車荷載作用在混凝土面板邊緣和角隅處所產(chǎn)生的應(yīng)力和撓度要比作用在板中時大很多，且大量表面水沿路面和路肩間的接縫滲入路面結(jié)構(gòu)，積滯在板邊緣下的空隙內(nèi)，而路肩的面層和厚度往往薄于行車道路面相應(yīng)結(jié)構(gòu)層，因而其基層頂面均高于路面基層頂面，在車輛荷載作用下混凝土路面的邊緣易受到?jīng)_刷而產(chǎn)生唧泥、錯臺現(xiàn)象，引起面板產(chǎn)生角隅斷裂和橫向裂縫。因而，混凝土路面的外側(cè)邊緣和路肩是影響路面使用性能和使用壽命的一個薄弱部位。

2.4 接縫和傳力桿

為了減少和防止雨水下滲路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)對基層造成沖刷破壞，對于路面所有接縫盡量做到密封，并在冬季縫隙增寬時及時增補和更換填縫料，使縫隙填料保持飽滿不滲水，避免碎屑及雜物等不可壓縮的材料混入。設(shè)傳力桿接縫具有良好的傳荷能力和耐久性。

3 重載交通路面典型結(jié)構(gòu)

（1）不管是設(shè)排水基層還是不設(shè)排水基層，其頂面宜設(shè)隔離層。建議不設(shè)排水基層的隔離層采用1-2cm瀝青石屑；排水基層建議采用土工織物，能排水，但細粒土能隨水一起透過。

（2）路肩均宜采用混凝土硬路肩的形式，路肩與路面板之間應(yīng)設(shè)置拉桿。路面板與路肩混凝土均設(shè)傳力桿，路肩面層內(nèi)傳力桿間距可設(shè)置大些，譬如50-75cm。

（3）對于降雨量不大的地區(qū)重載交通道路，可采用不設(shè)排水基層的路面典型結(jié)構(gòu)，但必須做好路肩一路面間的邊緣排水系統(tǒng)?？梢暯煌康拇笮?，基層也可采用貧混凝土基層。

（4）對于南方多雨地區(qū)的重載交通道路，宜采用設(shè)排水基層的路面典型結(jié)構(gòu)，但排水基層應(yīng)做好防水層。如果交通量特別大，可將水泥處治碎石透水基層改用多孔貧混凝土基層。

（5）路基條件良好且滿足防凍厚度要求，可不設(shè)墊層。路基條件一般或者由防凍要求時，路基頂面宜設(shè)置墊層。墊層宜采用天然砂礫或級配砂礫或碎石。

4 結(jié)束語

針對我國優(yōu)質(zhì)路用瀝青不足和水泥資源相對豐富，以及水泥混凝土路面研究取得可喜成果，將水泥混凝土路面應(yīng)用于礦區(qū)重載荷道路乃至高等級公路，必將是我國今后高等級公路發(fā)展的一個重要策略和方向。

［1］姚祖康.水泥混凝土路面設(shè)計[M].合肥:安徽科學(xué)技術(shù)出版社，1999.

［2］田波.重載水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)分析[M].上海:同濟大學(xué),2001.