混凝土預(yù)制塊體路面應(yīng)用探析

莫品疆，歸 翀

(廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530023)

混凝土預(yù)制塊體路面應(yīng)用探析

莫品疆，歸 翀

(廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530023)

混凝土預(yù)制塊體路面的主要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、耐久性好、工程造價(jià)低，適用于建設(shè)資金缺乏的農(nóng)村公路的建設(shè)。文章分析了混凝土預(yù)制塊體路面結(jié)構(gòu)承載機(jī)理，提出了適合于農(nóng)村公路的混凝土預(yù)制塊體尺寸，并結(jié)合路面施工工藝及混凝土塊體的預(yù)制工藝，根據(jù)現(xiàn)有的路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，提出了適合于農(nóng)村公路的混凝土預(yù)制塊體路面結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)方案，為混凝土預(yù)制塊體路面設(shè)計(jì)和施工提供參考。

混凝土；預(yù)制塊體；路面；設(shè)計(jì)；應(yīng)用

0 引言

目前我國公路路面主要以瀝青混凝土路面和水泥混凝土路面構(gòu)成的“二元”路面結(jié)構(gòu)為主，然而這兩種路面存在著造價(jià)高、工期較長、后期養(yǎng)護(hù)費(fèi)用高等問題，如何利用有限資金，建成造價(jià)相對(duì)低廉、使用壽命相對(duì)較長、養(yǎng)護(hù)成本較低的農(nóng)村道路，是一個(gè)值得深究和亟待解決的問題?；炷令A(yù)制塊體路面因其塊體可以在預(yù)制廠批量生產(chǎn)，平面尺寸、強(qiáng)度、厚度等基本指標(biāo)容易控制，質(zhì)量能夠保證[1]，而且造價(jià)低、壽命長、養(yǎng)護(hù)成本低等特點(diǎn)，與瀝青路面和水泥路面相比有很大優(yōu)勢(shì)，所以在農(nóng)村公路建設(shè)使用混凝土預(yù)制塊體路面是一個(gè)很好的選擇。

1 混凝土預(yù)制塊體路面結(jié)構(gòu)承載機(jī)理

混凝土預(yù)制塊體路面是由高強(qiáng)、高精密度的水泥混凝土預(yù)制塊體按照特定的排列

方式緊密排列、塊體間用嵌縫砂填灌而成的路面，在行車荷載的作用下受邊緣約束形成穩(wěn)定的嵌鎖從而限制了相鄰的塊體間相互轉(zhuǎn)動(dòng)、錯(cuò)開的趨勢(shì)[2]，見圖1。正是由于塊體間相互錯(cuò)開的趨勢(shì)，使得相接觸的塊體間產(chǎn)生了摩擦力，形成了抗剪強(qiáng)度。

圖1 邊緣約束塊體路面橫斷面圖

如圖2所示，如果施加的路面荷載越大，塊體間相互錯(cuò)開的趨勢(shì)越明顯，產(chǎn)生的擠壓力越大，荷載就會(huì)由荷載中心下的塊體擴(kuò)散至周圍的塊體，從而將荷載擴(kuò)散到更大的范圍。聯(lián)鎖塊鋪面的這種由塊體間的擠壓將豎向荷載轉(zhuǎn)化為水平推力的過程，在力學(xué)上描述為“拱”。通過以上分析，對(duì)比圖3所示的拱結(jié)構(gòu)受力示意圖可知，混凝土預(yù)制聯(lián)鎖塊鋪面具有明顯的拱效應(yīng)。

圖2 拱效應(yīng)示意圖

圖3 拱結(jié)構(gòu)受力示意圖

在一般的路面設(shè)計(jì)中為了路面排水的需要而設(shè)置路拱橫坡，而對(duì)于水泥混凝土預(yù)制塊鋪面來說，這將使得塊體間側(cè)向擠壓力更為明顯。在有路拱橫坡存在時(shí)塊體間相互擠壓的過程見圖4。由圖4可知在荷載P的作用下，A點(diǎn)豎向位移至A′點(diǎn)，當(dāng)彎沉l=h時(shí)，塊體的側(cè)向壓縮量VL為：

VL=L-L1=l×sinα≈l×α(1)

式中:α——路拱橫坡。

如α=2%，則VL=0.02×l。

由式(1)可知，回彈彎沉越大，塊體側(cè)向壓縮量越大，塊體所受的擠壓力越大，對(duì)荷載的擴(kuò)散能力越大。同時(shí)側(cè)向摩擦阻力越大，接縫的抗剪強(qiáng)度越大。

圖4 路面拱存在時(shí)的鋪面拱效應(yīng)示意圖

2 混凝土預(yù)制塊體尺寸的確定

2.1 平面尺寸的確定

根據(jù)各級(jí)汽車荷載車輪著地面積寬度(行車方向)為20cm，所以塊體寬度最小取10cm。道路路面混凝土塊體的長寬比一般為1.5～2[3]，根據(jù)上述塊體尺寸選擇的基本原則，以汽20級(jí)為例，通過計(jì)算機(jī)程序計(jì)算，分別在20cm×30cm、20cm×60cm兩個(gè)矩形中以任意長寬為x、y的小矩形進(jìn)行分割,使得分割后大矩形中x×y面積一半的小塊總面積最小。寬度取10cm，長寬比分別取1.5、1.6、1.7、1.8、1.9進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明，長寬比為1.8最為理想。但是出于便于施工的考慮，長寬比選擇1∶2，所以取塊體的平面尺寸為10cm×20cm。

2.2 厚度的確定

在車輛荷載作用于路面塊體上時(shí)，塊體底部受到較大的彎拉應(yīng)力，在考慮單個(gè)塊體受力情況時(shí)，應(yīng)使其處于最不利狀態(tài)下，即塊體完全“騰空”，呈現(xiàn)為簡支梁的狀態(tài)，運(yùn)用有限元法計(jì)算不同厚度的塊體底部“騰空”，上部輪載為0.7MPa時(shí)，塊體底部所產(chǎn)生的彎拉應(yīng)力。塊體平面尺寸為10cm×20cm，塊體厚度分別采用4cm、6cm、8cm、10cm、12cm。計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 騰空塊體底部最大彎拉應(yīng)力值表

由表1可知，當(dāng)塊體厚度在8cm時(shí)，塊體底部彎拉應(yīng)力就很小了，所以在農(nóng)村公路中，塊體的厚度主要推薦3個(gè)尺寸為：8cm、10cm、12cm。

3 塊體路面結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)厚度設(shè)計(jì)

根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)論證，在保證安全的前提下采用了厚度等效法和模量等效法，將預(yù)制塊體等效為其厚度的0.25～0.35倍的密級(jí)配瀝青混凝土[4]，運(yùn)用公路路面設(shè)計(jì)程序系統(tǒng)2003計(jì)算，得出混凝土預(yù)制塊體路面結(jié)構(gòu)推薦設(shè)計(jì)方案為：基層厚度為35cm，墊砂層厚度為3cm，見圖5。

圖5 塊體路面初步擬定結(jié)構(gòu)圖

3.2 級(jí)配碎石基層

碎石的級(jí)配是級(jí)配碎石基層強(qiáng)度與剛度最重要的影響因素，所以碎石級(jí)配的設(shè)計(jì)是級(jí)配碎石基層設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容。影響級(jí)配的主要因素為集料最大公稱粒徑和4.75mm與0.075mm篩孔通過百分率。

參考國內(nèi)外級(jí)配碎石基層混合料的級(jí)配組成范圍，結(jié)合混凝土預(yù)制塊體路面的結(jié)構(gòu)形式，確定適合于農(nóng)村混凝土塊體路面級(jí)配碎石基層混合料的級(jí)配組成范圍，如表2所示。

表2 混凝土預(yù)制塊體路面級(jí)配碎石基層混合料 推薦級(jí)配范圍數(shù)值表

3.3 墊砂層

混凝土預(yù)制塊體鋪面與其它道路路面不同的是路面是由許多預(yù)制塊體拼裝而成，在面層與基層之間還存在一層一定厚度的墊砂層，墊砂層厚度一般在3～5mm。參考國內(nèi)外關(guān)于混凝土預(yù)制塊體路面結(jié)構(gòu)墊層砂與填縫砂規(guī)格的要求，結(jié)合試驗(yàn)路段當(dāng)?shù)厣百|(zhì)的具體情況確定墊層砂與接縫砂的級(jí)配范圍如表3所示。

表3 墊層砂與接縫砂級(jí)配表

3.4 塊體混凝土配合比設(shè)計(jì)及性能試驗(yàn)

采用標(biāo)號(hào)為42.5MPa的水泥成型C30水泥混凝土預(yù)制塊，參考《普通混凝土設(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJ55-2011)中普通混凝土的設(shè)計(jì)方法，確定塊體混凝土的配合比[5]。通過計(jì)算配合比，進(jìn)行試拌，確定試拌配合比，拌和成型，各成型一組試件，每組6塊，放入養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)，到養(yǎng)護(hù)齡期后對(duì)試件進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)，繪制強(qiáng)度和膠水比的線性關(guān)系圖，確定膠水比為2.68，即水膠比為0.37。在確定的水膠比基礎(chǔ)上，上下浮動(dòng)0.05得到三個(gè)水膠比，然后以這三個(gè)水膠比成型試件進(jìn)行塊體性能試驗(yàn)。即以水膠比為0.32、0.37和0.42 基準(zhǔn)，塊體尺寸以20cm×10cm×10cm為標(biāo)準(zhǔn)，混凝土預(yù)制塊體材料用量比例為mc0∶mw0∶ms0∶mg0=1∶0.37∶2.32∶3.2，分別成型試件并進(jìn)行性能試驗(yàn)。

3.4.1 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

塊體抗壓強(qiáng)度采用試驗(yàn)室內(nèi)壓力試驗(yàn)機(jī)，精度(示值相對(duì)誤差)≤±1%。采用室內(nèi)養(yǎng)護(hù)28d的預(yù)制塊體進(jìn)行試驗(yàn)[6]，對(duì)于要進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)的塊體應(yīng)清除表面松動(dòng)顆粒和浮渣，然后放入溫度為室溫的水中浸泡24h±0.25h。每個(gè)水灰比成型6塊試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果以6塊試件抗壓強(qiáng)度平均值和單塊最小值表示，其試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

通過抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)數(shù)據(jù)來看，當(dāng)水灰比為0.37時(shí)，塊體強(qiáng)度達(dá)到了Cc40 《混凝土路面磚》(GB28635-2012)的強(qiáng)度等級(jí)[7]。

3.4.2 抗折強(qiáng)度試驗(yàn)

塊體抗壓強(qiáng)度采用試驗(yàn)室內(nèi)抗折試驗(yàn)機(jī)，精度(示值相對(duì)誤差)≤±1%。采用室內(nèi)養(yǎng)護(hù)28d的預(yù)制塊體進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)于要進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)的塊體應(yīng)清除表面松動(dòng)顆粒和浮渣，然后放入溫度為室溫的水中浸泡24h±0.25h。每個(gè)水灰比成型6塊試件進(jìn)行抗折強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果以6塊試件抗折強(qiáng)度平均值和單塊最小值表示，其試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果表

通過以上抗折的數(shù)據(jù)來看，0.37的水灰比能夠使塊體的抗折強(qiáng)度達(dá)到Cf4.0《混凝土路面磚》(GB28635-2012 )的強(qiáng)度等級(jí)。

通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出，用0.37的水灰比所成型的試件與其它兩個(gè)水灰比所成型的試件相比，其單個(gè)試驗(yàn)性能并不是最好的，但是從拌和難易程度、振動(dòng)壓實(shí)、強(qiáng)度、吸水率等綜合情況來看，其綜合性能優(yōu)勢(shì)比較明顯，所以試驗(yàn)證明0.37的水灰比較為合適。

4 結(jié)語

混凝土預(yù)制塊體路面以其塊體可以在預(yù)制廠批量生產(chǎn)，質(zhì)量能夠保證，而且具有造價(jià)低、壽命長、養(yǎng)護(hù)成本低等特點(diǎn)，在我國農(nóng)村公路建設(shè)中已經(jīng)有一定的應(yīng)用。隨著理論研究的進(jìn)一步深入，如通過再生混凝土骨料在預(yù)制塊體中的應(yīng)用研究，進(jìn)一步降低混凝土預(yù)制塊體路面的建設(shè)成本，混凝土預(yù)制塊體路面還將會(huì)得到更廣泛的關(guān)注，并在我國農(nóng)村公路建設(shè)中占據(jù)更大的比例，而且在城市道路、有特殊要求的特殊路段也將會(huì)出現(xiàn)混凝土預(yù)制塊體路面的應(yīng)用。

[1]陳炳生.預(yù)制塊路面設(shè)計(jì)應(yīng)用研究[C]. 上海：上海市公路學(xué)會(huì)，1999.

[2]孫立軍.聯(lián)鎖塊鋪面的結(jié)構(gòu)承載理論[J]. 土木工程學(xué)報(bào)，2005，28(4):15-21.

[3]王春紅.云南省農(nóng)村公路新型路面典型結(jié)構(gòu)研究[D].西安：長安大學(xué)，2011.

[4]JTGD50-2006，公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[5]JGJ55-2011，普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程[S].

[6]JTGD40-2011，公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[7]GB28635-2012，混凝土路面磚[S].

Discussions on the Application of Precast Concrete Block Pavement

MO Pin-jiang，GUI Chong

(Guangxi Vocational and Technical College of Communications，Nanning，Guangxi，530023)

The main features of precast concrete block pavement is the high structural strength，good durability，and low construction cost，which is suitable for the construction of rural highway lack of construction funds.This article analyzed the structure-bearing mechanism of precast concrete block pavement，proposed the precast concrete block size suitable for rural highway，and combined with pavement construction technology and the prefabrication process of concrete blocks，and based on existing pavement structure design methods，it proposed the structure combination design plan of precast concrete block pavement suitable for rural highways，thereby providing the reference for the design and construction of precast concrete block pave-ment.

Concrete；Precast blocks；Pavement；Design；Application

莫品疆，碩士，副教授，研究方向：公路橋梁工程技術(shù)。

U

A

10.13282/j.cnki.wccst.2015.06.009

1673-4874(2015)06-0035-04

2015-05-08