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超薄混凝土路面设计与施工技术试验路研究
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内容提示：结合超薄水泥混凝土路面技术在天大线的工程应用实践,分析了超薄路面对混凝土性能的基本要求,总结了超薄混凝土配合比设计和路面施工技术,为进一步研究超薄混凝土路面的工程效果打下坚实的基础。
0 引言
目前在沥青路面上加铺水泥混凝土路面设计方法大致经历了以下两个阶段:
1)将加铺层和旧路面层作为两个层次,并假设下卧层为刚性的,因此层间粘结状况不影响设计结果;
2)20世纪80年代,欧洲提出了新的设计概念,在加铺层和旧路面层之间设置一个粘结层,使得加铺层和旧路面层完美的结合在一起。在这种新的设计理念的指导下形成了超薄混凝土技术(Ultra-ThinWhitetopping,简称UTW), 90年代欧美等国家对该技术展开了广泛的应用研究[1]。（参考《建筑中文网》）
本文结合天大线超薄混凝土路面试验路情况,主要探讨超薄混凝土设计及施工技术,供同行参考。
1 超薄路面技术特点
超薄水泥混凝土路面结构是厚度不大于100 mm、与下卧沥青混凝土层完全粘结的路面结构。这种结构具有以下几个特征:
1)厚度一般在50 mm ~100 mm,小于薄混凝土路面(ThinWhitetopping,简称TWT,厚度100 mm~200 mm)和普通混凝土路面(厚度一般大于200 mm);
2)水泥混凝土面层必须与下卧层完全粘结,整体受力。如图1所示,图1a)为普通混凝土加铺层受力情况,加铺层与原路面之间粘结力较小,加铺层层底弯拉应力较大;图1b)为超薄混凝土路面受力情况,加铺层与下卧层形成一个复合整体,加铺层内以压应力为主,充分发挥水泥混凝土材料的高抗压强度和下卧层的残余强度;
3)接缝间距小,一般取12h~18h(h为UTW层厚度),即接缝间距在0. 6 m~1. 8 m内。小板块在车辆荷载作用下,大大降低了板底的弯拉应力和弯曲变形。图2为美国肯塔基州1992年在某货车路上铺筑的试验路,超薄层厚度为50mm,接缝间距为0.6m,工程效果良好[2];
4)一般采用纤维混凝土作为加铺层材料,以提高水泥混凝土的抗弯拉强度和疲劳寿命。常用的有聚丙烯纤维单丝、聚丙烯纤维网、玄武岩纤维等。
2 试验路超薄混凝土路面设计
2.1 试验路概况
试验路为天台县境内天大线公路,为山区三级公路,连接石梁镇和天台县城。2009年10月,配合天大线路面大修工程,选择天大线起始2. 5 km两侧硬路肩作为试验路铺筑对象,进行了UTW路面试验路施工。路肩上车辆荷载作用次数很少,既能满足低交通量使用条件,且施工不影响道路正常运营,有利于试验路施工及后续研究工作的开展。
为验证超薄路面接缝间距的合理范围,拟定多种间距,并交替布置普通混凝土、纤维混凝土,以比较其工程效果,如图3所示。每段500 m,两侧共分为10段,每种类型2段。
2.2 纤维混凝土配合比设计纤维混凝土配合比设计分两个阶段: 1)基准配合比设计; 2)纤维混凝土配合比设计。基准配合比设计同普通公路水泥混凝土配合比设计方法。
2.2.1 原材料
材料质量标准根据JTG F30-2003公路水泥混凝土路面施工技术规范对中轻交通条件下普通水泥混凝土材料质量要求。水泥: P.O42. 5普通硅酸盐水泥,水泥质量见表1。水:采用日常饮用水。质量符合规范要求。细骨料:中砂,细度模数2. 8,表观密度2 632 kg/m3,含泥量0. 9%。粗骨料:碎石,粒径5 mm~10 mm和10 mm~20 mm两种掺配而成,集料质量满足规范要求,表观密度2 839 kg/m3,组合级配符合规范要求。减水剂:早强减水剂,实测减水率15%,掺量为3%水泥用量。
2.2.2 玄武岩纤维技术要求
目前国内外应用于UTW路面混凝土的纤维主要有以下几种:聚丙烯纤维、聚丙烯纤维网。玄武岩纤维在房屋建筑混凝土结构中已有较广泛的应用,此次应用玄武岩纤维作为增强材料。短切玄武岩纤维强混凝土力学性能与素混凝土试件的对比,玄武岩纤维对混凝土具有明显的增强、增韧效果[3]。玄武岩纤维质量参考GBT 23265-2009水泥混凝土和砂浆用短切玄武岩纤维中对短切玄武岩纤维的技术要求,玄武岩质量见表2。
2.2.3 纤维混凝土配合比设计
本试验路以抗弯拉强度为指标的经验公式法计算确定C40混凝土初步配合比,而后进行试拌调整得到如下基准配合比:水泥∶砂∶石子∶水∶外加剂=1∶1. 68∶3. 26∶0. 36∶0. 030 0。纤维混凝土配合比是在基准配合比中掺入不同剂量的纤维形成。为确定最佳纤维用量,采用2. 5%, 3. 0%, 3. 5%水泥用量三种纤维掺量进行对比实验,确定最佳纤维掺配量。
2.2.4 室内试验结果分析
通过混凝土抗压强度试验和抗弯拉强度试验确定最佳纤维掺量,并比较玄武岩纤维混凝土与普通混凝土的性能差异,实验结果见表3,表4。经测定掺加玄武岩纤维,水泥混凝土坍落度有所降低,降低量在5 mm~7 mm。
抗压强度试验表明,添加玄武岩纤维,混凝土的抗压强度有所下降,抗弯拉强度试验表明,玄武岩纤维混凝土抗弯拉强度显著提高,且3. 0%为最佳掺量。
2.3 UTW混凝土路面平面设计
超薄混凝土路面平面设计的主要内容是接缝设计。UTW路面纵向横向接缝宜采用12h~18h(h为UTW层厚度)。本次试验路路面平均厚度5 cm,最大厚度7 cm,最小厚度4. 5 cm。设计时采用了两种间距: 0. 75 m和1. 20 m,分别为15h和24h。采用24h的主要目的是为了检验接缝间距较大时UTW路面的工程效果,验证上述理论的正确性。
3 超薄混凝土路面施工技术
通过分段施工,总结若干段UTW路面施工的实际工程效果,发现UTW路面施工应注意以下问题,以避免出现脱皮、龟裂等破坏。
3.1 界面处治
应进行相应施工技术准备工作。因面层厚度约为5 cm,层厚小,为避免混凝土出现早期起皮剥离现象,必须对原路面表面进行彻底清理。试验路采用抛丸机打毛路面,而后用高压水枪冲洗,表干后立即摊铺混凝土面层,避免二次污染。
3.2 混凝土拌合与摊铺
为了便于施工,在施工前应先按计算好的掺量,将玄武岩纤维分包装好,拌合时将纤维与砂、石、水泥等同时加入搅拌机,先干拌30 s,然后加水湿拌90 s。外加剂原液应先加入拌合用水中稀释,再和水一起加入搅拌机中。因面层厚度薄和纤维的使用,必须使用平板震动器振捣,不得使用插入式震动器振捣,避免影响纤维的分布。在纤维混凝土浇筑1 h~2 h后,应对混凝土进行二次振捣,并对纤维混凝土表面拍打振实。充分的振捣一方面降低了混凝土的收缩应力,同时混凝土的粘聚性增大,有效阻止了混凝土的离析。由于掺入玄武岩纤维后形成三维网结构,混凝土的坍落度会略有降低,但杜绝人为加入大量的水,振捣后与一般混凝土不同,出浆量也会略有减少,抹平时与正常方法相同。为保证顺利振捣和收面,一定要控制坍落度在适宜范围内。现场条件下坍落度会随时间减少,故要搞好现场组织,尽可能缩短混凝土出机到入模的运输时间,防止水分蒸发过多,影响坍落度。超薄混凝土面层铺筑的其他技术要求同普通混凝土路面。
3.3 接缝设置与混凝土养护
横向缩缝的设置采用全部硬切的方式,切割深度为1/5~1/4面层厚度。现场施工温度及条件相同时,压纹和假缝割应比一般混凝土滞后约0. 5 h~1 h。超薄混凝土应加强保湿养生,避免出现早期缩裂。试验路施工初期,部分路段因保湿养生不足,出现了严重的龟裂。后期采用加大养生剂用量(2倍普通混凝土路面用量)等措施,表面开裂比率大大减小。
4 结论与展望
1)实验表明,掺加玄武岩纤维降低了水泥混凝土的抗压强度,提高了混凝土的抗弯拉强度,降低了路面刚度,提高了韧性,对路面结构受力有利, 3%水泥用量为最佳玄武岩纤维掺量;
2)界面粘结的好坏对UTW路面结构受力至关重要,应严格控制其施工质量;
3)UTW路面混凝土因厚度薄,水分减少快,易出现缩裂病害,应加强早期保湿养生,确保施工质量。
试验路完工后时间尚短,玄武岩纤维混凝土超薄路面的工程效果有待进一步监测。
参考文献:
[1] Ahmad Arddan.i Thin andUltra-ThinWhitetoppingA SynthesisofHighway Practice[R].WASHINGTON, D. C.: TRANSPOR-TATION RESEARCH BOARD, 2004: 3.
[2] Sanford P.LaHue,Robert J.Risser, Jr.Ultra-thin concrete over-lay supports truck loads[R]. Chicago: The Aberdeen Group,1992: 2.
[3] 李为民,许金余.玄武岩纤维对混凝土的增强和增韧效应[J].硅酸盐学报, 2008, 36(4): 476-486.
目前在沥青路面上加铺水泥混凝土路面设计方法大致经历了以下两个阶段:
1)将加铺层和旧路面层作为两个层次,并假设下卧层为刚性的,因此层间粘结状况不影响设计结果;
2)20世纪80年代,欧洲提出了新的设计概念,在加铺层和旧路面层之间设置一个粘结层,使得加铺层和旧路面层完美的结合在一起。在这种新的设计理念的指导下形成了超薄混凝土技术(Ultra-ThinWhitetopping,简称UTW), 90年代欧美等国家对该技术展开了广泛的应用研究[1]。（参考《建筑中文网》）
本文结合天大线超薄混凝土路面试验路情况,主要探讨超薄混凝土设计及施工技术,供同行参考。
1 超薄路面技术特点
超薄水泥混凝土路面结构是厚度不大于100 mm、与下卧沥青混凝土层完全粘结的路面结构。这种结构具有以下几个特征:
1)厚度一般在50 mm ~100 mm,小于薄混凝土路面(ThinWhitetopping,简称TWT,厚度100 mm~200 mm)和普通混凝土路面(厚度一般大于200 mm);
2)水泥混凝土面层必须与下卧层完全粘结,整体受力。如图1所示,图1a)为普通混凝土加铺层受力情况,加铺层与原路面之间粘结力较小,加铺层层底弯拉应力较大;图1b)为超薄混凝土路面受力情况,加铺层与下卧层形成一个复合整体,加铺层内以压应力为主,充分发挥水泥混凝土材料的高抗压强度和下卧层的残余强度;
3)接缝间距小,一般取12h~18h(h为UTW层厚度),即接缝间距在0. 6 m~1. 8 m内。小板块在车辆荷载作用下,大大降低了板底的弯拉应力和弯曲变形。图2为美国肯塔基州1992年在某货车路上铺筑的试验路,超薄层厚度为50mm,接缝间距为0.6m,工程效果良好[2];
4)一般采用纤维混凝土作为加铺层材料,以提高水泥混凝土的抗弯拉强度和疲劳寿命。常用的有聚丙烯纤维单丝、聚丙烯纤维网、玄武岩纤维等。
2 试验路超薄混凝土路面设计
2.1 试验路概况
试验路为天台县境内天大线公路,为山区三级公路,连接石梁镇和天台县城。2009年10月,配合天大线路面大修工程,选择天大线起始2. 5 km两侧硬路肩作为试验路铺筑对象,进行了UTW路面试验路施工。路肩上车辆荷载作用次数很少,既能满足低交通量使用条件,且施工不影响道路正常运营,有利于试验路施工及后续研究工作的开展。
为验证超薄路面接缝间距的合理范围,拟定多种间距,并交替布置普通混凝土、纤维混凝土,以比较其工程效果,如图3所示。每段500 m,两侧共分为10段,每种类型2段。
2.2 纤维混凝土配合比设计纤维混凝土配合比设计分两个阶段: 1)基准配合比设计; 2)纤维混凝土配合比设计。基准配合比设计同普通公路水泥混凝土配合比设计方法。
2.2.1 原材料
材料质量标准根据JTG F30-2003公路水泥混凝土路面施工技术规范对中轻交通条件下普通水泥混凝土材料质量要求。水泥: P.O42. 5普通硅酸盐水泥,水泥质量见表1。水:采用日常饮用水。质量符合规范要求。细骨料:中砂,细度模数2. 8,表观密度2 632 kg/m3,含泥量0. 9%。粗骨料:碎石,粒径5 mm~10 mm和10 mm~20 mm两种掺配而成,集料质量满足规范要求,表观密度2 839 kg/m3,组合级配符合规范要求。减水剂:早强减水剂,实测减水率15%,掺量为3%水泥用量。
2.2.2 玄武岩纤维技术要求
目前国内外应用于UTW路面混凝土的纤维主要有以下几种:聚丙烯纤维、聚丙烯纤维网。玄武岩纤维在房屋建筑混凝土结构中已有较广泛的应用,此次应用玄武岩纤维作为增强材料。短切玄武岩纤维强混凝土力学性能与素混凝土试件的对比,玄武岩纤维对混凝土具有明显的增强、增韧效果[3]。玄武岩纤维质量参考GBT 23265-2009水泥混凝土和砂浆用短切玄武岩纤维中对短切玄武岩纤维的技术要求,玄武岩质量见表2。
2.2.3 纤维混凝土配合比设计
本试验路以抗弯拉强度为指标的经验公式法计算确定C40混凝土初步配合比,而后进行试拌调整得到如下基准配合比:水泥∶砂∶石子∶水∶外加剂=1∶1. 68∶3. 26∶0. 36∶0. 030 0。纤维混凝土配合比是在基准配合比中掺入不同剂量的纤维形成。为确定最佳纤维用量,采用2. 5%, 3. 0%, 3. 5%水泥用量三种纤维掺量进行对比实验,确定最佳纤维掺配量。
2.2.4 室内试验结果分析
通过混凝土抗压强度试验和抗弯拉强度试验确定最佳纤维掺量,并比较玄武岩纤维混凝土与普通混凝土的性能差异,实验结果见表3,表4。经测定掺加玄武岩纤维,水泥混凝土坍落度有所降低,降低量在5 mm~7 mm。
抗压强度试验表明,添加玄武岩纤维,混凝土的抗压强度有所下降,抗弯拉强度试验表明,玄武岩纤维混凝土抗弯拉强度显著提高,且3. 0%为最佳掺量。
2.3 UTW混凝土路面平面设计
超薄混凝土路面平面设计的主要内容是接缝设计。UTW路面纵向横向接缝宜采用12h~18h(h为UTW层厚度)。本次试验路路面平均厚度5 cm,最大厚度7 cm,最小厚度4. 5 cm。设计时采用了两种间距: 0. 75 m和1. 20 m,分别为15h和24h。采用24h的主要目的是为了检验接缝间距较大时UTW路面的工程效果,验证上述理论的正确性。
3 超薄混凝土路面施工技术
通过分段施工,总结若干段UTW路面施工的实际工程效果,发现UTW路面施工应注意以下问题,以避免出现脱皮、龟裂等破坏。
3.1 界面处治
应进行相应施工技术准备工作。因面层厚度约为5 cm,层厚小,为避免混凝土出现早期起皮剥离现象,必须对原路面表面进行彻底清理。试验路采用抛丸机打毛路面,而后用高压水枪冲洗,表干后立即摊铺混凝土面层,避免二次污染。
3.2 混凝土拌合与摊铺
为了便于施工,在施工前应先按计算好的掺量,将玄武岩纤维分包装好,拌合时将纤维与砂、石、水泥等同时加入搅拌机,先干拌30 s,然后加水湿拌90 s。外加剂原液应先加入拌合用水中稀释,再和水一起加入搅拌机中。因面层厚度薄和纤维的使用,必须使用平板震动器振捣,不得使用插入式震动器振捣,避免影响纤维的分布。在纤维混凝土浇筑1 h~2 h后,应对混凝土进行二次振捣,并对纤维混凝土表面拍打振实。充分的振捣一方面降低了混凝土的收缩应力,同时混凝土的粘聚性增大,有效阻止了混凝土的离析。由于掺入玄武岩纤维后形成三维网结构,混凝土的坍落度会略有降低,但杜绝人为加入大量的水,振捣后与一般混凝土不同,出浆量也会略有减少,抹平时与正常方法相同。为保证顺利振捣和收面,一定要控制坍落度在适宜范围内。现场条件下坍落度会随时间减少,故要搞好现场组织,尽可能缩短混凝土出机到入模的运输时间,防止水分蒸发过多,影响坍落度。超薄混凝土面层铺筑的其他技术要求同普通混凝土路面。
3.3 接缝设置与混凝土养护
横向缩缝的设置采用全部硬切的方式,切割深度为1/5~1/4面层厚度。现场施工温度及条件相同时,压纹和假缝割应比一般混凝土滞后约0. 5 h~1 h。超薄混凝土应加强保湿养生,避免出现早期缩裂。试验路施工初期,部分路段因保湿养生不足,出现了严重的龟裂。后期采用加大养生剂用量(2倍普通混凝土路面用量)等措施,表面开裂比率大大减小。
4 结论与展望
1)实验表明,掺加玄武岩纤维降低了水泥混凝土的抗压强度,提高了混凝土的抗弯拉强度,降低了路面刚度,提高了韧性,对路面结构受力有利, 3%水泥用量为最佳玄武岩纤维掺量;
2)界面粘结的好坏对UTW路面结构受力至关重要,应严格控制其施工质量;
3)UTW路面混凝土因厚度薄,水分减少快,易出现缩裂病害,应加强早期保湿养生,确保施工质量。
试验路完工后时间尚短,玄武岩纤维混凝土超薄路面的工程效果有待进一步监测。
参考文献:
[1] Ahmad Arddan.i Thin andUltra-ThinWhitetoppingA SynthesisofHighway Practice[R].WASHINGTON, D. C.: TRANSPOR-TATION RESEARCH BOARD, 2004: 3.
[2] Sanford P.LaHue,Robert J.Risser, Jr.Ultra-thin concrete over-lay supports truck loads[R]. Chicago: The Aberdeen Group,1992: 2.
[3] 李为民,许金余.玄武岩纤维对混凝土的增强和增韧效应[J].硅酸盐学报, 2008, 36(4): 476-486.
原文网址：http://www.pipcn.com/research/201108/15005.htm
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