复合路面（通用8篇）
复合路面 篇1
1 路面计算模型及参数
1.1 基本假定
沥青路面和AC+RCC复合式路面均由面层、基层、底基层、垫层和土基组成。不同之处在于, 前者的面层只有AC层, 而后者的面层由有限尺寸RCC板和AC层组成。对这两种路面结构进行荷载应力分析之前, 作以下假定:
(1) 各层材料具有线弹性;
(2) 各结构层之间完全连续;
(3) RCC板的四周面为自由面;
(4) 地基为弹性半空间体。
1.2 有限元模型
用有限元计算路面结构时, 其收敛性不仅与单元的合理划分有关, 而且与所取的空间区域大小有关。当计算范围足够大、单元的疏密程度与场变梯度基本相适应时, 计算结果收敛于精确解。在实际的路面结构中, 地基为弹性半空间体, 为了使其无限大特性在计算中得以体现, 就需要考虑地基的空间尺寸范围。经过对地基不同尺寸进行误差分析, 地基尺寸拟定为:8m×8m×8m (沥青混凝土路面) , 10m×20m×6.5m (复合式路面, RCC板尺寸通常取5m×12m, RCC板下的结构采用扩大尺寸) 。模型的边界条件为:
①对于沥青路面结构, 地基底面固定, 顶面自由, 侧面约束其法向位移;
②对于复合式路面结构, 地基底面固定, 顶面自由, RCC板与沥青面层均假定为自由面。荷载作用区域网格划分较密, 单元尺寸约为2cm, 远处网格逐步扩大。
1.3 计算参数
车辆荷载采用标准轴载BZZ-100, 轮胎接地压强p为0.7 MPa;单轮传压面当量圆直径d=21.3cm, 两轮中心距1.5d。轮胎与路表的摩擦系数取0.2。
两种路面结构计算参数见表1和表2。
2 计算分析
本文采用三个指标来描述:弯沉、最大主应力、最大剪应力。在通常计算中, 最大主应力计算点位于经过双圆范围内某点且垂直于路表的直线上, 但是对于沥青层来说, 这个计算点上的应力一般均为压应力, 最大主应力值为负值。所以, 本文计算中将计算沥青层层面整个范围的应力值, 并取最大值作为最大主应力值。
考虑到两种路面结构的AC层厚度不一样, 为了使二者具有可比性, 本文取AC层同一深度处的数据进行分析, 见表3。其中, “路1”表示沥青路面, “路2”表示AC+RCC复合式路面。
总体上讲, 考虑水平荷载作用的各项应力指标都比只受垂直荷载作用时要大一些, 而弯沉值基本不变。在相同荷载作用下, 沥青路面的弯沉值远大于复合式路面, 前者是后者的两倍有余。路表最大主应力和中面层底面最大主应力均以复合式路面为大, 对于只受垂直荷载作用的情况, 两者的比率分别为63%和43%;考虑水平荷载作用时, 其比率分别为67%和34%。对于表面层底面最大主应力, 则沥青路面要远大于复合式路面, 其比率为360% (只受垂直荷载作用) 和256% (考虑水平荷载) 。沥青路面和复合式路面的路表最大剪应力、中-下面层间最大剪应力基本持平, 在考虑水平荷载时, 后者的路表最大剪应力略大于前者 (比率约为77%) 。两者的表-中面层间最大剪应力基本相等, 后者略大于前者, 其比率为89% (只受垂直荷载作用) 和92% (考虑水平荷载) 。
3 部分参数变化对荷载应力的影响
3.1 面层厚度变化对荷载应力的影响
参照《公路沥青路面设计规范 (JTG D50—2006) 》, 取表面层 (细粒式AC) 的厚度分别为2cm、3cm、4cm、5cm、6cm, 取中面层 (中粒式AC) 的厚度分别为4cm、5cm、6cm、7cm、8cm, 其它参数同表1和表2。相应的变化规律见表4、表5、图3、图4。其中, 弯沉差表示沥青路面的弯沉与复合式路面的弯沉之差, 因为个别指标的符号会发生变化, 所以不对其取绝对值, 但在分析的时候, 对其取绝对值。下文的应力差意义相类似。
由表4、表5可见, 随着表面层和中面层厚度的增加, 弯沉差均线性减小, 其减小速率分别为0.58×0.01mm/cm, 0.54×0.01mm/cm。
由图1可以看出, 随着表面层厚度的增大, 表面层底面最大主应力差的绝对值呈现出先增大后减小的趋势;表-中面层间最大剪应力差的绝对值则先减小后增大;路表最大剪应力差、中面层底面最大主应力差的绝对值线性减小, 但变化速率很小;路表最大主应力差和中-下面层间最大剪应力差的绝对值均逐渐增大, 其中, 路表最大主应力差对面层厚度变化比较敏感。
在图2中, 随着中面层厚度的增大, 表面层底面最大主应力差的绝对值呈线性增大之势;表-中面层间最大剪应力差的绝对值先增大后减小;路表最大剪应力差的绝对值逐渐增大;其它应力指标随中面层厚度变化的规律与随表面层厚度变化的规律相似。
3.2 面层弹性模量变化对荷载应力的影响
取表面层的弹性模量分别为1200MPa、1300MPa、1400MPa、1500MPa、1600MPa, 取中面层的弹性模量分别为1000MPa、1100MPa、1200MPa、1300MPa、1400MPa, 其它参数同表1和表2。相应的变化规律见表6、表7、图3、图4。
由表6、表7可见, 随着表面层和中面层弹性模量的增大, 弯沉差均线性减小, 其减小速率大致相等, 约为0.001×0.01mm/MPa。
由图3可知, 随着表面层弹性模量的增大, 表面层底面最大主应力差的绝对值呈现出先增大后减小的趋势;路表最大主应力差、表-中面层间最大剪应力差、中-下面层间最大剪应力差的绝对值近似为线性增大;路表最大剪应力差和中面层底面最大主应力差的绝对值近似为线性减小, 其中路表最大剪应力差从负数逐渐变为正数。
在图4中, 随着中面层弹性模量的增大, 表面层底面最大主应力差的绝对值递增, 但是增大的速率逐渐减小;中面层底面最大主应力差、路表最大剪应力差、中-下面层间最大剪应力差的绝对值近似为线性增大;路表最大主应力差、表-中面层间最大剪应力差的绝对值近似为线性减小。
3.3 超载率变化对荷载应力的影响
取作用于路表的垂直荷载的超载率分别为0%、20%、40%、60%、80%、100%, 其它参数同表1和表2。相应的变化规律见表8、图5。
由表8可知, 随着超载率的增加, 弯沉差线性增大, 其增长速率约为2×0.01mm/10%。
从图5可见, 随着超载率的增加, 各项应力差的绝对值均呈线性增大的趋势, 其中增长速率最大的是路表最大主应力差, 为0.0055MPa/10%;增长速率最小的是中面层底面最大主应力差, 为0.0011MPa/10%。
5 结语
(1) 考虑水平力的作用时, 除了弯沉不变外, 沥青路面和复合式路面之AC层的各项应力指标都比只受垂直荷载作用时要大。
(2) 两种路面结构的弯沉差随着面层厚度的增加、面层弹性模量的增大而线性减小, 随着超载率的增大而线性增大。
(3) 超载率的增大使得各项应力指标的差值都线性增大。
(4) 随着面层厚度的增加、面层弹性模量的增大, 两种路面结构的各项应力差均表现出明显的规律性, 在路面结构的AC层设计中, 可以根据需要对某一参数加以控制。
摘要：为研究沥青路面和AC+RCC复合式路面这两种路面结构的AC层之间的应力状态有何异同, 对其进行ANSYS数值模拟分析。通过仿真计算, 求出它们在相同荷载作用下的荷载应力, 进而给出规律性的结论, 为路面结构的AC层设计提供参考。
关键词：沥青路面,复合式路面,荷载应力,ANSYS,有限元法
复合路面 篇2
连续配筋混凝土+AC复合式路面结构研究
为避免在重载交通下半刚性基层反射裂缝较多、厚沥青面层易出现车辙等病害,依据长寿命路面的理念尝试采用连续配筋混凝土+AC的复合式路面结构,通过对试验段路面结构的配筋计算、端部锚固及层间处理等细部研究,总结该种路面结构的设计与施工注意事项.
作 者：柯梅生 KE Mei-sheng 作者单位：合肥市市政工程研究所,安徽,合肥,230001刊 名：工程与建设英文刊名：ENGINEERING AND CONSTRUCTION年，卷(期)：200923(1)分类号：U416.216.2关键词：连续配筋混凝土 复合式路面 施工工艺
复合式路面及罩面设计探析 篇3
1复合式路面
随着水泥混凝土路面施工工艺的不断发展, 20世纪70年代中、后期, 美国、加拿大开始研究碾压混凝土路面, 20世纪80年代初, 我国亦开始铺筑该种路面。我国是在公路上铺筑碾压混凝土 (RC) 较早的国家之一。碾压混凝土是由水泥 (及其它凝结材料) 、级配骨料加水拌和而成的一种塌落度为零的混合料, 经摊铺后由振动压路机碾压成型, 其突出特点是水灰比小, 水泥用量少, 水化热低, 体积安定性好。此外, 与普通水泥混凝土路面相比, 碾压混凝土路面能节约较多的水泥, 并具有高密度、高强度、施工进度快, 劳动强度低, 养生时间短、开放交通早、耐久性好、社会效益及经济效益显著等优点。
为充分利用碾压混凝土的优点, 又克服其用于道路工程的不足, 人们提出了碾压混凝土与沥青混凝土复合式路面结构形式, 即在原有的碾压混凝土板上根据公路的使用性质和等级的不同分别加铺不同厚度的细、中粒式沥青混凝土面层。采用复合式路面结构形式, 可以有效地解决平整、抗滑、耐磨三大难题, 此外, 这种结构形式还有其它一些优点:
a.AC层在一定厚度范围内可改善行车舒适性, 因此, 随着AC层厚度的增加, 对下层RCC板的平整度要求可适当放宽, 便于施工;b.铺筑AC层后, 对下层材料的要求可适当放宽, 例如在碾压混凝土板中掺大量粉煤灰而不影响耐磨性, 而且28天和后期强度增大, 有利于降低工程造价及和易性的改善;c.AC层可以形成RC板的保护层, 减少外界不利因素对RC板的影响;d.RCC+AC复合式路面结构便于养护、维修, 且养护、维修工期短、费用低。
综上所述, RCC+AC复合式路面, 从经济技术以及使用性能等方面都优于单一柔性或刚性路面, 它兼具了这两种路面结构的优点, 而摒弃了它们的某些缺点, 具有广阔的应用前景。
2旧路面上的罩面设计
复合式路面造价昂贵, 事实上大多数的复合式路面是用沥青面层修复的混凝土路面。随着公路达到使用年限逐渐产生破坏, 最终需要作某些处理, 为使用者提供安全和适用的条件。处理的方法根据实际情况, 可以从简单的维修, 直至彻底重建。对于中等和繁重交通的路面, 最普遍的处理方法是在旧路面上铺设加铺层。根据加铺层和旧路面的类型, 可以有四种设计:在沥青路面上的热拌沥青混合料加铺层、在水泥混凝土路面上的热拌沥青混合料加铺层、在沥青路面上的水泥混凝土加铺层和在水泥混凝土路面上的水泥混凝土加铺层。
2.1沥青路面的热拌沥青混合料加辅层。热拌沥青混合料加铺层是沥青路面翻修的主要形式。由于旧路面和加铺层都采用柔性类材料, 加铺层设计可以应用弹性层状体程序。
2.2水泥混凝土路面上的热拌沥青混合料加铺层。2.2.1断开和稳固。断开、稳固法, 是将水泥混凝土板断开成小块, 用重型压路机将小块压稳, 消除下面的孔隙, 并在水泥混凝土板上加热拌沥青混合料。其目的是形成混凝土小块, 这样, 板体因温度或其它原因产生的位移就很小, 从而减少了热拌沥青混合科加铺层的反向型缝。小块尺寸通常为0.37—0.56m2, 由于有集料嵌锁作用, 所以仍有一定的结构整体性。破碎连续配筋混凝土路面板的主要问题是难以拉断钢筋, 断开的碎块被钢筋连在一起, 这不仅不能有效压稳, 也不可能减小水平位移。近年来由于国外有了可以断开混凝土与钢筋之间粘结力的新破碎机, 问题得到了解决。2.2.2裂缝松弛层。裂缝松弛层是为了减少水泥混凝土旧路面上新沥青加铺层的反射裂缝而设计的。裂缝松铺层是加铺层体系铺设的第一层。通常, 裂缝松弛层为90mm厚的粗开级配热拌沥青混合料, 会有25%至35%的空隙, 且100%为碎石材料。由于空隙量大, 裂缝松弛层使旧路面的相对位移通过该层不能很快传递。裂缝松弛层应与排水系统相连, 使水能迅速排出。在铺设裂缝松弛层之前, 旧路面表面应作处理, 尽量使其结构完好和干净, 一般需要用粘层油。铺设裂缝松弛层之后, 需铺设51-102mm厚的良好级配中间平整层或联结层, 而后为38mm厚的密集配面层。图1所示为有裂缝松弛层的加铺层常用断面。图1给出了建议的裂缝松弛层级配。根据可获得的集料大小, 可以分成三种不同的级配。应用何种级配混合料应根据旧混凝土路面所用材料的特性。对于膨胀性高的混凝土路面或接缝间距大于6.1m的路面, 应采用混合料A或B;对于膨胀性低的旧混凝土路面可用混合料C。2.2.3锯缝和灌缝。由于反射裂缝很难消除, 提出了一种控制开裂, 而不是消除开裂的方法, 就是在铺设加铺层以后, 在现有每条横缝上面锯缝, 再灌缝, 此后和常用路面接缝一样进行维护。
2.3沥青路面上的水泥混凝土加捕层。在沥青路面上采用水泥混凝土加铺层并不常见, 然而, 在美国和其它一些国家应用得很成功。如果沥青路面严重损坏, 且只能用作水泥混凝土加铺层的地基时, 造价是合算的。其设计方法与新路面一样, 将旧路面作为地基。有限元板体理论可用于力学设计方法。为了防止反射裂缝, 对旧沥青路面所有严重的裂缝, 应予修补并灌缝。由于旧沥青路面可看作是不易冲刷的底基层, 在确定加铺层所需厚度时只需考虑疲劳开裂。
2.4水泥混凝土路面上的水泥混凝土加铺层。对水泥混凝土路面可以采用三种水泥混凝土加铺层:分离式、结合式和部分结合式。有限元板体程序可用于力学设计, 根据旧路面状况对混凝土给予以稍低的弹性模量。2.4.1分离式或隔离式加铺层。分离式加铺层通常铺设在开裂严重的路面上。在加铺之前, 应清除旧路面表面的杂物和多余的接缝材料。隔离层一般采用厚度小于51mm的热拌沥青混合料或沥青砂, 铺设在新的加铺层和旧路面之间, 以防止反射裂缝。隔离层也可作为整平层, 使混凝土的厚度可以比较均匀。在应用有限元板体程序时, 将板体看作是两个不粘结的层次, 而不考虑隔离层的作用。分离式加铺层可以是普通泥凝土、钢筋混凝土、连续配筋混凝土或预应力混凝土。加铺层接缝的位置和类型不需要和旧路面相匹配。2.4.2结合式或整体式加铺层。结合式加铺层仅适用于旧路面处于良好的状况, 或对严重损坏已作过修补的情况。为了得到完全结合的加铺层, 在加铺之前需要对旧路表面认真处理。所有油料、润滑油、油漆和杂质必须用冷磨、喷砂或喷水的方法予以清除, 然后混凝土摊铺机在清洁和干净的表面上铺设薄层水泥浆。也可用低粘度液态环氧树脂作为粘结剂。结合式双层体有限元板体理论可用于粘结式加铺层的设计。
参考文献
[1]李志波, 张艳, 张斌, 张波.复合式路面简介[J].黑龙江交通科技, 1996 (1) .
刚柔复合式路面研究及应用现状 篇4
关键词：刚柔复合式路面,应用,现状
1 概述
水泥路面和沥青路面是高等级公路路面结构的两种主要形式,各有优缺点。在我国,作为刚性路面代表的水泥路面大多修建于上世纪90年代,且发展极为迅速,公路与城市道路水泥混凝土路面总里程已超过30万公里,目前仍以每年2万公里左右的速度增长,我国已成为世界上水泥路面拥有里程最多的国家。水泥路面的修建,不仅发展了道路交通事业,而且还带动了沿线经济和社会的发展。但是,就国内目前水泥混凝土路面的使用状况而言,存在着不少问题。集中体现在以下几个方面:(1)大部分早期修建的水泥路面,由于对交通量增长估计的不足,加之超载现象普遍,许多水泥路面承载力不足,出现严重的断板,路面整体性削弱,强度及稳定性大大衰减。(2)水损坏严重。许多水泥路面接缝密水措施处理不当,填缝料质量不可靠,使用不久便失效,根本无法阻止水的进入,导致基层长期遭受水的侵蚀,最终导致板底脱空,出现各种形式的断板。(3)水泥混凝土路面的维修问题。水泥路面的养护及维修问题一直以来都是道路工程界一个比较头疼的问题,这在一定程度上也制约了水泥路面的进一步发展和应用。因此,针对旧水泥混凝土路面的养护和维修问题开展研究具有重要的现实意义,对这一问题的研究应该包括三个方面:(1)养护维修的机械设备问题;(2)养护维修的材料问题;(3)养护维修的施工工艺问题。
2 刚柔复合式路面的产生
目前,针对旧水泥混凝土路面的维修改建措施主要是采取加铺新的面层。其中主要包括两种基本的加铺方式:一种是加铺沥青混合料面层,一种是加铺新的水泥混凝土面层。加铺沥青混凝土面层能有效的改善旧水泥混凝土路面的使用性能,提高路面行驶的舒适性。同时,加铺沥青面层能有效的利用旧水泥路面的强度,且施工便捷,对交通和环境影响小。因此,在国内外的旧水泥路面改建工程中,加铺沥青层十分普遍。水泥混凝土路面加铺沥青面层形成了一种刚柔性的复合式路面结构,它不仅具有沥青路面行车舒适和噪音小的优点,还具有水泥路面强度高、承载能力大和稳定性好的特点。但是,对刚柔性路面结构形式我们还缺乏深入细致的研究,目前的实际情况是工程实践走在理论研究的前面。
3 刚柔复合式路面存在的问题及解决途径
就工程实际应用来看,主要问题集中在两个方面:一是刚柔性界面的处理技术。如何做好刚柔界面的粘结与防水处理对加铺后路面的强度、稳定性、耐久性具有十分重要的作用。二是反射裂缝的防治问题。旧水泥路面原有的接缝及在使用过程中产生的裂缝很容易反射到沥青面层,而实际工程中,沥青加铺层厚度均不会太大,一般在4cm到6cm。因此,反射裂缝是旧水泥混凝土路面加铺沥青层面临的最主要的病害,如何防治反射裂缝一直都是国内外道路研究者所关注的热点问题。除此之外,在许多的桥面铺装结构中,也经常采用沥青混合料作为面层的铺装材料。从广义上讲,这也属于刚柔性复合路面结构。刚柔界面的处理对铺装层的使用性能也是至关重要的。从目前大多数桥面沥青铺装层结构的破坏来看,主要集中在沥青面层的开裂、沥青层与桥面板剥离、沥青面层的水损坏等。究其原因,主要还是由于刚柔界面的处理不当引起的。对于桥面铺装结构而言,界面的处理不仅要考虑足够的粘结强度,还要注意防水处理。作者认为,桥面铺装结构的防水要比路面加铺结构的防水更为重要。
因此,从综合分析刚柔复合式路面结构的损坏来看,加强对刚柔界面的处治都是十分重要的。总的来说,刚柔界面的处理主要包括以下几个方面:(1)界面处理材料的选择。作为界面处理材料,应该具有良好的粘结性能和不透水性能,并且应该具有良好的适应变形的能力。(2)水泥混凝土板的处理。实践表明,水泥混凝土板的处理对提高刚柔界面的强度(粘结强度、抗剪强度),尤其是抗剪强度有十分重要的作用。(3)界面处治的施工工艺问题。主要是施工过程中如何确保界面的处治质量。从目前的实际工程来看,许多界面处治过后并没有达到预期设计的要求,分析过后,发现还是由于施工不当的原因。从桥面铺装来看,许多防水层在施工过后,其防水性能都有不同程度的下降。原因在于界面层的材料很脆弱,而且厚度又很薄,通常只有几个毫米,稍不注意就会被破坏。因此,必须加强和重视在施工过程中对界面层的保护,避免施工机械和工作人员对界面层的破坏。
4 刚柔复合式路面研究及应用概况
在水泥混凝土上加铺沥青混凝土面层,即修筑刚柔性路面结构,不仅可以减少沥青用量(与柔性路面相比),又可以弥补刚性路面的不足,这样刚柔相济,大大改善了路面性能。这种路面结构在国内外的公路和水泥混凝土桥沥青面层铺装结构中都得到了广泛的应用。但是,目前国内外大多数的研究主要集中在桥面铺装结构的防水粘结层的研究,研究的重点也是集中在粘结层的材料及结构组合形式,而针对水泥路面加铺沥青面层的研究主要是研究沥青加铺层的受力特点,加铺层的厚度设计等,且没有形成统一的设计理论与方法,专门针对刚柔性路面之间的界面特性及处治措施的研究非常少。
4.1 国外研究及应用概况
对于水泥混凝土+沥青混凝土复合式路面,在国外研究和应用较早。20世纪30年代英国修建了连续配筋混凝土(CRC)层上加铺沥青层的路面结构。美国近年来在高速公路拓宽中,把新铺并表面拉纹的水泥混凝土路面作为承重层,其上铺筑沥青混凝土,收到良好效果。
碾压混凝土(RCC)加沥青混凝土(AC)复合式路面结构的修筑是近年发展起来的。1985年西班牙某高速公路拓宽车道的施工,在基层为15cm厚的水泥稳定层上铺筑了23cm厚的碾压混凝土层,碾压混凝土上加铺了5cm厚的热拌沥青混合料。1989年1月澳大利亚Penith市在水泥稳定基层上修筑了RCC+AC复合式路面。巴西一些城市在市区承受中等交通和重交通的道路上成功修筑了复合式路面。1988年日本在某停车场对RCC作为沥青混凝土下层的适应性进行了研究,并将这种结构形式写进了1990年6月出版的《碾压混凝土路面技术指南(草案)》中。在美国,CRC+AC复合式路面结构形式较多用于旧路维护,50年代就用沥青加铺层来修复PCC、CRC路面,用以改善荷载承受能力,提高路面的表面性能。
以上是国外刚柔复合式路面的实际应用情况,对于其设计理论与设计方法,国外一些道路工作者也进行了一些初步计算与分析。英国Gregory曾建议将CRC+AC复合式路面的CRC层厚与AC作相关计算,用弹性理论分析计算沥青表层复合结构的作用。日本将沥青层表面作用的荷载按45度角扩散到混凝土板上,按阿灵顿半经验公式计算板底应力。前苏联则按应力扩散角考虑沥青层的影响之后,用弹性地基上无限大板计算板的荷载应力。Luther等人运用线弹性断裂理论对这一问题进行计算和分析,并进行室内试验验证,提出反射裂缝增长速率的计算模型。Majidzadeh等人运用二维有限元法对沥青加铺层内的应力进行了分析,认为这种路面的裂缝主要是由于温度变化而引起混凝土板水平位移和翘曲产生的,并提出了计算面层拉应力的方法。1988年,Krauthammer等人用二维有限元计算了PCC-AC复合式路面结构接缝的传荷能力,分析了沥青层中垂直与水平的拉、压应力、最大弯沉和最大剪应力,接缝处引入杆单元和梁单元。1990年,Mahmoud等人对水泥混凝土基层上的沥青层利用八面体进行了分析研究,提出了沥青层的临界厚度。
4.2 国内研究概况
在国内,“七五”期间,开展了《我国水泥混凝土路面发展对策及修筑技术研究》(国家科技引导性项目N0.025),其中对水泥混凝土(双层板)复合式路面设计理论与方法进行了研究;“八五”期间交通部科技立项,长安大学、全国水泥混凝土路面技术委员会、河南省交通厅、安徽省高速公路管理局、江苏省公路管理局、西安公路科学研究所等单位承担了《碾压混凝土与沥青混凝土复合式路面修筑技术研究》,对RCC+AC复合式路面从设计理论、设计方法与参数选用到施工技术进行了深入的研究,取得了一定的成果;同时长安大学承担了《碾压混凝土加铺沥青混凝土复合式路面结构设计理论与方法研究》,1993年被列为国家自然科学基金资助项目。东南大学的俞建荣等对碾压水泥混凝土加沥青混凝土复合式路面的温度梯度进行了较详细的研究。国内近年来对RCC+AC复合式路面研究较多,并在全国修筑了较多的工程实体,但这些实体工程的使用情况并不理想,应用的工程较少。
对于复合式路面的理论计算,我国也分为弹性层状体系法和有限元法。长安大学的王秉纲、胡长顺等对碾压水泥混凝土与沥青混凝土复合式路面结构设计理论与方法进行了系统研究,采用八节点等参元对复合式路面的荷载应力与温度应力进行了计算与分析,研制了临界荷位时板底最大应力计算诺谟图,结合室内试验、试验路及实体工程的研究,提出了复合式路面结构设计方法。长沙理工大学的李宇峙、张起森等用线弹性断裂力学理论进行沥青加铺层厚度设计。同济大学、空军工程学院等应用空间等参元、层状体系理论、断裂力学等对PCC+AC复合式路面结构进行了初步分析。
5 结语
总的来说,国内外对水泥混凝土路面加铺沥青层结构的研究还处于初级阶段。研究的重点大多集中在面层沥青混合料的厚度计算以及水泥混凝土板加铺后的受力变化,对反射裂缝的研究主要集中在技术措施层面,没有对各种处治措施做深入的理论分析。对刚柔性路面的研究主要存在以下几方面的问题:(1)刚柔复合路面结构模型的建立;(2)对旧水泥混凝土路面的评价;(3)刚柔界面的处理。此三个方面将是今后刚柔复合路面研究的重点。
复合式路面的施工技术探讨 篇5
关键词：复合式路面,施工控制,检测,观测分析
复合式路面是指两种以上不同结构组成的道路面层, 一般多为水泥混凝土及沥青混凝土的组合形式。按施工类型可分为两种形式, 一种为在新筑的水泥混凝土结构层上加罩沥青混凝土上面层。另一种为在旧水泥混凝土路面上加罩沥青混凝土补强层。我们就工程施工中遇到的问题对第一种情况的复合式路面进行探讨。
1 双结构复合式路面施工技术
1) 工程概况:该工程长度5km, 结构形式为:18cm二灰砾石土+18cm水泥稳定碎石+24cm水泥混凝土 (抗折强度5MPa) +3cm细粒式沥青混凝土+2cm沥青混凝土防滑层。
2) 原材料的选定:水泥采用省水泥厂42.5复合硅酸盐水泥, 施工用水采用普通自来水。
3) 水泥混凝土施工配合比:
石子和砂的含水量在每次拌和前对该两项含水量指标进行抽样分析, 确定施工配合比。含水量抽检频率根据气候情况确定, 气温高时增加抽检频率。
4) 水泥混凝土路面按照常规工艺组织施工, 符合相关规范规定。
5) 粘结层施工:先把水泥混凝土板面清扫干净。按需要的尺寸裁剪好土工布, 依次卷在棍轴上。用沥青混凝土喷洒车灌装粘层沥青, 沥青出厂温度为150℃~160℃。在运送途中, 外加热, 使其到达工地的温度不低于150℃。喷洒粘层油后立即粘贴土工布。
根据土工布粘贴形式确定粘层油用油量。
Q=Qb+Qt+Qc
式中Qb——仅作为层间粘接 (不铺土工布) 时的用油量, 经实验室测定建议取0.7kg/m2;
Qt——土工布饱和用油量。实验室测定值为0.5kg/m2;
Qc——现场用油量修正值。经试铺确定条铺土工布的用油量修正值为0.56kg/m2。
粘层油喷出后需立即摊铺土工布。把土工布慢慢地舒展开, 用刮尺刮平, 用提浆棍反复烫平4遍, 待土工布表面略见黑色油层, 再用6t~8t轻型压路机碾压一遍。使土工布表面呈黑色。
6) 沥青混凝土面层采用进口重交沥青。采用ABG-411摊铺机, 14m路面分两次摊铺成型。摊铺时顺着土工布搭接的方向, 以防止找平雪撬板滑行时把土工布拉起。沥青混凝土的摊铺碾压工艺, 严格按《公路沥青路面施工技术规范》规定施工。
2 复合式路面施工质量及检测方法
2.1 水泥混凝土面层按施工规范要求
在现场浇筑水泥混凝土时, 制作抗折试件, 27d测定结果经统计分析得:
抗折合格判定强度:R=6.16MPa
设计抗折强度:RS2=5.0MPa
合格判断系数:K=0.7
强度均方差:σ=1.00
RS2+Kσ=5+0 7×1=5.7MPa
R>RS2+K0
强度判断式成立, 水泥混凝土强度满足要求。
2.2 平整度检查结果
平整度检查测点N=160, 标准差σ=0.57~0.67, 平均值X=1.295, 路面平整度整体提高。
3 双结构路面运营中的外观观测与分析
1) 在不铺土工布的缝上, 通车不久出现数量较多的贯穿裂缝, 根据四次观测结果统计, 南侧路面贯穿裂缝发生率为27%, 北侧路面贯穿裂缝发生率为32%, 在正常的养护条件下, 裂缝发展情况稳定, 缝周围未出现大面积沥青混凝土剥落及损坏, 仍能保证路面的正常使用。在满铺土工布的缝上无反射裂缝出现, 说明复合式路面层间采用大面积连续铺设土工布后, 较好吸收了板快缝端应力的集中反射, 能避免或延迟反射裂缝的出现。在条铺土工布的部分缝上, 较早出现了贯穿裂缝, 说明条铺土工布比满铺土工布吸收应力的能力弱。2) 根据四次观测结果统计, 随着交通量的增长, 复合式路面平整度逐步衰减。经过三年通车运行, 混合交通量累计达11230211辆, 换算为BZZ-100标准荷载为260.2万次。由于交通量增长较快, 沥青混凝土面层出现一定程度的疲劳磨损, 部分路段出现少量车辙, 但其平整度值能保持在3mm左右, 现场测试发现行车的舒适程度仍较常规路面好。3) 对抗滑构造、摩阻系数进行测定, 结果均满足相关规范及设计要求规定。
4 结语
从施工技术角度看, 双结构复合式路面是常规水泥混凝土面层施工与沥青混凝土面层施工的有机组合。施工质量检测结果及三年来的使用效果体现出复合式路面比常规水泥混凝土路面或普通沥青混凝土路面具有优越性。
1) 双结构复合式路面中作为底面层的水泥混凝土面层要求具有较高的抗折强度。
2) 在缝上铺土工布与不铺土工布的对比试验效果明显。满铺土工布能有效防止或延迟各类施工缝的反射。但需处理好土工布铺设和沥青混凝土摊铺的施工衔接, 既要保证沥青混凝土摊铺质量, 又不能破坏土工布的粘结效果。在施工设备进出时, 建议对层间粘结层采用铺垫草包等辅助保护工序。
3) 在跟踪调查中发现, 经过第一年冬夏季节交替, 不铺土工布处出现了总量10%左右的反射裂缝, 铺土工布处无反射裂缝。在第三年冬夏季节交替后, 部分铺土工布处也出现反射裂缝, 总的裂缝发生率为32%左右。说明沥青面层与土工织物的综合抗疲劳性能欠缺。
4) 双结构复合式路面的施工关键为粘结层施工。跟踪调查发现部分铺土工布的缝上出现沥青混凝土脱皮现象, 究其原因为施工造成, 说明在层间粘结的施工中要控制好粘层油用量及温度, 保证土工织物与板块粘结的牢固性, 使板块缝端产生的集中应力最大限度地被土工织物吸收。
复合路面 篇6
水泥混凝土路面加铺沥青面层形成了一种刚柔性的复合式路面结构,它不仅具有沥青路面行车舒适和噪音小的特点,还具有水泥路面强度高、承载能力大和稳定性好的特点。但是,对刚柔性路面结构形式尚缺乏深入细致的研究,就工程实际应用来看,主要问题集中在两个方面:一是刚柔性界面的处理技术。如何做好刚柔界面的粘结与防水处理对加铺后的路面的强度、稳定性、耐久性具有十分重要的作用。二是反射裂缝的防治问题。旧水泥路面原有的接缝及在使用过程中产生的裂缝很容易反射到沥青面层,如何防治反射裂缝一直都是国内外道路研究者所关注的热点问题。
2 刚柔复合式路面的特点
刚柔复合式路面的特点从大的方面来说,主要包括结构组成特点和力学行为特点。结构组成特点主要讨论的是材料性质及其组合后的特性,力学行为特点主要是讨论刚柔复合路面在使用过程中对荷载应力以及温度应力的响应。
2.1 结构组成特点
刚柔复合式路面绝大部分都是在水泥混凝土路面上加铺沥青面层之后形成的,其特点是路面整体刚度大,稳定性好,行驶舒适性好。路面结构组成为:基层+水泥混凝土板+界面层+沥青面层。沥青加铺层厚度较大时,通常分两层摊铺,层间洒乳化沥青粘层油以加强粘结,两层混合料的级配可以相同也可以不同。界面层的材料通常采用的是改性沥青,厚度只有几个毫米,主要起到粘结和防水作用。界面层材料模量小,具有高粘度,弹性恢复性能好,能够很好的吸收水泥混凝土板由于形变而产生的应力,能够有效的抑制反射裂缝的传播。
刚柔性路面最大的特点是组成面层结构的材料的模量不一样,刚度相差很大。水泥混凝土板具有强度高、刚度大、温度敏感性小,材料模量相对比较稳定,属脆性材料。沥青面层材料模量小,温度敏感性大,材料模量随温度变化,呈现明显的黏-弹-塑性。正是由于材料模量的差异较大,从而导致刚柔性路面在车辆荷载及温度应力作用下,呈现明显的变形不协调性。因此,较一般沥青路面而言,刚柔性沥青路面更容易出现车辙和开裂。
2.2 力学行为特点
路面结构的组成和各组成材料的力学性质决定了路面的力学行为特点。刚柔性路面的面层材料由刚性的水泥混凝土板和柔性的沥青混合料组成,其受力呈现以下几个方面的特点:(1)当面层沥青混合料厚度较小时,路面呈现出刚性路面特点,水泥混凝土板承受较大的竖向应力和水平应力。此时的沥青面层对路面结构的受力没有起到大的改变作用,主要是起到改善路面行驶的舒适性,减小行驶噪音,主要起到功能性作用。(2)当沥青面层较厚时,此时沥青面层具有明显的抗剪效应,也就是说,沥青面层承受了主要的水平应力。同时,对竖向应力也起到了很好的扩散作用。(3)在刚柔性路面结构中,无论面层沥青混合料厚度如何,刚柔性界面层所受到的剪应力都是不能忽视的。刚柔界面是刚柔性路面结构中的薄弱层,由于材料及厚度等原因,其抗剪强度往往不足以抵抗其所受到的剪应力,容易发生剪切破坏。(4)除面层沥青混合料厚度外,其模量对结构的受力也有大影响。沥青混合料的级配、沥青的劲度等直接影响其扩散荷载的能力。
3 刚柔复合式路面损坏模式及机理分析
同其他结构形式的路面有所不同,刚柔复合式路面的损坏主要集中在沥青加铺层的损坏,也就是说刚柔性路面的损坏主要集中在路面表层。
3.1 损坏模式
大量的工程实践表明,刚柔性路面的损坏形式主要有以下三种:(1)开裂;(2)车辙;(3)水损坏。刚柔性路面的开裂主要是反射裂缝,通常出现在旧水泥混凝土路面的接缝处。通过对裂缝处钻芯取样,可明显看到反射裂缝由下向上发展的痕迹。刚柔性路面的车辙同一般的柔性基层或半刚性基层沥青路面有所不同,刚柔性路面的车辙仅发生在沥青面层,由于是刚柔性路面材料的结合,沥青面层又较薄,容易出现推移,沥青面层和水泥混凝土板的剥离等现象。水损坏问题一直是令道路工作者头疼的问题,无论是沥青路面还是水泥路面,都不同程度的存在水损坏现象。刚柔性路面的水损坏主要表现为表面沥青面层的松散、坑槽,严重时可产生唧泥。
3.2 损坏机理
首先,从设计方面来看,由于缺乏相关的设计理论与规范的指导,目前我国的刚柔复合式路面的设计都是参考国外的一些经验,或者简单的将复合路面结构按照水泥路面或者是沥青路面来考虑进行设计。此外,对加铺层沥青混合料的组成设计方面也缺乏研究,常采用与普通沥青路面相同的矿料级配和相同品质的沥青,没有从刚柔性路面的实际使用状况出发考虑沥青面层材料的设计问题。其次,在材料方面,目前还有待开发高性能的改性沥青和其它品种的材料,使其能够更好的适应刚柔界面极其苛刻的受力环境。
3.3 反射裂缝的形成机理及防治措施
反射裂缝是由于旧面层接缝或裂缝附近的位移引起接缝或裂缝上方沥青加铺层内出现应力集中造成的[2]。可以这么说,反射裂缝是一种“继生裂缝”,它是在原有裂缝的作用及影响下形成和发展的。旧水泥混凝土板在接缝处的位移包括由温度变化引起的水平方向的伸缩位移和由荷载作用下产生的竖向剪切位移。由于沥青层与板之间的粘结作用,导致沥青层内出现竖向剪切应力和水平向的拉应力。当此应力超过沥青混合料的抗拉强度,沥青层就会开裂。对于反射裂缝的防治,主要有以下几种:(1)锯切横缝,在加铺的沥青层上锯切新的横缝,从而释放沥青层内过大的拉应力。(2)加铺厚的沥青层,虽然厚的沥青层对于延缓反射裂缝的发展能起到一定的作用,但是从经济上考虑是不可取的,且过厚的沥青层会带来其他的问题,如车辙可能会因此变得严重。(3)将水泥混凝土板碎石化。将板彻底破碎到规定尺寸范围,形成柔性基层,然后再加铺沥青面层,事实证明这样做能很好的控制反射裂缝问题,因为它避免了沥青层中可能出现的应力集中现象。(4)加铺夹层。通过对刚柔性界面的处理,设计厚度几毫米的夹层,能够有效的控制反射裂缝的传播。目前,这种办法被认为是最有效也是最经济的解决刚柔性路面反射裂缝的办法。
3.4 车辙和推移的形成机理及防治措施
车辙和推移是发生在沥青面层的永久性变形[6]。车辙表现为在轮迹处沥青层的凹陷,产生这种变形主要有几种可能。一是由于面层沥青混合料压实度不够,导致后期在车辆荷载的作用下,混合料被进一步压密所致,由此产生的车辙也叫“再压密型”车辙。还有就是由于沥青混合料的高温稳定性不足,导致在高温季节,在车辆荷载的作用下,沥青混合料出现侧向的剪切流动,形成车辙。除此之外,还有可能是由于面层混合料被磨耗而形成的车辙。推移主要是由于沥青混合料的高温稳定性不足,在车辆荷载水平力的作用下,发生推移。对于刚柔性路面出现的车辙和推移病害,主要的处治措施是两个方面,一方面提高沥青面层混合料的高温稳定性和强度,采用高性能的改性沥青作为粘结料。另一方面,重点加强刚柔界面的粘结处理,提高其抗剪强度和粘结强度。使沥青层与水泥混凝土板更好的粘结在一起,提高整体受力性能。
3.5 水损坏的发生与防治
刚柔性路面的水损坏的发生主要是由于面层沥青混合料的设计空隙率不合理所致。由于刚柔性路面的沥青面层较普通沥青路面的面层厚度要小,通常只有4cm～8cm。因此,水更容易从混合料空隙渗入。因此,建议用于水泥路面加铺层的沥青混合料设计空隙率要么小,直接做成不透水性沥青混凝土,或者干脆做大,直接做成透水性沥青面层,但是,修筑透水性路面必须做好刚柔界面的防水及排水措施,对此可参照透水路面的设计方法。此外,加强刚柔界面的粘结与防水处理,对于提高刚柔性路面的抗水损坏能力也是大有帮助的。对于面层沥青混合料的设计,应该考虑集料沥青的黏附性,尽量减小发生水损坏的可能性。
4 结论
刚柔复合式路面由于结构组成和材料上的非线性特点,材料模量差异较大,其受力具有如下特点:沥青面层越厚,模量越大,面层承担的荷载效应越明显。反之,混凝土板将承担主要的荷载作用。刚柔性界面层是抗剪切破坏的薄弱环节,须加强处理。面层沥青混合料的耐久性与界面层性能有很大关系,界面层粘结能力越好,抗剪强度越高,则面层稳定性越好,使用寿命越长。刚柔性路面的整体强度及承载能力主要依靠的是下层水泥混凝土板。
摘要：刚柔复合式路面通常指的是水泥混凝土路面加铺沥青面层后形成的复合式路面,广义上讲,凡是面层结构材料的模量相差特别大,明显呈现“一刚一柔”相结合的特点的路面都可以称为刚柔性路面。由于材料差异较大,刚柔性路面有着许多不同于一般路面结构的行为特点,文中将对刚柔复合式路面结构的特点进行全面深入的探讨。
复合式路面层间剪应力分析 篇7
近几年来,我国在道路工程方面取得快速的发展,许多新兴的技术手段被运用到施工当中。在水泥混凝土路面上铺设沥青,成为现在比较常见的一种方式,这就形成了一种混凝土和沥青混凝土组成复合式路面结构。这样做的好处,不但可以节省沥青的使用量,而且还可以弥补纯沥青路面刚性要求不足的缺点。虽然如此,复合式路面本身也存在着隐患,比如上层的沥青和下层的混凝土分层铺设,模量方面相差比较悬殊、变形协调性差。特别是在外部环境气温比较高,或者承载车辆质量比较大的时候,这种复合式路面很容易发生剪切侧滑的破坏,所以粘结层材料的选取和厚度布置就成为改善符合路面抗剪性能的钥匙,对于提高道路工程的寿命有着深远的影响。国内外很多道路方面的专家都致力于复合式里面的层间最大剪力,尤其是剪切角度的研究,但是始终没有取得定论。笔者在弹性层间状体系理论的基础上,运用BISAR3.0程序分析了对混凝土沥青复合式路面的层间最大剪力、剪切角以及其变化规律,为提高层间抗剪能力提供了理论基础。
1 确定结构的基本计算参数
首先采用混凝土沥青复合式路面建立三维模型,然后运用BISAR3.0程序分析在荷载作用下层间的剪应力和剪切角。在路面层间结构是完全连续不间断的,沥青层和水泥混凝土层是均匀的,路面结构层间四周水平位移均为零,不计算本身材料的自重等理想状态下,荷载取单轴双轮组100 k N垂直均匀分布的标准轴载,轴压的半径为10.65 cm。水平方向的荷载按紧急刹车状态计算,那么路面结构的参数选取如下:
沥青混凝土层:回弹衡量为1 200 MPa,泊松比为0.3,厚度取10 cm。水泥混凝土层:回弹衡量为30 000 MPa,泊松比为0.15,厚度取20 cm。水泥稳定碎石基层:回弹衡量为1 500 MPa,泊松比为0.25,厚度取30 cm。土基础:回弹衡量为40 MPa,泊松比为0.4。在得到数据的基础上建立坐标系,坐标的原点设在双圆荷载的中间,x轴与汽车的行驶方向保持一致,y轴为路面的横向,z轴竖直向下。经过周密的计算,在完全结合状态下,当x取9.585 cm,y取15.975 cm时,层间的剪力最大。
2 层间应力的分析
为了模拟实际情况下路面层间在行车荷载下的受力情况,进行室内斜剪试验。粘结层与水平之间的夹角,我们称之为剪切角,它的取值应该是层间最大剪应力和轴压半径的比值的反正切值。
1)沥青混凝土层模量的影响。影响沥青模量的因素有很多,最为明显的是外界环境温度和外部荷载。随着时间的变化,温度越高,沥青的刚性越小,沥青混凝土的模量越低。根据之前得出的数据,把控制点定在坐标(9.585,15.975),沥青的层厚取10 cm,沥青混凝土的模量为500 MPa,1 500 MPa,2 500 MPa,3 500 MPa,4 500 MPa时,计算沥青混凝土的层间剪力分别为0.262 3 MPa,0.256 2 MPa,0.251 7 MPa,0.248 4 MPa,0.245 8 MPa。剪切角分别为:31.35°,31.29°,31.33°,31.44°,31.58°。从计算结构不难看出,随着沥青混凝土层间模量的不断增大,层间的最大剪力和剪切角都是减小的趋势。模量从500 MPa上升到4 500 MPa的过程中,层间最大剪力减小了6.2%左右,剪切角虽然也变小,但是幅度很小,所以得出,沥青混凝土模量对计算结果的影响并不是很大。
2)沥青混凝土厚度的影响。控制点依旧取在(9.585,15.975),沥青的模量控制在1 500 MPa不变,改变沥青混凝土层厚度,根据计算结构得出的沥青混凝土层间剪力和剪切角变化数据如下:
沥青层间厚度取6 cm,8 cm,10 cm,12 cm,14 cm,16 cm时,层间最大剪力分别为0.326 3 MPa,0.291 3 MPa,0.256 2 MPa,0.223 0 MPa,0.193 0 MPa,0.166 9 MPa。剪切角分别为32.14°,31.98°,31.29°,30.39°,29.43°,28.51°。由计算得到的结果可以看出,随着沥青混凝土厚度的增加,沥青层间的最大剪力和剪切角呈减小趋势。在整个厚度从6 cm上升到16 cm的过程中,层间剪力降幅达到48.8%,剪切角的幅度也达到了11.3%。由此可见,和沥青模量相比,沥青混凝土层的厚度对于层间最大剪力和剪切角的影响是相当显著的,所以,提高沥青层的厚度可以更为有效的减少层间剪力,降低层间剪切破坏的可能性。
3)粘结层模量的影响。约束条件改为沥青混凝土的模量不变,保持在1 500 MPa、厚度保持10 cm不变,粘结层厚度取5 mm不变,首先对沥青层和粘结层的层间最大剪力作用位置是否随粘结层模量变化而变化进行分析研究。计算结果表明,在这一部分,层间的最大剪力依旧发生在x取9.585,y取15.975处。同样的,在混凝土层和粘结层的层间最大剪力作用位置一样是此点。此时,沥青层和粘结层的总厚度为10.5 cm。
控制点依旧设在(9.585,15.975),研究各接触面最大剪力、剪切角随着粘结层的变化规律。当粘结层模量在150 MPa,300 MPa,500 MPa时,沥青和粘结层的层间最大剪力相对50 MPa分别增大32.90%,51.97%,63.16%,剪切角相对50 MPa分别增大19.08%,31.15%,38.36%;混凝土和粘结层的层间最大剪力相对50 MPa分别增大33.24%,52.08%,63.04%,剪切角相对50 MPa分别增大19.62%,31.69%,38.90%。实验结果表明采用低模量的粘结层可以有效降低层间剪应力、剪切角。
4)粘结层模量取50 MPa恒定不变,分析粘结层厚度对于混凝土粘结层层间以及沥青粘结层层间最大剪力的影响。经过计算得出以下结论:a.粘结层厚度为0 mm～6 mm时,沥青粘结层层间最大剪应力依然发生在x方向9.585 cm,y方向15.975 cm处。b.粘结层厚度为6 mm～12 mm的阶段,层间最大剪应力发生在x方向6.39 cm,y方向15.975 cm处。c.粘结层厚度在12 mm～15 mm阶段内时,层间最大剪应力发生在x方向3.20 cm,y方向15.975 cm处。粘结层厚度不同,最大剪力均随着粘结层厚度的增大而变小,且下降最为显著的阶段就是从0 mm～3 mm的阶段。说明在沥青层和混凝土层中间铺设一定厚度的粘结层意义是十分重大的,但是若粘结层厚度不断的增大,收益并不明显,所以需要找到一个合理的平衡点,使收益达到最大。除此之外,确定厚度的时候,还需要考虑粘结层厚度和复合式路面粘结性能是否吻合。目前采用比较广泛的是纤维沥青应力吸收粘结层,采用环氧树脂粘结胶进行连接。经过多方的试验和专家的计算得出结论,当粘结层厚度为3 mm时,层间的抗剪能力最强大。
5)行车荷载与温度综合影响。水平荷载应该考虑在紧急刹车状态下,仍是垂直荷载的1/2。根据大量实验证明,层间最大剪力与行车荷载呈线性增长的关系,而剪切角几乎不随行车荷载的变化而变化,维持在19.7°左右。主要原因是由于质量很大的车体作用在路面上时,层间剪力增加的同时,竖向应力也在按相同比例增加,这就导致剪切角度几乎为一个不变的常数。同时外界温度对于沥青混凝土的模量影响很大,尽管从之前的结论中可知,沥青混凝土模量对复合式路面层间剪力影响不大,但是在南方一些高温地区,夏天的高温仍然会导致层间抗剪强度的下降,加上超载车辆的作用,还是会有发生剪切破坏的可能。
3 结语
经过一系列试验可以看出,沥青混凝土复合式路面层间的最大剪力、剪切角对温度、结构层厚度、材料模量、行车负荷等参数的敏感性。其中不难看出,沥青层的厚度、粘结层的模量、行车荷载这三个方面对于层间剪力和剪切角的影响最为显著。
参考文献
[1]胡长顺,王秉纲.复合式路面设计原理与施工技术[M].北京:人民交通出版社,1999.
[2]王火明,凌天清,肖友高,等.刚柔复合式路面界面层强度特性试验研究[J].重庆交通大学学报(自然科学版),2009,28(6):1033-1036.
复合式路面胀缝处治技术措施研究 篇8
水泥混凝土路面设置胀缝的目的是为水泥混凝土路面板受热膨胀提供伸长的空间, 避免产生过大的温度应力, 从而使水泥混凝土路面避免产生拱胀破坏, 以及避免对邻近构造物产生影响。胀缝是水泥混凝土路面最薄弱的环节, 加上施工质量难以保证、材料性能差以及设计上存在缺陷等多方面的原因, 胀缝容易产生各种形式的早期破坏。水泥混凝土路面胀缝损坏非常普遍, 是水泥混凝土路面的通病之一。
水泥路面加铺沥青路面成为长寿命路面的一种路面结构形式, 无论是旧水泥路面加铺沥青路面, 还是新铺水泥路面加铺沥青路面, 都必须考虑水泥混凝土接缝对沥青面层开裂的影响, 横缝宽度为5mm左右, 对该位置铺设玻纤格栅, 可有效减缓接缝位置裂缝产生的横向拉应力对沥青面层造成的破坏。胀缝宽度为2cm, 较薄的沥青面层在胀缝位置出现应力集中现象, 成为复合式路面破坏的薄弱位置。本文将对复合式路面胀缝位置沥青面层处治措施进行分析, 对在建复合式路面胀缝施工具有一定指导意义, 同时减少复合式路面胀缝位置发生病害。
1 项目概况
1.1 地形地貌
本项目沿线区域地处南岭山脉南缘, 地势上总体由南往北大致呈南低北高, 东西高、中部低的趋势。地貌按成因大致可分为:冲洪积地貌、构造侵蚀丘陵地貌、溶蚀准平原地貌三个地貌单元。地貌按成因大致可分为:构造侵蚀丘陵地貌及丘陵间冲洪积地貌两个地貌单元。怀集支线存在溶蚀准平原地貌, 位于蓝钟河两岸, 长约2.6km, 海拔高程在62.00～66.00m之间, 偶见灰岩残峰。
本项目沿线地形起伏较小, 一般相对高差20～40m, 海拔高程一般在50～152m之间, 相对高程不大。
1.2 气象
本项目位于广东省西北部, 北回归线的北侧, 属中纬度亚热带季风性湿润气候。多年平均气温18.8～20.8℃, 极高气温39.9℃, 极低气温-6.9℃;夏长冬短, 全年无霜期长达300多天, 气温适宜。山区云多、雾大、多雷暴, 有霜冻、结冰与积雪。
本次设计推荐的路面结构方案如下: (1) 主线及鹤塘枢纽互通匝道、梁村停车区匝道一般路段路面结构; (2) 主线行车道、路缘带、硬路肩路面结构 (包括中央分隔带开口) ; (3) 面层:7cm中粒式SBS改性沥青混凝土 (PG82 GAC-20) ; (4) 防反射裂缝层 (1m宽玻纤格栅铺缝) ; (5) 粘层:高粘度改性沥青防水粘结层 (同步碎石封层) ; (6) 基层:30cm C40水泥混凝土; (7) 隔离层:一布一膜复合土工膜隔离层; (8) 底基层:22cm 4%～5%水泥稳定碎石; (9) 垫层:20cm级配碎石。
1.3 胀缝
由于水泥混凝土路面受热将膨胀, 理论上板的伸长量d可达:
式中:d为夏季温度升高引起的伸长量, m;α为混凝土热胀系数, 10-5/℃;ε为混凝土干缩系数, m/m;△t为夏季混凝土温度平均上升幅度, ℃;L为路段长度, m。
设置胀缝的目的是使水泥混凝土路面板在温度上升引起板伸长变形时适应其变形不至于被挤压破坏。然而, 一旦设置宽度达d的胀缝, 水泥混凝土路面实际上就相当于开了一个裂口, 显然这个裂口就是一个受力薄弱带。
从防止胀缝破坏的观点出发, 胀缝宜尽可能少设, 但又不能不设。因为不少水泥混凝土路面, 夏季热天会隆起, 有些甚至压爆。现行设计规范只讲尽量少设, 没有明确的间距要求, 这样就给胀缝的设计和施工带来不确定因素。
本项目在凹曲线底部, 临近桥梁、其他固定构造物处或与其他道路相交处应设置1～3道横向胀缝。其它一般路段500m左右设一道胀缝, 横向施工缝约100m左右设一道, 具体设置位置由施工单位根据现场情况确定。
1.4 胀缝接缝板
采用塑胶、橡胶泡沫板或沥青纤维板。其技术要求应符合表1的规定。
2 水泥混凝土路面胀缝破坏原因分析
注:各类胀缝板吸水后的压缩应力不应小于不吸水的90%, 木板应去除结疤, 沥青浸泡后木板厚度应为 (20～25) ±1mm。
水泥混凝土路面胀缝损坏是水泥混凝土路面的通病之一。大多数水泥混凝土路面在投入使用一年左右, 胀缝就开始破坏。胀缝的破坏形式有:胀裂、错台、缝边剥落、角隅剥落、断裂、拱胀、填缝料外溢等。胀缝破坏的原因是多方面的, 归纳起来有以下几方面:
(1) 施工时传动杆设置不当 (未正确定位) , 相互间或与路面不平行;
(2) 传力杆在混凝土板伸缩时, 不能自由滑移;
(3) 接缝处有硬物挤入, 使板应力高度集中, 胀缝内填充料散失, 硬物嵌入缝内, 而出现胀缝挤碎。由于胀缝缝隙较宽, 嵌缝材料易脱落, 硬物如砂、石等, 极易嵌入而引起缝边挤碎;
(4) 接缝及传力杆周围的混凝土施工质量不好;
(5) 接缝两边有错台或板边出现局部损坏时, 有过大的冲击作用。
3 复合式路面胀缝处治措施
本项目拟采用的胀缝处理措施有:
⑴对水泥混凝土胀缝做常规处理, 沥青面层不做任何处理。这是目前常用的处理措施, 胀缝内从板底到板顶全部填胀缝板, 且在胀缝处板顶加铺一层玻纤格栅。因为是否切割沥青面层仍存在较大争议, 因为切割沥青面层对沥青面层将造成一定破坏, 人为地加剧沥青面层破坏的速度, 在切缝处留下质量破坏隐患。
⑵对水泥混凝土胀缝做常规处理, 对上面沥青面层做横向切缝处理, 缝宽5mm, 主要是为了防止表面碎屑掉落至胀缝中, 同时减少对沥青面层的破坏。沥青面层的破坏容易引起胀缝位置水泥混凝土发生水损坏, 表面水从切缝位置进入胀缝, 水分在该位置积聚, 在外荷载作用下, 发生破损, 降低路面结构功能, 缩短路面使用寿命。
⑶对水泥混凝土胀缝做常规处理, 对沥青面层进行胀缝宽度的同宽度切割, 从沥青面层至水泥混凝土, 全深度范围内进行胀缝处治。尤其是碾压水泥混凝土与沥青混凝土复合式路面更是如此。因为沥青混凝土材料强度低, 高温季节流动性大, 沥青混凝土中的粗骨料容易挤入胀缝中, 由于粗骨料的存在, 限制了水泥混凝土的自由膨胀, 造成水泥混凝土板体发生拱胀, 同时在沥青面层内, 由于骨料滑落至胀缝内, 沥青面层发生凹陷, 甚至断裂, 在该位置形成塌陷。
本项目所处地区年降雨量偏大, 且相对集中, 在降雨季节, 雨水从开裂位置渗入胀缝, 在胀缝位置形成积水, 增加了行车通行的冲击力和振动, 水会沿胀缝渗入使基础软化, 在车辆荷载反复作用下, 加速水泥混凝土基层的破坏, 形成脱空, 加速水泥混凝土板体破坏, 反倒成为破坏的最薄弱环节。
本项目采用GAC-20C型沥青混合料, 胀缝的宽度为20mm, 与沥青混合料最大粒径尺寸相同, 沥青混合料的粗骨料很容易在夏季高温季节进入胀缝, 这要求对胀缝进行重新设计。胀缝应在水泥混凝土与沥青混凝土全深度范围内进行, 既要能够满足水泥混凝土的自由变形, 又能够避免沥青混合料中的粗骨料在高温季节进入水泥混凝土胀缝。
通过对不同胀缝间距的力学分析, 指出胀缝间距超过一定长度后存在固定区与滑动区, 并且随着胀缝间距的增长板端推移是逐渐增大, 但当胀缝间距达到一定长度后, 板端推移量趋于稳定。热压力分析结果还表明:固定区内有最大热压应力, 但不超过水泥混凝土抗压强度。因此, 混凝土路面除构造物附近需设置胀缝外, 其余一般路段可以不设胀缝。
当胀缝设置时有连浆现象或胀缝内掉入砾石, 则缝处有效接触面积剧减, 将产生远远超过混凝土抗压强度的压应力, 故产生上述调查到的胀缝破坏现象。如果冬季10℃左右施工, 每200m左右设置一道胀缝, 胀缝处在高温时仍然有压应力。若未精心施工或管理不善, 依然会有胀缝破坏的情况, 甚至胀缝间距再短一些也无济于事。但相反, 每条胀缝做得很好, 500m一条也不会破坏。调查的事实也证明了这一点。
对于不同的施工季节, 胀缝设置的间距可相应调整。现将胀缝设置间距随季节变化进行优化, 优化结果如下: (1) 冬季施工, 胀缝间距300m比较适宜。 (2) 春秋两季施工, 胀缝间距宜设500m。 (3) 夏季施工 (日平均气温≥30℃) , 胀缝间距宜设1000m。我国不少地方, 夏季施工时, 无论多长的路面均不设置胀缝。这种作法也是可行的, 但没有考虑使用安全性。
4 结论
⑴高等级的水泥混凝土与沥青混凝土复合式路面, 除构造物附近需设置胀缝外, 其余路段一般可不设胀缝。
⑵水泥混凝土与沥青混凝土复合式路面在构造物附近设置的胀缝, 其构造应在整个胀缝内填胀缝板, 且在胀缝处加铺玻纤格栅。
⑶对水泥混凝土胀缝做常规处理, 对沥青面层进行胀缝宽度的同宽度切割, 从沥青面层至水泥混凝土, 全深度范围内进行胀缝处治。
摘要：本文分析了复合式路面胀缝破坏产生的主要原因, 并依托二广高速公路复合式路面项目, 研究分析胀缝设置措施, 对二广高速公路复合式路面胀缝施工具有指导意义。
关键词：复合式路面,胀缝破坏
参考文献
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