介紹
確定碾壓混凝土路面的最大縮縫間距(即板長) 是混凝土路面接縫設計的主要內容。接縫設定的合理與否不僅關係到路面的壽命, 而且影響路面的行車性能。接縫過多, 不僅增加施工的複雜性, 同時還容易導致唧泥、錯台等破壞, 嚴重影響路面的整體強度。但是, 板長過大也會帶來一些問題, 例如①溫度翹曲應力增大, 增加斷板的可能性; ②乾縮和溫度變化引起板的伸縮量增大, 增加對填縫材料的彈性密封要求; ③降低依靠集料嵌鎖作用的接縫傳荷能力等。因此, 針對碾壓混凝土路面的特點, 採用力學分析與試驗相結合的方法, 研究確定合理的橫向縮縫間距對提高路面使用質量具有重要意義。
國內外現狀
到目前為止, 我國已有10多個省(區) 市鋪築了碾壓混凝土路面試驗工程, 取得了不少有價值的研究成果。但在這些研究成果中, 有關碾壓混凝土路面縮縫間距的研究相對較少, 一般僅僅是依據乾縮係數的減少來確定縮縫的間距。有的文獻根據室內伸縮值的對比試驗和試驗路鋪築驗證, 認為碾壓混凝土路面每隔10～15m 設定一條縮縫是可行的。
西班牙、法國、澳大利亞等國家研究、套用碾壓混凝土路面施工技術已有多年歷史, 但由於主要用於建造貨場、港口碼頭、停車場和低等級道路工程, 因此對接縫的研究較少, 有的甚至與瀝青路面一樣, 不預設接縫, 任其自由開裂。根據第十八屆世界道路會議的資料介紹, 不預設橫縫、自由開裂產生的橫縫間距通常為6～12m, 有時可達到20m。
日本道路協會1990年5月制訂的“碾壓混凝土路面技術指南(草案)”對橫向縮縫提出的設定原則為: 當板厚為25cm 時, 橫向縮縫間距為15～20m; 板厚小於25cm 時, 間距為10～15m。但這種規定主要依據實際工程觀測, 尚未見到深入的試驗研究成果或理論分析報告。美國混凝土學會( ACI) 325委員會1995年發表的《碾壓混凝土當前工藝水平的報告》中涉及碾壓混凝土路面接縫設計的內容相當少, 僅在“路面設計的考慮”一節中提到: 採用橫縫時, 一般間隔在9. 1～21. 3m 之間。綜上所述, 各國對RCCP縮縫設定的認識尚未統一, 雖普遍認為可比普通水泥混凝土路面適當延長間距, 但多以一定時間內的實踐為依據, 尚缺乏從路面力學理論上深入分析延長縮縫間距的機理, 因而無法根據RCC材料及RCCP結構的自身特性確定合理的縮縫間距。
影響因素
根據混凝土板的受力特點, 碾壓混凝土路面縮縫間距(板長) 與以下幾個因素有關:
(1) 溫度應力 由於大氣溫度和太陽輻射周期性變化, 致使碾壓混凝土路面產生由年溫差引起的脹縮應力和由日溫差引起的翹曲應力。年溫差引起的溫度變形, 周期性較長, 溫度變化較緩慢, 因此路面板的脹縮在厚度範圍內呈均勻分布, 這種變形一旦受到約束將產生均勻脹縮應力, 由年溫差引起的收縮應力可能是影響縮縫間距的重要因素。在日溫差較大的季節, 由於日溫差變化周期較短, 在路面板厚度範圍內呈現不均勻分布, 板上下形成的溫度梯度將產生翹曲應力。在氣溫溫差很大的情況下, 路表溫差振幅很大, 而板底溫差振幅很小, 在最高氣溫與最低氣溫兩個不同時刻形成的最大變溫場可能產生較大的溫度應力。
(2) 溫度翹曲變形 溫度梯度會使混凝土板產生翹曲變形的趨勢, 當這種趨勢受阻時, 會在混凝土板內產生翹曲應力, 而當板的約束不足時, 則會產生翹曲變形而形成板底脫空現象。若翹曲應力或脫空區過大, 受行車荷載時容易使路面板斷裂。
(3) 乾縮應力 由於水泥水化和水分的蒸發, 在水泥漿變成水泥石的硬化過程中將發生收縮變形, 而集料在這個過程中體積基本不變, 因而引起混凝土的乾縮變形, 當乾縮變形受到約束時產生乾縮應力。乾縮應力的大小取決於乾縮係數、面板與基礎的聯結狀態和板的長度。因此, 乾縮應力有可能是控制最大縮縫間距的主要因素。
(4) 荷載應力 就荷載應力本身而言, 大量的計算結果表明, 當板平面尺寸超過板相對剛度半徑後, 板長、板寬對荷載應力影響不明顯, 但在考慮溫度應力與荷載應力組合、乾縮應力與荷載應力組合成最不利情況時, 荷載應力對板塊平面尺寸有影響。
控制因素
3.1 溫縮應力
為了充分反映整個路面結構溫度場對溫度應力的影響,採用三維有限元法計算溫度應力。混凝土的物理參數中線脹係數是影響溫度應力的主要因素。普通水泥混凝土的線脹係數為1×10/℃, 碾壓混凝土的線脹縮係數與溫度有關, 在負溫區與普通混凝土相近, 當溫度大於20℃時, 脹縮係數趨於平穩。碾壓混凝土的脹縮係數一般在0. 5×10/℃～0. 9×10/℃。東南大學經實測統計得到脹縮係數為Tc= 0. 76× 10。當板長為6m 時, 在最大變溫- 40℃和-50℃情況下, 板中拉應力分別為2. 2M Pa和2. 7M Pa。如按混凝土抗折強度為5M Pa, 混凝土抗拉強度按最保守的估計應為抗折強度的0. 58倍, 即抗拉強度為2. 9M Pa, 因此, 即使在最大變溫為- 50℃的情況下, 溫縮應力仍未超過抗拉強度, 況且一般年溫差不可能達到-50℃。如果綜合考慮溫縮應力和荷載應力的迭加, 彎拉應力仍不超過抗彎拉強度。而最大翹曲應力不會與最大溫縮應力產生迭加。圖2給出了碾壓混凝土路面的溫縮應力。同理, 溫縮應力也不是碾壓混凝土路面最大縮縫間距的控制因素。
3.2 溫度翹曲變形
如果把普通混凝土路面板長6m、板厚22cm的翹曲變形作為容許的翹曲變形, 那么可以得到碾壓混凝土路面最大的板長。按該標準, 如果線脹係數取0. 76×10/℃, 則RCCP路面RCC板長最多在7～8m 之間。計算中取面板厚度h= 24cm, 二灰碎石基層厚度h= 15cm, 混凝土模量E= 33 000M Pa , 二灰碎石基層模量E= 1 500M Pa , 土基計算回彈模量Et= 525M Pa, 靜摩擦係數f 0= 2. 60, 滑動摩擦係數f 2= 6. 0,普通混凝土路面抗剪強度fmax= 0. 46M Pa ,碾壓混凝土路面抗剪強度fmax=0. 58M Pa, 對於普通混凝土路面Zmax= 0. 30mm , 對於碾壓混凝土路面Zmax= 0. 45m m。
乾縮係數對乾縮應力影響很大, 乾縮係數越大, 乾縮應力越大, 對於普通混凝土路面當板長為6m 時, 最大拉應力為2. 4M Pa, 按抗拉強度2. 9M Pa 考慮, 即未達到抗拉強度, 但當板長為7m 時, 最大拉應力為3. 2M Pa, 此時已超過抗拉強度,證明目前普通水泥混凝土路面取最大板長為6m 是符合乾縮應力控制要求的。經採用不同的乾縮係數和線脹係數試算的結果, 碾壓混凝土路面板長可取6～10m。如果綜合考慮乾縮應力、溫縮應力、翹曲應力和荷載應力, 溫縮應力達到最大值時, 乾縮應力會被鬆弛一部分, 加上部分翹曲應力和行車荷載的最不利情況, 四者之和構成控制最大縮縫間距的因素。根據綜合分析建議全厚式碾壓混凝土路面最大縮縫間距如表2。
試驗路結果
4.1 廣西田陽試驗路
1992年4月鋪築的廣西田陽試驗路路面寬度7. 5m, 二灰砂礫基層, 碾壓混凝土面板厚度23cm , 設定了5m、10m 和20m三種縮縫間距。根據觀測, 竣工後僅1～2個月, 20m 長的板即大部分斷裂, 5m 和10m的板基本沒發生斷裂。而1996年初觀測, 20m 板基本都已斷裂, 10m 板部分發生斷裂。根據這種情況分析, 早期20m 板的斷裂主要是竣工後混凝土的迅速乾縮所致, 後期10m 板的斷裂可能是溫度應力、乾縮應力和荷載應力的綜合作用的結果。
4.2 山西左雲試驗路
1992年9月鋪築完成的山西左雲試驗路為水泥穩定碎(礫) 石基層, 混凝土板厚24cm , 設定了10m、15m、20m、25m 幾種縮縫間距。到1993年2月, 已有多處發生斷板現象。經分析發現, 其裂縫主要有以下形式:
①施工時發生的早期裂縫
試驗路所在的大同地區9月份晝夜溫差較大, 因此部分路段由於混凝土路面板在鋪築當天強度很低的情況下就受到上(低) 下(高) 溫差引起的翹曲應力的作用而發生破壞;
②乾縮、 溫度翹曲和荷載綜合作用引起的開裂
由於設定了不少長間距的縮縫( 15m以上) , 這些板在乾縮應力、溫度翹曲應力和荷載應力的綜合作用下發生開裂(主要是後期產生的斷裂)。
上述兩種裂縫中, 第一種通過合理的施工組織是可以避免的, 而第二種裂縫則是板長過大的必然結果。從開裂結果來看, 斷板位置多在9～10m 範圍, 可以認為板長宜在10m 以內。
4.3 廣西武鳴試驗路
廣西武鳴試驗路於1994年3～4月鋪築, 路面寬度9m, 厚度24cm。因為已有田陽試驗路和左雲試驗路的施工經驗和一定的觀測資料, 所以在武鳴試驗路上沒有進行長縮縫間距的試驗, 主要安排了6～8m 間距。根據觀測, 除個別板塊明顯因路基沉降發生斷裂外, 基本沒有斷板現象。
4.4 山西長治試驗路
1995年6～ 7月鋪築的山西長治試驗路混凝土板厚度24cm , 縮縫間距8～ 10cm。據最近的觀測, 混凝土板多處發生了斷裂。經分析認為, 除一些路段施工時未能按規定及時鋸縫產生斷板外, 主要是10m 的縮縫間距太大, 通車以後在乾縮應力、溫度應力和荷載應力的綜合作用下產生開裂。
結論和建議
(1) 本文從路面力學理論上深入分析了控制接縫間距的因素和延長接縫間距機理, 為確定碾壓混凝土路面的合理接縫間距提供了理論依據。
(2) 綜合理論分析的結果和試驗路的試驗觀測結果, 建議全厚式碾壓混凝土路面縮縫間距為6～8m。
(3) 各種接縫的使用性能建議進行長期觀測。
