3.1 温缩应力

为了充分反映整个路面结构温度场对温度应力的影响,采用三维有限元法计算温度应力。混凝土的物理参数中线胀系数是影响温度应力的主要因素。普通水泥混凝土的线胀系数为1×10/℃, 碾压混凝土的线胀缩系数与温度有关, 在负温区与普通混凝土相近, 当温度大于20℃时, 胀缩系数趋于平稳。碾压混凝土的胀缩系数一般在0. 5×10/℃～0. 9×10/℃。东南大学经实测统计得到胀缩系数为Tc= 0. 76× 10。当板长为6m 时, 在最大变温- 40℃和-50℃情况下, 板中拉应力分别为2. 2M Pa和2. 7M Pa。如按混凝土抗折强度为5M Pa, 混凝土抗拉强度按最保守的估计应为抗折强度的0. 58倍, 即抗拉强度为2. 9M Pa, 因此, 即使在最大变温为- 50℃的情况下, 温缩应力仍未超过抗拉强度, 况且一般年温差不可能达到-50℃。如果综合考虑温缩应力和荷载应力的迭加, 弯拉应力仍不超过抗弯拉强度。而最大翘曲应力不会与最大温缩应力产生迭加。图2给出了碾压混凝土路面的温缩应力。同理, 温缩应力也不是碾压混凝土路面最大缩缝间距的控制因素。

3.2 温度翘曲变形

如果把普通混凝土路面板长6m、板厚22cm的翘曲变形作为容许的翘曲变形, 那么可以得到碾压混凝土路面最大的板长。按该标准, 如果线胀系数取0. 76×10/℃, 则RCCP路面RCC板长最多在7～8m 之间。计算中取面板厚度h= 24cm, 二灰碎石基层厚度h= 15cm, 混凝土模量E= 33 000M Pa , 二灰碎石基层模量E= 1 500M Pa , 土基计算回弹模量Et= 525M Pa, 静摩擦系数f 0= 2. 60, 滑动摩擦系数f 2= 6. 0,普通混凝土路面抗剪强度fmax= 0. 46M Pa ,碾压混凝土路面抗剪强度fmax=0. 58M Pa, 对于普通混凝土路面Zmax= 0. 30mm , 对于碾压混凝土路面Zmax= 0. 45m m。

干缩系数对干缩应力影响很大, 干缩系数越大, 干缩应力越大, 对于普通混凝土路面当板长为6m 时, 最大拉应力为2. 4M Pa, 按抗拉强度2. 9M Pa 考虑, 即未达到抗拉强度, 但当板长为7m 时, 最大拉应力为3. 2M Pa, 此时已超过抗拉强度,证明目前普通水泥混凝土路面取最大板长为6m 是符合干缩应力控制要求的。经采用不同的干缩系数和线胀系数试算的结果, 碾压混凝土路面板长可取6～10m。如果综合考虑干缩应力、温缩应力、翘曲应力和荷载应力, 温缩应力达到最大值时, 干缩应力会被松弛一部分, 加上部分翘曲应力和行车荷载的最不利情况, 四者之和构成控制最大缩缝间距的因素。根据综合分析建议全厚式碾压混凝土路面最大缩缝间距如表2。

根据混凝土板的受力特点, 碾压混凝土路面缩缝间距(板长) 与以下几个因素有关:

(1) 温度应力 由于大气温度和太阳辐射周期性变化, 致使碾压混凝土路面产生由年温差引起的胀缩应力和由日温差引起的翘曲应力。年温差引起的温度变形, 周期性较长, 温度变化较缓慢, 因此路面板的胀缩在厚度范围内呈均匀分布, 这种变形一旦受到约束将产生均匀胀缩应力, 由年温差引起的收缩应力可能是影响缩缝间距的重要因素。在日温差较大的季节, 由于日温差变化周期较短, 在路面板厚度范围内呈现不均匀分布, 板上下形成的温度梯度将产生翘曲应力。在气温温差很大的情况下, 路表温差振幅很大, 而板底温差振幅很小, 在最高气温与最低气温两个不同时刻形成的最大变温场可能产生较大的温度应力。

(2) 温度翘曲变形 温度梯度会使混凝土板产生翘曲变形的趋势, 当这种趋势受阻时, 会在混凝土板内产生翘曲应力, 而当板的约束不足时, 则会产生翘曲变形而形成板底脱空现象。若翘曲应力或脱空区过大, 受行车荷载时容易使路面板断裂。

(3) 干缩应力 由于水泥水化和水分的蒸发, 在水泥浆变成水泥石的硬化过程中将发生收缩变形, 而集料在这个过程中体积基本不变, 因而引起混凝土的干缩变形, 当干缩变形受到约束时产生干缩应力。干缩应力的大小取决于干缩系数、面板与基础的联结状态和板的长度。因此, 干缩应力有可能是控制最大缩缝间距的主要因素。

(4) 荷载应力 就荷载应力本身而言, 大量的计算结果表明, 当板平面尺寸超过板相对刚度半径后, 板长、板宽对荷载应力影响不明显, 但在考虑温度应力与荷载应力组合、干缩应力与荷载应力组合成最不利情况时, 荷载应力对板块平面尺寸有影响。

到目前为止, 我国已有10多个省(区) 市铺筑了碾压混凝土路面试验工程, 取得了不少有价值的研究成果。但在这些研究成果中, 有关碾压混凝土路面缩缝间距的研究相对较少, 一般仅仅是依据干缩系数的减少来确定缩缝的间距。有的文献根据室内伸缩值的对比试验和试验路铺筑验证, 认为碾压混凝土路面每隔10～15m 设置一条缩缝是可行的。

西班牙、法国、澳大利亚等国家研究、应用碾压混凝土路面施工技术已有多年历史, 但由于主要用于建造货场、港口码头、停车场和低等级道路工程, 因此对接缝的研究较少, 有的甚至与沥青路面一样, 不预设接缝, 任其自由开裂。根据第十八届世界道路会议的资料介绍, 不预设横缝、自由开裂产生的横缝间距通常为6～12m, 有时可达到20m。

日本道路协会1990年5月制订的“碾压混凝土路面技术指南(草案)”对横向缩缝提出的设置原则为: 当板厚为25cm 时, 横向缩缝间距为15～20m; 板厚小于25cm 时, 间距为10～15m。但这种规定主要依据实际工程观测, 尚未见到深入的试验研究成果或理论分析报告。美国混凝土学会( ACI) 325委员会1995年发表的《碾压混凝土当前工艺水平的报告》中涉及碾压混凝土路面接缝设计的内容相当少, 仅在“路面设计的考虑”一节中提到: 采用横缝时, 一般间隔在9. 1～21. 3m 之间。综上所述, 各国对RCCP缩缝设置的认识尚未统一, 虽普遍认为可比普通水泥混凝土路面适当延长间距, 但多以一定时间内的实践为依据, 尚缺乏从路面力学理论上深入分析延长缩缝间距的机理, 因而无法根据RCC材料及RCCP结构的自身特性确定合理的缩缝间距。

确定碾压混凝土路面的最大缩缝间距(即板长) 是混凝土路面接缝设计的主要内容。接缝设置的合理与否不仅关系到路面的寿命, 而且影响路面的行车性能。接缝过多, 不仅增加施工的复杂性, 同时还容易导致唧泥、错台等破坏, 严重影响路面的整体强度。但是, 板长过大也会带来一些问题, 例如①温度翘曲应力增大, 增加断板的可能性; ②干缩和温度变化引起板的伸缩量增大, 增加对填缝材料的弹性密封要求; ③降低依靠集料嵌锁作用的接缝传荷能力等。因此, 针对碾压混凝土路面的特点, 采用力学分析与试验相结合的方法, 研究确定合理的横向缩缝间距对提高路面使用质量具有重要意义。

4.1 广西田阳试验路

1992年4月铺筑的广西田阳试验路路面宽度7. 5m, 二灰砂砾基层, 碾压混凝土面板厚度23cm , 设置了5m、10m 和20m三种缩缝间距。根据观测, 竣工后仅1～2个月, 20m 长的板即大部分断裂, 5m 和10m的板基本没发生断裂。而1996年初观测, 20m 板基本都已断裂, 10m 板部分发生断裂。根据这种情况分析, 早期20m 板的断裂主要是竣工后混凝土的迅速干缩所致, 后期10m 板的断裂可能是温度应力、干缩应力和荷载应力的综合作用的结果。

4.2 山西左云试验路

1992年9月铺筑完成的山西左云试验路为水泥稳定碎(砾) 石基层, 混凝土板厚24cm , 设置了10m、15m、20m、25m 几种缩缝间距。到1993年2月, 已有多处发生断板现象。经分析发现, 其裂缝主要有以下形式:

①施工时发生的早期裂缝

试验路所在的大同地区9月份昼夜温差较大, 因此部分路段由于混凝土路面板在铺筑当天强度很低的情况下就受到上(低) 下(高) 温差引起的翘曲应力的作用而发生破坏;

②干缩、 温度翘曲和荷载综合作用引起的开裂

由于设置了不少长间距的缩缝( 15m以上) , 这些板在干缩应力、温度翘曲应力和荷载应力的综合作用下发生开裂(主要是后期产生的断裂)。

上述两种裂缝中, 第一种通过合理的施工组织是可以避免的, 而第二种裂缝则是板长过大的必然结果。从开裂结果来看, 断板位置多在9～10m 范围, 可以认为板长宜在10m 以内。

4.3 广西武鸣试验路

广西武鸣试验路于1994年3～4月铺筑, 路面宽度9m, 厚度24cm。因为已有田阳试验路和左云试验路的施工经验和一定的观测资料, 所以在武鸣试验路上没有进行长缩缝间距的试验, 主要安排了6～8m 间距。根据观测, 除个别板块明显因路基沉降发生断裂外, 基本没有断板现象。

4.4 山西长治试验路

1995年6～ 7月铺筑的山西长治试验路混凝土板厚度24cm , 缩缝间距8～ 10cm。据最近的观测, 混凝土板多处发生了断裂。经分析认为, 除一些路段施工时未能按规定及时锯缝产生断板外, 主要是10m 的缩缝间距太大, 通车以后在干缩应力、温度应力和荷载应力的综合作用下产生开裂。

(1) 本文从路面力学理论上深入分析了控制接缝间距的因素和延长接缝间距机理, 为确定碾压混凝土路面的合理接缝间距提供了理论依据。

(2) 综合理论分析的结果和试验路的试验观测结果, 建议全厚式碾压混凝土路面缩缝间距为6～8m。

(3) 各种接缝的使用性能建议进行长期观测。