無切縫水泥混凝土路面設計與建造

張 君, 陳切順, 王振波, 陳崇哲, 郭自力, 傅玉勇

(1.結構安全與耐久教育部重點實驗室(清華大學)， 北京 100084； 2.河北省廊坊市交通公路工程有限公司， 河北 廊坊 065000； 3. 天津華夏建筑設計有限公司， 天津 300000)

無切縫水泥混凝土路面設計與建造

張 君1, 陳切順2, 王振波1, 陳崇哲2, 郭自力1, 傅玉勇3

(1.結構安全與耐久教育部重點實驗室(清華大學)， 北京 100084； 2.河北省廊坊市交通公路工程有限公司， 河北 廊坊 065000； 3. 天津華夏建筑設計有限公司， 天津 300000)

水泥混凝土路面具有使用壽命長、養(yǎng)護工作量小、能耗低、施工簡便等優(yōu)點，但是水泥混凝土路面行車舒適度不如瀝青混凝土路面. 而舒適度不佳最主要原因是切縫的存在，使行車時產生“咯噔”跳車現象. 此外，切縫的存在也將嚴重影響混凝土路面的耐久性，增加維修維護費用. 針對上述問題，提出并實踐了無切縫水泥混凝土路面設計與建造技術. 設置高延性低干縮纖維增強水泥基復合材料(low shrinkage engineered cementitious composites)延性段取代傳統混凝土路面切縫， LSECC可形成多條細微裂紋吸收兩側混凝土路面板的收縮和溫度變形. 通過施工現場模具和工藝設計，實現了界面錨固鋼筋的定位和LSECC后澆空間預留及反射裂縫的定位，模具拆除后進行LSECC材料澆筑，實現了無縫路面的設計理念.

水泥混凝土路面； 無切縫； 延性段； 設計； 建造

水泥混凝土路面具有使用壽命長、養(yǎng)護工作量小、能耗低、施工簡便等優(yōu)點，因此在國內外獲得了廣泛使用[1-2]. 在美國高速公路網中，水泥混凝土路面近50%. 在歐洲也有大量的混凝土路，例如比利時近50%的高速路是水泥混凝土路，法國每年建成的高速公路30%為混凝土路. 中國水泥混凝土路修筑起步較晚，1970年僅為200 km，約占各級路面總量的0.9%；1980年為1 600 km，約占各級路面總量的0.9%；近年來水泥混凝土路面里程數大幅度提升，2000年達到11 5754 km，占各級路面總量的65%；2012年各類水泥混凝土路面已達1 653 200 km. 但與瀝青路面相比，水泥混凝土路面所占比例近年有所下降，尤其在高等級公路中所占比例更小. 形成上述現象的最主要原因是水泥混凝土路面行車舒適度不如瀝青混凝土路面，而舒適度不佳與混凝土材料的脆性特征有很大相關性.

水泥混凝土在凝結硬化的過程中產生收縮，混凝土路面板的收縮變形受到路基約束，將會在面板中形成拉應力. 拉應力超過混凝土抗拉強度時即產生脆性開裂. 本文課題組在前期應用收縮應力模型分析了混凝土路面板中收縮應力分布規(guī)律[3]，路面板模型如圖1所示. 隨著混凝土收縮的發(fā)展，拉應力由路面板兩端向板中間線性增大，并在板中間達到峰值. 路面板收縮應力的分布規(guī)律如圖2(a)所示. 峰值拉應力的大小與路面板長度密切相關，隨著板長增大，最大拉應力顯著提高，如圖2(b)所示. 因此降低單塊路面板長度是降低水泥混凝土路面板開裂風險的有效措施. 此外，混凝土路面板暴露于大氣環(huán)境中，將隨著環(huán)境溫度變化產生溫度變形，由此引發(fā)的溫度應力分布規(guī)律與收縮應力類似.

圖1 路面板模型

(a)收縮應力分布

(b)板長對最大拉應力的影響

針對上述混凝土路面板內收縮與溫度應力引發(fā)的混凝土開裂問題，工程中采取的應對措施是每隔4～6 m設置一道橫向切縫，將連續(xù)路面板分割為尺寸較小的板，減小由收縮、溫度變化等因素引起的拉應力，從而大幅降低混凝土路面板再開裂的風險. 但切縫部位往往成為水泥混凝土路面的薄弱環(huán)節(jié)，帶來路面板錯臺、唧泥、拱起等病害[4]. 隨著切縫填料的老化和磨損，雨水和侵蝕性介質(如防凍鹽)易侵入切縫，與鋼筋接觸進而導致鋼筋銹蝕；冬季則造成冰脹，使切縫寬度進一步張開，嚴重影響路面整體性和耐久性. 損傷的混凝土路面板通常需要維修或更換，同時也影響路面的服役質量. 可見，路面板切縫的存在增加了路面板的維修維護成本，嚴重影響行車舒適性，是“咯噔”跳車現象形成的根源.

為解決水泥混凝土路面板間切縫引發(fā)的各類工程問題，本文提出在混凝土路面中設置延性段，形成無切縫混凝土路面. 首先，這種無切縫結構可有效吸收兩側混凝土路面板的變形，保證路面板不開裂；其次，延性段與兩側混凝土板連接良好，確保變形集中發(fā)生在延性段內部而非界面處，避免宏觀可見裂紋的出現；第三，延性段可有效傳交通荷載，保證路面整體性. 其中，延性段材料采用課題組研發(fā)的具有應變硬化、多縫開裂和低干燥收縮特性的高延性低干縮纖維增強水泥基復合材料(LSECC).

1 無切縫水泥混凝土路面設計方法

1.1 工作原理

無切縫水泥混凝土路面是將傳統混凝土路面中的切縫取消并代替以高延性纖維增強水泥基復合材料而形成的路面結構形式. 經過合理的材料和結構設計，混凝土路面的收縮和溫度變形可由高延性水泥基材料中形成的多條細密裂紋補償. 單條裂紋寬度小于100 μm，并不會對結構耐久性不利. 同時，延性段的設置也將提高路面結構的整體性，從而保證路面行車舒適度.

延性段的截面示意圖如圖3所示. 其中水平錨固鋼筋的設置是為了增強延性材料LSECC-混凝土界面錨固，確保界面不開裂；豎直錨固鋼筋的作用是提高延性材料的抗拔能力，同時輔助定位水平錨固筋；鋁板的作用是在混凝土路面板中形成缺陷，將開裂反射至延性中.

圖3 延性段截面示意

Fig.3 Schematic diagram showing the cross section of ductile strip

無切縫水泥混凝土路面技術在河北省密涿支線高速公路某收費站廣場的混凝土路面工程中進行了試點應用. 廣場為普通水泥混凝土路面，路面結構為280 mm厚水泥混凝土面層+180 mm厚水泥穩(wěn)定碎石+180 mm厚級配碎石. 無切縫水泥混凝土路面的施工位置為收費站廣場北側加寬車道，長55 m，寬2.88～4.5 m. 2.88 m寬段設置10道延性段，間距4.2 m；4.5 m寬段設置1道延性段，間距5 m，共計11道延性段. 通過對上述11條原有切縫的改造，實現55 m長無切縫混凝土路面工程試點應用.

1.2 延性材料配合比與基本性能

普通混凝土的配合比：水泥、水、砂、石子分別為388、167、634、1 231 kg/m3，水膠比0.43；高延性材料LSECC的配合比：復合水泥、粉煤灰、石英砂、水、纖維、減水劑、緩凝劑分別為962、240、361、421、24、6、3 kg/m3，水膠比為0.35. 其中，普通混凝土所用水泥為北京金隅集團生產的P·O.42.5普通硅酸鹽水泥；LSECC所用水泥為本課題組研發(fā)的低縮復合水泥；普通混凝土所用砂為天然砂，細度模數2.7；LSECC所用砂為秦皇島海港秦東石英砂廠生產的石英砂，細度100～200目；石子為房山5～20 mm碎石；粉煤灰為I級低鈣灰；減水劑為江蘇博特新材料有限公司生產的高效聚羧酸減水劑；纖維為日本Kuraray公司生產的聚乙烯醇(PVA)纖維，其相關性能參數：密度為1.2 g/cm3，抗拉強度為1 620 MPa，彈性模量為42.8 GPa，直徑為0.039 mm，長度為12 mm. 混凝土和高延性材料LSECC的28 d立方體抗壓強度分別為50.8、47.1MPa.

關于LSECC材料的干燥收縮與拉壓等力學性能，本文在前期發(fā)表的文獻中已有詳細介紹[5-7]. 本文將其干燥收縮與單軸拉伸試驗結果列于圖4.

(a)干燥收縮

(b)單軸拉伸

其中為方便對比，將傳統延性材料(ECC)的干燥收縮實驗結果也示于圖中. 試驗結果表明，傳統ECC在28 d齡期的干燥收縮為1 20010-6左右，而LSECC在28 d齡期的干燥收縮為20010-6左右，約為傳統ECC的1/6. 同時，LSECC材料在軸拉荷載作用下呈現多縫開裂和應變硬化特征，極限拉伸應變可達3%以上. 1.3 延性段長度的確定

LSECC延性段長度的確定應考慮延性材料的變形能力、延性段間距、當地溫度變化和混凝土的收縮變形等因素[8]. 假設LSECC和混凝土段的長度分別為lI、lII，且兩種材料粘結錨固良好，界面不發(fā)生破壞. 兩種材料的軸拉應力-應變曲線示意圖如圖5所示. 在單軸拉伸狀態(tài)下，路面板沿長度方向的整體應變能力εc為

式中：εI為LSECC的極限拉伸應變，εII為混凝土在相應軸拉荷載下的的應變，l為路面板長度.

LSECC材料的實測極限拉應變可達3%～4%，本文將εI偏保守地假設為1%～2%. 圖6給出了εI分別為1%、2%時，路面板整體變形能力εc隨延性段長度lI的變化規(guī)律. 可見，給定LSECC長度時，LSECC的極限拉應變越大，路面板的整體變形能力越強. 同時，增加LSECC延性段的長度也可以提高路面板的整體變形能力.

圖5 LSECC和混凝土的軸拉應力-應變曲線示意

Fig.5 Schematic diagram of tensile stress-strain curves of LSECC and concrete

帶延性段路面板的變形需求主要由當地溫度和混凝土收縮變形決定，即

式中:εR為路面板整體拉應變的需求值；αT為混凝土的熱變形系數，一般取為0.001 %/℃；T為年溫差，北京及周邊地區(qū)一般為50～60 ℃；混凝土的收縮應變εsh一般為0.06 %. 將T取為60 ℃，εsh取為0.06 %，并將各數值代入式(2)，可計算出路面板整體變形需求εR為0.12 %.

圖6 路面板整體變形能力隨延性段長度的變化關系

Fig.6 Overall strain capacity of LSECC-concrete composite bar as a function of LSECC strip length

根據本工程資料，路面板長度l有4.2、5.0m兩種. 分別取4組不同的LSECC極限拉應變εI進行試算，得到對應的LSECC延性段最小長度，列于表1. 本工程采用的LSECC材料極限拉應變實測值在3.0%以上，將極限拉應變εI設計值保守地取為1.5%，則4.2m和5.0m路面板中LSECC延性段長度應分別應大于310、369mm. 考慮一定的富余量，并且為施工方便，將4.2m路面板延性段長度確定為400mm，5.0m路面板延性段長度確定為500mm.

表1 不同εI下LSECC延性段的最小長度

1.4 鋼筋錨固參數的確定

在LSECC-混凝土界面設置水平鋼筋的目的是增強界面錨固，將混凝土板變形引入到LSECC延性段中形成多縫開裂，并確保LSECC-混凝土界面不開裂. 計算的基本假設：1)忽略LSECC與混凝土的界面粘結；2)水平鋼筋主要傳遞LSECC與混凝土之間的軸向力. 鋼筋選用公稱直徑為20 mm的帶肋鋼筋，需要確定的參數包括鋼筋間距D和鋼筋錨固長度la. 鋼筋的粘結強度τu參考經驗公式[9]進行估算，即

式中：d為鋼筋公稱直徑，la為鋼筋錨固長度，c為鋼筋保護層厚度，ρsv為配箍率，σt為混凝土抗拉強度.

為使延性材料充分發(fā)揮作用，鋼筋提供的錨固力應足夠使LSECC形成多縫開裂，初裂后實現應變硬化并最終達到抗拉強度σt. 根據軸拉試驗數據，將LSECC材料的抗拉強度σt取為4.0MPa. 單根鋼筋提供的錨固力應足夠使鋼筋間距范圍內的LSECC實現應變硬化并最終達到抗拉強度σt，表達式為

式中h為LSECC截面高度，本工程中設計為100mm.

試取鋼筋錨固長度la為120mm，同時易得鋼筋保護層厚度為40mm，將數值代入式(3)，計算出極限粘結強度τu約為11.6MPa. 則鋼筋間距D應滿足

考慮到安全性因素，將la=120mm時的錨固間距設計為150mm. 此外，為保證LSECC和混凝土有效協同工作，須對LSECC-混凝土界面的張開寬度w進行驗算. 參照單根纖維拔出模型[10]，單根鋼筋拔出的荷載-裂紋寬度(P-w)關系表達式為

式中：Es為鋼筋彈性模量，取為210GPa；ds為鋼筋公稱直徑；τu為鋼筋-LSECC界面粘結強度；η為鋼筋和LSECC的軸向剛度比，即

鋼筋提供的最大拔出力Pm應能夠使LSECC延性段產生軸拉破壞，表達式為

代入式(6)，可得到最大界面張開寬度wm約為61μm. 這一量級的界面張開寬度與LSECC材料多縫開裂階段的裂紋寬度相當，并不會對結構的耐久性造成不利影響. 綜合以上分析，選用鋼筋直徑20mm、間距150mm及錨固長度120mm是合理的.

2 無切縫水泥混凝土路面施工過程

2.1 模具設計

為固定鋼筋位置、澆筑設計要求的LSECC后澆帶，同時考慮拆模方便，設計了如圖7所示的模具. 設計的模具主要包括鋼模板、伸縮桿和鋼筋支架3個部分.

模板采用鋼模板，錨固鋼筋卡槽的深度為50mm，即LSECC厚度的一半，寬度為20mm，即鋼筋的公稱直徑；卡槽間距為150mm. 設置伸縮拉桿的目的是方便拆模，同時可靈活調整預留槽寬度，提高模具的適用性. 水平錨固鋼筋與豎直錨固鋼筋焊接在一起，并將豎筋連接到底部的方形鋼架上，使所有錨固鋼筋形成相對獨立的整體框架. 模板的固定方式根據現場情況可選擇通過螺栓固定于兩側槽鋼(路面板側模)或通過輔助搭件搭接固定于兩側已硬化的混凝土路面板上.

圖7 延性段預留槽施工模具

2.2 模具安裝

模具安裝過程：1)L型鋁板固定. 鋁板用于預留誘導縫，將初始裂紋反射入LSECC延性段. 固定鋁板前應鋪設毛氈，防止水分下滲形成積泥. 鋁板通過鋼釘固定于地基，并沿延性段中線布置. 鋁板頂端高出地基平面約40 mm，其上方按照原有設計布設傳力桿. 2)模板安裝. 水平鋼筋采用公稱直徑20 mm的帶肋鋼筋，長度24 cm，橫向間距15 cm. 水平錨固鋼筋與豎直錨固鋼筋焊接固定，并將豎筋焊接于底部的方形鋼筋架上，使所有錨固筋形成相對獨立的整體. 澆筑混凝土前將模板搭接固定在兩側已硬化的混凝土上，然后調整伸縮拉桿的長度，使模板寬度達到設計尺寸(400 mm或500 mm). 水平鋼筋穿過側模槽口，伸出長度12 cm，保持牢固、水平.

2.3 混凝土澆筑

混凝土澆筑步驟：1)灑水. 保證攤鋪混凝土前基層濕潤，而且盡可能灑布均勻，尤其在基層不平整之處禁止存水. 2)攤鋪和振搗. 混凝土的攤鋪、振搗、整平、抹面連續(xù)施工，如需中斷應設施工縫. 三輥軸應垂直路面中線沿縱向拖行，往返2～3遍，使表面泛漿均勻平整. 混凝土拌合物布料長度大于10 m時，開始振搗作業(yè). 3)表面修整和防滑措施. 在混凝土終凝前必須用人工或機械將其表面抹平. 抹面完成后應進行清邊整縫，清除粘漿，修補缺邊、掉角. 已終凝的路面上，用鋸槽機將路面鋸成寬2～3 mm，間距20 mm的小橫槽. 4)養(yǎng)護. 混凝土路面板做面完畢應及時養(yǎng)護，使混凝土拌合料有良好的水化、水解強度發(fā)育條件，并防止產生收縮裂縫，養(yǎng)護時間為7 d.

2.4 模具拆除與LSECC澆注

混凝土澆筑24 h后拆除模具. 旋松伸縮桿，使模具與混凝土脫離，然后向上提起模板即拆除模具. 模具拆除過程中應避免對硬化混凝土造成損傷. 普通混凝土養(yǎng)護7 d后可澆筑LSECC. 拆模后的延性段預留槽如圖8(a)所示. 在澆筑之前，應清理LSECC后澆槽. 清理完成后在普通混凝土和LSECC的水平界面設置滑移帶，滑移帶應在延性段截面中間5 cm寬度范圍內. 滑移帶之外的界面應進行潑水濕潤，以增強界面粘結.

施工步驟：1)攪拌. 入料時，先倒入所有粉料及砂子，攪拌1 min混合均勻，然后加入自來水、外加劑，攪拌2～3 min使?jié){體獲得較好的流動性. 均勻撒入纖維，攪拌3～5 min使纖維分散均勻. 2)澆筑成型. 新拌漿體運輸至作業(yè)面，澆筑入預留槽，邊插搗邊抹平，無需振搗. LSECC延性段的抹面、養(yǎng)護等施工工藝與混凝土路面板類似. LSECC延性段經養(yǎng)護后揭膜，最終完成如圖8(b)所示的無切縫混凝土路面.

由于LSECC和易性良好，簡單的抹面作業(yè)即可有效保證施工縫平整度，同時，LSECC延性段與混凝土板通過界面錨固形成連續(xù)的整體，在路面服役過程中不會產生類似切縫構造的錯臺病害，因此無縫路面的平整度、行車舒適度要優(yōu)于傳統帶切縫的路面結構. 由圖8(b)也可以看到，宏觀上很難區(qū)分延性段與普通混凝土板，路面連續(xù)、整體性良好.

(a)延性段預留槽

(b)工程整體照片

3 無切縫水泥混凝土路面服役狀況

本研究實施的無切縫水泥混凝土路面服役狀況照片如圖9所示. 照片拍攝時無縫路面工程已服役3 a左右. 在混凝土收縮、溫度變形及機械荷載的共同作用下，LSECC延性段中形成了細微的裂紋. 由于單條裂紋寬度很小，在宏觀照片中很難看到裂縫的存在，只有在細觀照片中才能夠觀察到細微的裂紋. 同時，LSECC-混凝土界面粘結完好，并無脫粘破壞現象產生. 可見，無切縫混凝土路面服役狀況良好，界面錨固設計能夠將路面板變形完全引入LSECC延性段，形成宏觀上不可見的細微裂紋. 由此驗證了無切縫混凝土路面設計理念，表明了無切縫路面的建造是成功的.

圖9 無切縫水泥混凝土路面服役狀況照片

4 結 論

1)采用LSECC延性段取代傳統混凝土路面切縫，形成無切縫水泥混凝土路面. LSECC在軸拉狀態(tài)下具有應變硬化和多縫開裂特征，可有效補償普通混凝土路面板變形，同時延性段中單條裂紋寬度均小于100 μm，提高了整體路面系統的耐久性.

2)針對試點工程,應用討論了無縫路面的設計方法. 無縫路面的設計內容主要包括材料配合比、LSECC延性段長度、鋼筋錨固參數. 通過材料配比設計，實現了LSECC與混凝土的強度差異，確保LSECC先于混凝土開裂. 通過延性段長度和鋼筋錨固參數的確定，確保延性段能夠完全吸收整體路面板變形，同時有效防止界面破壞，使變形集中發(fā)生在延性段中.

3)實施了無切縫混凝土路面試點工程應用，通過模具設計和安裝、混凝土澆筑、模具拆除與LSECC澆筑實現了無縫路面建造. 施工過程簡便可行，為無切縫混凝土路面推廣應用提供了基礎.

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(編輯 魏希柱)

Design and construction of jointless concrete pavement

ZHANG Jun1, CHEN Qieshun2, WANG Zhenbo1, CHEN Chongzhe2, GUO Zili1, FU Yuyong3

(1.Key Laboratory of Structural Safty and Durability(Tsinghua University), Ministry of Education, Beijing 100084, China;2.Langfang Transportation and Highway Engineering Co., Ltd., Langfang 065000, Hebei, China;3.Tianjin Huaxia Architecture Design Co., Ltd.,Tianjin 300000, China)

Concrete pavement is widely used due to its long service life, low maintenance requirements, low energy consumption and simple construction. However, the driving comfort of concrete pavement is normally lower than that of asphalt pavement due to the existence of cutting joints. Meanwhile, the cutting joints may reduce the durability of concrete pavement that in turn increases the maintenance cost as well. In order to solve these problems, this paper presents a novel construction technique of concrete pavement, called jointless concrete pavement. By setting low shrinkage engineered fiber reinforced cementitious composite (LSECC) strips at the place of cutting joints of conventional concrete pavement, it is possible to localize the fine cracks into the LSECC strip instead of cracking in adjacent concrete slabs. The design methods for length of the ductile strip and the parameters of anchoring bars were proposed. The concept and design method of jointless concrete pavement was successfully used in practice.

concrete pavement; jointless; ductile strip; design; construction

10.11918/j.issn.0367-6234.2017.03.011

2016-02-21

國家自然科學基金(51278278)

張 君(1962—)，男，教授，博士生導師

張 君， junz@tsinghua.edu.cn

TU997

A

0367-6234(2017)03-0068-06