高配筋率CRCP橫向裂縫產(chǎn)生規(guī)律研究

胡 濤,周吳軍

(1.湖南建工交通建設(shè)有限公司,湖南 長沙 410004；2.華中科技大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院,湖北 武漢 430074)

連續(xù)配筋水泥混凝土路面(Continuously Reinforced Concrete Pavement,CRCP)由于其優(yōu)異的路用性能和較低的全壽命周期成本而被廣泛應(yīng)用于重載交通路段。我國早期修建的CRCP大多采用與美國相似的結(jié)構(gòu)和配筋率設(shè)計[1,2],然而路用性能和耐久性并未達(dá)到預(yù)期,主要原因是重載交通荷載的不利影響。因此湖北省在個別極重載路段采用高達(dá)1.15%配筋率的雙層配筋CRCP路面結(jié)構(gòu),并取得了優(yōu)異的路用性能。

前期研究成果和工程應(yīng)用經(jīng)驗表明沖斷和窄橫向裂縫間距存在顯著的關(guān)聯(lián)性,橫向裂縫間距小于1 m的位置處出現(xiàn)沖斷病害的概率更高。美國力學(xué)-經(jīng)驗路面設(shè)計指南建議合理的平均橫向裂縫間距為0.9～1.2 m[6]。因此研究人員針對CRCP橫向裂縫產(chǎn)生機理和裂縫間距預(yù)測開展了研究。環(huán)境和交通荷載在縱向產(chǎn)生的板內(nèi)應(yīng)力超出混凝土的強度是橫向裂縫產(chǎn)生的根本原因,橫向裂縫間距和寬度受到設(shè)計、施工和材料選擇等方面因素的綜合影響。橫向裂縫間距隨著施工溫度值、混凝土線膨脹系數(shù)和縱向鋼筋配筋率的增大而減小。以上相關(guān)研究成果主要是針對常規(guī)配筋率0.55%～0.85%的CRCP,高配筋率CRCP的橫向裂縫產(chǎn)生規(guī)律及特征缺乏實驗和經(jīng)驗數(shù)據(jù)。

本文依托湖北省高配筋率CRCP試驗段開展了橫向裂縫產(chǎn)生規(guī)律和特征的系統(tǒng)研究,特別是配筋率、養(yǎng)生方法、施工時間和交通荷載等設(shè)計和施工參數(shù)的影響規(guī)律。為我國高配筋率CRCP設(shè)計和施工的優(yōu)化提供理論和實踐依據(jù)。

1 現(xiàn)場試驗

1.1 試驗段信息

CRCP試驗段位于湖北省黃岡市,總長度為8.1 km,建造期在2017年7月到2018年9月之間。如圖1所示,路面結(jié)構(gòu)從下至上分別為22 cm碎石化的舊水泥混凝土路面、20 cm碾壓混凝土基層、4 cm AC-13瀝青混凝土層和30 cm CRCP路面板。為了實現(xiàn)CRCP中水泥混凝土的較低線膨脹系數(shù)值,粗集料類型采用石灰?guī)r碎石。CRCP采用雙層配筋的方式,上、下層鋼筋距離板底的距離分別為22 cm和4 cm,鋼筋采用直徑20 mm的螺紋鋼筋。依據(jù)我國公路水泥混凝土路面施工技術(shù)細(xì)則的要求,全路段采用三輥軸施工和氈布灑水保濕養(yǎng)生,每天鋪筑CRCP板的長度通常為200 m左右。

圖1 CRCP結(jié)構(gòu)示意/cm

1.2 現(xiàn)場試驗測試

為了研究不同高配筋率的影響,在2018年1月13日至15日期間分別鋪筑了三段配筋率為0.85%,1.00%,1.15%的CRCP,氣溫在0～12℃之間。橫向裂縫調(diào)查的夏季施工段為隨機選取的2017年8月期間鋪筑的CRCP,氣溫在27～37℃之間。在開放交通前和開放交通后的12個月左右分別對橫向裂縫的產(chǎn)生進(jìn)行了兩次現(xiàn)場調(diào)查。同時通過在CRCP路面板板中位置的不同深度處埋設(shè)縱向混凝土應(yīng)變計監(jiān)測其在環(huán)境荷載作用下的結(jié)構(gòu)行為,埋設(shè)位置分別距離路面板底1，16.5，22，27 cm處,如圖2所示?；炷翍?yīng)變計的數(shù)據(jù)采集間隔時間為20 min,可同時采集應(yīng)變和溫度數(shù)據(jù)。

圖2 混凝土應(yīng)變計的現(xiàn)場埋設(shè)

2 各因素對橫向裂縫的影響規(guī)律

2.1 縱向配筋率和施工季節(jié)

開放交通12個月后的CRCP橫向裂縫間距分布如圖3所示,冬季施工段中橫向裂縫間距小于1 m的占比數(shù)隨著配筋率的增加而增加,0.85%,1.00%,1.15%配筋率分別對應(yīng)的占比數(shù)為5.3%，6.9%，14.4%。配筋率為1.15%的夏季施工段中橫向裂縫間距小于1 m的占比高達(dá)62.4%,遠(yuǎn)高于冬季施工段。依據(jù)美國力學(xué)-經(jīng)驗路面設(shè)計指南可知夏季施工的高配筋率CRCP出現(xiàn)沖斷病害的可能性更高。

圖3 橫向裂縫間距的分布

開放交通12個月后的平均橫向裂縫間距與配筋率的關(guān)系如圖4所示,0.85%，1.00%，1.15%配筋率的冬季施工CRCP平均裂縫間距分別為2.97，2.66，2.51 m,平均裂縫間距隨著配筋率的增加而減小。相同齡期配筋率為1.15%夏季施工段的平均裂縫間距在1 m左右,明顯低于冬季施工段的2.51 m。

圖4 平均裂縫間距與縱向配筋率的關(guān)系

1990年1月美國得州在州際高速IH45上修建了配筋率0.55%～0.84%的雙層配筋CRCP試驗段并調(diào)查了橫向裂縫間距,試驗段路面板厚為38.1 cm,板底基層為2.54 cm的瀝青混凝土,混凝土粗集料包括石灰?guī)r碎石和礫石兩種。得州IH45混凝土鋪筑10個月后的CRCP平均橫向裂縫間距如圖4所示,混凝土粗集料類型和配筋率對平均裂縫間距有較為顯著的影響。綜上所述,高配筋率CRCP可以通過混凝土粗集料類型、施工季節(jié)的優(yōu)化選擇而實現(xiàn)合理的平均橫向裂縫間距。

平均橫向裂縫間距與配筋率的負(fù)相關(guān)性主要源于高配筋率將更大程度地限制混凝土的縱向變形,導(dǎo)致環(huán)境荷載作用下的CRCP路面板內(nèi)縱向應(yīng)力水平增高,進(jìn)而出現(xiàn)更多的橫向裂縫。0.85%和1.15%配筋率CRCP不同深度處混凝土的總應(yīng)變?nèi)兆兓厔莘謩e如圖5a和5b所示(注：0.85%配筋率CRCP底部傳感器故障,數(shù)據(jù)無法獲取),混凝土縱向總應(yīng)變隨著混凝土板中溫度的變化表現(xiàn)出明顯的脹縮行為?；炷谅访姘宀煌疃忍幙v向總應(yīng)變的極值和日變化量如表1所示,縱向總應(yīng)變的日變化量總體趨勢是隨著板深的增加而減小。距離板底22 cm和27 cm處的混凝土縱向總應(yīng)變的日變化量隨著配筋率從0.85%增加到1.15%而顯著降低,16.5 cm處的混凝土縱向總應(yīng)變的日變化量受配筋率的影響不明顯。表明上層鋼筋以上的混凝土受到的約束水平隨著配筋率的增加而顯著提高,混凝土縱向應(yīng)力水平在相同溫度和濕度變化下隨著配筋率的增加而升高,進(jìn)而產(chǎn)生更多橫向裂縫,表現(xiàn)為平均橫向裂縫間距降低,與試驗段調(diào)查獲取的規(guī)律吻合,如圖4所示。

表1 CRCP現(xiàn)場結(jié)構(gòu)行為數(shù)據(jù)匯總(冬季施工段)με

圖5 CRCP不同深度處混凝土總應(yīng)變的日變化

2.2 養(yǎng)生條件和鋪筑時刻

試驗段在開放交通前后的橫向裂縫數(shù)量增長情況如圖6所示,在開放交通前的冬季施工CRCP路表面能發(fā)現(xiàn)的橫向裂縫數(shù)量極少,在開放交通12個月后才出現(xiàn)了一定數(shù)量的橫向裂縫。夏季施工CRCP開放交通前后的橫向裂縫增長率大于98%,顯著小于美國得州采用混凝土養(yǎng)生劑CRCP的增長率[16]。相比于噴灑養(yǎng)生劑,試驗段采用的氈布灑水養(yǎng)生方式能有效降低混凝土早期干縮和溫縮,延緩橫向裂縫的產(chǎn)生時間和數(shù)量。

圖6 開放交通前、后橫向裂縫的發(fā)展(冬季和夏季施工)

為了研究混凝土鋪筑時刻的影響,選取夏季施工中一天鋪筑長度內(nèi)的平均裂縫間距進(jìn)行分析,以20 m為單位統(tǒng)計長度計算其平均橫向裂縫間距,開放交通前后的平均橫向裂縫間距如圖7所示。橫坐標(biāo)的起點和終點位置分別對應(yīng)一天鋪筑中的上午和下午起、止施工時刻,縱坐標(biāo)為以20 m為單位統(tǒng)計長度的平均橫向裂縫間距。如圖7所示,下午鋪筑部分的平均裂縫間距要顯著大于上午鋪筑部分,特別是首、尾各20 m范圍內(nèi)的平均間距差異尤為突出。開放交通12個月后的平均裂縫間距降低到1 m左右,上、下午鋪筑時刻差異的影響變得不明顯。首20 m范圍的平均裂縫間距為0.55 m,仍明顯小于尾20 m范圍的平均值,且CRCP首、尾兩端的平均裂縫間距值均不在美國力學(xué)-經(jīng)驗路面設(shè)計指南建議的0.9～1.2 m范圍內(nèi)。開放交通前橫向裂縫的產(chǎn)生主要受環(huán)境荷載的影響,鋪筑時刻及其對應(yīng)溫度的影響則更為明顯,開放交通后鋪筑時刻影響減弱的主要原因是后續(xù)新裂縫的產(chǎn)生受到環(huán)境和交通荷載的共同作用。

圖7 平均橫向裂縫間距沿CRCP位置的變化

2.3 環(huán)境和交通荷載對橫向裂縫的影響

武漢市白玉路雙層配筋CRCP路段修建于2015年5—7月,選取其中一段152 m長的CRCP作為開放交通后橫向裂縫產(chǎn)生規(guī)律的研究對象,如圖8所示。依據(jù)交通荷載行駛軌跡的現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果,前65 m范圍內(nèi)由于CRCP的不連續(xù)受到的交通荷載作用有限,主要為溫度和濕度變化引起的環(huán)境荷載作用；后87 m范圍則受到交通荷載和環(huán)境荷載的共同作用。分別在開放交通后的2016年10月和2019年4月開展了2次橫向裂縫,新裂縫產(chǎn)生的相對位置值通過新裂縫與原裂縫的距離除以原裂縫間距表述。如圖9所示,間距小于1 m的原橫向裂縫之間無新裂縫產(chǎn)生,前65 m和后87 m在原橫向裂縫中間位置(相對位置值為50%±10%)產(chǎn)生新裂縫的概率分別為 72.7% 和 30.8%。開放交通后新橫向裂縫的產(chǎn)生規(guī)律受到環(huán)境荷載和交通荷載的共同作用,在環(huán)境荷載為主導(dǎo)時新裂縫產(chǎn)生位置多集中在原裂縫間距的中間位置,環(huán)境和交通荷載共同作用時的新裂縫產(chǎn)生位置則相對分散。

圖8 白玉路現(xiàn)場調(diào)查

圖9 新裂縫產(chǎn)生的相對位置

3 結(jié) 論

高配筋率CRCP常被用于提高極重交通路段的路面性能和耐久性,為了明確高配筋率CRCP橫向裂縫的產(chǎn)生規(guī)律,本文通過現(xiàn)場裂縫調(diào)查和結(jié)構(gòu)行為監(jiān)測系統(tǒng)研究了高配筋率、施工時間和養(yǎng)生條件、環(huán)境荷載和交通荷載等主要因素的影響規(guī)律。

(1)平均橫向裂縫間距隨著縱向配筋率的升高而減小,CRCP上層鋼筋以上的混凝土在環(huán)境變化下受到的約束和內(nèi)部應(yīng)力水平隨著配筋率的升高而增大。

(2)冬季施工和氈布灑水養(yǎng)生能降低混凝土的溫縮和干縮,可有效減少高配筋CRCP的橫向裂縫數(shù)量和延緩橫向裂縫產(chǎn)生時間。

(3)CRCP下午施工段的平均橫向裂縫間距大于上午施工段,這一趨勢在施工段端部的20 m范圍內(nèi)尤為明顯,且隨著開放交通后環(huán)境荷載和交通荷載的共同作用而逐漸減弱。

(4)環(huán)境荷載影響為主的新裂縫多產(chǎn)生于原橫向裂縫的板中位置,環(huán)境荷載和交通荷載共同作用下的新裂縫產(chǎn)生位置則相對分散。