閆平軍

（邢臺(tái)市公路管理處，河北 邢臺(tái) 054000）

1 無(wú)筋預(yù)應(yīng)力混凝土路面的發(fā)展概況

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

千斤頂加力無(wú)筋預(yù)應(yīng)力混凝土路面是在兩個(gè)固定的錨固端澆筑混凝土板，并預(yù)留放置千斤頂?shù)目障?，待混凝土達(dá)到規(guī)定強(qiáng)度后，在兩端采用千斤頂施加壓應(yīng)力，然后封閉空隙。美國(guó)丹尼波工程公司在20世紀(jì)90年代提出了類(lèi)似的無(wú)筋預(yù)應(yīng)力混凝土路面。它通過(guò)埋置在混凝土板中的組合裝置（縫-壓裝置）對(duì)混凝土板施加預(yù)壓應(yīng)力，縫-壓裝置所需反力通過(guò)埋置在路基中的樁來(lái)提供，并在路基中埋設(shè)與路面板相連的約束件來(lái)阻止混凝土板的拱起破壞。當(dāng)完成以上各裝置的埋設(shè)后，采用連續(xù)式攤鋪機(jī)一次完成路面板澆筑，當(dāng)混凝土板達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)，給縫-壓裝置泵入液體，從而產(chǎn)生預(yù)壓應(yīng)力。由于溫度等作用會(huì)引起混凝土板的膨脹收縮而導(dǎo)致板的變形，造成混凝土板內(nèi)預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力，使混凝土板中的預(yù)應(yīng)力變化始終保持在較小的范圍內(nèi)。這種無(wú)筋預(yù)應(yīng)力混凝土路面雖然能夠?qū)崿F(xiàn)混凝土板的機(jī)械化施工，但是在澆筑混凝土板之前卻要花費(fèi)大量的人力完成各種裝置的埋設(shè)。

早在19世紀(jì)中期，人們利用普通硅酸鹽水泥水化產(chǎn)生的硫鋁酸鈣會(huì)使混凝土膨脹這一特點(diǎn)，發(fā)明了膨脹水泥和膨脹混凝土。我國(guó)是最先研究膨脹水泥的國(guó)家之一，并于1957年由建筑材料科學(xué)研究院研制成功硅酸鹽膨脹水泥。美國(guó)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(yīng)力混凝土壓力管、工廠地面、比賽場(chǎng)地的無(wú)縫地面等。隨著膨脹混凝土技術(shù)的成熟，人們開(kāi)始研究膨脹混凝土在道路中的應(yīng)用，利用膨脹混凝土膨脹時(shí)體積增大的特點(diǎn)，約束混凝土板的兩端，從而產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力。這種無(wú)筋預(yù)應(yīng)力混凝土路面尚處于研究、試驗(yàn)階段。

2 無(wú)筋預(yù)應(yīng)力混凝土路面的概念

水泥混凝土路面的溫度應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)力。當(dāng)板長(zhǎng)超過(guò)6m時(shí)，溫度應(yīng)力的數(shù)值會(huì)超過(guò)荷載應(yīng)力，從而成為決定混凝土板斷裂的主要因素。影響溫度應(yīng)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(duì)剛度外，主要為混凝土板的溫度梯度。在日間時(shí)，混凝土板的溫度梯度為正，板頂溫度大于板底溫度，此時(shí)，在混凝土板的板底引起的溫度內(nèi)應(yīng)力為壓應(yīng)力。當(dāng)混凝土板的平均溫度升高時(shí)，由于層間約束以及相鄰板塊的鉗制作用，也會(huì)在板底產(chǎn)生壓應(yīng)力。

鋼筋預(yù)應(yīng)力混凝土路面中鋼筋在混凝土板板底產(chǎn)生預(yù)壓應(yīng)力，而當(dāng)車(chē)輛荷載作用在混凝土路面上或在正溫度梯度下，會(huì)在混凝土板底產(chǎn)生拉應(yīng)力，此時(shí)，鋼筋產(chǎn)生的預(yù)壓應(yīng)力會(huì)抵消部分荷載應(yīng)力和翹曲應(yīng)力。

同樣，在較低氣溫時(shí)澆筑水泥混凝土路面，并且采用水泥漿將板底與基層黏結(jié)起來(lái)，當(dāng)夏季氣溫升高時(shí)，混凝土板板底和板頂溫度都會(huì)升高，由于板底與基層黏結(jié)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(yīng)力比在正常溫度下施工時(shí)產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力要大。而且由于相鄰板塊的約束作用，同樣會(huì)產(chǎn)生較大的膨脹應(yīng)力。由于在正溫度梯度下，混凝土板的溫度翹曲應(yīng)力在板底時(shí)為拉應(yīng)力，在板頂時(shí)為壓應(yīng)力，而產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力在板底和板頂時(shí)均為壓應(yīng)力；同時(shí)，由于非線性的溫度場(chǎng)在混凝土板板底同樣會(huì)產(chǎn)生壓應(yīng)力，這與在混凝土板的板底施加了預(yù)壓應(yīng)力的預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土路面類(lèi)似。因此，把采用這種施工方法修筑的混凝土路面定義為無(wú)筋預(yù)應(yīng)力水泥混凝土路面。板底的預(yù)應(yīng)力可以抵消溫度翹曲應(yīng)力，也可以抵消部分荷載彎拉應(yīng)力。當(dāng)混凝土路面的溫度等于或低于施工溫度時(shí)，由于低溫施工所產(chǎn)生的額外的膨脹應(yīng)力會(huì)消失，而水泥混凝土路面設(shè)計(jì)理論中的荷載應(yīng)力與溫度翹曲應(yīng)力的耦合在夏季時(shí)最不利，在氣溫較低的季節(jié)，混凝土路面的板底所受應(yīng)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(yù)應(yīng)力的作用。

由于水泥漿的黏結(jié)強(qiáng)度較低，一般只有1.0MPa左右，如果按照規(guī)范公式計(jì)算，溫度翹曲應(yīng)力一般在1.5～2.0MPa之間，1.0MPa的黏結(jié)強(qiáng)度肯定是不夠的，但是，實(shí)際混凝土板的溫度翹曲應(yīng)力受到溫度內(nèi)應(yīng)力以及膨脹應(yīng)力的影響，并不會(huì)達(dá)到規(guī)范公式的計(jì)算值。邢臺(tái)市公路處在1998年修筑的水泥混凝土路面，當(dāng)時(shí)沒(méi)有特意黏結(jié)，只是由于振搗過(guò)量，滲入基層的水泥漿造成了混凝土板與基層之間的黏結(jié)，2006年鉆芯取樣時(shí)發(fā)現(xiàn)，層間黏結(jié)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(guò)近8年的使用，并無(wú)斷板和層間黏結(jié)破壞。這就是層間黏結(jié)作用產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力抵消了部分翹曲應(yīng)力，從而沒(méi)有造成層間黏結(jié)狀態(tài)的破壞。規(guī)范中的溫度翹曲應(yīng)力公式是按照層間自由滑動(dòng)、四邊自由的混凝土板計(jì)算的，而實(shí)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(duì)溫度翹曲應(yīng)力的影響很大，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和檢測(cè)數(shù)據(jù)可知，實(shí)際的溫度翹曲應(yīng)力（板底不黏結(jié)）比采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)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(jié)材料，其抗彎拉強(qiáng)度可以滿足要求。

在水泥混凝土路面設(shè)計(jì)中，溫度翹曲應(yīng)力大約占總應(yīng)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(yīng)力，有利于改善受力狀況。因此，開(kāi)展無(wú)筋預(yù)應(yīng)力水泥混凝土路面的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

另外，將混凝土板與基層黏結(jié)起來(lái)還有很多優(yōu)點(diǎn)：

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

（2）當(dāng)混凝土板與基層黏結(jié)起來(lái)時(shí)，層間摩阻力增大，混凝土板兩端滑動(dòng)區(qū)的長(zhǎng)度減小，由于平均溫度升高引起的端部伸長(zhǎng)量也會(huì)減小，因此可以減少甚至取消脹縫的設(shè)置，從而減少或消除因脹縫引起的病害。

3 試驗(yàn)路方案

為比較無(wú)筋預(yù)應(yīng)力混凝土路面與普通水泥混凝土路面所產(chǎn)生的溫度應(yīng)力、荷載應(yīng)力，分別修筑了基于層間完全黏結(jié)的無(wú)筋預(yù)應(yīng)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(lái)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(lái)模擬層間完全黏結(jié)狀態(tài)。

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

水泥混凝土抗折強(qiáng)度為5MPa，抗壓強(qiáng)度為30～35MPa，混凝土沒(méi)有任何外摻劑?；炷撂涠刃∮?cm。

無(wú)筋預(yù)應(yīng)力混凝土施工的氣溫應(yīng)該在10oC左右，采用三輥軸施工工藝，噴膜（塑料膜）養(yǎng)生，沒(méi)有其他特殊處理。

混凝土板底與基層的黏結(jié)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(huà)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(shí)拌成漿狀，在水泥粉呈漿狀時(shí)澆筑面層混凝土板。

4 應(yīng)變計(jì)的安裝時(shí)機(jī)、位置及安裝方法

4.1 水泥穩(wěn)定碎石基層應(yīng)變計(jì)的埋設(shè)方法

當(dāng)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(yīng)變計(jì)，將芯樣放回原處，用硬質(zhì)膠（橋梁黏貼碳纖維）將芯樣周?chē)目p隙灌滿。具體過(guò)程如圖1～圖3所示。

圖1 水泥穩(wěn)定碎石基層應(yīng)變計(jì)的埋設(shè)

圖2 將芯樣放回原處

圖3 用硬質(zhì)膠將芯樣周?chē)目p隙灌滿

4.2 水泥混凝土面板應(yīng)變計(jì)的埋設(shè)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(shè)振弦式應(yīng)變計(jì)。終凝時(shí)讀取應(yīng)變計(jì)讀數(shù)，具體過(guò)程為：（1）挖坑埋設(shè)應(yīng)變計(jì)；（2）混凝土回填；（3）表面修整。

本文研究所用的應(yīng)變計(jì)為內(nèi)埋式振弦應(yīng)變計(jì)（如圖4所示），適用于各種混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的混凝土及鋼筋應(yīng)變的測(cè)量。內(nèi)埋式應(yīng)變計(jì)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(yīng)變計(jì)

振弦式應(yīng)變計(jì)的工作原理為：由激振電路驅(qū)動(dòng)電磁線圈，當(dāng)信號(hào)的頻率和弦的固有頻率相接近時(shí)，弦迅速達(dá)到共振狀態(tài)，振動(dòng)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)通過(guò)檢測(cè)電路濾波放大、整形傳給單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)接收的信號(hào)，通過(guò)軟件方式反饋給激振電路驅(qū)動(dòng)電磁線圈。通過(guò)反饋，弦能在電磁線圈產(chǎn)生的變化磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下在本振頻率點(diǎn)振動(dòng)。當(dāng)激振信號(hào)撤去后，弦由于慣性作用仍然振動(dòng)，單片機(jī)通過(guò)測(cè)量感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)脈沖周期，即可測(cè)得弦的振動(dòng)頻率，最后將所測(cè)數(shù)據(jù)顯示出來(lái)。

振弦式應(yīng)變計(jì)變量計(jì)算公式為：

式中：ε為當(dāng)前時(shí)刻相對(duì)初始時(shí)刻的應(yīng)變量（με）；K為振弦式應(yīng)變計(jì)標(biāo)定系數(shù)（με/Hz2）；為振弦式應(yīng)變計(jì)當(dāng)前時(shí)刻的輸出頻率模數(shù)（Hz2）；為振弦式應(yīng)變計(jì)初始時(shí)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(cè)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(cè)試結(jié)構(gòu)體的材料會(huì)有所不同（一般工作環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)KT=2.2με/℃，鋼結(jié)構(gòu)KT=0.2με/℃）；Ti為振弦式應(yīng)變計(jì)當(dāng)前時(shí)刻的溫度值（℃）；T0為振弦式應(yīng)變計(jì)初始時(shí)刻的溫度值（℃）。

當(dāng)混凝土板或水穩(wěn)碎石基層內(nèi)部的應(yīng)力發(fā)生變化時(shí)，應(yīng)變計(jì)將同步感受路面各結(jié)構(gòu)層的變形，變形通過(guò)應(yīng)變計(jì)前、后端座傳遞給振弦，并將此變形轉(zhuǎn)變成振弦應(yīng)力的變化，從而改變振弦的振動(dòng)頻率。通過(guò)電磁線圈激振振弦并測(cè)量其振動(dòng)頻率，頻率信號(hào)經(jīng)電纜傳輸至讀數(shù)裝置，即可測(cè)出被測(cè)結(jié)構(gòu)物內(nèi)部的應(yīng)變量，并且可以同步測(cè)出應(yīng)變計(jì)埋設(shè)點(diǎn)的溫度值。內(nèi)埋式應(yīng)變計(jì)主要工作參數(shù)如表1所示。

表1 內(nèi)埋式應(yīng)變計(jì)參數(shù)

應(yīng)變計(jì)分別埋設(shè)于混凝土面板的板底及板頂，為保證準(zhǔn)確定位，采用鋼筋支架進(jìn)行固定，如圖5所示。

圖5 應(yīng)變計(jì)的固定支架

5 荷載應(yīng)力及溫度應(yīng)力的檢測(cè)

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(chē)，檢測(cè)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(yīng)力，具體檢測(cè)結(jié)果如表2～表4所示。選擇此時(shí)進(jìn)行測(cè)試，主要是與施工時(shí)的低溫環(huán)境接近，不會(huì)有溫度應(yīng)力的影響。

表2 荷載作用于板中的實(shí)測(cè)荷載應(yīng)力

表3 荷載作用于板邊的實(shí)測(cè)荷載應(yīng)力

表4 荷載作用于板端的實(shí)測(cè)荷載應(yīng)力

溫度應(yīng)力檢測(cè)過(guò)程：在2012年初夏季節(jié)，根據(jù)天氣預(yù)報(bào)，選擇升溫幅度較大，預(yù)計(jì)溫度梯度較大的日期檢測(cè)。

檢測(cè)時(shí)選擇下午2：00開(kāi)始，以最快速度讀取板頂、板底各應(yīng)變計(jì)的頻率和穩(wěn)定讀數(shù)，然后用取芯機(jī)將應(yīng)變計(jì)連同其周?chē)炷烈煌〕?，使混凝土?yīng)力釋放，再把帶有應(yīng)變計(jì)的芯樣放到干燥箱內(nèi)，將應(yīng)變計(jì)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(yīng)變計(jì)在取芯前后溫度相同時(shí)的頻率變化計(jì)算應(yīng)變，從而得到取芯前的應(yīng)力。具體檢測(cè)結(jié)果如表5、表6所示。

表5 層間完全黏結(jié)狀態(tài)下現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)溫度應(yīng)力

表6 層間完全光滑狀態(tài)下現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)溫度應(yīng)力

6 結(jié)論

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

（2）提出無(wú)筋預(yù)應(yīng)力混凝土路面的設(shè)想：在低溫下施工，采用水泥漿將混凝土板與基層黏結(jié)起來(lái)，當(dāng)混凝土板的平均溫度升高時(shí)，由于水泥漿的黏結(jié)作用以及相鄰板的約束，會(huì)在混凝土板內(nèi)產(chǎn)生較大的壓應(yīng)力，從而可以抵消翹曲應(yīng)力，起到預(yù)應(yīng)力筋的作用。

（3）提出了無(wú)筋預(yù)應(yīng)力混凝土路面的試驗(yàn)路方案并進(jìn)行了試驗(yàn)路修筑。通過(guò)在層間光滑和層間黏結(jié)的兩組對(duì)照試驗(yàn)的基層底面、混凝土板頂面和底面的不同位置埋設(shè)振弦式應(yīng)變計(jì)來(lái)檢測(cè)其荷載應(yīng)力以及溫度應(yīng)力，通過(guò)兩組對(duì)照試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)的比較，評(píng)價(jià)無(wú)筋預(yù)應(yīng)力混凝土路面的受力狀態(tài)，從而驗(yàn)證無(wú)筋預(yù)應(yīng)力混凝土路面的可行性。

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