水泥混凝土路面断板分析及防治技术研究.docx
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水泥混凝土路面断板分析及防治技术研究
西部交通建设科技项目
合同号:
200231882235
水泥混凝土路面断板分析及防治技术研究
研究报告简本
同济大学
中交公路规划设计院
重庆市公路局
重庆交通学院
2005年4月
提要:
针对我国目前水泥混凝土路面结构损坏严重,使用寿命低于预期的现状,系统开展了“水泥及混凝土材料性能”、“水泥混凝土路面结构”、“重载水泥混凝土路面的结构设计”和“水泥混凝土路面的修复技术”四大方面的研究,从而,对我国水泥混凝土路面过早破损的原因有了更深入和全面的认识,对工程技术层面上的各种损坏原因进行详细的分析,揭示了它们的影响规律;在设计、建设、管养的各个环节找到一系列防治水泥混凝土路面断板行之有效的对策和重要的临界判据。
本项目的研究成果具有针对强、系统性好和完整实用的特点,其中,混凝土塑性阶段的收缩率、收缩应力和强度的测定方法,板底局部脱空状态下的路面结构响应,脱空区内的水运动规律,板底脱空的评定方法,半刚性地基上路面板的结构分析模型以及设计方法等的成果具有独创性和国际领先水平。
对提高我国水泥混凝土路面设计、建设和管养水平,减少水泥混凝土路面断板率,改善水泥混凝土路面的使用性能和延长其结构寿命具有重要理论意义和实用价值,可作为“公路水泥混凝土路面设计规范”的修订的依据。
Abstract:
Facingupseverestructuraldamagesandpracticalservicelifefarlowerthandesignlife-spanoncurrentcementconcretehighwaysinChina,researchesonthefollowing4aspectsof“MaterialsperformanceofCementandConcrete”,“CementConcretePavementStructures”,“StructuralDesignofCementConcreteHighwayforHeavyTraffic”and“RehabilitationTechniquesonCementConcretePavements”aresystematicallyperformed,thustheknow-howonprematuredamageoncementconcretepavementsisthoroughlyandcompletelyadvanced,consequencesconcerningvarioussortsofdamagesinrelationtoengineeringaspectsaredetailedtoreflectinfluenceofeachcause,therefore,duringdesign,constructionandrehabilitationofcementconcretehighways,aseriesofcorrespondingeffectivemeasuresandimportantjudgecriteriaareissuedtopreventpavementslabsfromcrackingortreatthecracked/fracturedpavementslabs.
Theoutstandingfeaturesofthisresearchareasfollows:
thesolutionspresentedthereofarehighlyorientedtopracticalproblems,thetheoriesandmethodsestablishedareofsystem,andtheproceduresissuedareintegratedandoperable,inparticular,themeasurementsofshrinkagerate,shrinkagestressandstrengthofconcreteatplasticstage,thestructureresponsesofpavementswithlocalvoidbeneath,thedynamiccharacteristicsofwaterinflatvoidarea,thevoiddetection&evaluationmethods,thestructuralmodelfordoubleslabsrestingonWinklerfoundationwithunequaldimensionsandthedesignmethodofcementconcretehighwaysforheavytrafficetcareallwithoriginalcreationandinthehighestflightovertheworld.Therefore,theresearchresultantsareofsignificanceintheoryandimportanceinpracticeforimprovingdesign,construction,rehabilitationlevels,reducingtherateoffracturedslabsandenhancingserviceperformanceofcementconcretehighwaysinChina,andyetcanbeasabasisforforthcomingamendmentofnational“SpecificationofCementConcretePavementDesignforHighway”.
1研究概况
我国水泥混凝土路面,从20世纪80年代起得到了迅速发展,近几年,水泥混凝土路面每年铺筑里程近一万公里,迄今,水泥混凝土路面总里程已有20万多公里,占高级路面的一半以上。
但是,存在的问题仍不少,水泥混凝土路面的结构性断裂──断板现象十分普遍和严重,很多地区的水泥混凝土路面,在开放交通的3~5年后,断板率就高达20%以上。
因此,减少水泥混凝土路面断板率,提高水泥混凝土路面的使用性能和结构寿命,是目前水泥混凝土路面发展中亟待解决的关键问题。
从水泥混凝土路面断裂的力学特征来看,水泥混凝土路面断板可分为疲劳断裂和非疲劳断裂二大类。
疲劳断裂也可划分为二类,一类为现行路面结构设计方法中作为结构设计所控制的断裂;另一类是非结构设计所控制的断裂,主要包括:
1)基层与路面板之间出现脱空,使得水泥混凝土路面板的应力应变出现较大的变化,临界荷位,板最大应力和其位置均与规范设计方法中的有较大的差异,因而,出现了非设计标准所控制的断裂;2)水泥混凝土材料在环境条件作用下出现的非强度性断裂,如冻融循环引进的结构断裂;3)现行路面结构设计理论中,由于认识上的不足或数学上的困难,采用了众多假设。
然而,由这些假设忽略的因素所造成的结构断裂并不罕见,例如,半刚性基层裂缝的反射,地基的不均匀沉降引起的结构断裂。
非疲劳断裂是指非环境和行车荷载“反复作用”而引起的路面板的结构断裂,主要是由施工阶段的缺陷造成的,在水泥混凝土的塑性阶段和硬化过程中,原材料或(和)配合比不当,锯缝不及时,养生不力;或由于基层水平摩阻力的限制等原因,水泥混凝土出现过大的收缩应变,引起的结构收缩内应力超过其早期强度而产生断裂或较严重的结构损伤,前者在未通车的建设期显现,而后者存在于结构内部而在通车的初期出现。
为此,本项目开展了“水泥及混凝土材料性能”、“水泥混凝土路面结构”、“重载水泥混凝土路面的结构设计”和“水泥混凝土路面的修复技术”四大方面的研究。
以求弄清我国水泥混凝土路面断板的主要原因,把握其技术关键,定量地认识主要的影响因素以及其影响规律,找到一些在设计、建设、管养中控制水泥混凝土路面断板行之有效的对策和重要的临界判据。
项目划分为五个分题,其中,分题三细分为四个子题:
分题一、水泥混凝土路面断板的原因分析与防治对策
分题二、水泥及混凝土材料性能研究
分题三、水泥混凝土路面结构研究
子题一、水泥混凝土路面脱空状态下的结构分析
子题二、水泥混凝土路面脱空的非破损定量检测和评定方法
子题三、水泥混凝土路面脱空区水脉动规律的探索研究
子题四、上基层表面特性和过渡层对断板的影响分析
分题四、重载水泥混凝土路面结构设计研究
分题五、水泥混凝土路面修复技术研究
项目在重庆、广西、浙江和上海四地进行了几项现场试验,其中:
在重庆市南岸区的弹广二级公路,针对水泥混凝土路面施工中出现的路表面塑性收缩开裂问题,进行了防塑裂混凝土的试验;在重庆市綦江县的国道210线进行路面板裂缝的修复试验;在广西南坛(南宁-坛落)和水南(水任-南宁)高速公路修筑了基层顶面设置土工隔离层的试验段;在浙江省宁波市进行板底脱空评定和接缝嵌缝材的修补试验;在上海市浦东新区进行了裂缝修补和板底灌浆试验。
2路面断板的原因分析
水泥混凝土路面的使用状况不佳,结构性损坏严重,使用寿命低于设计预期的原因可归于车辆超载超限、工程建设质量不佳、设计方法不够完善和养护维修水平低下四个方面。
-车辆超载超限主要表现为:
在车辆生产和进口方面未能严格遵守执行国家标准,“大吨小标”和车辆非法改装未得到有效制止,运输市场混乱、监管不力。
-设计方法的问题主要有:
对水危害的认识程度不够,设计理论中力学分析模型不能很好地反映半刚性基层的作用和特点,过于迁就低成本和落后的施工技术,路面结构设计未被重视和设计水平低下。
-工程建设的质量问题源于:
相关人员的专业技术水平不高,质量意识不强;质量管理体系不够建全;新技术的推广力度不够及相关研究不足。
-养护维修中存在的主要问题是:
养护维修观念落后,路况评定手段缺乏和新技术推广不力。
3水泥混凝土路面塑性收缩开裂机理的研究
(1)首次提出测定水泥基材料塑性阶段三大材料性能参数——塑性抗拉强度、塑性收缩率、塑性收缩拉应力的方法,研制了相应的测试仪器,其中,塑性抗拉强度、塑性收缩率的测试方法和测试仪器、塑性收缩拉应力的测试方法和测试仪器已申报国家专利。
(2)弄清了水泥基材料塑性收缩开裂的机理,对影响因素——水泥基体参数、纤维参数、约束状况和实验条件的影响规律进行了系统和定量的分析。
建立了判断水泥基材料塑性收缩开裂的抗裂指数判据,并通过砂浆、混凝土平板法塑性开裂实验验证了当抗裂指数<1.3时,水泥砂浆、混凝土出现塑性收缩开裂,当抗裂指数>1.3,水泥砂浆、混凝土则不出现塑性收缩开裂。
(3)提出了控制水泥混凝土路面塑性收缩开裂应遵循的原则:
-在混凝土配合比设计中,①优先采用普通水泥;②较小的灰集比,较大粗骨料粒径;③较小的砂率,并尽量避免使用细度模数为2.3左右的中砂;④水灰比小于0.44;⑤不宜掺加硅灰等超细混合材;⑥采用减水剂、引气剂、缓凝剂、早强剂;⑦掺加高抗裂纤维材料。
其中,掺加高抗裂纤维材料效果较为明显,每立方米混凝土掺加一公斤左右的高抗裂纤维材料,如改性MP-I、II纤维,可有效地防治塑性收缩开裂的出现。
-平整光滑的基层,以减少基层的约束作用。
-水泥混凝土路面的浇筑,应尽可能避开失水严重的时段,如高温、日晒和大风,尤其是其中二种,或三种因素共同存在的时段。
-尽早进行湿养护。
(4)建立并开展了硬化水泥基材料的圆环干缩实验,研究结果表明掺加合成纤维材料对水泥砂浆、混凝土硬化早期干缩开裂仅具有一定的抑制作用,应着重考虑发挥合成纤维材料对水泥砂浆、混凝土塑性收缩的抗裂作用。
4水泥混凝土路面脱空状况下的结构分析
(1)水泥混凝土路面的板底脱空是在结构性(荷载和温度梯度作用)脱空的基础上,由板底唧泥驱动形成和扩展的,因此,板底脱空最先出现在板的角隅,逐渐沿纵横及向内扩展。
当横缝设有传力杆时,路肩侧纵边脱空早于横边底部出现脱空,反之,则横边底部脱空先出现并扩展。
(2)板角隅底部脱空,导致荷载作用于其上时板的最大应力和挠度明显增大,它们的增加量除了与脱空区大小有关之外,还与地基类型、当量荷载半径与板相对刚度半径之比、以及荷载有关。
在采用Winkler地基假设时,挠度的增加率高于应力的增加率,采用弹性半空间地基假设时恰好相反,应力的增加率高于挠度的增加率。
(3)通过大量的计算分析,总结归纳了不同轴载条件下,局部脱空路面板的荷载应力回归式,给出了相应的脱空修正系数诺模图,其中,单轴作用下无限大板板角脱空修正系数等值线如图1所示。
a)Winkler地基b)弹性半空间地基
图1单轴无限大板板角脱空修正系数等值线图
(4)基于等效疲劳原则的轴载换算表明,多轴荷载作用于脱空状态下板角时的换算标准轴载作用次数要远大于作用于板纵边边缘中部时的换算标准轴载作用次数,两者相差在数倍到数十倍之间,表明在多轴荷载作用下板角隅部位更易于发生疲劳破坏。
(5)建立了考虑脆性材料的强度尺寸效应的局部脱空状态下板角隅断裂的破坏准则,以及相应的计算方法和参数;详细分析了不同板厚、不同交通等级条件下板角隅的综合疲劳应力,给出了控制板角隅断裂的临界脱空尺寸。
5板底脱空检测和识别
(1)通过引入弯沉指数DI(板角弯沉与板中弯沉之比值)的概念,基本消去荷载因素的影响。
因此,水泥混凝土路面板厚、材料弹性模量和泊桑比以及地基参数对弯沉指数DI的影响可归并为用单一的地基板相对刚度半径r表征。
(2)详细分析了(与路面板平面尺寸不尽相同的)半刚性基层对弯沉指数DI的影响规律,通过引人纵向超宽影响系数和横向超宽影响系数,可对半刚性基层超宽效应予以修正。
(3)水泥混凝土路面弯沉测定结果中,如何剔除路面板温度翘曲变形的影响,是目前各国尚未得到很好解决的难题。
本研究详细分析了路面板翘曲变形对弯沉的影响规律,进而,总结归纳出二个温度梯度临界限:
不需要修正的“温度梯度下限”和可予修正的“温度梯度上限”,并给出了修正方法和相应回归公式,较好地解决了这一技术难题。
(4)在上述基础上,建立了完整的基于FWD和贝克曼梁实测弯沉的水泥混凝土路面板角脱空检测识别方法,它考虑因素全面,适用性广,且不需要特殊专用仪器,具有良好的实用性和推广价值,可作为评定水泥混凝土路面板角隅脱空的通用方法。
(5)利用板由于支承状况的改变而引起路面板固有频率变化的原理,开发了利用冲击荷载作用下板振动的幅频特性来判断路面板是否脱空、以及脱空边界的方法。
室内试验证实,随着板底脱空区的增大,路面板固有频率由高频向低频转换,振幅明显增大;脱空区向非脱空区过渡时,振幅呈快速下降之势,进入非脱空区大约10cm后,振幅趋向稳定。
6脱空区水脉动规律的探索
(1)在不计路面板横向挠曲差异、地基阻尼、水粘性,以及假设脱空区始终充满水的前提下,建立了如图2所示的用于模拟行车荷载作用下水泥混凝土路面板底脱空区内水体运动规律的力学模型。
图2脱空区内水体运动规律的力学模型示意图
(2)推导了移动集中力作用下局部脱空地基梁振动问题的解析解。
推演了扁平脱空区(抛物线形、半椭圆形)内上边界施压及泵吸作用下无粘不可压缩流体运动的微分方程。
(3)采用中心差分法和有限元法,构建了车辆-地基梁-脱空区水体相互作用的数值解法,编制了相应的有限元计算程序。
(4)行车荷载作用下脱空区内水对基层的冲刷作用,随着脱空区的扩大而迅速增强;随着板厚增厚和脱空区的加深而减弱;行车速度、地基反应模量、接缝缝隙宽度的影响较小,变动规律因其影响左右二片梁振动耦合而呈波动态;脱空区形状的影响可予忽略。
7上基层表面特性和过渡层对板的影响分析
(1)分析论证了过渡层形成和破坏的机理,以及过渡层的力学性质,指出如图3所示的界面分离、基层竖向开裂、层间界面水平裂纹侵入基层是过渡层破坏的三种基本形式。
a)第一种破坏形式b)第二种破坏形式c)第三种破坏形式
图3三种基本破坏形成机理
(2)大量室内材料试验和结构模型试验的结果表明,附着在面层上的过渡层将降低面层混凝土的静力弯拉强度和疲劳性能,其中,静力弯拉强度下降0.2~0.4MPa,而小梁弯曲疲劳寿命下降1~2个数量级。
(3)基层顶面设置防止水泥浆透进基层的隔离层,例如,透水滤浆土工布、塑料膜,沥青封油层等,均能阻碍过渡层的形成,从而避免和减少由过渡层引起的三种路面结构的破坏。
8重载水泥混凝土路面的结构设计
(1)对我国公路上行驶的载重车辆额定轴载、轮距、轴距等荷载特征参数进行了广泛的收集、分析和归纳,除个别额定轴载超限车辆之外,载重车辆的双轮间距、轮距、轴距等荷载参数建议按额定轴载分级,其中,轮压宜考虑轮胎型号因素。
(2)对全国前几年公路货物运输超载超限状况进行了回顾,超载车辆对水泥混凝土路面结构损害的分析表明,车辆超载是我国水泥混凝土路面过早损坏的最主要肇因。
目前正在进行全国性的车辆超限超载治理,超载超限上升的势头得到遏制,但最终的效果尚待时间证实。
(3)建立了分析刚性和半刚性基层上水泥混凝土路面结构的力学模型—Winkler地基上双层平面尺寸不尽相同的板模型。
该模型较好地解决了采用贫混凝土或碾压混凝土基层的重载水泥混凝土路面的结构分析问题。
(4)根据该分析模型,推演了水泥混凝土路面面层和基层的温度应力计算式,给出了相应图表。
采用有限元法分析了不同轴载作用下面层和基层的荷载应力,归纳了各种情况下荷载应力的回归计算式和相应图表。
(5)温度和荷载应力的分析结果表明:
面层板临界荷位仍位于纵缝边缘中部,但计算温度和荷载应力时,需考虑基层超宽效应。
基层临界荷位位于横缝边缘(基层不设与面层板对应的横缝),或纵缝边缘中部(基层设与面层板对应的横缝)。
在上述基础上,建立了控制面层和基层疲劳断裂的结构设计方法。
(6)研究了设置刚性和半刚性基层的重载水泥混凝土路面典型结构,结果表明:
对设纵、横缝基层,基层厚度可在12~15cm取值,面层厚度参照现行规范确定。
对设横缝的基层,基层弹性模量在17000MPa左右的材料对应的厚度偏大,不推荐使用,高于17000MPa的,基层和面层厚度亦可按现行规范确定。
对不设纵横缝基层,基层模量小于2500MPa,厚度可控制在25cm以内,面层厚度在现行规范推荐值的基础上还需提高1~4cm左右;模量大于2500MPa,基层厚度偏大,不推荐使用。
9水泥混凝土路面的修复技术
(1)对嵌缝料的各种性能进行了大量的试验分析,拟合得到了它们的粘弹性参数;应用大应变有限元法对嵌缝料结构进行分析,回归得出接缝张开和剪切变形时的嵌缝料结构最大应力计算式。
(2)综合嵌缝料的性能试验结果,试验路的使用性能跟踪和经济性分析结果表明,应尽量采用高性能的嵌缝料,如,硅酮、聚氨酯,不宜采用低端的嵌缝料,如聚氯乙烯胶泥,沥青玛蹄脂。
(3)板底灌浆是治理板底脱空的有效手段。
灌浆工艺对灌浆效果有决定性影响,其中提高灌浆均匀性的关键在于:
每块路面板灌浆孔不少于5个、低流量小压力的灌浆过程、二次灌浆、足够的养生时间。
高质量的板底灌浆,可使板角弯沉平均值降至0.2mm以下,接缝两侧弯沉差平均值降至0.06mm以下。
(4)水泥混凝土路面裂缝修补可分为胶缝和封缝二类。
胶缝仅适合于非开放性的荷载型裂缝,且板底无明显脱空的场合,但是,胶缝材料昂贵,施工工艺要求很高。
路面结构的疲劳裂缝,或已扩展成中等程度的非荷载型裂缝,应采用封缝措施应对。
封缝材料宜采用高质量的嵌缝料,如硅酮、聚氨酯和橡胶改性沥青。
(5)通过大量和系统的室内试验验证,研发了二种水泥混凝土路面裂缝胶缝材料(聚合物改性特种水泥,聚氨酯预聚体1000改性环氧树脂)并进入路试。
聚合物改性特种水泥具有较小的早期膨胀性和后期收缩性,良好的流淌性和可灌性,与混凝土之间的粘结强度良好。
聚氨酯预聚体1000改性环氧树脂,在基材潮湿的条件下,与混凝土之间具有良好的粘结强度,且不会随龄期增长而降低。
(6)旧水泥混凝土路面的碎石化工艺有打裂压稳、打碎压稳和集料化三大类。
当路基较差,基层强度不足,板底脱空严重,且沿线桥涵较少,紧靠道路房屋较少的场合,宜采用“打裂压稳”类工艺;“打碎压稳”类工艺适用于路基强度良好,涵洞和管线中等埋深以下的场合;“集料化”是一种彻底的重建手段,但成本较高,适用于路面标高受到严格限制的场合。
10主要成果和创新点
通过本项目的研究,对我国水泥混凝土路面过早破损的原因有了更深入和全面的认识,揭示了工程技术层面上各种损坏原因的影响规律;在设计、建设、管养的各个环节找到一系列防治水泥混凝土路面断板行之有效的对策和重要的临界判据。
对提高我国水泥混凝土路面设计、建设和管养水平,减少水泥混凝土路面断板率,改善水泥混凝土路面的使用性能和延长其结构寿命具有重要的理论意义和实用价值,可作为“公路水泥混凝土路面设计规范”修订的依据。
其中,主要成果有:
(1)指出我国近年来水泥混凝土路面使用状况不佳,结构性损坏严重,使用寿命低于设计预期的原因为车辆超载超限、工程建设质量不佳、设计方法不够完善和养护维修水平低下等四个方面。
(2)首次提出测定水泥基材料塑性收缩阶段三大材料性能参数——塑性抗拉强度、塑性收缩率、塑性收缩拉应力的方法,研制了相应的测试仪器。
弄清了水泥基材料塑性收缩开裂的机理,对其影响因素进行了系统、定量的分析。
建立了判断水泥基材料塑性收缩开裂的抗裂指数判据。
提出了控制水泥混凝土路面塑性收缩开裂的配合比设计原则和施工要点。
(3)揭示了水泥混凝土路面板底脱空的形成和扩展规律,详细分析了板底脱空状态下荷载应力、挠度变化规律,总结归纳了脱空状态下荷载应力的计算公式以及相应的轴载换算关系,提供了相应的图表,建立了考虑混凝土强度尺寸效应的板角隅断裂准则,进而给出了板角脱空的临界值。
(4)通过引入“弯沉指数DI”的概念,建立了完整的基于FWD和贝克曼梁实测弯沉的水泥路面板角脱空检测识别方法,它考虑因素全面,适用性广,且不需要特殊专用仪器,具有良好的实用性和推广价值,可作为评定水泥混凝土路面板角隅脱空的通用方法。
并探讨了利用板支承状况与板固有频率之间关系来判断路面板脱空的可行性和方法。
(5)在不计路面板横向挠曲差异、地基阻尼、水粘性,以及假设脱空区始终充满水的前提下,建立了用于模拟行车荷载作用下水泥混凝土路面板底脱空区内水体运动规律的力学模型。
应用有限元和差分法编制了计算程序。
分析了脱空区形状、深度、宽度,路面厚度,地基反应模量,接缝宽度和行车速度对脱空区内水体运动的影响规律。
(6)在基层上直接浇筑水泥混凝土路面,必然在基层和水泥混凝土路面面层之间形成一易开裂和有大量损伤的过渡层。
室内试验证明,该过渡层的存在,将降低面层混凝土的弯拉强度和疲劳性能。
解决的对策为在基层顶面设置一隔离层,从而避免过渡层引起的不利影响,提高路面的实际承载力和使用寿命。
(7)对载重车辆的荷载特征参数进行分析和归纳,前几年公路车辆超载超限状况进行了回顾。
建立了分析平面尺寸不尽相同双层板的力学模型,分析了刚性和半刚性基层上水泥混凝土路面面层和基层的温度应力和荷载应力,给出了相应的回归计算式和图表,进而建立了控制面层和基层疲劳断裂的结构设计方法,并研究了刚性和半刚性基层上重载水泥混
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