水泥混凝土路面

不僅高速公路采用大型滑模攤鋪機鋪築，鄉間小道也使用小型滑模攤鋪機攤鋪水泥混凝土路面。隻要混凝土結構具有規則不變的斷面形狀均可使用滑模施工技術，并且路面拉杆、傳力杆、鋼筋網的設置均實現了機械化。在鋼筋混凝土路面方面，歐美各國在高速公路上大力發展連續配筋混凝土路面。在功能化路面方面，世界各國加快了對水泥混凝土路面低噪聲技術的研究，德國維特根滑模攤鋪機廠開發出的單機一次雙層施工的滑模攤鋪機，已經可以方便地将水泥混凝土路面的下結構層與低噪聲表層一次攤鋪成型。其它如在舊瀝青路面上加鋪的小塊薄混凝土路面、結合式薄層混凝土加鋪層、快速加鋪層等新技術均在開發應用與完善中。

水泥混凝土路面縮縫傳力杆

湖南省就根據赴美國的考察經驗，在高速公路率先修築了73.08km的水泥混凝土路面縮縫增設傳力杆試驗路，取得了一定的經驗，效果很好。但由于種種因素限制，該種支架結構和施工技術并未在之後的工程中得到大量應用。黑龍江省高速公路的水泥混凝土路面全面采用DBI全縮縫傳力杆設置技術。

路面冷軋帶肋鋼筋焊接網

冷軋帶肋鋼筋1968年由原西德率先開發利用，逐步發展完善并實現了标準化，是經濟高效、優質節能的先進建築新材料，多以焊接網的形式使用。關于φ6mm冷軋帶肋鋼筋焊接網在公路上的使用，國内公路上應用的還不夠普遍，多數用于橋涵上。南方部分高速公路水泥混凝土路面曾試驗采用了φ6mm冷軋帶肋鋼筋焊接網片，據報導效果較好。

設置傳力杆和冷軋帶肋鋼筋網的路面

設置傳力杆能持久提高路面縮縫的傳荷能力，顯著改善基層與路面闆的受力狀态；采用冷軋帶肋鋼筋網不僅能夠抑制路面早期裂縫，在路面闆斷裂時還能限制斷闆的位移，有效保持路面的整體受力狀态，并能使縮縫間距由目前的5m延長到8～10m。因此，這兩種技術措施有較高的應用價值，尤其适合寒冷地區使用。将兩種技術措施聯合應用實現現有設備條件下的機械化施工則使本次試驗獨具創新意義。

水泥混凝土路面設計方法

我國的混凝土路面設計沒有明确體現出橫向接縫及橫縫傳荷能力的影響；美國和日本有着兩種以上的不同的設計方法，但每種方法都考慮了橫向接縫因素的影響。美國多數州 、歐洲除法國之外、日本的規定橫縫必須設置傳力杆 。我國由于各種條件的限制，盡管對設置傳力杆必要性的認識在不斷加深，但相關規範至今仍然沒能作出硬性規定。

1 我國的水泥混凝土路面設計方法

水泥混凝土路面的設計内容包含結構、材料及表面特性三個方面，可分為：

①行車道路面結構的組合設計。

②面層接縫構造和配筋設計。

③路面排水設計。

④路肩鋪面結構層組合設計。

⑤面層厚度設計。

⑥各結構層材料組成設計。

⑦路面表面特性設計。

迄今為止提出的各種結構設計方法，原則上可以分為兩大類型：即“力學—經驗法”和“經驗—力學法”。

我國的水泥混凝土路面設計方法屬于“力學—經驗法”，曾沿用前蘇聯五十年代的設計方法30年之久 。于八十年代建立了我國自己的設計體系。以彈性半空間地基上的彈性薄闆理論為基礎，采用了有限元分析及計算機編程技術，其特點在于所有的設計參數都是結合我國實際情況，通過試驗研究确定的。

2 美國水泥混凝土路面的設計方法

美國波特蘭水泥協會（PCA）的混凝土路面厚度設計方法屬于“力學—經驗法”；我國現行規範基本照搬了美國波特蘭水泥協會建議的傳力杆尺寸與布置間距。

美國AASHTO（美國州公路與運輸官員協會）厚度設計方法是一種“經驗—力學法” AASHO試驗路的橫縫設置傳力杆，因此該方法也考慮了接縫傳荷系數，對不設橫縫傳力杆的路面，接縫傳荷系數則按闆角的應力差值作相應變更。

3 日本的水泥混凝土路面設計方法

日本一般采用經驗—力學設計法，有時也采用力學—經驗法，經驗—力學法中，在基層設計階段沒有直接體現接縫傳荷的作用，在混凝土闆厚度設計階段對傳力杆設置等的規定則十分明确。

日本規範中對傳力杆設置的規定十分明确，而且不分交通量大小（即不分公路等級），統一要求布設。驗算荷位中不僅有縱縫，對橫縫位置也要求驗算。

中日兩國水泥混凝土路面材料對比

我國水泥混凝土路面材料的組成要求與技術參數：在我國規範中，集料的級配範圍以方孔篩上的累計篩餘質量百分率表示，日本規範以方孔篩或圓孔篩的通過質量百分率表示，為便于比較，統一為質量通過百分率。

我國水泥混凝土路面所用集料的技術指标總體不低于日本标準，控制指标相對也較多。但日本規範對細集料輕物質含量的要求高于我國，對粗集料則有軟弱顆粒含量的限制。在集料級配上，總體上我國粗集料中的小粒徑含量相對偏多，日本則采用了較寬的級配範圍。細集料上，我國的中砂級配接近日本規範标準，但粗砂級配粒徑較粗、細砂級配粒徑偏細。材料技術指标所反映出來的問題，以及傳力杆設置、實施和人們認識上存在的差異在一定程度上也是這種情況的另外一種具體表現。

我國的技術指标分得比較細，各技術指标總體上也不低于日本。但仔細對比有關指标的細節和具體含義，仍存在很多不同。首先，日本的最大水灰比、最小單位水泥用量、水泥混凝土彎拉強度标準等與公路等級或交通量基本上沒有直接關系，彎拉強度控制标準甚至還明顯低于我國。其次，我國的“水灰（膠）比”并不高，但“最大單位用水量”卻明顯高于日本 。 此外，日本規範還明确指出當單位用水量超過150kg/m3時可以認為是由于集料的級配、形狀不适當所造成。路面混凝土中的單位水泥用量我省經常超過350kg/m3，日本則要求控制在較低水平，一般多在290～320kg/m3左右。

在坍落度、含氣量的控制方面：

日本是以現場混合料作為控制對象，要求根據氣溫、濕度、運輸距離等，通過試驗确定出料時的對應控制指标，我國則具體規定了出料和攤鋪時的坍落度标準。

我國規範中規定的含氣量實際是攪拌機出口混合料的檢測值，它将随氣溫、運距、澆築、振搗、飾面等而改變。代表不了已施工完成的路面混凝土含氣量。日本是以控制混凝土在攤鋪位置攤鋪振搗後的含氣量為準，至于出料時的含氣量也要求通過試驗确定。

相對日本的規定，我們的含氣量控制标準對施工的檢測控制作用較弱，含氣量也偏低（用含氣量測定儀檢測施工完成的路面混凝土含氣量，此時測得的含氣量比出料時的含氣量減小近50%）。

試驗路面結構

面層經計算确定水泥混凝土路面厚度為26cm，基層采用6%水泥穩定砂礫摻25%（20%）1～3cm碎石；也可将超大粒徑卵石破碎成1～3cm碎石摻入，底基層采用5%水泥穩定砂礫。試驗路面結構在所有的預切縮縫、脹縫、縱縫等處均設置傳力杆或拉杆，并在闆下1/3處鋪設一層150mm×150mm的φ6的冷軋帶肋鋼筋網，路面闆兩側邊緣各加設3根φ12或φ14的帶肋增強鋼筋。基層采用整體性強、水穩定性好、收縮裂縫小的水泥穩定砂礫。

混凝土配合比設計：

① 水泥：采用牡丹江牌普通矽酸鹽42.5#水泥，産品質量符合國家GB175—1999水泥标準要求，水泥密度ρc＝3.1g／cm3。

② 粗集料：采用尚志南平石場加工的玄武岩5～20mm和20～31.5mm兩種規格石料。

③ 細集料：細集料采用尚志螞蟻河砂，該砂細度模數Mx＝2.81，為中砂，其堆積密度為1530kg／m3，表觀密度為2548kg／m3，含泥0.5％，以上各項指标均滿足規範及設計要求。

④ 外加劑：采用黑龍江省安達市興隆公路建材助劑廠生産的FNC引氣緩凝高效減水劑作為外加劑，并進行了減水率試驗，其減水率為17％。該産品為引氣、緩凝、高效減水劑，各項指标滿足國标要求。

配合比設計的主要參數：

⑴ 彎拉強度

① 根據《公路水泥混凝土路面設計規範》（JTG D40—2002）和《公路水泥混凝土路面施工技術規範》（JTG F30—2003）的要求，設計彎拉強度标準值為5.0MPa。

② 試配彎拉強度fc＝（1.10－1.15）fr，亦可按可靠性設計原理根據下式确定試配彎拉強度fc：

fc＝fr／（1－1.04Cv） ts 式中：

fr—彎拉強度标準值；

t—保證率系數；

S—樣本标準差；

Cv—混凝土彎拉強度變異系數。

⑵ 工作性

滑模攤鋪機正常攤鋪時，機前混凝土拌和物的最佳工作性及允許範圍見表24，混凝土拌和物應穩定在最佳工作性範圍内，不得超出。

⑶ 抗凍耐久性

為提高混凝土的抗凍耐久性，應采用引氣減水劑。結合黑龍江省的氣候條件，有抗凍及抗鹽凍的需要，含氣量應控制在4.0～5.5%的範圍内。關于路面混凝土滿足耐久性要求的最大水灰比：高速公路、一級公路有抗冰凍要求時不宜大于0.42，有抗鹽凍要求時的高速公路、一級公路不宜大于0.40。

⑷ 經濟性

在滿足上述三項技術指标要求的前提下，考慮材料的經濟性，以單位質量水泥獲得的混凝土彎拉強度最大為經濟性評價指标。

試驗段選用的配合比：

根據強度、經濟性和耐久性的要求，經過實驗，最後确定的配合比為：水泥：360kg；水：144kg；砂：674.1kg；碎石（5～20mm）：479.4kg；碎石（20～31.5mm）：719.0kg；外加劑（FNC）摻量：0.8%；水灰比：0.40；砂率：36%。該配合比不受設置縮縫傳力杆和冷軋帶肋鋼筋網等的限制，且拟訂的攤鋪方式都是滑模攤鋪機攤鋪，因此相鄰的正常施工的路面混凝土也采用此配合比。

傳力杆的設置及受力分析

許多國家是根據路面闆的厚度來确定傳力杆的尺寸及布置。然而，無論是脹縫采用的傳力杆還是縮縫采用的傳力杆，它們的應力狀态都是極其複雜的，包括荷載引起的剪切、彎曲和支承壓力。這些應力可以用解析方法進行分析。我們根據布拉德伯利（Bradbury）提出的傳力杆實用設計驗算公式，利用Microsoft Visual Basic 6.0軟件編制計算程序，圍繞我國現行的傳力杆尺寸和間距進行有關的驗算和分析。

傳力杆體系實際有效系數是指在傳力杆體系布置完成後，對于每一根傳力杆所承受的實際車輪荷載由有效系數進行分配，各根傳力杆分配到的有效系數的和即為實際有效系數。傳力杆體系實際有效系數通常與相對剛度半徑、傳力杆間距的取值有關。

随着傳力杆長度的增加，需要有效系數并不是在一直減小，當傳力杆長度增大到一定程度後，需要有效系數反而提高。所以傳力杆的長度可以取45cm～60cm（直徑2.5cm～3.5cm，推薦長度與直徑之比為18）。

傳力杆間距的選擇是傳力杆設計的重要内容之一，在确定傳力杆體系受力範圍後（如前所述，受力有效範圍為1.8倍的路面相對剛度半徑），傳力杆間距越大，則在這一範圍内布置的傳力杆的根數越少，可分配到的有效系數（實際有效系數）的和就越小。

我國規範規定水泥混凝土路面設計以100kN單軸雙輪組荷載為标準軸載。因此，在對上述變量進行計算分析時，我們統一取标準軸載為100kN。而在“公路—Ⅰ級”和“公路—Ⅱ級”汽車荷載中，采用的車輛荷載标準值最大軸載為140kN。在這一荷載作用下，我國現行的水泥混凝土路面設計規範中對傳力杆尺寸和間距的規定是否适應，有必要進行驗證。

縮縫傳荷能力的對比

提高和保持接縫的傳荷能力是提高路面整體承載能力與耐久性的關鍵，其中橫向縮縫尤為重要。橫向接縫傳荷能力的下降會導緻混凝土闆臨界荷位的變化，目前我國隻以混凝土闆的縱向邊緣中部為臨界荷位，沒有考慮其它情況，這一臨界荷位的前提是路面接縫（主要是橫向縮縫）要具有足夠的傳荷能力。

縮縫傳荷能力取決于以下幾個因素：① 接縫斷裂面上集料的嵌鎖作用；② 接縫兩側的榫槽；③ 傳力杆；④ 基層的剛性支承作用等。

無傳力杆的縮縫，依靠預切縫斷裂面上的集料嵌鎖和側面摩擦作用能夠傳遞部分荷載，其傳遞荷載的能力主要取決于縫隙的寬度及斷裂面的不平整程度。

縮縫縫寬的變化是由混凝土闆變形引起的，這種變形主要由兩部分組成，即濕脹幹縮變形和熱脹冷縮變形：

① 濕脹幹縮變形：自由變形時收縮值一般取0.15～0.2mm/m，考慮摩擦阻力可取0.1mm/m，若每塊混凝土闆長按5m計，則

縮縫濕脹幹縮變形＝0.1mm/m×5m＝0.5mm

② 熱脹冷縮變形：混凝土闆的溫度膨脹系數α與材料的配合比有關，一般取值範圍為（0.6～1.2）×10－5/℃，自由變形時常取為0.01mm/(m·℃)。同時考慮到基層對面層的摩阻作用，可取為0.005mm/(m·℃)，混凝土闆的最大收縮值＝闆長×施工期與冬季最大溫差×α＝5m×60℃×0.005mm/(m·℃)＝1.5mm

縮縫寬度最大變化值＝縮縫濕脹幹縮變形＋混凝土闆最大收縮值＝0.5mm＋1.5mm＝2.0mm

無傳力杆縮縫依靠集料嵌鎖傳遞荷載的能力及其耐久性是十分有限的。在高等級或重交通公路上，常常引起唧泥、錯台及闆塊斷裂等病害，嚴重影響混凝土路面的使用性能和使用壽命。相關研究成果及長期的實踐都表明，傳力杆是迄今為止最可靠、有效的一種接縫傳荷裝置。加傳力杆後，接縫寬度的變化對傳荷能力及其耐久性的影響也大大降低。

對試驗路段進行了路面總體強度和接縫傳荷能力的跟蹤觀測。基本可以判斷新半幅路面的彎沉值在7（1/100mm）以下，但由于剛竣工的路段路面強度很高，試驗段和非試驗段的差别暫時無法區分。

雖然目前試驗段和新半幅普通路段的傳荷能力與強度指标暫時接近，但無傳力杆縮縫的傳荷能力會在通車後因接縫寬度的變化、基層強度的衰減以及側面摩擦力的減弱而很快下降，有傳力杆縮縫的傳荷系數将穩定在0.7～0.8以上，同時由于路面增設傳力杆使基層受力狀态得到改善，對保持試驗段路面的承載能力十分有利。根據落錘式彎沉儀的相關試驗結果，設傳力杆縮縫處的彎沉值與路面闆中部的彎沉值比較接近，小于路面自由邊緣及闆角處的彎沉。

主要施工工藝

主要施工工藝如下：

⑴ 攤鋪前的準備工作

⑵ 傳力杆、拉杆支架位置放樣與固定點準備

⑶ 安裝拉杆支架

⑷ 安裝傳力杆支架及鋪設鋼筋網

⑸ 攤鋪第二層混凝土并成型

需要在水泥混凝土路面所有的接縫，包括縮縫、脹縫、縱縫等處設置傳力杆或拉杆，而且要在闆下1/3處鋪設一層150mm×150mm的φ6mm冷軋帶肋鋼筋網，并在闆兩側邊緣各加設3根φ12mm的增強鋼筋。隻要加強現場管理，使相鄰工序緊密銜接，可使其對攤鋪的影響降至最小。按着有關的施工經驗，如果沒有DBI等機械化自動布設裝置，采用以上工藝大面積施工時的速度為正常情況下的70～80%（加鋪鋼筋網時為30～40%左右）。盡管造價有一定提高，在公路建設質量和使用要求不斷提高的社會背景下，其綜合效益卻為有關專家看好，而且在試驗路面結構型式下，縮縫間距可以延長到8～10m。輔助布料機械以挖掘機代替裝載機為好，增加布料範圍可以減少工序，加快施工速度；而布料組和鋪設組人員可以交叉工作，同時宜再準備二組人員以分别輪流替換布料組和鋪設組、安裝組為好，施工速度将大大加快。

高等級公路滑模攤鋪施工應采用DBI（Dowel Bar Inserting Set）裝置、側向布料裝置和鋼筋網布放裝置，采用DBI施工單根傳力杆的傾斜概率不大于1/40萬，傳力杆設置精度及可靠性很高。同時應适當發展軌道攤鋪技術等，以多層次地适應水泥混凝土路面修築技術發展的需要。

要重點檢查傳力杆的狀況，保證攤鋪機成型前傳力杆無位置變化。闆角處拉杆和傳力杆不能出現交叉。關于邊緣補強鋼筋，日本規範中有比較詳細的規定，如果拉杆也采用支架的方式固定，則有支架處的邊緣補強鋼筋可以省略。支架最好也采用帶肋鋼筋，一方面可以提高支架與混凝土的握裹力，另一方面也可以減少鋼筋用量。

總結

⑴ 橫向縮縫傳力杆是降低闆邊彎沉與溫度翹曲變形，加強和維持縮縫傳荷能力，保證水泥路面使用性能和使用壽命的最簡捷、有效的措施。考慮到黑龍江省獨特的寒區環境條件，有必要在高等級公路水泥路面上采用“全縮縫傳力杆”技術。

⑵ 采用冷軋帶肋鋼筋網能夠抑制路面早期裂縫，在路面闆開裂時還能夠限制斷闆的位移并維持路面的傳荷能力，保持路面的整體受力狀态。可在公路建設中适當應用（冷軋帶肋鋼筋是經濟高效、優質節能的建築新材料，目前國産品的質量、數量已能夠滿足使用需要）。

⑶ 我國的水泥路面結構設計隻考慮了縱縫傳荷能力，未能考慮橫向接縫傳荷能力下降可能産生的應力變化，這可能導緻路面開裂形态的改變。有關技術細節需要深入探讨。

⑷ 推薦傳力杆長度與直徑之比取18.0；建議傳力杆間距：面層闆厚度≤24cm時30cm，面層闆厚度＞24cm時取40cm，最外側傳力杆距縱向接縫或自由邊的距離為15～25cm。

⑸ 我國路面混凝土配合比指标中單位用水量、單位水泥用量偏高。這與我國粗集料級配中小粒徑顆粒含量相對偏多，以及混凝土的設計抗彎拉強度指标較高有關，有關問題需要繼續探讨。

⑹ 我國混凝土的含氣量以出料時的測試值為準，相對而言仍屬偏低，且該檢測時段的代表性不夠全面。國外以攤鋪位置振搗後的含氣量為控制标準，這一點可供我們參考、借鑒。

⑺ 在未配備“DBI”（傳力杆自動打入裝置）、“側向布料設備”和“鋼筋網自動布放裝置”的情況下，本次工藝合理可行。從路面修築技術發展趨勢和實際需要出發，高等級公路水泥路面滑模攤鋪施工應逐步采納“DBI”裝置、“側向布料裝置”和“鋼筋網布放裝置”。同時需适當發展軌道攤鋪技術等，以多層次地适應水泥路面修築的需要。

⑻ 國外一般隻在低交通量道路上适當使用有“全縮縫傳力杆”（少數情況下無傳力杆）的素混凝土路面，我國現在仍将沒有“全縮縫傳力杆”的素混凝土路面，廣泛應用在各級公路水泥路面上。這是導緻公路水泥路面過早損壞的結構性因素之一。

⑼ 我國近年修訂規範時較多地借鑒和參考了美國與日本的技術規程，但美國、日本等國都有不止一套技術規範。由于國情和設計方法的不盡一緻，在參照借鑒的同時，仍需要以自主研究為基礎，以便更好地汲取國外先進、适用的技術内容，做到宏觀規定系統、細節規定周密，才能夠真正形成适合我國、我省實際條件的較為完善的技術規範體系。

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