不同攤鋪方式下的道路基層混凝土性能分析

李寧

（衡水龍翔公路工程勘察設(shè)計(jì)咨詢有限公司，河北衡水 053000）

0 引言

當(dāng)前，為適應(yīng)環(huán)境要求，我國公路工程中的路面大多采用半剛性基層的形式，其基本方式是將水、無機(jī)結(jié)合料等材質(zhì)與碎石、礫石或土體進(jìn)行充分混合，再進(jìn)行壓實(shí)、養(yǎng)護(hù)等工藝后，最終形成無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)存在一系列不足，例如對通行荷載反應(yīng)強(qiáng)烈、引起的反射裂縫較多，同時自身的透水性不佳，易造成積水現(xiàn)象，且材料受損后較難恢復(fù)。在其施工的養(yǎng)護(hù)等強(qiáng)階段，該結(jié)合料受溫度影響劇烈，往往導(dǎo)致力學(xué)性能受到一定程度的影響，不利于路用性能的發(fā)揮。為此，在不同的氣候溫度條件下，研究該形式基層的力學(xué)性能與適合的施工工藝具有較大的現(xiàn)實(shí)意義[1-2]，能有效指導(dǎo)實(shí)際中半剛性基層的施工，促進(jìn)公路工程質(zhì)量的提升。

我國北方區(qū)域氣溫普遍較低，而路面基層混凝土的等強(qiáng)發(fā)展需要適宜的溫度條件。因此，滿足其養(yǎng)護(hù)需求的時間較短，大多需要在低溫下勉強(qiáng)實(shí)施混凝土養(yǎng)護(hù)，由此導(dǎo)致材質(zhì)強(qiáng)度發(fā)展較慢，極易在通行車輛的荷載作用下發(fā)生損毀。因此，必須采取保溫措施對基層混凝土實(shí)施養(yǎng)護(hù)。在此方面，有學(xué)者研究了路面混凝土隨溫度的變化情況，發(fā)現(xiàn)對拉應(yīng)力而言，溫度對其的影響遠(yuǎn)大于彈性模量因素，且混凝土入模后的前五天時間內(nèi)，基體最易產(chǎn)生裂縫缺陷[3-4]。也有學(xué)者分析了路面混凝土在溫度變化下的前期強(qiáng)度情況，認(rèn)為施工時應(yīng)當(dāng)將早期開裂的風(fēng)險因素盡量規(guī)避[5]。還有學(xué)者研究了路面基層在結(jié)構(gòu)方面的具體設(shè)計(jì)措施，指出了不同溫度條件下的設(shè)計(jì)參數(shù)要求[6]。

本文為研究不同溫度條件下的基層混凝土相應(yīng)性能，考慮攤鋪方式的不同，設(shè)計(jì)10～30℃區(qū)間的試驗(yàn)環(huán)境，溫度間隔為10℃，以分析相應(yīng)試驗(yàn)工況下的混凝土力學(xué)性能，從而為實(shí)際中不同氣候條件下的施工方案制定提供理論指導(dǎo)。

1 力學(xué)參數(shù)及路面結(jié)構(gòu)的設(shè)定

按照《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D50—2017）標(biāo)準(zhǔn)中給出的方法，我國路面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)指標(biāo)具體視道路的等級不同而定。具體而言，對于一級、二級公路，其路面設(shè)計(jì)指標(biāo)選取主要考慮的是表面回彈彎沉與拉應(yīng)力；對于道路等級為三級、四級，則主要指標(biāo)為彎沉值。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前路面結(jié)構(gòu)形式的應(yīng)用實(shí)踐中，較為普遍的是上基層、下基層與底基層構(gòu)造形式，各層厚度均為18cm。其中，上基層選取水泥穩(wěn)定碎石，下基層考慮二灰穩(wěn)定碎石，而底基層則一般為石灰土。以此為例，應(yīng)用Kenpave力學(xué)分析軟件，將試驗(yàn)穩(wěn)定溫度分別確定為10℃、20℃、30℃，其他參數(shù)見表1。試驗(yàn)荷載取為規(guī)定值100kN，垂直均布荷載設(shè)定為雙圓形式，見圖1，其等價半徑取為10.65cm。

另外，按照當(dāng)前我國的道路通行條件與環(huán)境，選取簡化模型進(jìn)行計(jì)算，獲得在軸載180kN條件下，單圓輪壓為0.869MPa，半徑值為0.179 8m。

2 結(jié)果分析

2.1 分層攤鋪

圖1 荷載示意圖

表1 試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定

分層分期攤鋪時，具體的工況為：在底基層施工結(jié)束后，對其進(jìn)行等強(qiáng)養(yǎng)護(hù)，時長為7d或14d，然后依次進(jìn)行下基層與上基層攤鋪。在不同的等強(qiáng)溫度條件下，路面各結(jié)構(gòu)層的最大彎沉數(shù)據(jù)參見圖2。由圖2可知，當(dāng)?shù)葟?qiáng)環(huán)境溫度從10℃上升到30℃時，對于下基層，其最大彎沉值從4.52mm逐步降低至0.98mm；對于上基層，其最大彎沉值則從3.36mm逐步降低至0.69mm；對于面層，其最大彎沉值則從1.72mm逐步降低到0.49mm。

圖2 分層分期攤鋪?zhàn)畲髲澇林?/p>

進(jìn)一步分析可知，不同環(huán)境條件下的層底最大拉應(yīng)力值參見表2。由表2可知，當(dāng)?shù)葟?qiáng)環(huán)境溫度從10℃上升到30℃時，對于底基層施工工況，其層底所引起的最大拉應(yīng)力值由0.276MPa逐步上升到了1.03MPa；而對應(yīng)等強(qiáng)溫度條件下的石灰土劈裂強(qiáng)度為0.04MPa與0.09MPa。因此，底基層的最大拉應(yīng)力值均已超過材料的劈裂強(qiáng)度限值，表明裂縫將會發(fā)生，底基層發(fā)生破壞。同樣當(dāng)溫度從10℃升至30℃時，上基層施工工況下，層底的最拉應(yīng)力值分別為0.257、0.369以及0.548MPa，超出對應(yīng)基層材料石灰土的劈裂強(qiáng)度限值，與此同時，拉應(yīng)力值也大于下基層材料二灰穩(wěn)定碎石的抗劈裂強(qiáng)度0.438MPa，也將會引起下基層穩(wěn)定碎石材料的損壞。最后，在面層施工工況下，溫度按上述升溫時，對應(yīng)上基層、下基層以及底基層，其層底產(chǎn)生的最大拉應(yīng)力依次為0.162、0.276以及0.298MPa，而在10℃時，水泥穩(wěn)定碎石的劈裂強(qiáng)度僅為0.15MPa，故此時上基層將會發(fā)生破損；而20℃時，二灰穩(wěn)定碎石的劈裂強(qiáng)度為0.315MPa，故此時下基層也將會發(fā)生破損。

表2 不同等強(qiáng)環(huán)境溫度時的層底最大拉應(yīng)力值（分層攤鋪）

2.2 連續(xù)攤鋪

連續(xù)攤鋪時，具體工況為：在底基層施工結(jié)束后，暫先不實(shí)施養(yǎng)護(hù)措施，而是直接繼續(xù)施工下基層的攤鋪，接著再展開上基層的攤鋪。完成攤鋪后，最終等強(qiáng)養(yǎng)護(hù)7d時間，最后實(shí)施面層攤鋪。不同的等強(qiáng)環(huán)境條件下，路面的最大彎沉數(shù)據(jù)參見圖3。由圖3可見，當(dāng)溫度從10℃升至30℃時，最大彎沉數(shù)據(jù)呈現(xiàn)逐步下降的趨勢，連續(xù)攤鋪7d后，各溫度條件下的最大彎沉值分別為1.20、0.96以及0.88mm。而在連續(xù)攤鋪14d后，溫度從10℃升至30℃時，最大彎沉數(shù)據(jù)分別變?yōu)?.07、0.89以及0.81mm。因此，相比分層施工工況下，連續(xù)攤鋪時的彎沉值更小且整體更趨于平穩(wěn)。

圖3 連續(xù)攤鋪?zhàn)畲髲澇林?/p>

連續(xù)攤鋪7d后，不同等強(qiáng)環(huán)境條件下的層底最大拉應(yīng)力數(shù)據(jù)如表3所示。由表3可知：

（1）10℃條件下，三個基層的最大拉應(yīng)力數(shù)據(jù)分別為0.129、0.198以及0.038MPa，對應(yīng)溫度下的三種基層材料——水泥穩(wěn)定碎石、二灰穩(wěn)定碎石以及石灰土的劈裂強(qiáng)度依次為0.15、0.22以及0.04MPa，表明最大拉應(yīng)力數(shù)據(jù)均在抗裂限值范圍內(nèi)，說明三個基層均不會發(fā)生破損。

（2）20℃條件下，三個基層的最大拉應(yīng)力數(shù)據(jù)分別為0.154、0.220和0.056MPa，水泥穩(wěn)定碎石、二灰穩(wěn)定碎石以及石灰土的劈裂強(qiáng)度數(shù)據(jù)依次為0.22、0.314以及0.064MPa，表明最大拉應(yīng)力數(shù)據(jù)均在抗裂限值范圍內(nèi)，說明三個基層也均不會發(fā)生破損。

（3）30℃條件下，三個基層的最大拉應(yīng)力數(shù)據(jù)分別為0.165、0.219以及0.082MPa，水泥穩(wěn)定碎石、二灰穩(wěn)定碎石以及石灰土的劈裂強(qiáng)度數(shù)據(jù)依次為0.28、0.242以及0.08MPa，表明最大拉應(yīng)力數(shù)據(jù)均在抗裂限值范圍內(nèi)，說明三個基層均不會發(fā)生破損。

表3 不同養(yǎng)生溫度下層底最大拉應(yīng)力值（連續(xù)攤鋪7d）

連續(xù)攤鋪14d后，不同等強(qiáng)環(huán)境條件下的層底最大拉應(yīng)力數(shù)據(jù)見表4。由表4可見，各層底的最大拉應(yīng)力數(shù)據(jù)均小于對應(yīng)的劈裂強(qiáng)度，說明各基層都不會發(fā)生損壞。限于篇幅，不再贅述。

表4不同養(yǎng)生溫度下層底最大拉應(yīng)力值（連續(xù)攤鋪14d）

2.3 對比分析

由上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較研究可知，采取基層分層施工方案時，最大彎沉數(shù)據(jù)較為分散，且對溫度反應(yīng)敏感，同時各層底產(chǎn)生的拉應(yīng)力值均已超出相應(yīng)基層材料的劈裂強(qiáng)度限值，將會引起各基層的破損；而當(dāng)采取連續(xù)攤鋪方案時，最大彎沉數(shù)值呈現(xiàn)較為穩(wěn)定的趨勢且數(shù)據(jù)均較小，各拉應(yīng)力最大值也都在相應(yīng)基層材料的劈裂強(qiáng)度限值之內(nèi)，因此基層將不會產(chǎn)生損壞，實(shí)際施工時應(yīng)當(dāng)選擇連續(xù)攤鋪形式進(jìn)行施工。

同時，考慮連續(xù)攤鋪情況下的各拉應(yīng)力最大值變化情況，為保證路面施工質(zhì)量以及服役水平，提出現(xiàn)場施工中比較合理的路面施工方案為：等強(qiáng)環(huán)境溫度為10℃時，宜在14d后實(shí)施面層施工；等強(qiáng)環(huán)境溫度為20℃時，對于通行的車輛應(yīng)予以限載，控制軸載值；等強(qiáng)環(huán)境條件為30℃時，在基層攤鋪7d后即可展開面層攤鋪，同時軸載值可允許適當(dāng)放大。

3 結(jié)語

本文基于Kenpave力學(xué)分析軟件，通過設(shè)定不同的等強(qiáng)環(huán)境條件，并同時考慮基層分層攤鋪或連續(xù)攤鋪等不同的施工方案，對比分析了各工況下的路面最大彎沉數(shù)據(jù)的變化發(fā)展情況，研究得出不同施工條件下的基層混凝土力學(xué)特性。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比分析，提出相應(yīng)合理的路面施工方案。結(jié)果顯示：連續(xù)攤鋪方案相較分層方案更加適合路面質(zhì)量控制，前者不會產(chǎn)生基層破損現(xiàn)象；在不同的等強(qiáng)環(huán)境溫度下，應(yīng)采取針對性的路面實(shí)施方案，從而提升路面的最終成型質(zhì)量。