长寿命水泥混凝土路面结构分析与应用

长寿命水泥混凝土路面结构分析与应用

高健

内蒙古交通集团蒙通养护有限责任公司   内蒙古自治区呼和浩特市  010000

摘要：在我国公路运输迅猛发展的今天，公路工程已越来越多地体现出一个国家的发展水平。长寿命水泥混凝土由于具有高强度、高耐久性和良好的抗裂性而被广泛使用与普及。针对目前理论研究和实际应用中出现的问题，对长寿命水泥混凝土路面的结构分析、合理化设计建议和应用等方面进行较为系统的研究。

关键词：长寿命；水泥混凝土；路面结构分析；应用

在我国，由于交通流量的持续增长，使得水泥混凝土公路的使用年限日益受到人们的重视。针对该问题，提出长寿命水泥混凝土路面结构方案，并对其在工程中的使用情况作初步探讨。

一、长寿命水泥路面结构分析

1.面板疲劳寿命与板厚关系

以某长寿命水泥混凝土公路为实例，对其进行结构分析。结果表明，随着厚度的增大，混凝土的抗弯强度为5.2MPa、弯拉模量为36415MPa、底面模量560MPa、最大温差92ºC/m、线膨胀系数7×10-6、可靠性因子1.64。根据目前的设计规程，对各板件的疲劳寿命（累积基准轴次）进行分析，发现随着板材厚度的增大，其疲劳寿命明显提高。

当厚度超过28cm时，随着厚度的增加，材料的使用寿命会大大提高，但成本却会有所上升，32cm厚的材料的使用寿命是26cm的113倍，而成本却只提高14%。此外，某高速公路的一般机械性能指标表明，31cm的厚度可以经受100多万次的累积荷载，满足公路使用年限的需求。

在公路使用年限中，为了保证使用寿命，需要进行精磨后再进行铺设，所以提出长寿命水泥混凝土路面厚度不宜少于32cm。

2.混凝土板极限断裂强度

为了保证40年的使用年限，在使用过程中既要保证其抗疲劳性能，又要保证其抗折性能。虽然高速公路收费站的称重装置已经建成，但仍然存在一定数量的超限车辆，其公路的最大承载能力仍然需要满足263kN的最大荷载。根据前面的分析，采用30cm厚度的长寿命水泥混凝土铺面，其抗折承载力能够达到设计值。

3.横向缩缝传力杆

目前我国普通公路水泥混凝土结构的安全荷载主要集中在接缝的中间部位。已有研究人员利用数值模拟方法对横向接缝的荷载-传递系数进行研究，得出横缝边中部荷载应力与传荷系数关系，结果为横缝处荷载应力与传荷系数关系显著，且随着传荷系数的增大，横缝处板底荷载应力也随之减小。已有研究表明，当温度为负值时，节点的转角载荷及温度应力与节点承载力（即缝间抗剪刚度）之间的对应规律是：当节点处于负温状态时，节点的转角载荷及温度应力均可减小9%~20%。总体而言，在结构的水平接头中，设置传力棒可以有效地增加荷载系数，减小荷载应力，降低热应力，降低横缝错台。

二、长寿命水泥路面结构合理化设计建议

1.基层设计

传统认识中对水泥路面基层的作用和要求认识并不够，认为混凝土面板本身具有足够的承受荷载作用，并不要求基层提供较大的承载能力和其他性能。但对于重交通路面，当路基强度较差，抗冲能力较差时，在渗透荷载与荷载联合作用下，易出现唧泥、脱空、错台等破坏现象，加快路面的破坏速度。

某城市公路在长时间的荷载和潮湿的气候条件下，要求路面的强度、刚度、抗冲刷，甚至是排水性能都要达到要求。在总结国内外相关研究基础上，特别是针对抗冲、抗冲的沥青混合料的研究基础上，结合某城市公路现状，对本地区长寿命水泥混凝土路面结构设计提出如下建议：

（1）构造层的种类及厚度：FHWA等对美国10多条中尺度的水泥混凝土路面进行调研，发现经过水化处理的混凝土路面，其裂缝、错台、开裂等缺陷都要明显小于未经处理的碎石基层，其使用年限较同类混凝土路面高出15~20年。我国的相关研究也得出相似的结果。所以，尽管目前的公路建设经费比较紧缺，但是从长远的角度考虑，还是应该坚持以半刚性基层或沥青稳定材料为主的公路建设。它的厚度可以根据行车载荷的情况以及路基的地基情况来决定。

（2）基层材质参数：作为最直接且最关键的性能参数，现行标准只建议其极限承载力，且一般假设其具有较高的强度与较大的刚性，从而保证其对表层的支撑更加稳固。然而，当其强度与刚度较大时，路面特别是半刚性路面极易产生裂缝，进而失去支撑作用，造成路面裂缝等病害。在此基础上，有必要对沥青混合料的强度上限和下限进行深入研究。

抗冲刷性也是我国多雨水环境下的一项关键质量要求，在使用抗冲蚀性更强的情况下，推荐使用世界公路组织“混凝土路面技术委员会”制定的3个等级。

2.面层设计

（1）材料设计。某地区高温多雨，大量的重型、超限运输对沥青路面的抗折强度提出更高的要求。在以往对该地区水泥路面的大量试验和长期设计经验的基础上。

采用低水泥用量和低水灰比的原因是要使混凝土保持较高抗折强度的同时干缩、温缩系数均较低；根据FHWA的研究结果，沥青混合料中的粗骨料掺量应该小于建议值，并采用较大的最大粒径，从而使混凝土干缩、温缩小，而且根据

FHWA的研究，这种混合料还可以维持良好的接缝承载性能，防止沥青面层的开裂。粉煤灰、钢渣混合料具有良好的抗早裂性能，但硅灰因其抗早裂性能差，不宜应用于我国南方地区。

（2）面层结构设计。基于可靠度理论，结合公路等级（安全性、目标可靠性）、材料及构造尺度等因素，在进行设计时，可以根据施工质量控制、管理水平选取不同的变量，也可以根据施工质量控制、管理水平选择不同的取值，也可以通过施工质量与管理部门给出不同的取值，使设计与施工需求相结合。

（3）面层接缝设计。接缝是水泥混凝土路面结构中最关键和最脆弱部位，因此，它的设计应该受到人们的重视。普通混凝土面板一般采用矩形，纵向和横向接缝应垂直相交，纵缝两侧的横缝不得相互错位。根据公路的宽度，设计纵向缝的间隔，一般在350-450之间；横缝的间隔取决于材料的种类及厚度，通常4-6m。

由调研分析可见，路表水的渗入、接缝处板边弯沉和温度翘曲变形大是某地区水泥路面产生板底脱空和断裂的主要因素。美国几十年来的工程应用证明，提高接缝的荷载传荷能力，减少行车时前后板弯沉和沉降差值是延长水泥路面寿命的重要手段，而横缝内设置传力杆，是降低板边弯沉和温度翘曲变形、增加接缝传荷能力、保证路面使用性能和寿命的最有效措施。

三、应用分析

1.长寿命水泥混凝土路面应用具有的优点

（1）耐久性好：长寿命水泥混凝土路面具有很好的耐久性，可以在重载、苛刻的条件下工作，适合在不同路况下行驶。

（2）养护费用低廉：长寿命水泥混凝土路面无需经常进行养护，降低了养护费用。

（3）经济效果好：与沥青混合料相比，长寿命水泥混凝土路面的施工及养护费用更少，因此，其经济效果显著。

2.在应用中需要注意以下几点：

（1）工程品质管理：通过对原料、工序进行规范，以保证混凝土的强度及耐久性能。

（2）伸缩缝的布置：应结合具体公路条件，选用适当的伸缩缝形状及大小，以防止出现开裂。

（3）日常养护：对公路进行经常性的维修与养护，以确保公路平滑、耐磨。

结论：长寿命水泥混凝土路面组合的合理性直接影响到某市水泥路面的使用性能和寿命，是结构设计应重视的主要内容。长寿命水泥混凝土路面是一种既耐用又经济的铺筑材料，适用于各种类型的公路。通过对其进行合理的构造和施工过程的严格管理，才能最大限度地利用其自身的优点，从而改善公路的使用状况，从而达到良好的经济效果。

参考文献

[1]王旭东,肖倩.长寿命路面技术发展与实践[J].科学通报,2020(30):3217-3218.

[2]郑健龙,吕松涛,刘超超.长寿命路面的技术体系及关键科学问题与技术前沿[J].科学通报,2020(30):3219-3227.