連續(xù)配筋混凝土路面發(fā)展及特性

唐彬 史勤

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速增長(zhǎng)，交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)突飛猛進(jìn)。到2010年年底，全國(guó)高速公路已突破7.5萬(wàn)km。然而，隨著交通量的增長(zhǎng)和車輛組成結(jié)構(gòu)的變化，超載車對(duì)道路造成的損害越來(lái)越嚴(yán)重，高等級(jí)公路必須具有高品質(zhì)與高性能的路面以適應(yīng)公路運(yùn)輸重型化、大型化和大交通量的特點(diǎn)。

1 配筋混凝土路面的發(fā)展與應(yīng)用

美國(guó)在20世紀(jì)20年代修筑了第一條CRCP試驗(yàn)路，其目的是為了克服普通混凝土路面由于接縫而產(chǎn)生的唧泥、錯(cuò)臺(tái)、拱起等病害。1925年在伊利斯(Illinois州)泥炭沼地上修筑了一條800 m長(zhǎng)的連續(xù)配筋混凝土路面。1938年在印第安納州修建了試驗(yàn)路，其橫縫間距為61 m～400 m不等，并且直接鋪筑在易于發(fā)生唧泥的路基上。1972年對(duì)這些試驗(yàn)路進(jìn)行了研究和修筑工作。

然而，CRCP在我國(guó)的應(yīng)用很少。1989年9月在江蘇鹽城修建了長(zhǎng)500 m的CRCP試驗(yàn)路。1997年，河南107國(guó)道許昌段修建了半幅10 km的CRCP。2002年湖南省耒宜高速公路建設(shè)有限公司在京珠主干線湖南耒陽(yáng)—宜章段修筑了44 km的連續(xù)配筋混凝土路面。隨著我國(guó)高等級(jí)公路的建設(shè)發(fā)展及對(duì)路面使用性能要求的提高，CRCP在我國(guó)高等級(jí)公路上必將得到推廣使用。

2 配筋混凝土路面的機(jī)理

連續(xù)配筋混凝土路面是在面層內(nèi)設(shè)置連續(xù)的縱向和橫向鋼筋而不設(shè)橫向縮縫的水泥混凝土路面，它克服了普通水泥混凝土路面橫縫過(guò)多的缺陷，減少了構(gòu)造上導(dǎo)致病害發(fā)生的因素，是利用普通水泥混凝土的良好抗壓性能、充分發(fā)揮鋼筋的抗拉性能，來(lái)提高路面結(jié)構(gòu)整體抗彎拉強(qiáng)度的原理進(jìn)行設(shè)計(jì)的。但連續(xù)配筋混凝土路面并非真正沒有裂縫，只是由于混凝土的收縮變形為鋼筋所約束。收縮應(yīng)力為鋼筋所承擔(dān)，因此裂縫分散在更多的部位，通常1.5 m～4.0 m即有一微小裂縫，這種微小的裂縫不至于破壞路面的整體連續(xù)性能和行車的平穩(wěn)性，路面表面雨水也不易滲入，從而確保了基層的強(qiáng)度與穩(wěn)定性;同時(shí)裂縫也不會(huì)延伸到鋼筋表面，路面結(jié)構(gòu)鋼筋不會(huì)受到銹蝕，面層強(qiáng)度不會(huì)降低，因此路面使用壽命會(huì)延長(zhǎng)且使用性能不會(huì)改變。

連續(xù)配筋混凝土路面的厚度與普通水泥混凝土板相同。配筋率按容許裂縫寬度計(jì)算，縱向配筋率一般控制在0.6%～0.8%;與JCP一樣，CRCP在季節(jié)性溫度變化下將產(chǎn)生周期性移動(dòng)，由于連續(xù)配置的鋼筋對(duì)溫度荷載有一定的傳遞作用，且橫縫較普通混凝土路面大為減少，在板中由于受到路基的約束而無(wú)位移，若兩端沒有任何約束措施，在溫度變化下，CRCP的兩端在一定長(zhǎng)度范圍內(nèi)將會(huì)產(chǎn)生很大的位移，必須采取一定的措施加以限制，以避免混凝土板被擠壓破壞，嚴(yán)重影響路面的使用性能，避免對(duì)與之相連的其他路面或橋梁、通道、涵洞等構(gòu)造物產(chǎn)生危害，因此必須對(duì)端部進(jìn)行處理。處理措施有矩形鋼筋混凝土地梁錨固、混凝土灌注樁錨固、寬翼緣工字鋼梁連續(xù)設(shè)置脹縫等。

3 路面的受力變形特性

若給定設(shè)計(jì)條件(如板厚、基層支承剛度)，則CRCP的受力特性在很大程度上是輪載、橫向裂縫間距及其寬度的函數(shù)。裂縫寬度與橫向裂縫間距有關(guān)，因此CRCP的受力特性主要依賴于橫向裂縫間距。因?yàn)槁访嫫茡p是路面的極限反應(yīng)或破壞，通過(guò)研究可以找到路面破損與橫向裂縫間距的關(guān)系。在CRCP中，溫度變化和干縮引起的拉應(yīng)力會(huì)因橫向裂縫的形成而得到釋放;輪載產(chǎn)生的附加應(yīng)力將加劇橫向裂縫的產(chǎn)生，即產(chǎn)生附加裂縫。如果這些裂縫間距合適，并不會(huì)不利于路面使用性能。事實(shí)上，間距均勻合適的橫向裂縫分布，是設(shè)計(jì)者追求的理想狀態(tài)。CRCP病害大多數(shù)與不規(guī)則的裂縫分布(裂縫間距過(guò)短或過(guò)長(zhǎng))有關(guān)。

CRCP中橫向裂縫的形成有兩種機(jī)理。一種是路面板體積變化受到約束而產(chǎn)生橫向裂縫;另一種是外部的輪載對(duì)板產(chǎn)生的彎拉效應(yīng)。第一種機(jī)理在CRCP早期起主要作用。路面開放交通后，兩種機(jī)理共同作用，引起路面進(jìn)一步開裂。然而，第二種機(jī)理取決于第一種機(jī)理作用的結(jié)果，因?yàn)檩嗇d產(chǎn)生的應(yīng)力部分取決于裂縫間距和寬度。

3.1 鋼筋特性

鋼筋不存在干縮的問(wèn)題，在溫度和濕度變化下不會(huì)發(fā)生像混凝土那么大的體積變形量。鋼筋具有很高屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度以及體積變形率低的特性，這就有可能保證CRCP的連續(xù)性。影響CRCP受力變形性質(zhì)的鋼筋參數(shù)有:縱向鋼筋配筋率，鋼筋尺寸，縱向鋼筋在板內(nèi)的垂直位置。

野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鋼筋配筋率高于某一數(shù)值后，CRCP橫向裂縫間距幾乎不再發(fā)生變化，而低于1%時(shí)，其影響顯著。配筋率也影響著橫向裂縫的寬度。CRCP中混凝土板的大部分應(yīng)力是由裂縫處縱向鋼筋通過(guò)應(yīng)力傳遞的。這一應(yīng)力傳遞取決于縱向鋼筋表面積及其體表形狀。對(duì)于相同的縱向鋼筋配筋率，尺寸小的鋼筋將具有較高的體表面積，在總量上傳遞給混凝土更多的應(yīng)力。縱向鋼筋在混凝土路面板內(nèi)的垂直位置對(duì)橫向裂縫間距有顯著的影響。如果將縱向鋼筋靠近板中性面設(shè)置，對(duì)板產(chǎn)生明顯的約束作用，從而產(chǎn)生更多的橫向裂縫。

3.2 路面結(jié)構(gòu)

水泥混凝土路面板的厚度對(duì)交通荷載應(yīng)力有較大影響。增加路面板厚度可降低交通荷載應(yīng)力，其裂縫間距較大。較厚的路面板在交通荷載作用下，其彎沉值較低，可降低裂縫面上骨料咬合作用散失的可能性。而良好的骨料咬合作用有助于保證路面板的連續(xù)性，進(jìn)一步降低交通荷載應(yīng)力，延緩路面性能的衰退。人們很早就開始研究地基摩擦對(duì)混凝土路面板開裂的影響。研究發(fā)現(xiàn)，地基摩擦性能取決于基層材料，且差異很大。破壞面并不是在路面板和基層界面上，而是在基層內(nèi)部，除非在基層面采用了薄層瀝青處理層。因水泥混凝土路面板與基層間的粘結(jié)力強(qiáng)于基層材料的抗剪強(qiáng)度，所以地基與路面板之間的摩擦特性與基層材料的抗剪強(qiáng)度有關(guān)。在連續(xù)式配筋混凝土路面中，除了具有很高的摩擦阻力峰值的水泥穩(wěn)定基層外，當(dāng)裂縫間距較大時(shí)，這種摩擦作用主要影響早期開裂。因此，基層摩擦作用對(duì)裂縫發(fā)展有影響，一旦裂縫穩(wěn)定后，基層的摩擦作用可忽略不計(jì)。

4 路面的破壞形式

連續(xù)配筋混凝土路面也存在一些缺點(diǎn)，主要有以下幾個(gè)方面:

CRCP破壞形式主要有:剝落、折斷、鋼筋斷裂、局部開裂等。剝落就是裂縫處混凝土的散失。折斷是混凝土板被縱橫縫分隔成不連續(xù)的小塊，在交通荷載反復(fù)作用下使混凝土脫落，在橫向裂縫間距較小時(shí)，較容易發(fā)生破壞。當(dāng)橫向裂縫寬度發(fā)展為0.5 mm～0.6 mm時(shí)，鋼筋應(yīng)力超過(guò)其抗拉強(qiáng)度就產(chǎn)生鋼筋折斷，這些破壞都跟裂縫的寬度和間距有聯(lián)系。實(shí)際上，連續(xù)配筋混凝土路面并非真正沒有裂縫，只是由于混凝土的收縮變形被鋼筋所約束，部分收縮應(yīng)力被鋼筋所承擔(dān)，使得裂縫分散在更多的位置，裂縫寬度也很小。連續(xù)配筋混凝土路面裂縫類型有D形裂縫，縱向裂縫，橫向裂縫。橫向裂縫主要垂直于路面的中線，在正常使用的連續(xù)配筋混凝土路面橫向裂縫的出現(xiàn)很正常，在中車道上橫向裂縫與想象中的縱向線交叉，從路面的邊緣起產(chǎn)生的橫縫應(yīng)當(dāng)以單個(gè)裂縫計(jì)算。CRCP開裂的原因是由于CRCP水泥混凝土的干縮和溫縮作用受到鋼筋和地基的約束，CRCP必然產(chǎn)生橫向開裂，所以橫向開裂是CRCP本身性質(zhì)所決定而無(wú)法避免的。通常CRCP的前期裂縫由降溫與干縮變形引起，而使用后期的裂縫主要是因行車荷載重復(fù)作用引起的板底疲勞開裂，混凝土的變形可以分為兩個(gè)階段:第一階段從路面攤鋪開始至養(yǎng)護(hù)結(jié)束后開放交通。這一階段混凝土的變形主要包括澆筑初期(終凝前)的凝縮變形、硬化混凝土的干燥收縮變形、溫度下降引起的冷縮變形等。第二階段為開放交通之后。該階段板內(nèi)應(yīng)力以車輛荷載引起的應(yīng)力和混凝土翹曲應(yīng)力為主，這一階段路面行為主要表現(xiàn)為原有裂縫的寬度增加和少量新裂縫的產(chǎn)生。

5 結(jié)語(yǔ)

鑒于連續(xù)配筋混凝土路面的優(yōu)良性能，應(yīng)在國(guó)內(nèi)大力推廣。連續(xù)配筋混凝土路面早期橫向開裂主要是因?yàn)闇乜s和干縮引起的變形受到了鋼筋和地基的約束，導(dǎo)致內(nèi)部拉應(yīng)力的發(fā)展，超過(guò)其抗拉強(qiáng)度，就產(chǎn)生裂縫。由于混凝土的干縮系數(shù)，溫縮系數(shù)以及強(qiáng)度和剛度等又隨著齡期而變化。在前期，溫縮、干縮發(fā)展較快，而此時(shí)混凝土的強(qiáng)度還未形成，裂縫增長(zhǎng)迅速。隨著時(shí)間的推移，混凝土的強(qiáng)度逐漸形成，干縮發(fā)展穩(wěn)定，環(huán)境因素只存在溫縮的影響，因此，一般橫向開裂經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的發(fā)展才基本趨于穩(wěn)定。所以，要消滅混凝土路面開裂這一質(zhì)量通病，延長(zhǎng)水泥混凝土路面的使用周期，提高投資效益，需要設(shè)計(jì)、施工、養(yǎng)護(hù)管理各方主體各負(fù)其責(zé)，分頭把關(guān)，按照行業(yè)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合工程實(shí)際，嚴(yán)格履行各自職能，相信這一頑疾一定會(huì)得到根治。

CRCP抗沖斷和碎裂的能力與裂縫間距和寬度有關(guān)。現(xiàn)有的CRCP設(shè)計(jì)和施工方法采用的是被動(dòng)裂縫控制方法，也就是說(shuō)，裂縫是自然發(fā)展的。許多研究者發(fā)現(xiàn)沖斷和碎裂破壞發(fā)生于聚集裂縫、Y形裂縫和分割裂縫上。研究表明:相對(duì)于自然開裂段來(lái)說(shuō)，誘導(dǎo)式裂縫控制方法得到貫穿的橫向裂縫更快、更直、間距更均勻。18個(gè)月后，自然開裂段出現(xiàn)了數(shù)條彎曲裂縫、聚集裂縫、Y形裂縫和分割裂縫。采用主動(dòng)裂縫控制的CRCP優(yōu)于采用被動(dòng)裂縫控制的CRCP，因?yàn)樗墚a(chǎn)生更均勻、更直、發(fā)展更早的橫向裂縫。

[1]黃曉明，鄧學(xué)鈞.路面設(shè)計(jì)原理與方法[M］.第2版.北京:人民交通出版社，2007:1.

[2]鄧學(xué)鈞.路基路面工程[M］.第3版.北京:人民交通出版社，2009:12.

[3]長(zhǎng) 順，曹東偉.連續(xù)配筋混凝土路面設(shè)計(jì)理論與方法研究.國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目研究報(bào)告[R］.西安:西安公路交通大學(xué)，2000.

[4]胡長(zhǎng)順，李成才，景彥平，等.連續(xù)配筋混凝土路面試驗(yàn)路研究.國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目研究報(bào)告[R］.西安:西安公路交通大學(xué)，2001.

[5]王 虎，胡長(zhǎng)順.連續(xù)配筋混凝土路面在橫向荷載作用下的解析解[J］.西安公路交通大學(xué)學(xué)報(bào)，1999(8):9-20.