市政道路路面設計耐久性及力學性能研究

吳斌 楊亞翔

(1.浙江省城鄉(xiāng)規(guī)劃設計研究院，浙江 杭州 310030；2.中國市政工程中南設計研究總院有限公司，湖北 武漢 430000)

在城市化過程中，我國的市政道路建設得以飛速發(fā)展[1]。在進行道路路面設計和施工時，一直有一個困擾多年的問題就是混凝土路面的耐久性問題，能夠對路面耐久性產(chǎn)生影響的因素有很多[2]，歸結起來，主要是由設計不合理和施工不當造成的。具體表現(xiàn)為兩個方面：一是在市政道路路面設計的過程中，設計者本身的專業(yè)素質良莠不齊，套圖現(xiàn)象時有發(fā)生，沒有根據(jù)項目的具體情況進行分析計算，導致出現(xiàn)設計失誤，從而不滿足實際的路面承載力要求，降低了路面的耐久性；二是在市政道路的施工過程中，一些施工單位追求利益最大化而選取不滿足要求的施工材料，為了縮短工期沒有按要求進行道路養(yǎng)護，從而造成安全隱患，影響道路建設的質量。因此以危害道路耐久性的這些因素為出發(fā)點，制定提高路面耐久性的策略，顯得格外重要。

另外，路面的承載能力和道路混凝土的力學性能有著密不可分的聯(lián)系，會對路面的耐久性造成一定影響，為路面的結構設計提供重要依據(jù)，道路混凝土的力學性能包括多個方面，本文主要是分析其強度指標。因此，本文將主要探討道路混凝土的力學性能與材料組成的關系，為提升混凝土道路的路面質量提供參考。

1 路面耐久性問題的影響因素

在市政道路的路面設計中，耐久性是個極其重要的指標，它直接影響了道路后期的使用質量和年限。影響市政道路耐久性的因素有很多，在此不一一說明，僅從設計和施工及后期維護方面做簡要闡述。

1.1 設計因素

隨著科學的發(fā)展和技術的進步，城市建設中對于市政道路的要求也日漸更新，設計人員在考慮道路的耐久性問題時應當更為重視該工程項目的整體強度[3]。然而，目前在許多道路工程的設計中，設計人員依然對道路的承載能力極限狀態(tài)重視度較高，而對道路的正常使用極限狀態(tài)重視不足。實際上，在市政道路的整個使用過程中，路面的正常使用極限狀態(tài)決定了道路的耐久性，這就導致道路工程的耐久性很難達到預期。

在混凝土路面的設計中，混凝土中的集料、粘性成分和配合比影響著混凝土的強度，從而進一步影響道路的耐久性。下面就這三點分別說明：第一，在很多方面，集料都能影響到混凝土的自身質量和表現(xiàn)。通過研究發(fā)現(xiàn)，只有等級密集的集料才能發(fā)揮最好的效果，并能使水泥漿的含量達到最小化[4]。第二，通常在混凝土路面的鋪設中，其唯一的粘性成分是硅酸鹽水泥，特殊情況下也會用其他水泥類型，比如為了滿足混凝土的強度要求可以添加硫酸鹽。但即使設計中明確了水泥的類型，實際使用中的水泥依然有潛在的變化能力。第三，水泥用量、水灰比、外加劑等的配合比較大程度上影響著混凝土路面的耐久性。要嚴格控制粉煤灰和水泥的用量，過量使用會導致混凝土的水化溫度過高，使混凝土產(chǎn)生形變，影響道路的正常使用狀態(tài)。如果水灰比過高，會在混凝土中產(chǎn)生大小不一的空隙，隨著長時間的使用會出現(xiàn)收縮，也會降低路面的耐久性。

1.2 施工因素

市政道路工程的施工是否規(guī)范在很大程度上影響著道路的耐久性。為了滿足國民運輸、通行等方面的需求，道路的建設呈現(xiàn)日益增多的趨勢，引起國家對該行業(yè)的大力重視。市政道路的設計應嚴格遵循國家相關法律法規(guī)和規(guī)范標準，但我國現(xiàn)行的與道路工程設計相關的規(guī)定并不完善，這在一定程度上影響了目前道路工程的耐久性設計的有效性和科學性。在道路施工過程中，實際施工過程中采用的混凝土要和設計的混凝土一致，而且必須保障施工的混凝土質量。施工前要做好準備工作，如場地的平整清理，承載層應保證全部均勻一致。施工過程中，將混凝土鋪設在正確的位置上且次序和速率要統(tǒng)一，不宜有不必要的中斷和重新開始。施工人員應具備訓練有素的專業(yè)素質，對設備進行日常的維護，是設備能夠正常使用，以此保證施工可以順利進行。施工時必須對施工面進行精確平整，保證路面的平順，不能有大的凹凸，還必須按要求進行養(yǎng)護以避免出現(xiàn)裂縫[5]。

1.3 后期維護的影響

后期的維護水平對道路耐久性也有一定影響。市政道路在正式進入使用階段后，難免會出現(xiàn)一些細微問題和損傷，比如出現(xiàn)裂縫、腐蝕、碳化等傷害，就當下的使用情況來看，不同地區(qū)在道路的使用過程中很少發(fā)生塌方的事故。但為了維護道路的可靠性，延長道路使用壽命，對道路的后期維護依然應該引起相關部門的重視，避免小傷害變成大危害。相關部門應定期查看道路狀況，在后期維護中，對出現(xiàn)問題的部位進行修補，適時地更換老化的連接構件，以此提高道路的耐久性。

2 提高市政道路路面耐久性的策略

結合以上分析的影響市政道路路面耐久性的各種因素，根據(jù)道路耐久性要求，提出以下幾項提高市政道路路面耐久性的具體策略。

2.1 進一步完善道路設計的管理制度

在市政道路設計中，要對耐久性著重體現(xiàn)，首先應該建立起更加完善的設計管理制度，使無論設計還是施工都有依據(jù)可以遵循，保證道路設計滿足不同地區(qū)的建設要求，從而保障道路可以正常使用。因此，在實際工程中，道路設計必須結合實際施工情況，把設計想法和創(chuàng)新技術以及施工水平與工藝互相融合，使市政道路設計能夠達到有效落地且達到預期效果。另一方面，在進一步完善道路設計管理制度的過程中，應不斷提高道路設計標準，嚴格控制施工質量，不得隨意脫離設計圖紙而施工，進而保障市政道路的耐久性。

2.2 增強設計人員對道路耐久性設計的重視度

市政道路的建設與人民的生活息息相關，也關系著國家的經(jīng)濟發(fā)展，如果市政道路出現(xiàn)問題，則會嚴重影響到人民的生命財產(chǎn)安全。因此市政道路從設計到施工以及后期的使用，每個環(huán)節(jié)都應該引起足夠的重視。雖然現(xiàn)實中有許多影響道路耐久性的因素，例如施工中偷工減料、養(yǎng)護周期不夠等，都對市政道路的耐久性有一定程度的影響，但影響最大的因素是施工前的設計環(huán)節(jié)。因此，設計人員需要不斷增強對道路耐久性設計的重視度，提高自身專業(yè)能力與職業(yè)素養(yǎng)，在設計中做到更加謹慎和認真，從全局出發(fā)，細節(jié)上進行更加細致的設計規(guī)劃，不放過每一個微小問題。同時，施工人員如在現(xiàn)場遇到問題或與圖紙不符的地方，要及時聯(lián)系設計人員進行溝通，并能夠根據(jù)現(xiàn)場情況提出有效措施。在設計過程中將施工材料、施工工藝和當?shù)丨h(huán)境的影響都考慮到設計中，這樣才能最大限度地提高市政道路設計的合理性，進而提高道路的耐久性。

2.3 考慮后期疲勞荷載的影響

道路驗收合格投入使用后，主要承受汽車行駛的疲勞荷載，隨著我國國民汽車占有量日益增加，交通壓力逐年增大，要想提高道路的耐久性，必須預先考慮汽車產(chǎn)生的疲勞荷載并進行設計。首先，結合項目實際情況，根據(jù)項目地點預測交通載荷大小，據(jù)此選擇合適的施工材料和施工工藝，并對容易出現(xiàn)損壞的地方加強處理；其次，根據(jù)實際擬出多個設計方案進行比選，從中選出最合適的方案；最后，在設計中要充分考慮任何可能出現(xiàn)的不利因素，以此為設計依據(jù)，按照規(guī)范設計，將預防工作做好。

2.4 重視道路的超載問題

道路的載荷能力是對市政道路耐久性影響最大的因素，目前市政道路出現(xiàn)汽車超載的情況時有發(fā)生。汽車超載嚴重影響了道路的正常使用，危害不可忽視。道路的超載總的來說是道路承擔了超過道路本身能夠承載的外部壓力，這很容易造成道路的質量問題，長此以往會降低道路的耐久性能。因為在車輛的超載行駛中，道路混凝土的內部會遭到破壞，可能產(chǎn)生裂縫，對道路的使用功能產(chǎn)生有害影響。因此，設計人員應該分析道路實際使用時超載帶來的影響，在道路設計時選擇更切合實際的設計參數(shù)、原材料等，提高道路的載荷能力。

綜上所述，通過以上對策，可以很好地避免在設計和施工過程中市政道路可能出現(xiàn)的問題，有效提升道路的施工質量，從而提高市政道路路面的耐久性。

3 市政道路路面設計的力學性能分析

道路混凝土的力學性能對路面的耐久性有一定影響，研究混凝土的力學性能對提高道路質量有著積極意義。道路路面設計的力學性能分析主要體現(xiàn)在混凝土的強度分析上，混凝土強度分為：抗壓強度、軸心抗壓強度、劈裂抗拉強度、抗彎拉強度和抗扭強度等?；炷翉姸仁苤T多因素影響，目前對抗彎拉強度和劈裂抗拉強度的相關研究較少。因此，本文主要研究原材料對道路混凝土彎拉強度和劈裂抗拉強度的影響規(guī)律，對市政道路設計與施工質量的提高具有重要的參考價值。

3.1 道路路面設計的力學模型

要研究混凝土路面的力學性能，需要建立混凝土路面結構在環(huán)境和荷載作用下合理的力學模型。本文主要介紹在路面結構設計中廣泛應用的彈性地基板理論，依據(jù)此理論可以計算路面的應力和位移并能驗算路面強度。

彈性地基板理論是把剛度大的混凝土面層看作是支承于彈性地基上的小撓度彈性板，混凝土是剛性的，且混凝土路面面層的厚度相對其平面尺寸較小，只有不到十分之一的厚度，路面面板的撓度又遠遠小于其厚度，因此路面結構適用于薄板小撓度理論。對面板作以下假設：1)板為等厚度彈性體；2)荷載作用在板上，當其施壓面的直徑或最小邊長大于板的厚度時，采用薄板彎曲理論進行分析計算，剪應變和豎向壓縮應變的影響可以忽略；當施壓面的尺寸小于板的厚度時，計算時則需利用厚板理論；3)僅在接觸面彈性地基對板作用有豎向反力，即面板和地基之間沒有摩阻力，板和地基的接觸在荷載作用下保持完全連續(xù)，板的撓度就是地基頂面的撓度。

3.2 原材料對道路混凝土強度的影響分析

市政道路中混凝土的組成材料包括水泥、粗集料、細集料、水、外加劑和摻合料共六種，本文通過試驗的方法研究原材料對道路混凝土強度的影響，主要分析粗集料最大公稱粒徑對強度指標的影響。采用了配比相同但分別加入引氣劑和未加入引氣劑的兩組材料，最大公稱粒徑為8.5～30.5mm的5個粗集料級配，在引氣和非引氣兩種條件下，通過試驗結果分析粗集料最大公稱粒徑對混凝土強度指標的影響，試驗配比見表1。

表1試驗配比

對于上表中的配比，加引氣劑和未加引氣劑時混凝土不同強度指標的試驗結果見圖1～3。

圖1 引氣混凝土最大公稱粒徑對劈裂抗拉強度和彎拉強度的影響

圖2 非引氣混凝土最大公稱粒徑對劈裂抗拉強度和彎拉強度的影響

圖3 不同最大公稱粒徑下引氣、非引氣混凝土抗壓強度的變化

由圖1～3可以看出，混凝土的劈裂抗拉強度、彎拉強度和抗壓強度隨著粗集料最大公稱粒徑的變化而產(chǎn)生對應的變化。具體表現(xiàn)為：1)引氣混凝土的最大公稱粒徑從8.5mm增大到30.5mm時，劈裂抗拉強度和彎拉強度分別減小27.27%和24.14%;2)非引氣混凝土的最大公稱粒徑從8.5mm增大到30.5mm時，劈裂抗拉強度和彎拉強度分別減小15.78%和15.76%;3)引氣混凝土的抗壓強度隨著最大公稱粒徑的增大有較小幅度的變化，最大公稱粒徑從8.5mm增大到30.5mm時抗壓強度的變化幅度均在2.5MPa以內；非引氣混凝土的抗壓強度總體隨著最大公稱粒徑的增大而增加了13.66%。

4 結語

綜上可知，市政道路路面的耐久性主要受到設計、施工和后期維護等因素的影響，通過完善設計管理制度、增強對耐久性設計的重視度并注意疲勞和超載問題的影響可以優(yōu)化各個環(huán)節(jié)，提高市政道路路面的耐久性。鑒于道路混凝土的力學性能對路面耐久性的影響，本文主要對比了粗集料最大公稱粒徑、混凝土是否摻入引氣劑等因素對道路混凝土強度的影響，通過分析可知，混凝土的劈裂抗拉強度、彎拉強度和抗壓強度會隨著粗集料最大公稱粒徑的變化而產(chǎn)生相應的變化，引氣混凝土的抗壓強度在同等條件下大于非引氣混凝土的抗壓強度。