剛性基層在市政道路路面結構中的應用探討

黃 隆

（浙江工業(yè)大學工程設計集團有限公司,浙江 杭州310000）

0 引 言

剛性基層，通常指采用普通混凝土、碾壓式混凝土、貧混凝土、鋼筋混凝土、連續(xù)配筋混凝土等材料鋪筑的路面基層，與其相對應的為半剛性基層及柔性基層。在實際工程應用中，出于經濟性、常規(guī)性考慮，大多為貧混凝土，因此狹義的剛性基層也指貧混凝土基層。

1 剛性基層

剛性基層采用低強度等級混凝土修筑基層混凝土板，板上鋪筑瀝青面層。剛性基層瀝青路面的基層混凝土板承受了絕大部分車輪荷載，瀝青面層的彎拉應力很小，主要考慮表面的功能效應，即滿足路面平整性、抗車轍、防水、防滲等要求。剛性基層瀝青路面同樣存在基層收縮裂縫向上反射而形成瀝青面層橫向裂縫等病害的可能性。貧混凝土基層屬剛性基層，在原材料選擇、配合比設計和施工技術要求等方面，均與半剛性基層的差異較大，而更接近于水泥混凝土，原則上可沿用水泥混凝土現有的原材料檢驗、配合比設計、施工設備、鋪筑技術及所有的試驗檢測方法和手段，設計與施工時可參考現行公路水泥混凝土設計與施工技術規(guī)范進行。

從結構組成特征看，貧混凝土基層可分為密實貧混凝土和多孔貧混凝土。多孔貧混凝指無砂或少砂透水貧混凝土。貧混凝土基層與其他基層相比具有較高的強度、剛度，較好的整體性和穩(wěn)定性，良好的抗沖刷性和抗裂性，多孔透水貧混凝土還兼有內部排水功能，較為適宜作為重載交通下的路面基層?；鶎咏Y構一般較瀝青面層厚，通常需要200～400 mm 甚至更厚，為了節(jié)省原材料，降低造價，可將基層分為上基層和下基層。雖然都屬于基層結構，下基層的工作環(huán)境沒有上層嚴峻，因此可以采用不同的材料，或采用性能較低的結合料?；鶎硬牧弦约蠟橹?，應盡量利用當地材料，以降低工程造價[1-6]。

2 工程概況

選擇長度3.022 km、寬36 m 特定城市的市政道路工程項目進行實例分析。 其公路級別為一級公路，且全路段路面均為新建。試驗路面鋪設在K2 + 500～K2 + 800 的左側。路面堅硬，路段長度為300 m。根據技術實例設計，表層為瀝青混凝土+瀝青橡膠瀝青吸收層+ C15 水泥混凝土基層（見基礎層混凝土不良）路面結構，見圖1。

圖1 路面結構圖

3 試驗路剛性基層必要的施工工藝

一般情況下，在瀝青混凝土路面情況較差時，路面出現裂縫的幾率會增加，其原因往往比較復雜。貧混凝土基層的剛性相對較大，在溫度和荷載的綜合作用下易產生裂縫，且會逐漸向路面發(fā)展，完全杜絕這種裂縫的產生是不現實的，只能采取措施來延遲裂縫的發(fā)生時間，減小開裂程度。針對這些問題，總結了以下措施。

首先，除了根據路面的設計要求所需的伸縮縫之外，沒有縱向接縫桿或收縮力傳遞桿。貧混凝土基層應對應5 m 交叉縫間距的路面縮縫和縱向接縫; 使用瀝青填縫。這樣，可以減輕由于基層在該溫度下的變形引起的不規(guī)則裂縫，并且可以減少不規(guī)則斷裂現象，有效地減少瀝青表面層的裂縫。

其次，需要將聚酯玻璃纖維布鋪設在混凝土基礎的施工縫，收縮縫和伸縮縫上。 玻璃纖維織物的寬度為0.5 m，乳化瀝青噴涂在玻璃纖維織物的接觸表面上，每平方米保持0.2～0.4 L。這樣，即使基層中存在裂縫，也不會延伸到瀝青表層。

最后，可以定義應力吸收層以吸收車輛載荷應力并降低基層壓力。該方法包括噴涂橡膠瀝青，澆水量為每平方米2.0～2.4 kg；此外，基層頂部每平方米還應噴涂2.2～2.6 kg 橡膠瀝青; 通過該處理，可以適當減少瀝青灑布的量。噴涂時，橡膠瀝青的溫度不得超過190℃，且不得低于180℃。

4 路面為混凝土路面時剛性基層的設計方法探討

4.1 工程概況

本文選取的工程項目為某商品混凝土拌合場進出主要通道。采用的混凝土是普通硅酸鹽水泥，強度為42.5 MPa，混凝土板厚度為25 cm，基層為20 cm，結構為3 m×4 m。在板的接縫處有兩個伸縮接頭，縱向是拉桿，橫向密封是力傳遞桿。該結構顯著提高了巷道的抗壓力，還可以降低混凝土板位置的撓度，減少開裂現象，從而有效降低車輛壓力對路面的不利影響，真正提升道路路面的壽命。

4.2 剛性基層混凝土路面的主要受力特性分析

剛性基礎混凝土路面是使用貧混凝土基礎和普通混凝土路面的結構。 在一些歐洲和美國國家，這些道路也被稱為PCC-PCC（或EPCC-PCC）復合路面，或雙層混凝土路面。 雙層混凝土路面已在一些歐美國家使用多年，其結構計算方法一般為經驗或半經驗法。 在中國，對雙層混凝土路面進行了大量的研究，目前計算結構的方法主要是剛度相等的方法。 在規(guī)范中還給出了荷載應力和溫度應力的計算公式和圖表。

雙層混凝土路面上下層板之間的接觸狀態(tài)處于半結合狀態(tài)。然而，由于這種組合的程度難以量化并且難以分析，因此通常假設層之間的接觸是絕對平滑和完全組合的應力計算。貧混凝土基層在實際應用中，根據構造方法，面板和基層之間的接觸可分為兩種類型：組合型和分離型。鋪設了貧混凝土基層后，就可以直接鋪設表面層，這使得可以認為面板和基層處于結合狀態(tài)，也就是說，層間是完全的連續(xù); 但是當鋪筑完之后進行養(yǎng)生作業(yè)，達到一定標準后再進行面層的澆筑，此時，可以判斷面板處于與基層分離的狀態(tài)，即層是平滑接觸的。當在層之間采取分離措施（例如鋪設薄層油砂，土工合成材料等）時，層之間的接觸狀態(tài)將更接近光滑接觸。研究表明，在貧混凝土和板之間進行聚乙烯（PE）夾層處理后，接觸面上的相互摩擦很小，并且可以近似得到混凝土板平滑地支撐在貧混凝土基礎上。但是，在實際應用中，層不可能完全連續(xù)。原因如下：（1）貧混凝土基層一般用于重交通，基層和混凝土表層較厚，對面層和基層難以同時振搗或碾壓。（2）如果混凝土表面層與劣質混凝土基層同時建造，則在材料制備，混合物混合和施工組織方面非常困難。（3）表面層和基材的強度和模量等機械性能非常不同，并且諸如電池的相位差等物理性質也很重要。在溫度的影響下，表面層和基層的變形也顯著不同：隨著時間的增加，接觸狀態(tài)接近分離狀態(tài)。因此，在雙層混凝土路面的計算中，應采用層分離模型，這實際上是實際施工作業(yè)。

根據中國目前的水泥混凝土路面設計規(guī)范，表層極限狀態(tài)是由負荷應力和熱應力的綜合疲勞應力引起的裂縫。 貧混凝土基層具有較高的強度和剛度，與表層一起形成雙層混凝土路面結構，共同承受外部荷載; 因此，在設計中必須考慮疲勞特性。 推求軸載轉換公式的基礎源于疲勞方程。

通過圖2 發(fā)現,在上述幾種材料當中,貧混凝土的疲勞性能優(yōu)于目前國內常用的半剛性基層材料。

4.3 剛性基層混凝土路面的施工工藝

不再切割澆筑的混凝土板和貧混凝土基礎。禁止添加一層薄薄的混凝土或砂漿來修復路面。對于表面出現的缺料部分和部分麻面，可填充適量的砂漿，由搓平梁和抹平板機械修整。 在橫向懸掛，掉落，肩流，泄漏等情況下，可手動切割。

圖2 貧混凝土與半剛性材料疲勞方程比較

防滑結構由路面后面的鋼制控制臺組成，拖掛1～3 層疊合麻布、帆布或棉布，灑水濕潤后，軟拖制作微觀抗滑構造，可通過加厚表面的疊合麻布來構建貧混凝土表面的防滑層，如果路面已經被人工修整過，那就需要再用拖麻布處理。貧混凝土基層不會在橫向拉伸。防滑宏觀結構可以通過機械或手動拉動來構造，喉部深度為2～3 mm，寬度為3～5 mm，槽間距為15～25 mm。

4.4 路面結構中剛性基層應用注意事項

為了防止盲目使用剛性基層，因基層和表層的性能不相等，在追求高強度和結構厚度時發(fā)生的結構損壞和溫度限制造成的損壞，并且為了更合理地使用剛性基層，根據技術知識，應特別注意以下幾點：

（1）貧混凝土基層的設計應在浸水7 d 中具有無側限的抗壓強度，電阻不小于10 MPa，抗壓強度28 d 應等于C15、C20。貧混凝土基層的水泥可以由低等級水泥425＃，325＃組成，并且品種可不受限制。單位水泥消耗量不低于175 kg / m3，幾乎占水泥混凝土路面的一半。貧混凝土的水灰比控制7 d 和28 d 的強度，坍落度控制在5～8 cm，適用于板坯施工。

（2）與半剛性基層不同，貧混凝土基層應采用機械拌合，滑膜攤鋪機進行施工，不得采用路拌法進行施工。

（3）雖然剛性基層具有增加承載能力和良好的抗沖刷能力的優(yōu)點，但其變形協(xié)調能力差，容易引起板的翹曲和真空底部。

（4）為了滿足沖刷性能，建議要求基層的強度上限要達標。在設計過程中必須充分考慮基層和板接頭的變形。確定基層的適當厚度。建議貧混凝土基層的厚度為15～25 cm。

（5）在交通繁忙的情況下使用剛性混凝土基礎時，必須附加力桿和其他措施來約束面板以增加承載能力并避免層間損壞造成的空隙。沒有傳動桿的路面結構可以通過控制基層板的強度，厚度和尺寸來適度地增加板的厚度，以防止由層之間的接合引起的過度應力引起的損壞。

5 剛性基層的優(yōu)勢

（1）強度高。貧混凝土的強度介于普通水泥混凝土和水泥穩(wěn)定碎石之間。 隨著水泥劑量的變化，其強度和彈性模量可以在很寬的范圍內調節(jié)。 研究表明，貧混凝土的不同力學性能明顯優(yōu)于其他半剛性基層。 由于其高剛性，貧混凝土基層具有良好的接縫轉移性，從而提高了路面的整體結構強度，有利于減輕不均勻基礎變形的不利影響。 能夠為面板提供均勻穩(wěn)定的支持。

（2）水穩(wěn)定性好，抗沖刷能力強。大量實驗結果表明，基礎材料的抗侵蝕性能優(yōu)于貧混凝土，可有效防止翻漿，底部真空形成和不對中等疾病的發(fā)生。 通過調整材料比，還可以構建多孔貧混凝土基礎并結合其他排水設施以形成良好的內部排水系統(tǒng)。

（3）抗疲勞性能好。試驗表明，水泥混凝土的疲勞強度最好，其次是貧混凝土，表明貧混凝土的抗疲勞性能高于水泥穩(wěn)定顆粒等半剛性基礎材料。然而，貧混凝土的疲勞壽命變化很大，需要特別注意。

（4）抗凍性能好。隨著水泥用量的增加，貧混凝土的抗凍性也隨之增加; 隨著年齡的增長，防凍劑的性能也逐漸增強; 冷凍性能逐漸下降，但對優(yōu)質粉煤灰的影響較小。 粉煤灰的質量對冷凍性能有很大影響。 此外，貧混凝土的防凍性能遠高于其他半剛性基層，整體強度損失比半剛性基層低2倍以上。 因此，它特別適合在中國北方應用。

（5）經濟性好。貧混凝土的基層不僅使用較少的水泥，而且使用較低質量的水泥。 集料要求相對較低：可以在當地使用大量非標準砂巖材料，甚至可以將再生混凝土用作集料，并且可以適當添加粉煤灰以代替部分集料，部分水泥也可以用摻雜粉煤灰的方式來代替，從而降低建筑成本。 經濟分析表明，貧混凝土的成本僅略高于水泥穩(wěn)定碎石。 由于其高強度和良好的性能，它可以減少基層的厚度并進一步降低成本。

（6）施工工藝流程與施工技術并不復雜，類似于碾壓混凝土，采用碾壓施工即可。

6 結 語

如前所述，無論路面為瀝青或是混凝土，作為道路及結構整體來說，貧混凝土基層都相對柔性基層、半剛性基層有更好的抗壓能力，雖單價成本稍高，若妥善進行設計應用，將使用壽命和養(yǎng)護的時間拉長來看，也將產生良好的經濟效益。當前，以貧混凝土作為剛性基層的市政道路路面已經越來越多的在實體工程中有了應用，表現出色。