高速公路水泥混凝土路面加鋪層設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

李　琳　羅　芳

(鄭州財(cái)經(jīng)學(xué)院 土木工程學(xué)院， 河南 鄭州　450000)

?

高速公路水泥混凝土路面加鋪層設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

李琳羅芳

(鄭州財(cái)經(jīng)學(xué)院 土木工程學(xué)院， 河南 鄭州450000)

[摘要]高速水泥混凝土路面經(jīng)出現(xiàn)板底脫空、板角斷裂、坑洞、錯(cuò)臺(tái)等病害，導(dǎo)致混凝土路面的使用性能和行車安全出現(xiàn)較大的隱患，從理論和試驗(yàn)角度分析高速公路水泥混凝土路面加鋪層的力學(xué)性能 。結(jié)果表明：分析不同材料組分外加劑對(duì)漿液流動(dòng)性和強(qiáng)度影響較大，高速混凝土路面二次壓漿穩(wěn)板施工的方法具有較好的適用性， 施工前后路面的高程、彎沉值等參數(shù)符合規(guī)范要求；瀝青加鋪層的厚度越大，車輛荷載作用下接縫處的彎沉差越小，應(yīng)力集中大幅減??；設(shè)置LSPM層的瀝青加鋪層的荷載應(yīng)力較低，基本沒(méi)有應(yīng)力集中的現(xiàn)象，可以較好的避免瀝青加鋪層反射裂縫。

[關(guān)鍵詞]高速公路; 水泥混凝土; 加鋪層; 設(shè)計(jì)

0前言

水泥混凝土路面主要以水泥混凝土為，其優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)定性好、強(qiáng)度高、耐久性好，但隨著使用年限的增加，水泥混凝土路面出現(xiàn)不同程度的破壞，在較大溫差和車輛超載等作用下，高速水泥混凝土路面經(jīng)出現(xiàn)板底脫空、板角斷裂、坑洞、錯(cuò)臺(tái)等病害，導(dǎo)致混凝土路面的使用性能和行車安全出現(xiàn)較大的隱患，為此需要對(duì)混凝土路面進(jìn)改建。目前，主要是通過(guò)挖除重鋪、“白加白”、“白加黑”這幾種方法，其中“白加黑”具有建筑垃圾少、周圍環(huán)境的影響小、易于養(yǎng)護(hù)維修等優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)而得到廣泛的應(yīng)用。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者高速公路水泥混凝土路面加鋪層設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究進(jìn)行了很多研究，“白加黑”的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法一般是試驗(yàn)和實(shí)際調(diào)查未基礎(chǔ)，結(jié)合當(dāng)?shù)氐木唧w條件確定參數(shù)，提出經(jīng)驗(yàn)公式。Windmill,A等通過(guò)試驗(yàn)和野外觀測(cè)，建立水泥路面進(jìn)行瀝青加鋪的結(jié)構(gòu)力學(xué)預(yù)測(cè)模型[1]；Gulden通過(guò)研究提出不采取防裂措施的情況下，加鋪層的厚度要大于等于10 cm[2]; Majidzadeh.K, Abdulshafi.A等[3]提出計(jì)算水泥混凝土路面瀝青加鋪層反射裂縫的新模型；J.M.Rigo、S.S.Cescotto和P.J.Kuck等[4]開(kāi)發(fā)模擬加鋪層反射裂縫的有限元程序，該程序可以較好的反映溫度變化對(duì)路面結(jié)構(gòu)的影響；林愛(ài)萍深入分析了土工布的施工工藝對(duì)水泥路面瀝青加鋪層的反射裂縫的影響機(jī)理[5]；周志剛、張起森、鄭健龍對(duì)橋聯(lián)增韌效應(yīng)進(jìn)行了深入分析[6]；裘國(guó)光采用實(shí)際工程的方法研究GSOG瀝青混合料直投式施工技術(shù)，發(fā)現(xiàn)該方法可以有效預(yù)防水泥混凝土路面反射裂縫[7]。

高速公路水泥混凝土路面由于應(yīng)用較多，在不同的地區(qū)出現(xiàn)的問(wèn)題各不一樣，所以針對(duì)不同的路面問(wèn)題進(jìn)行加固處理一直是國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)，目前對(duì)我國(guó)對(duì)瀝青加鋪層設(shè)計(jì)沒(méi)有較為規(guī)范的方法，本文針對(duì)實(shí)際施工中的壓漿技術(shù)的配合比及施工細(xì)節(jié)進(jìn)行深入分析，確定壓漿原材料的最佳配合比，采用有限元法建立數(shù)值模型，研究瀝青加鋪層厚度對(duì)高速公路水泥混凝土路面加鋪層路面的力學(xué)行為。

1配合比試驗(yàn)及控制指標(biāo)

1.1壓漿材料

1.1.1原材料及外加劑

采用PO32.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，細(xì)度模數(shù)小于2.5的潔凈砂，II級(jí)以上粉煤灰。根據(jù)高速公路水泥混凝土路面要求壓漿漿液大流動(dòng)度、早強(qiáng)的要求，實(shí)驗(yàn)選用了FDN-P泵送劑、FDN-100高效減水劑、FTS高效流動(dòng)劑、TGM普通泵送劑、食鹽、TQ壓漿劑、滑石粉、鋁粉、快燥精、以及LM-1復(fù)合外加劑等。

從表1可以看出: 水泥砂漿中不加減水劑，會(huì)使得沉入度較小，進(jìn)行壓漿施工工藝施工時(shí)會(huì)產(chǎn)生不利的影響，TQ壓漿料在水灰比較大時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的收縮反應(yīng)，鋁粉最為具有膨脹性的材料，會(huì)讓漿液

硬化體的強(qiáng)度衰減加快。初步選定配比2和配比4作為現(xiàn)場(chǎng)施工試驗(yàn)配比。水泥砂漿流動(dòng)性指標(biāo)主要通過(guò)沉入度進(jìn)行判斷，如果沉入度大于120 mm時(shí)，流動(dòng)的指標(biāo)將無(wú)法測(cè)定出口，因此采用測(cè)豎直流動(dòng)度儀的儀器進(jìn)行豎直流動(dòng)度的測(cè)定。

表1 試驗(yàn)配比方案Table1 Testproportionscheme序號(hào)水泥/kg砂/kgFDN-P/kgFDN-100/kg190011604.5290011604.5311001300411001300590011604.5690011604.5TQ/kg鋁粉水/kg水灰比沉入度/mmR7d/MPa4770.5310513.44770.5312713.94770.5312013.31106000.55>12023.65400.6>12014.30.545400.6>1204.9

1.1.2漿液的試配

在高速公路工程施工及養(yǎng)護(hù)施工過(guò)程中，有時(shí)候?qū)て谝筝^高，需要工程在24 h甚至12 h就能夠交通，規(guī)范要求壓漿漿液12 h的強(qiáng)度最低為3.5 MPa。按照規(guī)范要求及實(shí)際工程的使用需要，在滿足漿液配合比的前提下，其流動(dòng)度會(huì)較小，無(wú)法滿足底板孔隙率的要求，本文通過(guò)試驗(yàn)確定該漿液的配合比。

由表2可得: 配合比6的24 h強(qiáng)度達(dá)到5.48 MPa滿足了大流動(dòng)度無(wú)收縮的壓漿液的需求。

表2 快硬早強(qiáng)試驗(yàn)配比Table2 Ratiooffasthardearlystrengthtest序號(hào)水泥/kg砂/kg泵送劑/kg外摻劑/kg粉煤灰/kg鋁粉水/kg水灰比流動(dòng)度/sR12h/MPaR24h/MPa1130090054.5620.155850.4518702.53213009005快燥精22620.155850.4518802.24313009005無(wú)水碳酸鈉1.5620.155850.4519702.24411009005TF-24修補(bǔ)劑620.156280.48142沉水散裂5.4859009005TJ高效道路劑208620.156560.5283沉水散裂69009005TK高效道路劑208620.156560.5127

2工程應(yīng)用

2.1工程背景

某高速公路東段在市區(qū)境內(nèi)，全長(zhǎng)1200 km，其中大部分為水泥混凝土路面，只有5 km的瀝青混凝土路面。高速公路建設(shè)完成通車后由于各種原因路面出現(xiàn)縫料脫落、唧泥、錯(cuò)臺(tái)、斷裂，為此本文將對(duì)高速公路水泥混凝土路面的二次壓漿工藝及處治效果進(jìn)行深入分析。

2.2施工工藝

對(duì)原始的水泥混凝土進(jìn)經(jīng)雷達(dá)探測(cè)并取芯檢查，發(fā)現(xiàn)基層與底基層出現(xiàn)脫空的現(xiàn)象，見(jiàn)圖1(a)。為此壓漿孔的鉆孔要分別經(jīng)過(guò)基層、底基層最后到達(dá)砂墊層，孔深在80 cm左右，首先在混凝土板的鉆孔內(nèi)放入壓漿頭，擰緊螺栓然后按連續(xù)前進(jìn)、由低到高原則進(jìn)注漿，這樣施工不但可以讓漿液流動(dòng)順暢，也可以排除積水和空氣。通過(guò)試驗(yàn)得到的壓漿的在0.4 MPa左右，漿液會(huì)產(chǎn)生一定的升力，所以要時(shí)刻觀察壓漿板四周接縫，盡量使路面平順。

在第一次壓漿的三天后進(jìn)行第二次壓漿(見(jiàn)圖1(b))，第一次壓降主要是處理混凝土板底的脫空情況，第二次壓漿目的是避免路基不均勻下沉產(chǎn)生的縱向裂縫。因此，鉆孔位置應(yīng)在路面板縱縫附近，經(jīng)過(guò)這兩次壓漿處理之后，可以延長(zhǎng)高速公路面板使用壽命。

圖1　高速公路第一次和第二次壓漿鉆孔Figure 1　First and second time pressure grouting borehole of Freeway

2.3結(jié)果分析

對(duì)壓漿前后進(jìn)行水準(zhǔn)測(cè)量，其中620個(gè)觀測(cè)點(diǎn)中，混凝土板塊的平均升幅為3.9 mm，在1～6 mm變化的的點(diǎn)占73%。通過(guò)分析高程變化(見(jiàn)圖2)可知: 路面的高程平均抬高5～10 mm，壓漿后89.6%彎沉值小于0.1 mm，探地雷達(dá)反射波形圖變化較大，反映出板下在壓漿后呈密實(shí)狀態(tài)，抽芯檢驗(yàn)9漿液平均厚度為14.8 mm。

圖2　高程變化統(tǒng)計(jì)圖Figure 2　Elevation change statistics

壓漿結(jié)束后，對(duì)高速公路段進(jìn)行抽芯檢查，得到了57個(gè)芯樣，平均厚度為15 mm，漿液填充板底脫空部位后，恢復(fù)了板底的均勻支撐，底基層的整體強(qiáng)度得到提高(見(jiàn)圖3、圖4)。

圖3　高速公路水泥面板鉆芯芯樣

圖4　注漿后應(yīng)用效果

3有限元分析

高速公路水泥混凝土路面加鋪瀝青層在工程中應(yīng)用較為廣泛，國(guó)內(nèi)外針對(duì)混凝土路面鋪筑也進(jìn)行了很多的試驗(yàn)。本文通過(guò)有限元法建立數(shù)值模型，研瀝青加鋪層厚度對(duì)高速公路水泥混凝土路面的力學(xué)行為，并由針對(duì)性的提出相應(yīng)的措施。

3.1有限元模型建立

本文采用ANSYS建立數(shù)值模型，路面結(jié)構(gòu)模型為基礎(chǔ)、瀝青加鋪層和水泥混凝土路面，，見(jiàn)圖5所示。水泥混凝土路面板長(zhǎng)為5 m，寬度為4.5 m，厚度為24 cm，基礎(chǔ)擴(kuò)大尺寸為12.01 m×6.5 m×9 m，采用8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元。在進(jìn)行網(wǎng)格劃分的時(shí)候，要細(xì)化接縫及其附近加鋪層結(jié)構(gòu)，因?yàn)檫@些部位的計(jì)算精度要求較高，路面整體和局部結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分圖6所示。本文的行車荷載輪胎內(nèi)壓0.7 MPa，單個(gè)輪壓接觸面積為360 m2，雙輪間距為34 cm。瀝青加鋪層采用Targe l70單元，水泥混凝土路面用三維八節(jié)點(diǎn)面，面單元Conta 174。

圖5　計(jì)算模型Figure 5　Computational model

圖6　路面結(jié)構(gòu)實(shí)體模型及有限元網(wǎng)格劃分

由于高速公路水泥混凝土路面有接縫存在，在裂縫處較為容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，因此，加鋪層的破壞模式主要由底層拉應(yīng)力以及剪應(yīng)力引起，在計(jì)算中主要計(jì)算這2個(gè)力。

3.2模擬結(jié)果分析

① 瀝青加鋪層厚度對(duì)應(yīng)力影響。

瀝青加鋪層的厚度越大，車輛荷載作用下應(yīng)力集中大幅減小，但瀝青加鋪層不能無(wú)限地增厚，主要受造價(jià)和高速公路路面標(biāo)高的限制。有限元建模分析時(shí)，瀝青加鋪層的接縫處加鋪層應(yīng)力及彎沉差變化見(jiàn)圖7和圖8。

圖7　加鋪層層底應(yīng)力隨厚度變化規(guī)律圖Figure 7　Layer stress with the thickness change

圖8　彎沉及彎沉差隨厚度變化規(guī)律Figure 8　Variation of deflection and deflection with thickness

由圖可知: 等效應(yīng)力和最大剪應(yīng)力與隨加鋪層厚度呈反比，加鋪層厚度由6 cm增大到18 cm，曲線下降速率較快，可以看出瀝青加鋪層的厚度的增大可以減小加鋪層的應(yīng)力；由圖8可得，隨著瀝青加鋪層厚度的增大，接縫處的彎沉及彎沉差變小，因此，瀝青加鋪層的厚度在15 cm之下對(duì)應(yīng)力的影響較大， 根據(jù)計(jì)算結(jié)果及實(shí)際工程情況取12～18 cm為宜 。

② 瀝青碎石裂縫緩解層厚度對(duì)應(yīng)力的影響分析。

由有限元計(jì)算分析分析可知，LSPM裂縫緩解層設(shè)置在高速公路水泥混凝土面層與新鋪設(shè)瀝青加鋪層之間時(shí)，對(duì)車輛荷載應(yīng)力影響較大，設(shè)置LSPM層的瀝青加鋪層的荷載應(yīng)力較低，基本沒(méi)有應(yīng)力集中的現(xiàn)象，未設(shè)置LSPM緩裂層時(shí)，應(yīng)力集中現(xiàn)象較為明顯。從圖9中可以看出，設(shè)置大粒徑瀝青碎石緩解層可以較好的避免瀝青加鋪層反射裂縫。

圖9LSPM裂縫緩解層時(shí)加鋪層底主應(yīng)力(X方向)分布云圖

Figure 9Distribution of the main stress (Xdirection) of the bottom of the layer in the relief layer of the LSPM crack

4結(jié)論

本文采用有限元方法，并通過(guò)試驗(yàn)方法對(duì)高速公路水泥混凝土路面加鋪層的力學(xué)性能進(jìn)行了分析，得出了以下主要的結(jié)論。

① 本文采用不同的原材料進(jìn)行壓漿漿液的配合比組成研究，在分析不同材料組分外加劑對(duì)漿液流動(dòng)性和強(qiáng)度影響的基礎(chǔ)上，提出壓漿漿液最佳配合比。

② 結(jié)合工程案例，分析了進(jìn)行高速混凝土路面二次壓漿穩(wěn)板施工的方法，分析施工前后路面的高程、彎沉值等參數(shù)，驗(yàn)證了壓漿穩(wěn)板治理的有效性。

③ 采用有限元方法研究瀝青加鋪路面結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)的性質(zhì)，瀝青加鋪層的厚度越大，車輛荷載作用下接縫處的彎沉差越小，應(yīng)力集中大幅減小，設(shè)置LSPM層的瀝青加鋪層的荷載應(yīng)力較低，基本沒(méi)有應(yīng)力集中的現(xiàn)象，可以較好的避免瀝青加鋪層反射裂縫。

[參考文獻(xiàn)]

[1]Windmill, A.Asphalt and Coated Macadam for Airfield Pavements. Civil Engineering (London), May,1984,p34-43.

[2]Gulden,W. ,Brown,D. Overlays for Plain Joinied Conerete Pavemenis[R]. Georgia DePariment of Transportation,1984.

[3]GB 50290-98,土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)程[S].

[4]CJJ 169-2011,城鎮(zhèn)道路路面設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[5]林愛(ài)萍.水泥混凝土路面加鋪瀝青混凝土面層反射裂縫的防治措施[J].科技信息，2009(3):697.

[6]周志剛,張起森,鄭健龍.加筋材料阻止瀝青路面反射裂縫的橋聯(lián)增韌的有限元分析[J].土木工程學(xué)報(bào),2000(2):93-99.

[7]裘國(guó)光.GSOG瀝青混合料在白加黑路面改造中的應(yīng)用[J].工程材料與設(shè)備,2013,131(3):144-147.

Design and Application of Cement Concrete Pavement on Expressway

LI Lin, LUO Fang

(Zhengzhou Institute of Finance and Economics, Zhengzhou, henan 450000, China)

[Abstract]Highway cement concrete pavement slab bottom cavity, slab corner fracture, holes, wrong and Taiwan etc.disease, resulting in greater danger of concrete pavement performance and traffic safety, this paper from the point of view of theory and test analysis highway cement concrete pavement layer has good mechanical performance.The results show that the analysis of different groups especially additive on slurry fluidity and strength of large high-speed concrete pavement secondary pressure stable pulp board construction method has better applicability, before and after the construction of pavement elevation, bending deflection and parameters meet the requirements specification; asphalt overlay layer thickness is greater, the vehicle load under the seams of curved sinking difference is small, stress concentration greatly reduced; setting the LSPM layer of asphalt overlay layer load stress is low, basically no stress concentration phenomenon, can better avoid reflective crack in asphalt overlay.

[Key words]expressway; cement concrete; overlay layer; design

[收稿日期]2016-03-22

[作者簡(jiǎn)介]李琳(1981-)，女，河南鄭州人，研究生，講師，研究方向：建筑工程施工管理及結(jié)構(gòu)分析。

[中圖分類號(hào)]U 416.02

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1674-0610(2016)03-0117-05