大間距接縫配筋水泥混凝土路面技術(shù)

楊澤亮，連井龍，羅 輝

(1.華中科技大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.中信光谷(武漢)建設(shè)投資有限公司，湖北 武漢 430074)

連續(xù)配筋水泥混凝土路面(CRCP)內(nèi)設(shè)置了連續(xù)縱向鋼筋，且只在必要位置設(shè)置橫向接縫，不設(shè)置任何形式的縮縫及脹縫，所以裂縫細(xì)小且分布均勻，具有良好的力學(xué)性能，因此得到廣泛的應(yīng)用[1～3]。CRCP的裂縫寬度由配筋控制，所以理論上無需防水，但實際中CRCP的水損害現(xiàn)象仍會發(fā)生[4]。當(dāng)水損害出現(xiàn)在間距過小的橫向裂縫之間便會引起沖斷破壞。

為了克服CRCP的這種早期破壞，許多學(xué)者對裂縫間距及寬度的控制進(jìn)行了大量研究，發(fā)現(xiàn)面層厚度以及路面配筋是兩個關(guān)鍵因素[5,6]。此外在實際工程中，為了防止不合理裂縫的出現(xiàn)，常對CRCP進(jìn)行預(yù)切縫，切縫間距在不同地區(qū)、不同工程中存在較大差異，主要由工程經(jīng)驗決定[7～10]。如果切縫間距過大，則會產(chǎn)生新的橫向裂縫，容易造成沖斷破壞[11]；但間距過小也會容易引起結(jié)構(gòu)損傷。因此，裂縫間距主動控制需要使裂縫不會再次開裂，裂紋寬度不會太大，不會出現(xiàn)沖斷破壞。許多學(xué)者也對一些已建成的CRCP進(jìn)行了調(diào)查和監(jiān)測，結(jié)果表明：大部分裂縫間距與設(shè)計不一致，經(jīng)預(yù)切后仍出現(xiàn)新的橫向和縱向裂縫；在路面病害中，沖斷破壞占90%，是路面病害中亟待解決的主要問題[12]。

根據(jù)上述分析可以得出，沖斷破壞由不合理的裂縫間距造成。干縮和溫縮共同作用引起的變形受內(nèi)部鋼筋和基底的限制，使得CRCP早期容易產(chǎn)生橫向裂縫。因為早期階段，混凝土的溫縮及干縮發(fā)展較為迅速，且強(qiáng)度未達(dá)到設(shè)計值，產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過了當(dāng)時的抗拉強(qiáng)度，所以裂縫迅速增長。2～3年后，橫向裂縫逐漸穩(wěn)定，僅隨溫度波動。基于此種情況，本文提出了大間距接縫配筋水泥混凝土路面(RCPS)的新型結(jié)構(gòu)，接縫間距可達(dá)40～100 m。一方面，通過配筋保留了CRCP優(yōu)良的承載力；另一方面，大間距接縫的設(shè)置可以部分釋放干縮應(yīng)力及溫縮應(yīng)力，避免路面開裂，為特大交通壓力下的城市水泥混凝土路面設(shè)計提供了一種新的解決方案。

1 路面結(jié)構(gòu)與原理

1.1 路面結(jié)構(gòu)

圖1(圖中：①②③④⑤依次表示基層、隔離層、配筋水泥混凝土面層、伸縮縫、鋼筋網(wǎng))為本文提出的RCPS路面結(jié)構(gòu)。隔離層布置在基層上以減小面層與基層之間的摩擦阻力，使得面層可以自由移動。具體路面板長度將由隔離層自身性能決定，即減阻效果越好，長度越長。縱橫向鋼筋網(wǎng)可以單層布置，也可以雙層布置，主要由設(shè)計承載力、溫度及濕度變化范圍等因數(shù)確定。路面之間通過伸縮縫縱向連接，其可伸縮0.5～10 cm且不影響行車舒適性，并且下方需進(jìn)行對應(yīng)的排水設(shè)計，將水迅速排出。通過控制伸縮縫的間距，即RCPS面層長度，使得路面不會產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，確保RCPS不會出現(xiàn)橫向裂縫，保證了路面的完整性，預(yù)防出現(xiàn)水損害和沖斷破壞。

圖1 大間距接縫配筋水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)示意

1.2 路面結(jié)構(gòu)原理

圖2顯示了本文提出的RCPS路面結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生橫向開裂的原理。當(dāng)溫度下降時，面層收縮，隔離層的約束會使內(nèi)部產(chǎn)生縱向溫度應(yīng)力σthermal，也就是說σthermal完全由面層與隔離層之間的摩擦力提供。

圖2 大間距接縫配筋水泥混凝土路面受力分析

圖中：σthermal為路面的溫度應(yīng)力，σthermal=F/S0=μgρcl0/2≤[ft]，其中，F(xiàn)為面層的摩擦力(按式(1)計算)，S0為面層的橫斷面面積，ρc為密度，μ為摩擦系數(shù)(與摩擦截面性質(zhì)相關(guān)的常數(shù))，l0為面層長度，[ft]為路面抗拉強(qiáng)度設(shè)計值。

假設(shè)面層與隔離層之間的摩擦系數(shù)為μ，則面層的摩擦力F按式(1)計算。

F=μG/2

(1)

式中：G為配筋混凝土面層的重量，按式(2)計算。

G=ρcV0g=ρcS0l0g

(2)

式中：V0為面層的體積；g為重力加速度。

將式(2)代入式(1)，則

F=μG/2=μgρcl0S0/2

(3)

在摩擦力F的作用下，配筋混凝土面層的溫度應(yīng)力σthermal為：

σthermal=F/S0

(4)

將式(3)代入式(4)，則

σthermal=F/S0=μgρcl0/2

(5)

根據(jù)式(5)可以看出，由于面層的密度基本為常數(shù)，所以溫度應(yīng)力σthermal與面層的長度l0及摩擦系數(shù)μ呈正相關(guān)。只要路面的溫度應(yīng)力σthermal不大于其抗拉強(qiáng)度設(shè)計值[ft]，那么配筋混凝土面層就不會開裂。因此可在面層內(nèi)設(shè)置鋼筋網(wǎng)，鋼筋網(wǎng)的參數(shù)可按實際需求設(shè)計，從而提高面層的抗拉強(qiáng)度設(shè)計值[ft]。另外通過設(shè)置隔離層，減小了摩擦系數(shù)μ，降低面層的溫度應(yīng)力σthermal，最終使得溫度應(yīng)力σthermal小于其抗拉強(qiáng)度設(shè)計值[ft]。此外，路面兩端在季節(jié)溫度變化下會出現(xiàn)周期性移動，若端部位移過大，會降低行車舒適性，影響相鄰結(jié)構(gòu)[13]。因此，端部位移也是RCPS的一個控制指標(biāo)。

2 參數(shù)敏感性分析

利用ANSYS軟件探究不同參數(shù)對路面結(jié)構(gòu)的影響。由于幾何結(jié)構(gòu)及荷載的對稱性，建模時面層和墊層只取一半長度。采用罰函數(shù)法定義接觸關(guān)系，將剛度設(shè)置為5 N/m[14]。假定面層為鋼筋混凝土，面層以下分別為隔離層、墊層。為了簡化模型，隔離層厚度為0，由粘結(jié)強(qiáng)度和摩擦系數(shù)表征。地基作為約束作用在墊層上，墊層尺寸經(jīng)過計算確定為120 m×7 m×0.3 m[13]。此外，模型僅考慮整體降溫，忽略溫度梯度及翹曲應(yīng)力。約束設(shè)置上，墊層完全約束，側(cè)面設(shè)置橫向約束，截面設(shè)置縱向約束，具體模型見圖3，模型中的主要材料參數(shù)見表1。

圖3 有限元模型

2.1 經(jīng)典工況下的有限元分析

本節(jié)對路面的經(jīng)典工況進(jìn)行分析以找出用于敏感性分析的關(guān)鍵指標(biāo)。本模型中，溫縮系數(shù)為1×10-5，降溫幅度為20 ℃，干縮系數(shù)為2×10-4，但由于ANSYS中無法直接設(shè)置干縮變形，故等效為溫差作用在結(jié)構(gòu)上[15]。隔離層參數(shù)上，摩擦系數(shù)設(shè)置為0.5，粘結(jié)強(qiáng)度設(shè)置為0.1 MPa；面層參數(shù)上，面層長度設(shè)置為60 m，厚度設(shè)置為0.22 m。其他參數(shù)與表1相同。

表1 模型材料參數(shù)

圖4a為縱向應(yīng)力分布云圖，可以看出，應(yīng)力沿縱向由端部向中部逐漸增大，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在路面中部，為6.76 MPa；端部應(yīng)力為壓應(yīng)力，值為0.053 MPa，遠(yuǎn)小于中部處的應(yīng)力。橫向應(yīng)力分布如圖4b所示，應(yīng)力呈對稱分布，且越靠近中心應(yīng)力越大?？v向位移分布如圖4c所示，趨勢正好與應(yīng)力方向相反，最大位移出現(xiàn)在端頭，為6.7 mm；路面中段由于完全約束，位移很小。橫向位移由于變形均極小故未在文中展出。因此，跨中應(yīng)力和端部位移最能反映路面結(jié)構(gòu)性能，故將作為后續(xù)參數(shù)分析的控制指標(biāo)。

圖4 經(jīng)典工況下的路面模擬結(jié)果

2.2 隔離層參數(shù)分析

從1.2節(jié)可以看出，約束主要取決于隔離層與面層之間的摩擦系數(shù)與粘結(jié)強(qiáng)度。本節(jié)摩擦系數(shù)由0.1逐漸增加到1.0，增量為0.1。粘結(jié)強(qiáng)度分別為0.02，0.04，0.06，0.08，0.1，0.15，0.2，0.3，0.4，0.5 MPa。其他參數(shù)保持不變。

圖5a為路面跨中應(yīng)力隨隔離層參數(shù)的變化曲線?？梢钥闯觯?dāng)粘結(jié)層強(qiáng)度從0增加到0.15 MPa時，路面應(yīng)力隨之增大，但增長幅度逐漸減?。划?dāng)粘結(jié)強(qiáng)度大于0.15 MPa時，應(yīng)力幾乎不再變化。而摩擦系數(shù)從0.1增大到1.0時，應(yīng)力始終增大，雖然增長幅度漸小，但對路面結(jié)構(gòu)的影響一直存在。圖5b為不同隔離層參數(shù)下端部位移變化曲線，其變化趨勢正好與圖5a相反。這是因為摩擦系數(shù)與粘結(jié)應(yīng)力的增大會加強(qiáng)對面層的約束，使得內(nèi)應(yīng)力增大，端部位移減小。根據(jù)分析結(jié)果，路面最大端部位移不超過12 mm，由此可推斷，RCPS的隔離層應(yīng)盡可能降低摩擦系數(shù)與粘結(jié)強(qiáng)度。

圖5 隔離層參數(shù)分析

2.3 面層參數(shù)分析

面層長度和厚度是RCPS設(shè)計中另外兩個重要參數(shù)。在面層參數(shù)分析中，面層長度從40 m增加到100 m，增量為10 m；面層厚度由0.22 m增加到0.32 m，增量為0.02 m。其他參數(shù)與2.1節(jié)相同。圖6a為不同面層參數(shù)下跨中應(yīng)力的變化曲線。結(jié)果表明，跨中應(yīng)力隨面層厚度增加而減小，且兩者呈近似線性關(guān)系；跨中應(yīng)力隨著長度的增加而增大，但增長幅度逐漸減小。當(dāng)面層長度為40 m時，厚度從0.22 m增加到0.32 m，跨中應(yīng)力降低了24.8%；當(dāng)厚度為0.32 m，長度從40 m增加到100 m時，應(yīng)力增加191.12%。因此，面層長度是影響跨中應(yīng)力的主要因素。端部位移變化如圖6b所示，變化趨勢也與應(yīng)力相反，原因與2.2節(jié)相同，最大位移不超過10.5 mm。

圖6 面層參數(shù)分析

對比隔離層參數(shù)與面層參數(shù)對路面結(jié)構(gòu)的影響，顯然隔離層參數(shù)的作用更大。對于跨中應(yīng)力，在隔離層參數(shù)分析中，跨中應(yīng)力最小值為0.08 MPa，最大值為9.18 MPa，增加了11375%；在面層參數(shù)分析中，最小值與最大值分別為3.04，10.2 mm，增加了236%，遠(yuǎn)低于前者。端部位移在隔離層參數(shù)中的變化范圍為6.08 mm，也大于面層參數(shù)分析中的變化范圍。因此可以得出，摩擦系數(shù)與粘結(jié)強(qiáng)度是實施RCPS的關(guān)鍵。

3 隔離層室內(nèi)試驗

由第2節(jié)可知，隔離層的實施效果對于大間距接縫配筋水泥混凝土路面設(shè)計理念的實現(xiàn)具有決定性的作用。本節(jié)利用隔離層室內(nèi)試驗測試不同隔離層材料的隔離效果，確定隔離層最優(yōu)的組合形式，以保障大間距接縫配筋水泥混凝土路面的有效實施。除了常規(guī)的稀漿封層、蠟制養(yǎng)護(hù)劑，本試驗還采用了ABS板以及PET膜作為隔離材料[16,17]。

ABS板全稱為苯乙烯共聚物板，是板材行業(yè)新興的一種材料，具有較好的沖擊強(qiáng)度，高機(jī)械強(qiáng)度、高剛度、低吸水性，能耐熱不變形，在低溫條件下也具有高沖擊性，兼具韌、硬、剛相均衡的優(yōu)良力學(xué)性能[18]。PET膜又名耐高溫聚脂薄膜，無色透明、有光澤，耐摩擦，硬度及韌性高，是常用的阻透性基材之一。相比于常見的塑料薄膜，PET膜剛度更大，類似于薄片，所以基本不會出現(xiàn)褶皺、卷邊現(xiàn)象，而且更難破損[19]。試驗具體工況如表2所示。

表2 隔離層試驗工況

3.1 層間剪切試驗

層間剪切試驗主要模擬面層膨脹收縮變形產(chǎn)生的應(yīng)力，試驗示意圖如圖7[20](圖中：①②③④⑤⑥依次表示反力架、千斤頂、力傳感器、小梁試件、隔離層、基層)所示。實驗前隔離層上澆筑尺寸為150 mm×150 mm×550 mm的小梁試件并養(yǎng)護(hù)28 d。養(yǎng)護(hù)完成后，將螺旋千斤頂、力傳感器和試件的中心布置在同一水平面上并對準(zhǔn)。之后緩慢地推動千斤頂，直到試件完全脫離基層，并用力傳感器記錄下最大水平力Tmax。為便于試驗結(jié)果分析，將最大水平力Tmax與試件自重m之比定義為綜合摩擦系數(shù)fh[21]：

圖7 層間剪切試驗示意/mm

fh=Tmax/m

(6)

該值可綜合反映層間粘結(jié)應(yīng)力與最大靜摩擦力。

圖8為不同隔離層下，經(jīng)過層間剪切試驗后的分離面狀況?？梢悦黠@看出，隔離層工況為PET膜、PET膜+砂以及ABS板+瓜米石的試件分離面光滑平整；而蠟制養(yǎng)護(hù)劑隔離層、稀漿封層隔離層以及無隔離層工況下的試件分離面粗糙程度依次增大，部分隔離層材料粘結(jié)在分離面上，具有較多的孔隙。這些情況的存在會影響面層與基層的受力，易發(fā)生應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致面層開裂。此外，由于分離面的不平整，面層在行車荷載中也更加容易發(fā)生疲勞破壞[22]。

圖8 層間剪切試驗后的分離面狀況

圖9為各個隔離層的綜合摩擦系數(shù)?？梢钥闯觯綦x層的存在明顯降低了試件的綜合摩擦系數(shù)，其中ABS板系列隔離層(工況1～工況3)和PET膜系列隔離層(工況4～工況13)的綜合摩擦系數(shù)均降到1以下。所有工況中，1 mm ABS板+15 mm厚瓜米石組合(工況3)的效果最好，相比于無隔離層(工況16)的綜合摩擦系數(shù)減小了99.5%。對于ABS板系列隔離層(工況1～工況3)，瓜米石厚度的增加可以降低綜合摩擦系數(shù)，但過厚的瓜米石層不僅會造成工程造價的增加，還會增加面層大變形的潛在可能性。對于PET膜系列隔離層(工況4～工況13)，粗砂層的存在確實可以降低綜合摩擦系數(shù)，但并非越厚越好，例如隔離層為10 mm厚粗砂+0.3 mm厚PET膜的綜合摩擦系數(shù)(工況13)反而大于隔離層僅為0.3 mm厚PET膜(工況9)。在PET膜厚度上，0.2 mm PET膜系列(工況4～工況8)綜合摩擦系數(shù)平均值為0.500，0.3 mm PET膜系列(工況9～工況13)綜合摩擦系數(shù)平均值為0.489，僅相差0.011，故PET膜厚度對綜合摩擦系數(shù)的影響可忽略不計。對于常規(guī)隔離材料，蠟的隔離效果也較好，這是因為石蠟基層與面層間產(chǎn)生有效的潤滑[23]。

圖9 各隔離層綜合摩擦系數(shù)

3.2 滑動摩擦系數(shù)試驗

如圖10(圖中①②③④⑤⑥依次表示反力架、千斤頂、力傳感器、小梁試件、隔離層、基層)所示，在不同的法向壓力下，測定頂推小梁試件時基層表面的滑動摩擦系數(shù)，以表征小梁被推滑動的難易程度[20]。試驗過程與層間剪切試驗基本相同，但試件需要勻速滑動，當(dāng)推力基本穩(wěn)定時才能記錄，以減少試驗誤差。根據(jù)施加的法向壓力M與試驗測得的水平推力F，按式(7)計算滑動摩擦系數(shù)：

f=F/M

(7)

在試驗中，對于含PET膜的隔離層工況，既出現(xiàn)了試件與膜一起相對基層/砂滑動的現(xiàn)象，也出現(xiàn)了試件相對于膜滑動的現(xiàn)象。說明試件和膜之間的摩擦系數(shù)與膜和基層/砂之間的摩擦系數(shù)相近。而對于ABS板+瓜米石的隔離層工況，試驗中試件與ABS板一起相對于瓜米石滑動。這是因為瓜米石表面光滑，呈圓球狀，且ABS板表面又十分平整，所以該界面的滑動摩擦系數(shù)最小。

圖11為各隔離層的滑動摩擦系數(shù)。ABS板系列隔離層(工況1～工況3)的滑動摩擦系數(shù)平均值為0.29，PET膜系列隔離層(工況4～工況13)的滑動摩擦系數(shù)平均值為0.41，蠟隔離層(工況14)、稀漿封層隔離層(工況15)的滑動摩擦系數(shù)分別為0.51，0.65，均小于無隔離層(工況16)情況下試件的滑動摩擦系數(shù)。這些隔離層的滑動摩擦系數(shù)大小情況也與試驗過程中觀察到試件分離面的粗糙程度相吻合。

圖11 各隔離層滑動摩擦系數(shù)

3.3 拉拔試驗

參照文獻(xiàn)[24]，測得面層與基層之間的法向粘結(jié)應(yīng)力，試驗示意圖如圖12(圖中：①②③④⑤⑥⑦⑧依次表示反力架、力傳感器、千斤頂、鋼絞線、帶環(huán)膨脹螺栓、試件、隔離層、基層)所示。首先在隔離層上澆筑直徑為110 mm、高度為150 mm的圓柱形混凝土試件并養(yǎng)護(hù)28 d，帶環(huán)膨脹螺栓預(yù)埋在試件頂部。試驗時，拉力由反力架和螺旋千斤頂提供，通過鋼絞線傳遞。與前兩個試驗相同，螺旋千斤頂、力傳感器和試件的中心需在同一水平面上并對準(zhǔn)，以保證試件軸向受拉，之后測得最大拉拔力Pmax。法向粘結(jié)應(yīng)力σ為最大拉拔力Pmax與拉拔試件橫截面積A的比值：

圖12 拉拔試驗示意/mm

σ=Pmax/A

(8)

該值可以反映出路面層在翹曲變形時的約束強(qiáng)弱。

圖13為各工況的法向粘結(jié)應(yīng)力。各隔離層法向粘結(jié)應(yīng)力的相對大小情況與層間剪切試驗結(jié)果一致。ABS板和PET膜材料表面光滑致密，使得水泥漿難以滲入，完全阻斷了面層與基層的粘結(jié)。所以ABS板系列(工況1～工況3)以及PET膜系列(工況4～工況13)的法向粘結(jié)應(yīng)力很小，均不超過4 kPa，這也是它們綜合摩擦系數(shù)與滑動摩擦系數(shù)幾乎沒有差異的原因。蠟制養(yǎng)護(hù)劑和稀漿封層能夠填補(bǔ)基層表面的孔隙，對過渡層的形成有一定的抑制作用。此外，石蠟分子的范德華力極小，極難粘合，所以蠟隔離層的法向粘結(jié)應(yīng)力要小于稀漿封層隔離層[22]。而當(dāng)面層與基層之間無隔離層時，水泥漿會滲入基層表面中的孔隙形成過渡層，極大增加了粘結(jié)應(yīng)力。

圖13 各隔離層法向粘結(jié)應(yīng)力

根據(jù)上述三個試驗的分析結(jié)果，ABS板系列隔離層與PET膜系列隔離層均有優(yōu)秀的隔離性能。但從實際工程的角度考慮，一卷PET膜的尺寸規(guī)格為800 m×1.2 m(長×寬)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于ABS板，施工鋪設(shè)更為方便。在PET膜下鋪設(shè)適當(dāng)厚度的砂層可以減少摩擦系數(shù)，但減小幅度不大。實際施工中砂層厚度控制較為困難，并且如未鋪設(shè)均勻，反而會增大摩阻力。另外試驗表明，PET膜的厚度對摩擦因素的影響可忽略不計。對于0.2 mm PET膜隔離層這一工況，其綜合摩擦系數(shù)相比無隔離層下降了99.05%，隔離性能優(yōu)異，布置完成后即可攤鋪面層水泥混凝土，對天氣要求低，而且造價為6.4元/m2，低于絕大多數(shù)的傳統(tǒng)隔離層材料[25]。因此，最終選取僅0.2 mm PET膜這一工況作為大間距接縫配筋水泥混凝土路面的隔離層。

4 工程應(yīng)用研究

4.1 工程介紹

青山區(qū)是武漢新興的工業(yè)城區(qū)，冬冷夏熱，溫差較大，而武惠堤南路則是連接青山區(qū)武鋼外貿(mào)碼頭與武鋼廠區(qū)的交通要道，大型特大型貨車較多，屬于極重交通等級。為了評估RCPS結(jié)構(gòu)的有效性，本文依托武漢青山區(qū)武惠堤南路改造工程進(jìn)行了現(xiàn)場試驗。試驗道路長80 m，寬8.2 m；底基層厚0.2 m，為級配碎石；基層厚度0.24 m，為水泥混凝土。隔離層選用0.2 mm PET薄膜，鋪設(shè)時緊貼基層表面，均勻平整，盡量減少摩擦阻力。隔離層完成后，安置模板并預(yù)留伸縮縫，之后鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)。因為RCPS路面結(jié)構(gòu)消除了橫向接縫，所以縱向配筋可按普通鋼筋水泥混凝土路面處理，以將路面板拉在一起所需的最大拉力確定。當(dāng)路面達(dá)到臨界開裂狀態(tài)時，最大拉力出現(xiàn)在路面中心位置，等于面層從中心到端部的摩擦阻力。根據(jù)普通鋼筋水泥混凝土路面縱向配筋率計算公式，該試驗路縱向配筋率最終為0.31%；橫向配筋設(shè)計上，實際工程中橫向配筋數(shù)量較小，主要是保持縱向鋼筋間距不變，所以只有縱向鋼筋的12.5%～20%，配筋間距按相關(guān)規(guī)定不得超過0.8 m[26]。本項目中，橫向配筋間距為0.6 m。鋼筋網(wǎng)鋪設(shè)完成后，澆筑水泥混凝土面層，用振搗器振搗，避免蜂窩和孔洞。面層厚度根據(jù)文獻(xiàn)[26,27]，可采用普通水泥混凝土路面設(shè)計方法，主要考慮荷載應(yīng)力與溫度應(yīng)力，但RCPS特殊的長度和隔離層并不適用傳統(tǒng)的溫度應(yīng)力計算方法，采用本文第二節(jié)有限元模型的計算結(jié)果更為合適。因此參考類似工程[26,28,29]，初擬面層厚度為0.3 m，路面抗彎拉強(qiáng)度按設(shè)計規(guī)定為5 MPa，按照普通水泥混凝土路面設(shè)計流程進(jìn)行計算，其極限狀態(tài)滿足檢驗條件。最后當(dāng)混凝土強(qiáng)度達(dá)到規(guī)定強(qiáng)度時，安裝伸縮縫。

圖14 現(xiàn)場施工步驟

為了測量路面干縮、溫縮過程中的應(yīng)力變化，將光纖光柵應(yīng)變傳感器通過扎帶固定并與縱向鋼筋緊密相連，間距為10 m。此外還安裝了溫度傳感器，以消除溫度變化對監(jiān)測結(jié)果的影響，具體布置如圖15。試驗路施工完成后，利用光纖光柵解調(diào)儀采集數(shù)據(jù)。

圖15 應(yīng)變傳感器布置/m

4.2 應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果

圖16a為試驗路段應(yīng)力-凝結(jié)時間變化曲線，各曲線變化趨勢基本一致，表明傳感器工作狀態(tài)正常。剛澆筑時，路面應(yīng)力為壓應(yīng)力，之后隨著凝結(jié)時間的增加發(fā)展為拉應(yīng)力且幅度較大。4.9天后，路面出現(xiàn)最大拉應(yīng)力，為2.98 MPa。出現(xiàn)的位置距離端部42 m，即最靠近路面中部的位置，這是因為越靠近中間位置所受的約束就越大。同理，在所有監(jiān)測點中，距離端部2 m處應(yīng)力最小。在達(dá)到最大值后，應(yīng)力曲線趨于平緩，并隨環(huán)境溫度變化而波動，12天后開始下降。

圖16b為應(yīng)力與端距的變化關(guān)系，為了避免溫度和凝結(jié)時間的影響，各點位置均選取路面出現(xiàn)最大應(yīng)力時刻的監(jiān)測數(shù)據(jù)?？梢钥闯?，應(yīng)力與端距呈顯著的線性相關(guān)，當(dāng)超過路面中點時，應(yīng)力開始下降。該現(xiàn)象與第1節(jié)的設(shè)計理論相吻合，驗證了RCPS結(jié)構(gòu)和方法的合理性。

圖16 應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果

4.3 裂縫觀測

試驗路段通車2個月后，對路面裂縫進(jìn)行觀測，發(fā)現(xiàn)試驗路上裂縫形態(tài)為表面裂縫，主要發(fā)生在路面邊緣，底部肉眼可見，走向不明顯，主要原因可能與混凝土澆筑后養(yǎng)護(hù)不當(dāng)與行人踩踏有關(guān)[30]。試驗路段并未觀察到橫向裂縫，因為隔離層的存在降低了面層的粘結(jié)強(qiáng)度與摩擦阻力，并通過伸縮縫的間距控制，實現(xiàn)配筋混凝土面層在環(huán)境溫度和濕度作用下的縱向自由變形，應(yīng)力未超過混凝土的開裂強(qiáng)度，保證了路面的完整性。

5 結(jié) 論

(1)為了解決連續(xù)配筋水泥混凝土路面容易出現(xiàn)水損害及沖斷破壞的問題，本文提出了一種大間距接縫配筋水泥混凝土路面(RCPS)結(jié)構(gòu)，確保路面不會出現(xiàn)橫向裂縫，保證了路面的完整性。

(2)通過參數(shù)化分析，發(fā)現(xiàn)隔離層參數(shù)對RCPS的收縮應(yīng)力影響較大，因此有必要尋找一種新的隔離層，顯著降低摩擦和粘結(jié)應(yīng)力，以保證RCPS的有效實施。

(3)隔離層室內(nèi)試驗表明，ABS板和PET膜幾乎可以完全阻止面層與基層的粘結(jié)，滿足設(shè)計需求，綜合工程造價及施工工藝，最終選取0.2 mm厚PET膜作為RCPS的隔離層。

(4)依托實體工程進(jìn)行驗證，監(jiān)測結(jié)果表明，無論是路面最大應(yīng)力還是裂縫發(fā)展情況均滿足設(shè)計要求，有效證明了RCPS結(jié)構(gòu)的合理性。