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水泥混凝土路面铺装关键技术超全解析,收藏细细思索!

2019-02-11 12:05:44
作者:本网整理
来源:砼享未来闻宝联技术空间

在功能化路面方面,世界各国加快了对水泥混凝土路面低噪声技术的研究,德国维特根滑模摊铺机厂开发出的单机一次双层施工的滑模摊铺机,已经可以方便地将水泥混凝土路面的下结构层与低噪声表层一次摊铺成型。其它如在旧沥青路面上加铺的小块薄混凝土路面、结合式薄层混凝土加铺层、快速加铺层等新技术均在开发应用与完善中。

    不仅高速公路采用大型滑模摊铺机铺筑,乡间小道也使用小型滑模摊铺机摊铺水泥混凝土路面。只要混凝土结构具有规则不变的断面形状均可使用滑模施工技术,并且路面拉杆、传力杆、钢筋网的设置均实现了机械化。在钢筋混凝土路面方面,欧美各国在高速公路上大力发展连续配筋混凝土路面。在功能化路面方面,世界各国加快了对水泥混凝土路面低噪声技术的研究,德国维特根滑模摊铺机厂开发出的单机一次双层施工的滑模摊铺机,已经可以方便地将水泥混凝土路面的下结构层与低噪声表层一次摊铺成型。其它如在旧沥青路面上加铺的小块薄混凝土路面、结合式薄层混凝土加铺层、快速加铺层等新技术均在开发应用与完善中。

 

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    水泥混凝土路面缩缝传力杆

 

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    水泥混凝土路面铺装关键技术超全解析,收藏细细思索!_3湖南省就根据赴美国的考察经验,在高速公路率先修筑了73.08km的水泥混凝土路面缩缝增设传力杆试验路,取得了一定的经验,效果很好。但由于种种因素限制,该种支架结构和施工技术并未在之后的工程中得到大量应用。黑龙江省高速公路的水泥混凝土路面全面采用DBI全缩缝传力杆设置技术。


    路面冷轧带肋钢筋焊接网

 

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    冷轧带肋钢筋1968年由原西德率先开发利用,逐步发展完善并实现了标准化,是经济高效、优质节能的先进建筑新材料,多以焊接网的形式使用。关于φ6mm冷轧带肋钢筋焊接网在公路上的使用,国内公路上应用的还不够普遍,多数用于桥涵上。南方部分高速公路水泥混凝土路面曾试验采用了φ6mm冷轧带肋钢筋焊接网片,据报导效果较好。


    水泥混凝土路面

 

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    铺装关键技术超全解析,收藏细细思索!_7设置传力杆和冷轧带肋钢筋网的路面水泥混凝土路面铺装关键技术超全解析,收藏细细思索!_8水泥混凝土路面铺装关键技术超全解析,收藏细细思索!_9设置传力杆能持久提高路面缩缝的传荷能力,显着改善基层与路面板的受力状态;采用冷轧带肋钢筋网不仅能够抑制路面早期裂缝,在路面板断裂时还能限制断板的位移,有效保持路面的整体受力状态,并能使缩缝间距由目前的5m延长到8~10m。因此,这两种技术措施有较高的应用价值,尤其适合寒冷地区使用。将两种技术措施联合应用实现现有设备条件下的机械化施工则使本次试验独具创新意义。


    水泥混凝土路面设计方法

 

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    水泥混凝土路面铺装关键技术超全解析,收藏细细思索!_12我国的混凝土路面设计没有明确体现出横向接缝及横缝传荷能力的影响;美国和日本有着两种以上的不同的设计方法,但每种方法都考虑了横向接缝因素的影响。美国多数州 、欧洲除法国之外、日本的规定横缝必须设置传力杆 。我国由于各种条件的限制,尽管对设置传力杆必要性的认识在不断加深,但相关规范至今仍然没能作出硬性规定。


    1 我国的水泥混凝土路面设计方法

 

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    水泥混凝土路面的设计内容包含结构、材料及表面特性三个方面,可分为:


    ①行车道路面结构的组合设计。


    ②面层接缝构造和配筋设计。


    ③路面排水设计。


    ④路肩铺面结构层组合设计。


    ⑤面层厚度设计。


    ⑥各结构层材料组成设计。


    ⑦路面表面特性设计。


    迄今为止提出的各种结构设计方法,原则上可以分为两大类型:即“力学—经验法”和“经验—力学法”。


    我国的水泥混凝土路面设计方法属于“力学—经验法”,曾沿用前苏联五十年代的设计方法30年之久 。于八十年代建立了我国自己的设计体系。以弹性半空间地基上的弹性薄板理论为基础,采用了有限元分析及计算机编程技术,其特点在于所有的设计参数都是结合我国实际情况,通过试验研究确定的。


    2 美国水泥混凝土路面的设计方法

 

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    美国波特兰水泥协会(PCA)的混凝土路面厚度设计方法属于“力学—经验法”;我国现行规范基本照搬了美国波特兰水泥协会建议的传力杆尺寸与布置间距。


    美国AASHTO(美国州公路与运输官员协会)厚度设计方法是一种“经验—力学法” AASHO试验路的横缝设置传力杆,因此该方法也考虑了接缝传荷系数,对不设横缝传力杆的路面,接缝传荷系数则按板角的应力差值作相应变更。


    3 日本的水泥混凝土路面设计方法

 

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    日本一般采用经验—力学设计法,有时也采用力学—经验法,经验—力学法中,在基层设计阶段没有直接体现接缝传荷的作用,在混凝土板厚度设计阶段对传力杆设置等的规定则十分明确。


    日本规范中对传力杆设置的规定十分明确,而且不分交通量大小(即不分公路等级),统一要求布设。验算荷位中不仅有纵缝,对横缝位置也要求验算。


    中日两国水泥混凝土路面材料对比

 

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    水泥混凝土路面铺装关键技术超全解析,收藏细细思索!_18我国水泥混凝土路面材料的组成要求与技术参数:在我国规范中,集料的级配范围以方孔筛上的累计筛余质量百分率表示,日本规范以方孔筛或圆孔筛的通过质量百分率表示,为便于比较,统一为质量通过百分率。


    我国水泥混凝土路面所用集料的技术指标总体不低于日本标准,控制指标相对也较多。但日本规范对细集料轻物质含量的要求高于我国,对粗集料则有软弱颗粒含量的限制。在集料级配上,总体上我国粗集料中的小粒径含量相对偏多,日本则采用了较宽的级配范围。细集料上,我国的中砂级配接近日本规范标准,但粗砂级配粒径较粗、细砂级配粒径偏细。材料技术指标所反映出来的问题,以及传力杆设置、实施和人们认识上存在的差异在一定程度上也是这种情况的另外一种具体表现。


    我国的技术指标分得比较细,各技术指标总体上也不低于日本。但仔细对比有关指标的细节和具体含义,仍存在很多不同。首先,日本的最大水灰比、最小单位水泥用量、水泥混凝土弯拉强度标准等与公路等级或交通量基本上没有直接关系,弯拉强度控制标准甚至还明显低于我国。其次,我国的“水灰(胶)比”并不高,但“最大单位用水量”却明显高于日本 。 此外,日本规范还明确指出当单位用水量超过150kg/m3时可以认为是由于集料的级配、形状不适当所造成。路面混凝土中的单位水泥用量我省经常超过350kg/m3,日本则要求控制在较低水平,一般多在290~320kg/m3左右。

 

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    在坍落度、含气量的控制方面:


    日本是以现场混合料作为控制对象,要求根据气温、湿度、运输距离等,通过试验确定出料时的对应控制指标,我国则具体规定了出料和摊铺时的坍落度标准。


    我国规范中规定的含气量实际是搅拌机出口混合料的检测值,它将随气温、运距、浇筑、振捣、饰面等而改变。代表不了已施工完成的路面混凝土含气量。日本是以控制混凝土在摊铺位置摊铺振捣后的含气量为准,至于出料时的含气量也要求通过试验确定。


    相对日本的规定,我们的含气量控制标准对施工的检测控制作用较弱,含气量也偏低(用含气量测定仪检测施工完成的路面混凝土含气量,此时测得的含气量比出料时的含气量减小近50%)。


    试验路面结构

 

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    面层经计算确定水泥混凝土路面厚度为26cm,基层采用6%水泥稳定砂砾掺25%(20%)1~3cm碎石;也可将超大粒径卵石破碎成1~3cm碎石掺入,底基层采用5%水泥稳定砂砾。试验路面结构在所有的预切缩缝、胀缝、纵缝等处均设置传力杆或拉杆,并在板下1/3处铺设一层150mm×150mm的φ6的冷轧带肋钢筋网,路面板两侧边缘各加设3根φ12或φ14的带肋增强钢筋。基层采用整体性强、水稳定性好、收缩裂缝小的水泥稳定砂砾。

 

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    混凝土配合比设计:


    ① 水泥:采用牡丹江牌普通硅酸盐42.5#水泥,产品质量符合国家GB175—1999水泥标准要求,水泥密度ρc=3.1g/cm3。


    ② 粗集料:采用尚志南平石场加工的玄武岩5~20mm和20~31.5mm两种规格石料。


    ③ 细集料:细集料采用尚志蚂蚁河砂,该砂细度模数Mx=2.81,为中砂,其堆积密度为1530kg/m3,表观密度为2548kg/m3,含泥0.5%,以上各项指标均满足规范及设计要求。


    ④ 外加剂:采用黑龙江省安达市兴隆公路建材助剂厂生产的FNC引气缓凝高效减水剂作为外加剂,并进行了减水率试验,其减水率为17%。该产品为引气、缓凝、高效减水剂,各项指标满足国标要求。


    配合比设计的主要参数:


    ⑴ 弯拉强度

 

    ① 根据《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTG D40—2002)和《公路水泥混凝土路面施工技术规范》(JTG F30—2003)的要求,设计弯拉强度标准值为5.0MPa。


    ② 试配弯拉强度fc=(1.10-1.15)fr,亦可按可靠性设计原理根据下式确定试配弯拉强度fc:


    fc=fr/(1-1.04Cv)+ts    式中:


    fr—弯拉强度标准值;t—保证率系数;S—样本标准差;Cv—混凝土弯拉强度变异系数。


    ⑵ 工作性

 

    滑模摊铺机正常摊铺时,机前混凝土拌和物的最佳工作性及允许范围见表24,混凝土拌和物应稳定在最佳工作性范围内,不得超出。


    ⑶ 抗冻耐久性

 

    为提高混凝土的抗冻耐久性,应采用引气减水剂。结合黑龙江省的气候条件,有抗冻及抗盐冻的需要,含气量应控制在4.0~5.5%的范围内。关于路面混凝土满足耐久性要求的最大水灰比:高速公路、一级公路有抗冰冻要求时不宜大于0.42,有抗盐冻要求时的高速公路、一级公路不宜大于0.40。


    ⑷ 经济性

 

    在满足上述三项技术指标要求的前提下,考虑材料的经济性,以单位质量水泥获得的混凝土弯拉强度最大为经济性评价指标。

 

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    试验段选用的配合比:


    根据强度、经济性和耐久性的要求,经过实验,最后确定的配合比为:水泥:360kg;水:144kg;砂:674.1kg;碎石(5~20mm):479.4kg;碎石(20~31.5mm):719.0kg;外加剂(FNC)掺量:0.8%;水灰比:0.40;砂率:36%。该配合比不受设置缩缝传力杆和冷轧带肋钢筋网等的限制,且拟订的摊铺方式都是滑模摊铺机摊铺,因此相邻的正常施工的路面混凝土也采用此配合比。


    传力杆的设置及受力分析

 

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    许多国家是根据路面板的厚度来确定传力杆的尺寸及布置。然而,无论是胀缝采用的传力杆还是缩缝采用的传力杆,它们的应力状态都是极其复杂的,包括荷载引起的剪切、弯曲和支承压力。这些应力可以用解析方法进行分析。我们根据布拉德伯利(Bradbury)提出的传力杆实用设计验算公式,利用Microsoft Visual Basic 6.0软件编制计算程序,围绕我国现行的传力杆尺寸和间距进行有关的验算和分析。

 

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    传力杆体系实际有效系数是指在传力杆体系布置完成后,对于每一根传力杆所承受的实际车轮荷载由有效系数进行分配,各根传力杆分配到的有效系数的和即为实际有效系数。传力杆体系实际有效系数通常与相对刚度半径、传力杆间距的取值有关。

 

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    随着传力杆长度的增加,需要有效系数并不是在一直减小,当传力杆长度增大到一定程度后,需要有效系数反而提高。所以传力杆的长度可以取45cm~60cm(直径2.5cm~3.5cm,推荐长度与直径之比为18)。


    传力杆间距的选择是传力杆设计的重要内容之一,在确定传力杆体系受力范围后(如前所述,受力有效范围为1.8倍的路面相对刚度半径),传力杆间距越大,则在这一范围内布置的传力杆的根数越少,可分配到的有效系数(实际有效系数)的和就越小。


    我国规范规定水泥混凝土路面设计以100kN单轴双轮组荷载为标准轴载。因此,在对上述变量进行计算分析时,我们统一取标准轴载为100kN。而在“公路—Ⅰ级”和“公路—Ⅱ级”汽车荷载中,采用的车辆荷载标准值最大轴载为140kN。在这一荷载作用下,我国现行的水泥混凝土路面设计规范中对传力杆尺寸和间距的规定是否适应,有必要进行验证。


    缩缝传荷能力的对比

 

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    水泥混凝土路面铺装关键技术超全解析,收藏细细思索!_33提高和保持接缝的传荷能力是提高路面整体承载能力与耐久性的关键,其中横向缩缝尤为重要。横向接缝传荷能力的下降会导致混凝土板临界荷位的变化,目前我国只以混凝土板的纵向边缘中部为临界荷位,没有考虑其它情况,这一临界荷位的前提是路面接缝(主要是横向缩缝)要具有足够的传荷能力。


    缩缝传荷能力取决于以下几个因素:① 接缝断裂面上集料的嵌锁作用;② 接缝两侧的榫槽;③ 传力杆;④ 基层的刚性支承作用等。


    无传力杆的缩缝,依靠预切缝断裂面上的集料嵌锁和侧面摩擦作用能够传递部分荷载,其传递荷载的能力主要取决于缝隙的宽度及断裂面的不平整程度。


    缩缝缝宽的变化是由混凝土板变形引起的,这种变形主要由两部分组成,即湿胀干缩变形和热胀冷缩变形:


    ① 湿胀干缩变形:自由变形时收缩值一般取0.15~0.2mm/m,考虑摩擦阻力可取0.1mm/m,若每块混凝土板长按5m计,则缩缝湿胀干缩变形=0.1mm/m×5m=0.5mm② 热胀冷缩变形:混凝土板的温度膨胀系数α与材料的配合比有关,一般取值范围为(0.6~1.2)×10-5/℃,自由变形时常取为0.01mm/(m·℃)。同时考虑到基层对面层的摩阻作用,可取为0.005mm/(m·℃),混凝土板的最大收缩值=板长×施工期与冬季最大温差×α=5m×60℃×0.005mm/(m·℃)=1.5mm缩缝宽度最大变化值=缩缝湿胀干缩变形+混凝土板最大收缩值=0.5mm+1.5mm=2.0mm无传力杆缩缝依靠集料嵌锁传递荷载的能力及其耐久性是十分有限的。在高等级或重交通公路上,常常引起唧泥、错台及板块断裂等病害,严重影响混凝土路面的使用性能和使用寿命。相关研究成果及长期的实践都表明,传力杆是迄今为止最可靠、有效的一种接缝传荷装置。加传力杆后,接缝宽度的变化对传荷能力及其耐久性的影响也大大降低。


    对试验路段进行了路面总体强度和接缝传荷能力的跟踪观测。基本可以判断新半幅路面的弯沉值在7(1/100mm)以下,但由于刚竣工的路段路面强度很高,试验段和非试验段的差别暂时无法区分。

 

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    虽然目前试验段和新半幅普通路段的传荷能力与强度指标暂时接近,但无传力杆缩缝的传荷能力会在通车后因接缝宽度的变化、基层强度的衰减以及侧面摩擦力的减弱而很快下降,有传力杆缩缝的传荷系数将稳定在0.7~0.8以上,同时由于路面增设传力杆使基层受力状态得到改善,对保持试验段路面的承载能力十分有利。根据落锤式弯沉仪的相关试验结果,设传力杆缩缝处的弯沉值与路面板中部的弯沉值比较接近,小于路面自由边缘及板角处的弯沉。


    主要施工工艺

 

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    主要施工工艺如下:


    ⑴ 摊铺前的准备工作

 

    ⑵ 传力杆、拉杆支架位置放样与固定点准备

 

    ⑶ 安装拉杆支架

 

    ⑷ 安装传力杆支架及铺设钢筋网

 

    ⑸ 摊铺第二层混凝土并成型

 

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    需要在水泥混凝土路面所有的接缝,包括缩缝、胀缝、纵缝等处设置传力杆或拉杆,而且要在板下1/3处铺设一层150mm×150mm的φ6mm冷轧带肋钢筋网,并在板两侧边缘各加设3根φ12mm的增强钢筋。只要加强现场管理,使相邻工序紧密衔接,可使其对摊铺的影响降至最小。按着有关的施工经验,如果没有DBI等机械化自动布设装置,采用以上工艺大面积施工时的速度为正常情况下的70~80%(加铺钢筋网时为30~40%左右)。尽管造价有一定提高,在公路建设质量和使用要求不断提高的社会背景下,其综合效益却为有关专家看好,而且在试验路面结构型式下,缩缝间距可以延长到8~10m。辅助布料机械以挖掘机代替装载机为好,增加布料范围可以减少工序,加快施工速度;而布料组和铺设组人员可以交叉工作,同时宜再准备二组人员以分别轮流替换布料组和铺设组、安装组为好,施工速度将大大加快。

 

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    高等级公路滑模摊铺施工应采用DBI(Dowel Bar Inserting Set)装置、侧向布料装置和钢筋网布放装置,采用DBI施工单根传力杆的倾斜概率不大于1/40万,传力杆设置精度及可靠性很高。同时应适当发展轨道摊铺技术等,以多层次地适应水泥混凝土路面修筑技术发展的需要。


    要重点检查传力杆的状况,保证摊铺机成型前传力杆无位置变化。板角处拉杆和传力杆不能出现交叉。关于边缘补强钢筋,日本规范中有比较详细的规定,如果拉杆也采用支架的方式固定,则有支架处的边缘补强钢筋可以省略。支架最好也采用带肋钢筋,一方面可以提高支架与混凝土的握裹力,另一方面也可以减少钢筋用量。

 

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    总结

 

    ⑴ 横向缩缝传力杆是降低板边弯沉与温度翘曲变形,加强和维持缩缝传荷能力,保证水泥路面使用性能和使用寿命的最简捷、有效的措施。考虑到黑龙江省独特的寒区环境条件,有必要在高等级公路水泥路面上采用“全缩缝传力杆”技术。


    ⑵ 采用冷轧带肋钢筋网能够抑制路面早期裂缝,在路面板开裂时还能够限制断板的位移并维持路面的传荷能力,保持路面的整体受力状态。可在公路建设中适当应用(冷轧带肋钢筋是经济高效、优质节能的建筑新材料,目前国产品的质量、数量已能够满足使用需要)。


    ⑶ 我国的水泥路面结构设计只考虑了纵缝传荷能力,未能考虑横向接缝传荷能力下降可能产生的应力变化,这可能导致路面开裂形态的改变。有关技术细节需要深入探讨。


    ⑷ 推荐传力杆长度与直径之比取18.0;建议传力杆间距:面层板厚度≤24cm时30cm,面层板厚度>24cm时取40cm,最外侧传力杆距纵向接缝或自由边的距离为15~25cm。


    ⑸ 我国路面混凝土配合比指标中单位用水量、单位水泥用量偏高。这与我国粗集料级配中小粒径颗粒含量相对偏多,以及混凝土的设计抗弯拉强度指标较高有关,有关问题需要继续探讨。


    ⑹ 我国混凝土的含气量以出料时的测试值为准,相对而言仍属偏低,且该检测时段的代表性不够全面。国外以摊铺位置振捣后的含气量为控制标准,这一点可供我们参考、借鉴。


    ⑺ 在未配备“DBI”(传力杆自动打入装置)、“侧向布料设备”和“钢筋网自动布放装置”的情况下,本次工艺合理可行。从路面修筑技术发展趋势和实际需要出发,高等级公路水泥路面滑模摊铺施工应逐步采纳“DBI”装置、“侧向布料装置”和“钢筋网布放装置”。同时需适当发展轨道摊铺技术等,以多层次地适应水泥路面修筑的需要。


    ⑻ 国外一般只在低交通量道路上适当使用有“全缩缝传力杆”(少数情况下无传力杆)的素混凝土路面,我国现在仍将没有“全缩缝传力杆”的素混凝土路面,广泛应用在各级公路水泥路面上。这是导致公路水泥路面过早损坏的结构性因素之一。


    ⑼ 我国近年修订规范时较多地借鉴和参考了美国与日本的技术规程,但美国、日本等国都有不止一套技术规范。由于国情和设计方法的不尽一致,在参照借鉴的同时,仍需要以自主研究为基础,以便更好地汲取国外先进、适用的技术内容,做到宏观规定系统、细节规定周密,才能够真正形成适合我国、我省实际条件的较为完善的技术规范体系。

 

 

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责任编辑:王元


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标签: 水泥混凝土路面铺装, 关键技术

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