閆平軍

（邢臺市公路管理處，河北 邢臺 054000）

1 無筋預應力混凝土路面的發(fā)展概況

無筋預應力混凝土路面根據(jù)產(chǎn)生預壓應力的方法不同，主要分為兩種，即采用千斤頂施加壓應力和采用膨脹混凝土自身膨脹產(chǎn)生自應力。

千斤頂加力無筋預應力混凝土路面是在兩個固定的錨固端澆筑混凝土板，并預留放置千斤頂?shù)目障?，待混凝土達到規(guī)定強度后，在兩端采用千斤頂施加壓應力，然后封閉空隙。美國丹尼波工程公司在20世紀90年代提出了類似的無筋預應力混凝土路面。它通過埋置在混凝土板中的組合裝置（縫-壓裝置）對混凝土板施加預壓應力，縫-壓裝置所需反力通過埋置在路基中的樁來提供，并在路基中埋設與路面板相連的約束件來阻止混凝土板的拱起破壞。當完成以上各裝置的埋設后，采用連續(xù)式攤鋪機一次完成路面板澆筑，當混凝土板達到一定強度時，給縫-壓裝置泵入液體，從而產(chǎn)生預壓應力。由于溫度等作用會引起混凝土板的膨脹收縮而導致板的變形，造成混凝土板內(nèi)預應力的變化，采用與縫-壓裝置相連通的液壓蓄壓器控制板的預應力，使混凝土板中的預應力變化始終保持在較小的范圍內(nèi)。這種無筋預應力混凝土路面雖然能夠?qū)崿F(xiàn)混凝土板的機械化施工，但是在澆筑混凝土板之前卻要花費大量的人力完成各種裝置的埋設。

早在19世紀中期，人們利用普通硅酸鹽水泥水化產(chǎn)生的硫鋁酸鈣會使混凝土膨脹這一特點，發(fā)明了膨脹水泥和膨脹混凝土。我國是最先研究膨脹水泥的國家之一，并于1957年由建筑材料科學研究院研制成功硅酸鹽膨脹水泥。美國于1958年研制成功K型膨脹水泥，隨后又研制成功M型和S型膨脹水泥。膨脹水泥主要用于生產(chǎn)自應力混凝土壓力管、工廠地面、比賽場地的無縫地面等。隨著膨脹混凝土技術的成熟，人們開始研究膨脹混凝土在道路中的應用，利用膨脹混凝土膨脹時體積增大的特點，約束混凝土板的兩端，從而產(chǎn)生預應力。這種無筋預應力混凝土路面尚處于研究、試驗階段。

2 無筋預應力混凝土路面的概念

水泥混凝土路面的溫度應力通常由三部分組成：混凝土路面溫度非均勻升高或降低而引起的溫度翹曲應力、溫度沿混凝土板深度方向非線性變化引起的溫度內(nèi)應力、混凝土板與基層以及相鄰板塊之間的相互約束引起的脹縮應力。當板長超過6m時，溫度應力的數(shù)值會超過荷載應力，從而成為決定混凝土板斷裂的主要因素。影響溫度應力大小的因素，除了混凝土板的平面尺寸以及地基和混凝土板的相對剛度外，主要為混凝土板的溫度梯度。在日間時，混凝土板的溫度梯度為正，板頂溫度大于板底溫度，此時，在混凝土板的板底引起的溫度內(nèi)應力為壓應力。當混凝土板的平均溫度升高時，由于層間約束以及相鄰板塊的鉗制作用，也會在板底產(chǎn)生壓應力。

鋼筋預應力混凝土路面中鋼筋在混凝土板板底產(chǎn)生預壓應力，而當車輛荷載作用在混凝土路面上或在正溫度梯度下，會在混凝土板底產(chǎn)生拉應力，此時，鋼筋產(chǎn)生的預壓應力會抵消部分荷載應力和翹曲應力。

同樣，在較低氣溫時澆筑水泥混凝土路面，并且采用水泥漿將板底與基層黏結起來，當夏季氣溫升高時，混凝土板板底和板頂溫度都會升高，由于板底與基層黏結在一起，限制了混凝土板的膨脹，因此在板內(nèi)產(chǎn)生的膨脹應力比在正常溫度下施工時產(chǎn)生的膨脹應力要大。而且由于相鄰板塊的約束作用，同樣會產(chǎn)生較大的膨脹應力。由于在正溫度梯度下，混凝土板的溫度翹曲應力在板底時為拉應力，在板頂時為壓應力，而產(chǎn)生的膨脹應力在板底和板頂時均為壓應力；同時，由于非線性的溫度場在混凝土板板底同樣會產(chǎn)生壓應力，這與在混凝土板的板底施加了預壓應力的預應力鋼筋混凝土路面類似。因此，把采用這種施工方法修筑的混凝土路面定義為無筋預應力水泥混凝土路面。板底的預應力可以抵消溫度翹曲應力，也可以抵消部分荷載彎拉應力。當混凝土路面的溫度等于或低于施工溫度時，由于低溫施工所產(chǎn)生的額外的膨脹應力會消失，而水泥混凝土路面設計理論中的荷載應力與溫度翹曲應力的耦合在夏季時最不利，在氣溫較低的季節(jié)，混凝土路面的板底所受應力比夏季要低，因此，采用此施工方法修筑的混凝土路面理論上可以起到預應力的作用。

由于水泥漿的黏結強度較低，一般只有1.0MPa左右，如果按照規(guī)范公式計算，溫度翹曲應力一般在1.5～2.0MPa之間，1.0MPa的黏結強度肯定是不夠的，但是，實際混凝土板的溫度翹曲應力受到溫度內(nèi)應力以及膨脹應力的影響，并不會達到規(guī)范公式的計算值。邢臺市公路處在1998年修筑的水泥混凝土路面，當時沒有特意黏結，只是由于振搗過量，滲入基層的水泥漿造成了混凝土板與基層之間的黏結，2006年鉆芯取樣時發(fā)現(xiàn)，層間黏結狀況非常完好，并且鉆心處的水泥混凝土板的厚度只有18cm，經(jīng)過近8年的使用，并無斷板和層間黏結破壞。這就是層間黏結作用產(chǎn)生的預應力抵消了部分翹曲應力，從而沒有造成層間黏結狀態(tài)的破壞。規(guī)范中的溫度翹曲應力公式是按照層間自由滑動、四邊自由的混凝土板計算的，而實際上，混凝土板與基層之間的摩擦，四邊相鄰板塊的鉗制以及混凝土路面的濕度等對溫度翹曲應力的影響很大，根據(jù)經(jīng)驗和檢測數(shù)據(jù)可知，實際的溫度翹曲應力（板底不黏結）比采用經(jīng)驗公式計算值小很多。因此，采用水泥漿作為混凝土板與基層之間的黏結材料，其抗彎拉強度可以滿足要求。

在水泥混凝土路面設計中，溫度翹曲應力大約占總應力的40%，能夠基本在不增加投資，不增加施工難度的情況下降低溫度翹曲應力，有利于改善受力狀況。因此，開展無筋預應力水泥混凝土路面的研究具有重要的現(xiàn)實意義。

另外，將混凝土板與基層黏結起來還有很多優(yōu)點：

（1）混凝土板與基層黏結可以阻止從接縫滲入的水在板底擴散，防止基層沖刷、唧泥和板底脫空等病害；

（2）當混凝土板與基層黏結起來時，層間摩阻力增大，混凝土板兩端滑動區(qū)的長度減小，由于平均溫度升高引起的端部伸長量也會減小，因此可以減少甚至取消脹縫的設置，從而減少或消除因脹縫引起的病害。

3 試驗路方案

為比較無筋預應力混凝土路面與普通水泥混凝土路面所產(chǎn)生的溫度應力、荷載應力，分別修筑了基于層間完全黏結的無筋預應力混凝土路面和層間光滑接觸的普通水泥混凝土路面。具體方案如下。

（1）在水泥穩(wěn)定碎石基層上加鋪塑料膜隔離層，然后澆筑混凝土板，用來模擬層間光滑接觸狀態(tài)。

（2）在水泥穩(wěn)定碎石基層上灑布水泥漿，然后澆筑混凝土板，用來模擬層間完全黏結狀態(tài)。

混凝土面板尺寸為4.5m×5.0m，硬路肩為1.5m×5m，不設脹縫，沒有傳力桿，拉桿為Φ14螺紋鋼，長80cm，間距為70cm。

水泥混凝土抗折強度為5MPa，抗壓強度為30～35MPa，混凝土沒有任何外摻劑。混凝土坍落度小于5cm。

無筋預應力混凝土施工的氣溫應該在10oC左右，采用三輥軸施工工藝，噴膜（塑料膜）養(yǎng)生，沒有其他特殊處理。

混凝土板底與基層的黏結方法為：在澆筑水泥混凝土板之前，在水泥穩(wěn)定碎石基層上撒布水泥干粉，撒布量采用畫方格的方法，控制在每平方米用量為2.5kg，然后灑水，用笤帚掃勻，同時拌成漿狀，在水泥粉呈漿狀時澆筑面層混凝土板。

4 應變計的安裝時機、位置及安裝方法

4.1 水泥穩(wěn)定碎石基層應變計的埋設方法

當水泥穩(wěn)定碎石基層養(yǎng)生成型后，在板中、板邊和板端位置鉆取基層芯樣，并在芯樣底面安裝振弦式應變計，將芯樣放回原處，用硬質(zhì)膠（橋梁黏貼碳纖維）將芯樣周圍的縫隙灌滿。具體過程如圖1～圖3所示。

圖1 水泥穩(wěn)定碎石基層應變計的埋設

圖2 將芯樣放回原處

圖3 用硬質(zhì)膠將芯樣周圍的縫隙灌滿

4.2 水泥混凝土面板應變計的埋設方法

在每年10月1日至第二年5月1日之間澆筑水泥混凝土路面，振搗整平完成后，分別在混凝土板板底和板頂兩層挖坑埋設振弦式應變計。終凝時讀取應變計讀數(shù)，具體過程為：（1）挖坑埋設應變計；（2）混凝土回填；（3）表面修整。

本文研究所用的應變計為內(nèi)埋式振弦應變計（如圖4所示），適用于各種混凝土結構內(nèi)部的混凝土及鋼筋應變的測量。內(nèi)埋式應變計采用兩芯電纜，若配溫度傳感器，則采用四芯電纜。

圖4 振弦式應變計

振弦式應變計的工作原理為：由激振電路驅(qū)動電磁線圈，當信號的頻率和弦的固有頻率相接近時，弦迅速達到共振狀態(tài)，振動產(chǎn)生的感應電動勢通過檢測電路濾波放大、整形傳給單片機，單片機根據(jù)接收的信號，通過軟件方式反饋給激振電路驅(qū)動電磁線圈。通過反饋，弦能在電磁線圈產(chǎn)生的變化磁場驅(qū)動下在本振頻率點振動。當激振信號撤去后，弦由于慣性作用仍然振動，單片機通過測量感應電動勢脈沖周期，即可測得弦的振動頻率，最后將所測數(shù)據(jù)顯示出來。

振弦式應變計變量計算公式為：

式中：ε為當前時刻相對初始時刻的應變量（με）；K為振弦式應變計標定系數(shù)（με/Hz2）；為振弦式應變計當前時刻的輸出頻率模數(shù)（Hz2）；為振弦式應變計初始時刻的輸出頻率模數(shù)（Hz2）；KT為溫度修正系數(shù)（με/℃），取決于被測材料與傳感器銅弦溫度形變系數(shù)之差，該系數(shù)隨不同測試結構體的材料會有所不同（一般工作環(huán)境下混凝土結構KT=2.2με/℃，鋼結構KT=0.2με/℃）；Ti為振弦式應變計當前時刻的溫度值（℃）；T0為振弦式應變計初始時刻的溫度值（℃）。

當混凝土板或水穩(wěn)碎石基層內(nèi)部的應力發(fā)生變化時，應變計將同步感受路面各結構層的變形，變形通過應變計前、后端座傳遞給振弦，并將此變形轉變成振弦應力的變化，從而改變振弦的振動頻率。通過電磁線圈激振振弦并測量其振動頻率，頻率信號經(jīng)電纜傳輸至讀數(shù)裝置，即可測出被測結構物內(nèi)部的應變量，并且可以同步測出應變計埋設點的溫度值。內(nèi)埋式應變計主要工作參數(shù)如表1所示。

表1 內(nèi)埋式應變計參數(shù)

應變計分別埋設于混凝土面板的板底及板頂，為保證準確定位，采用鋼筋支架進行固定，如圖5所示。

圖5 應變計的固定支架

5 荷載應力及溫度應力的檢測

水泥混凝土路面養(yǎng)生完成后，于2012年2月7日分別用后軸重為10t和20t的載重車，檢測混凝土板板頂、板底以及水泥穩(wěn)定碎石基層底面的荷載應力，具體檢測結果如表2～表4所示。選擇此時進行測試，主要是與施工時的低溫環(huán)境接近，不會有溫度應力的影響。

表2 荷載作用于板中的實測荷載應力

表3 荷載作用于板邊的實測荷載應力

表4 荷載作用于板端的實測荷載應力

溫度應力檢測過程：在2012年初夏季節(jié)，根據(jù)天氣預報，選擇升溫幅度較大，預計溫度梯度較大的日期檢測。

檢測時選擇下午2：00開始，以最快速度讀取板頂、板底各應變計的頻率和穩(wěn)定讀數(shù)，然后用取芯機將應變計連同其周圍混凝土一同取出，使混凝土應力釋放，再把帶有應變計的芯樣放到干燥箱內(nèi)，將應變計溫度注意調(diào)整到取芯前的溫度再讀取頻率讀數(shù)，用各應變計在取芯前后溫度相同時的頻率變化計算應變，從而得到取芯前的應力。具體檢測結果如表5、表6所示。

表5 層間完全黏結狀態(tài)下現(xiàn)場實測溫度應力

表6 層間完全光滑狀態(tài)下現(xiàn)場實測溫度應力

6 結論

（1）混凝土板溫度應力由翹曲應力、內(nèi)應力和脹縮應力組成，且在正溫度梯度下，翹曲應力在板底為拉應力，內(nèi)應力和膨脹應力在板底為壓應力，從而可以抵消部分翹曲應力。

（2）提出無筋預應力混凝土路面的設想：在低溫下施工，采用水泥漿將混凝土板與基層黏結起來，當混凝土板的平均溫度升高時，由于水泥漿的黏結作用以及相鄰板的約束，會在混凝土板內(nèi)產(chǎn)生較大的壓應力，從而可以抵消翹曲應力，起到預應力筋的作用。

（3）提出了無筋預應力混凝土路面的試驗路方案并進行了試驗路修筑。通過在層間光滑和層間黏結的兩組對照試驗的基層底面、混凝土板頂面和底面的不同位置埋設振弦式應變計來檢測其荷載應力以及溫度應力，通過兩組對照試驗檢測數(shù)據(jù)的比較，評價無筋預應力混凝土路面的受力狀態(tài)，從而驗證無筋預應力混凝土路面的可行性。

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