縮縫控制因素

3.1 溫縮應(yīng)力

為了充分反映整個(gè)路面結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)對(duì)溫度應(yīng)力的影響,采用三維有限元法計(jì)算溫度應(yīng)力?；炷恋奈锢韰?shù)中線脹系數(shù)是影響溫度應(yīng)力的主要因素。普通水泥混凝土的線脹系數(shù)為1×10/℃, 碾壓混凝土的線脹縮系數(shù)與溫度有關(guān), 在負(fù)溫區(qū)與普通混凝土相近, 當(dāng)溫度大于20℃時(shí), 脹縮系數(shù)趨于平穩(wěn)。碾壓混凝土的脹縮系數(shù)一般在0. 5×10/℃～0. 9×10/℃。東南大學(xué)經(jīng)實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)得到脹縮系數(shù)為Tc= 0. 76× 10。當(dāng)板長(zhǎng)為6m 時(shí), 在最大變溫- 40℃和-50℃情況下, 板中拉應(yīng)力分別為2. 2M Pa和2. 7M Pa。如按混凝土抗折強(qiáng)度為5M Pa, 混凝土抗拉強(qiáng)度按最保守的估計(jì)應(yīng)為抗折強(qiáng)度的0. 58倍, 即抗拉強(qiáng)度為2. 9M Pa, 因此, 即使在最大變溫為- 50℃的情況下, 溫縮應(yīng)力仍未超過(guò)抗拉強(qiáng)度, 況且一般年溫差不可能達(dá)到-50℃。如果綜合考慮溫縮應(yīng)力和荷載應(yīng)力的迭加, 彎拉應(yīng)力仍不超過(guò)抗彎拉強(qiáng)度。而最大翹曲應(yīng)力不會(huì)與最大溫縮應(yīng)力產(chǎn)生迭加。圖2給出了碾壓混凝土路面的溫縮應(yīng)力。同理, 溫縮應(yīng)力也不是碾壓混凝土路面最大縮縫間距的控制因素。

3.2 溫度翹曲變形

如果把普通混凝土路面板長(zhǎng)6m、板厚22cm的翹曲變形作為容許的翹曲變形, 那么可以得到碾壓混凝土路面最大的板長(zhǎng)。按該標(biāo)準(zhǔn), 如果線脹系數(shù)取0. 76×10/℃, 則RCCP路面RCC板長(zhǎng)最多在7～8m 之間。計(jì)算中取面板厚度h= 24cm, 二灰碎石基層厚度h= 15cm, 混凝土模量E= 33 000M Pa , 二灰碎石基層模量E= 1 500M Pa , 土基計(jì)算回彈模量Et= 525M Pa, 靜摩擦系數(shù)f 0= 2. 60, 滑動(dòng)摩擦系數(shù)f 2= 6. 0,普通混凝土路面抗剪強(qiáng)度f(wàn)max= 0. 46M Pa ,碾壓混凝土路面抗剪強(qiáng)度f(wàn)max=0. 58M Pa, 對(duì)于普通混凝土路面Zmax= 0. 30mm , 對(duì)于碾壓混凝土路面Zmax= 0. 45m m。

干縮系數(shù)對(duì)干縮應(yīng)力影響很大, 干縮系數(shù)越大, 干縮應(yīng)力越大, 對(duì)于普通混凝土路面當(dāng)板長(zhǎng)為6m 時(shí), 最大拉應(yīng)力為2. 4M Pa, 按抗拉強(qiáng)度2. 9M Pa 考慮, 即未達(dá)到抗拉強(qiáng)度, 但當(dāng)板長(zhǎng)為7m 時(shí), 最大拉應(yīng)力為3. 2M Pa, 此時(shí)已超過(guò)抗拉強(qiáng)度,證明目前普通水泥混凝土路面取最大板長(zhǎng)為6m 是符合干縮應(yīng)力控制要求的。經(jīng)采用不同的干縮系數(shù)和線脹系數(shù)試算的結(jié)果, 碾壓混凝土路面板長(zhǎng)可取6～10m。如果綜合考慮干縮應(yīng)力、溫縮應(yīng)力、翹曲應(yīng)力和荷載應(yīng)力, 溫縮應(yīng)力達(dá)到最大值時(shí), 干縮應(yīng)力會(huì)被松弛一部分, 加上部分翹曲應(yīng)力和行車荷載的最不利情況, 四者之和構(gòu)成控制最大縮縫間距的因素。根據(jù)綜合分析建議全厚式碾壓混凝土路面最大縮縫間距如表2。

根據(jù)混凝土板的受力特點(diǎn), 碾壓混凝土路面縮縫間距(板長(zhǎng)) 與以下幾個(gè)因素有關(guān):

(1) 溫度應(yīng)力 由于大氣溫度和太陽(yáng)輻射周期性變化, 致使碾壓混凝土路面產(chǎn)生由年溫差引起的脹縮應(yīng)力和由日溫差引起的翹曲應(yīng)力。年溫差引起的溫度變形, 周期性較長(zhǎng), 溫度變化較緩慢, 因此路面板的脹縮在厚度范圍內(nèi)呈均勻分布, 這種變形一旦受到約束將產(chǎn)生均勻脹縮應(yīng)力, 由年溫差引起的收縮應(yīng)力可能是影響縮縫間距的重要因素。在日溫差較大的季節(jié), 由于日溫差變化周期較短, 在路面板厚度范圍內(nèi)呈現(xiàn)不均勻分布, 板上下形成的溫度梯度將產(chǎn)生翹曲應(yīng)力。在氣溫溫差很大的情況下, 路表溫差振幅很大, 而板底溫差振幅很小, 在最高氣溫與最低氣溫兩個(gè)不同時(shí)刻形成的最大變溫場(chǎng)可能產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力。

(2) 溫度翹曲變形 溫度梯度會(huì)使混凝土板產(chǎn)生翹曲變形的趨勢(shì), 當(dāng)這種趨勢(shì)受阻時(shí), 會(huì)在混凝土板內(nèi)產(chǎn)生翹曲應(yīng)力, 而當(dāng)板的約束不足時(shí), 則會(huì)產(chǎn)生翹曲變形而形成板底脫空現(xiàn)象。若翹曲應(yīng)力或脫空區(qū)過(guò)大, 受行車荷載時(shí)容易使路面板斷裂。

(3) 干縮應(yīng)力 由于水泥水化和水分的蒸發(fā), 在水泥漿變成水泥石的硬化過(guò)程中將發(fā)生收縮變形, 而集料在這個(gè)過(guò)程中體積基本不變, 因而引起混凝土的干縮變形, 當(dāng)干縮變形受到約束時(shí)產(chǎn)生干縮應(yīng)力。干縮應(yīng)力的大小取決于干縮系數(shù)、面板與基礎(chǔ)的聯(lián)結(jié)狀態(tài)和板的長(zhǎng)度。因此, 干縮應(yīng)力有可能是控制最大縮縫間距的主要因素。

(4) 荷載應(yīng)力 就荷載應(yīng)力本身而言, 大量的計(jì)算結(jié)果表明, 當(dāng)板平面尺寸超過(guò)板相對(duì)剛度半徑后, 板長(zhǎng)、板寬對(duì)荷載應(yīng)力影響不明顯, 但在考慮溫度應(yīng)力與荷載應(yīng)力組合、干縮應(yīng)力與荷載應(yīng)力組合成最不利情況時(shí), 荷載應(yīng)力對(duì)板塊平面尺寸有影響。

到目前為止, 我國(guó)已有10多個(gè)省(區(qū)) 市鋪筑了碾壓混凝土路面試驗(yàn)工程, 取得了不少有價(jià)值的研究成果。但在這些研究成果中, 有關(guān)碾壓混凝土路面縮縫間距的研究相對(duì)較少, 一般僅僅是依據(jù)干縮系數(shù)的減少來(lái)確定縮縫的間距。有的文獻(xiàn)根據(jù)室內(nèi)伸縮值的對(duì)比試驗(yàn)和試驗(yàn)路鋪筑驗(yàn)證, 認(rèn)為碾壓混凝土路面每隔10～15m 設(shè)置一條縮縫是可行的。

西班牙、法國(guó)、澳大利亞等國(guó)家研究、應(yīng)用碾壓混凝土路面施工技術(shù)已有多年歷史, 但由于主要用于建造貨場(chǎng)、港口碼頭、停車場(chǎng)和低等級(jí)道路工程, 因此對(duì)接縫的研究較少, 有的甚至與瀝青路面一樣, 不預(yù)設(shè)接縫, 任其自由開(kāi)裂。根據(jù)第十八屆世界道路會(huì)議的資料介紹, 不預(yù)設(shè)橫縫、自由開(kāi)裂產(chǎn)生的橫縫間距通常為6～12m, 有時(shí)可達(dá)到20m。

日本道路協(xié)會(huì)1990年5月制訂的“碾壓混凝土路面技術(shù)指南(草案)”對(duì)橫向縮縫提出的設(shè)置原則為: 當(dāng)板厚為25cm 時(shí), 橫向縮縫間距為15～20m; 板厚小于25cm 時(shí), 間距為10～15m。但這種規(guī)定主要依據(jù)實(shí)際工程觀測(cè), 尚未見(jiàn)到深入的試驗(yàn)研究成果或理論分析報(bào)告。美國(guó)混凝土學(xué)會(huì)( ACI) 325委員會(huì)1995年發(fā)表的《碾壓混凝土當(dāng)前工藝水平的報(bào)告》中涉及碾壓混凝土路面接縫設(shè)計(jì)的內(nèi)容相當(dāng)少, 僅在“路面設(shè)計(jì)的考慮”一節(jié)中提到: 采用橫縫時(shí), 一般間隔在9. 1～21. 3m 之間。綜上所述, 各國(guó)對(duì)RCCP縮縫設(shè)置的認(rèn)識(shí)尚未統(tǒng)一, 雖普遍認(rèn)為可比普通水泥混凝土路面適當(dāng)延長(zhǎng)間距, 但多以一定時(shí)間內(nèi)的實(shí)踐為依據(jù), 尚缺乏從路面力學(xué)理論上深入分析延長(zhǎng)縮縫間距的機(jī)理, 因而無(wú)法根據(jù)RCC材料及RCCP結(jié)構(gòu)的自身特性確定合理的縮縫間距。

確定碾壓混凝土路面的最大縮縫間距(即板長(zhǎng)) 是混凝土路面接縫設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容。接縫設(shè)置的合理與否不僅關(guān)系到路面的壽命, 而且影響路面的行車性能。接縫過(guò)多, 不僅增加施工的復(fù)雜性, 同時(shí)還容易導(dǎo)致唧泥、錯(cuò)臺(tái)等破壞, 嚴(yán)重影響路面的整體強(qiáng)度。但是, 板長(zhǎng)過(guò)大也會(huì)帶來(lái)一些問(wèn)題, 例如①溫度翹曲應(yīng)力增大, 增加斷板的可能性; ②干縮和溫度變化引起板的伸縮量增大, 增加對(duì)填縫材料的彈性密封要求; ③降低依靠集料嵌鎖作用的接縫傳荷能力等。因此, 針對(duì)碾壓混凝土路面的特點(diǎn), 采用力學(xué)分析與試驗(yàn)相結(jié)合的方法, 研究確定合理的橫向縮縫間距對(duì)提高路面使用質(zhì)量具有重要意義。

4.1 廣西田陽(yáng)試驗(yàn)路

1992年4月鋪筑的廣西田陽(yáng)試驗(yàn)路路面寬度7. 5m, 二灰砂礫基層, 碾壓混凝土面板厚度23cm , 設(shè)置了5m、10m 和20m三種縮縫間距。根據(jù)觀測(cè), 竣工后僅1～2個(gè)月, 20m 長(zhǎng)的板即大部分?jǐn)嗔? 5m 和10m的板基本沒(méi)發(fā)生斷裂。而1996年初觀測(cè), 20m 板基本都已斷裂, 10m 板部分發(fā)生斷裂。根據(jù)這種情況分析, 早期20m 板的斷裂主要是竣工后混凝土的迅速干縮所致, 后期10m 板的斷裂可能是溫度應(yīng)力、干縮應(yīng)力和荷載應(yīng)力的綜合作用的結(jié)果。

4.2 山西左云試驗(yàn)路

1992年9月鋪筑完成的山西左云試驗(yàn)路為水泥穩(wěn)定碎(礫) 石基層, 混凝土板厚24cm , 設(shè)置了10m、15m、20m、25m 幾種縮縫間距。到1993年2月, 已有多處發(fā)生斷板現(xiàn)象。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn), 其裂縫主要有以下形式:

①施工時(shí)發(fā)生的早期裂縫

試驗(yàn)路所在的大同地區(qū)9月份晝夜溫差較大, 因此部分路段由于混凝土路面板在鋪筑當(dāng)天強(qiáng)度很低的情況下就受到上(低) 下(高) 溫差引起的翹曲應(yīng)力的作用而發(fā)生破壞;

②干縮、 溫度翹曲和荷載綜合作用引起的開(kāi)裂

由于設(shè)置了不少長(zhǎng)間距的縮縫( 15m以上) , 這些板在干縮應(yīng)力、溫度翹曲應(yīng)力和荷載應(yīng)力的綜合作用下發(fā)生開(kāi)裂(主要是后期產(chǎn)生的斷裂)。

上述兩種裂縫中, 第一種通過(guò)合理的施工組織是可以避免的, 而第二種裂縫則是板長(zhǎng)過(guò)大的必然結(jié)果。從開(kāi)裂結(jié)果來(lái)看, 斷板位置多在9～10m 范圍, 可以認(rèn)為板長(zhǎng)宜在10m 以內(nèi)。

4.3 廣西武鳴試驗(yàn)路

廣西武鳴試驗(yàn)路于1994年3～4月鋪筑, 路面寬度9m, 厚度24cm。因?yàn)橐延刑镪?yáng)試驗(yàn)路和左云試驗(yàn)路的施工經(jīng)驗(yàn)和一定的觀測(cè)資料, 所以在武鳴試驗(yàn)路上沒(méi)有進(jìn)行長(zhǎng)縮縫間距的試驗(yàn), 主要安排了6～8m 間距。根據(jù)觀測(cè), 除個(gè)別板塊明顯因路基沉降發(fā)生斷裂外, 基本沒(méi)有斷板現(xiàn)象。

4.4 山西長(zhǎng)治試驗(yàn)路

1995年6～ 7月鋪筑的山西長(zhǎng)治試驗(yàn)路混凝土板厚度24cm , 縮縫間距8～ 10cm。據(jù)最近的觀測(cè), 混凝土板多處發(fā)生了斷裂。經(jīng)分析認(rèn)為, 除一些路段施工時(shí)未能按規(guī)定及時(shí)鋸縫產(chǎn)生斷板外, 主要是10m 的縮縫間距太大, 通車以后在干縮應(yīng)力、溫度應(yīng)力和荷載應(yīng)力的綜合作用下產(chǎn)生開(kāi)裂。

(1) 本文從路面力學(xué)理論上深入分析了控制接縫間距的因素和延長(zhǎng)接縫間距機(jī)理, 為確定碾壓混凝土路面的合理接縫間距提供了理論依據(jù)。

(2) 綜合理論分析的結(jié)果和試驗(yàn)路的試驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果, 建議全厚式碾壓混凝土路面縮縫間距為6～8m。

(3) 各種接縫的使用性能建議進(jìn)行長(zhǎng)期觀測(cè)。