縮縫

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

(1) 溫度應(yīng)力 由于大氣溫度和太陽輻射周期性變化, 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, 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不同時刻形成的最大變溫場可能產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力。

(2) 溫度翹曲變形 溫度梯度會使混凝土板產(chǎn)生翹曲變形的趨勢, 當(dāng)這種趨勢受阻時, 會在混凝土板內(nèi)產(chǎn)生翹曲應(yīng)力, 而當(dāng)板的約束不足時, 則會產(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)過大, 受行車荷載時容易使路面板斷裂。

(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程中將發(fā)生收縮變形, 而集料在這個過程中體積基本不變, 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, 大量的計算結(jié)果表明, 當(dāng)板平面尺寸超過板相對剛度半徑后, 板長、板寬對荷載應(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, 荷載應(yīng)力對板塊平面尺寸有影響。

3.1 溫縮應(yīng)力

為了充分反映整個路面結(jié)構(gòu)溫度場對溫度應(yīng)力的影響,采用三維有限元法計算溫度應(yīng)力。混凝土的物理參數(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, 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)實測統(tǒng)計得到脹縮系數(shù)為Tc= 0. 76× 10。當(dāng)板長為6m 時, 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)力仍不超過抗彎拉強(qiáng)度。而最大翹曲應(yīng)力不會與最大溫縮應(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。按該標(biāo)準(zhǔn), 如果線脹系數(shù)取0. 76×10/℃, 則RCCP路面RCC板長最多在7～8m 之間。計算中取面板厚度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 , 土基計算回彈模量Et= 525M Pa, 靜摩擦系數(shù)f 0= 2. 60, 滑動摩擦系數(shù)f 2= 6. 0,普通混凝土路面抗剪強(qiáng)度fmax= 0. 46M Pa ,碾壓混凝土路面抗剪強(qiáng)度fmax=0. 58M Pa, 對于普通混凝土路面Zmax= 0. 30mm , 對于碾壓混凝土路面Zmax= 0. 45m m。

干縮系數(shù)對干縮應(yīng)力影響很大, 干縮系數(shù)越大, 干縮應(yīng)力越大, 對于普通混凝土路面當(dāng)板長為6m 時, 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)板長為7m 時, 最大拉應(yīng)力為3. 2M Pa, 此時已超過抗拉強(qiáng)度,證明目前普通水泥混凝土路面取最大板長為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, 干縮應(yīng)力會被松弛一部分, 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。

確定碾壓混凝土路面的最大縮縫間距(即板長) 是混凝土路面接縫設(shè)計的主要內(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。接縫過多, 不僅增加施工的復(fù)雜性, 同時還容易導(dǎo)致唧泥、錯臺等破壞, 嚴(yán)重影響路面的整體強(qiáng)度。但是, 板長過大也會帶來一些問題, 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, 針對碾壓混凝土路面的特點, 采用力學(xué)分析與試驗相結(jié)合的方法, 研究確定合理的橫向縮縫間距對提高路面使用質(zhì)量具有重要意義。

到目前為止, 我國已有10多個省(區(qū)) 市鋪筑了碾壓混凝土路面試驗工程, 取得了不少有價值的研究成果。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較少, 一般僅僅是依據(jù)干縮系數(shù)的減少來確定縮縫的間距。有的文獻(xiàn)根據(jù)室內(nèi)伸縮值的對比試驗和試驗路鋪筑驗證, 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、澳大利亞等國家研究、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、港口碼頭、停車場和低等級道路工程, 因此對接縫的研究較少, 有的甚至與瀝青路面一樣, 不預(yù)設(shè)接縫, 任其自由開裂。根據(jù)第十八屆世界道路會議的資料介紹, 不預(yù)設(shè)橫縫、自由開裂產(chǎn)生的橫縫間距通常為6～12m, 有時可達(dá)到20m。

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

4.1 廣西田陽試驗路

1992年4月鋪筑的廣西田陽試驗路路面寬度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, 竣工后僅1～2個月, 20m 長的板即大部分?jǐn)嗔? 5m 和10m的板基本沒發(fā)生斷裂。而1996年初觀測, 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 山西左云試驗路

1992年9月鋪筑完成的山西左云試驗路為水泥穩(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施工時發(fā)生的早期裂縫

試驗路所在的大同地區(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裂

由于設(shè)置了不少長間距的縮縫( 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)生開裂(主要是后期產(chǎn)生的斷裂)。

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

4.3 廣西武鳴試驗路

廣西武鳴試驗路于1994年3～4月鋪筑, 路面寬度9m, 厚度24cm。因為已有田陽試驗路和左云試驗路的施工經(jīng)驗和一定的觀測資料, 所以在武鳴試驗路上沒有進(jìn)行長縮縫間距的試驗, 主要安排了6～8m 間距。根據(jù)觀測, 除個別板塊明顯因路基沉降發(fā)生斷裂外, 基本沒有斷板現(xiàn)象。

4.4 山西長治試驗路

1995年6～ 7月鋪筑的山西長治試驗路混凝土板厚度24cm , 縮縫間距8～ 10cm。據(jù)最近的觀測, 混凝土板多處發(fā)生了斷裂。經(jīng)分析認(rèn)為, 除一些路段施工時未能按規(guī)定及時鋸縫產(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)果和試驗路的試驗觀測結(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)行長期觀測。