连续配筋混凝土路面设计与施工技术(新)

连续配筋混凝土路面设计与施工技术水泥混凝土路面配筋设计长安大学张洪亮1.前言连续配筋混凝土路面（ContinuouslyReinforcedConcretePavement,CRCP）:在路面纵向连续地配有足够数量的钢筋，以控制路面板纵向收缩产生的裂缝宽度和数量。同时，在横向也配有一定数量的钢筋来支撑纵向钢筋。在施工时不设胀、缩缝（施工缝及构造所需的胀缝除外），形成一条完整而平坦的行车平面。1.前言CRCP具有以下优点：消除了横向接缝，整体性和平整度好，行车平顺舒适。CRCP耐久性好，使用寿命长。如果设计、施工得当，养护费用很少，虽然初期投资较高，但全寿命效益是经济合理的。在路面内增设了纵向和横向钢筋，控制了裂缝宽度，使得裂缝紧密闭合，减少了裂缝剥落，提高了裂缝处的传荷能力。1.前言国内外应用现状最早的CRCP于1921年出现在美国，当时美国公路局在华盛顿区修建了长60m的试验路。截止到1980年，美国CRCP2.2万km；截止到1998年，总里程超过4.5万km。除美国外，CRCP在加拿大、澳大利亚、日本、法国、比利时、荷兰、英国等国家也获得了广泛的使用。截止到1980年，日本CRCP1.0万km；1998年，在比利时全长1650km的高速公路中，有650km是水泥混凝土路面，其中主要是CRCP。CRCP现已广泛应用于高速公路和其它重交通道路的新建和补强工程中。1.前言1989年江苏省在盐城一级公路上修筑了第一条连续配筋混凝土试验路段。1996年，西安公路交通大学与铜川公路局在210国道上修建了一段长335m的CRCP试验工程。1997年西安公路交通大学与河南许昌公路局在107国道上修筑了单幅总长10km的CRCP。2001年长沙交通学院与湖南省高速公路公司在京珠高速公路耒宜段修建了长40.lkm的CRCP。2001年，长安大学与山东省公路局在山东济枣西线水泥混凝土路面改造中，铺筑了连续配筋混凝土加铺层。1.前言2003年，长安大学与山东省公路局在济聊高速公路上修筑了连续配筋混凝土（CRC）基层沥青路面试验段。2003年，在国道325线广东恩平东段一级公路旧水泥混凝土路面上修筑了总长1.17km的CRCP加铺层。2005年，粤赣高速公路试验段1.574km2008～2009年（约），张石高速公路石家庄段2008年，烟威高速修建了近2km的试验段2.CRCP设计指标和设计方法2.1国内长安大学根据国家自然科学基金项目《连续钢筋混凝土路面设计理论与方法研究》的研究成果，并参考了1993版的AASHTO规范，制订了《水泥混凝土路面设计规范》（JTGD40-2002）中关于CRCP设计的规定。CRCP的厚度，可按普通混凝土路面厚度设计的各项设计参数及规定进行。其基（垫）层取厚度和面板厚度均与普通混凝土路面的相同。2.CRCP设计指标和设计方法连续配筋混凝土面层的纵向配筋率按允许的裂缝间距（1.0~2.5m）、缝隙宽度（1mm）和钢筋屈服强度确定，给出了平均裂缝间距计算、裂缝宽度和钢筋应力的计算公式。连续配筋混凝土面层与其它类型路面或构造物相连接的端部，应设置锚固结构。端部锚固结构可以采用钢筋混凝土地梁或宽翼缘工字钢梁接缝等形式，并推荐出两种端部锚固结构的常用配置和尺寸。2.CRCP设计指标和设计方法2.2国外美国混凝土学会（ACI）、波特兰水泥工作者协会（PCA）和1993年版的AASHTO板厚设计均采用接缝式水泥混凝土路面设计方法，只是作了若干修正。1993年版的AASHTO方法中最小配筋率应满足下面两个条件：混凝土的最大拉应力不大于极限拉应力，及裂缝处钢筋的最大拉应力不大于屈服应力。德克萨斯州运输部提出如下的钢筋用量设计标准：（1）平均裂缝间距为0.9~2.4m；（2）裂缝宽度小于0.64mm，以避免水进入路基；（3）钢筋应力小于钢筋的屈服应力。2.CRCP设计指标和设计方法AASHTO2002设计指南:CRCP的设计采用验证法，即先进行初步设计，根据交通量选定板厚和配筋率，然后校核其能否在一定的可靠度水平上满足性能的要求。设计指标：冲断和平整度，裂缝宽度作为一个附加指标。2.CRCP设计指标和设计方法冲断预测程序：（1）列表输入所需数据；（2）处理交通数据，计算等效轴载作用次数；（3）处理路面温度数据，将不同小时沿板厚非线性变化的温度转化成等效的线性温度梯度；（4）确定平均裂缝间距；（5）计算每月内平均裂缝宽度和裂缝传荷系数（LTE）；2.CRCP设计指标和设计方法冲断预测程序：（6）计算混凝土板的纵向边缘支撑的损失；（7）处理每月的相对湿度数据，将其等效温度变化加到等效线性温度变化中；（8）计算板顶面的临界横向拉应力；（9）确定横向裂缝刚度和LTE的衰减；（10）计算疲劳损伤；（11）确定冲断的数量。3.CRCP病害调查和影响因素分析（1）最主要病害——边缘冲断冲断指两个间距很小（小于0.6m）的横向裂缝与短的纵向裂缝和路面边缘（或纵向接缝）所围成面积。另外，它还包括剥落、破碎等严重的“Y”型裂缝。3.CRCP病害调查和影响因素分析冲断产生的机理：新建的路面，由于加筋的作用，裂缝窄，传荷能力强，板底均匀支撑，板顶拉应力小。随后，由于重车的反复作用及温度和湿度波动导致裂缝宽度变化及局部边缘支撑丧失，部分横向裂缝出现剥落现象。裂缝变宽或者剥落以后，盐和水会进入板底。板底的水加剧基层侵蚀、钢筋腐蚀、唧泥，最终板底失去支撑，同时接缝处的传荷能力大量降低。在重车作用下板顶产生较大的横向拉应力。当车辆荷载反复作用时，便累积疲劳，产生纵向裂缝，进而出现冲断。3.CRCP病害调查和影响因素分析（2）横向裂缝。调查发现裂缝宽度服从Weibull分布，初始的横向裂缝由环境因素产生。调查了6个州的23条CRCP，并利用了LTPP中83条CRCP的调查数据，发现宽裂缝和冲断是CRCP的两大主要病害。裂缝的变宽主要是由钢筋锈蚀后有效断面减小，钢筋中的应力达到屈服或断裂强度引起的。3.CRCP病害调查和影响因素分析（3）纵向裂缝伊利诺斯州运输部调查分析了纵向裂缝产生的原因。发现纵向裂缝通常伴随着嵌入的纵向钢筋，不是由于钢筋锈蚀、混凝土的蜕化或不适当的结构设计引起的，而是与施工时钢筋在混凝土内部下沉有关。3.CRCP病害调查和影响因素分析CRCP使用性能的影响因素（1）板厚随着板厚的增加，冲断减少，平整度提高。（2）横向裂缝宽度和间距裂缝宽度非常重要，它影响裂缝处的传荷能力，特别是在使用除冰盐的地区。将平均裂缝宽度（钢筋深度处）控制在0.05cm可以将裂缝间距控制在合理的水平。冲断多发生在较窄的裂缝间距处，约90%的冲断发生在横向裂缝间距为0.3~0.6m时，平均裂缝间距和冲断之间没有相关性。冲断也容易在靠近宽裂缝处产生，冲断与宽裂缝有关而不是与平均裂缝宽度有关。3.CRCP病害调查和影响因素分析（3）混凝土材料混凝土强度越高对路面越有利，模量、干缩系数和胀缩系数越小对路面越有利。温度胀缩系数对路面性能影响最大，粗集料类型对温度胀缩系数影响最大。3.CRCP病害调查和影响因素分析（4）纵向配筋率裂缝间距一般会随着钢筋用量的增加而降低。在美国（主要是寒冷地区）0.6%~0.8%的配筋率会产生较好的裂缝开裂模式和性能。野外调查表明，增加钢筋用量会减少冲断和提高平整度。3.CRCP病害调查和影响因素分析（5）纵向钢筋的埋置深度钢筋越靠近路表，裂缝宽度越小，冲断也越少，但是，会造成施工困难。建议在离路表8.8cm到板中这段深度内放置钢筋。德克萨斯州施工指南中对厚度超过330mm的混凝土板建议采用双层配筋。3.CRCP病害调查和影响因素分析（6）裂缝传荷能力裂缝传荷能力对直接造成冲断的纵向裂缝非常重要，传荷系数应在95%以上。混凝土路面性能表明，基层侵蚀、集料嵌挤的损失、钢筋的锈蚀、过宽的裂缝和其它类型的接缝损坏会减小裂缝剪切刚度。3.CRCP病害调查和影响因素分析（7）板宽一般情况下，板宽与车道宽度相同。有少数工程也使用宽的路面板以提高路面性能。野外调查和分析表明，较宽的路面板使得车辆的轴载远离板的自由边，从而减少板边顶面的横向拉应力，因而减少边缘冲断的产生。（8）横向加筋横向加筋主要是固定纵向钢筋。但部分研究表明，横向裂缝经常与横向钢筋的位置重合。（9）纵向接缝处的传荷能力混凝土板与路肩之间的连接越强，板顶的拉应力越小，冲断越少。3.CRCP病害调查和影响因素分析（10）基层混凝土板与基层之间的粘结影响裂缝的间距。放在沥青稳定基层上的CRCP的裂缝模式比较理想。而采用无结合料的碎石作为基层时裂缝间距较大。在水泥稳定基层上设一层薄的沥青混凝土层效果比较理想。如果CRC直接修筑在水泥稳定碎石或贫混凝土上，基层和面层之间需要使用使用润滑剂，以减小层间粘结，防止反射裂缝的产生。基层模量和强度越高，冲断就越小。基层侵蚀造成的不均匀支撑对冲断也有很大影响。在开级配排水层上的CRCP容易破坏。4.CRCP结构和调查4.1国内CRCP路面结构和材料（1）耒宜高速公路该段连续配筋混凝土路面的结构型式为：18cm的4%水泥稳定碎石底基层+18cm的6%水泥稳定碎石基层+1cm沥青表处+28cm水泥混凝土面层。连续配筋混凝土面层设置单层钢筋网，纵向钢筋配筋率为0.61%，采用Ф18Ⅱ级钢筋；横向钢筋采用Ф18Ⅱ级钢筋，间距为100cm。基层和底基层材料为P.O325水泥和碎石，其水泥掺量分别为6%和4%。面层混凝土材料为：525#普通道路硅酸盐水泥、级配碎石、中砂和分煤灰。4.CRCP结构和调查（2）210国道铜川段CRCP试验路路面结构：22cmCRCP+15cm碎石灰土+30cm石灰稳定土底基层。配筋率为0.79%,纵横钢筋均采用φ20Ⅱ级螺纹钢筋,纵筋间距18cm,横筋间距80cm。确定的配合比为水泥∶碎石∶砂∶水=1∶3.63∶1.87∶0.48，水泥为525#普通硅酸盐水泥，用量为360kg/m3，砂率为34%，施工配合比混凝土的实际抗压强度大于40.25MPa，抗弯拉强度则在5.75MPa以上。4.CRCP结构和调查（3）山西省道孙吴线CRCP试验段该段连续配筋混凝土路面的结构型式：20cm天然砂砾垫层+18cm水泥稳定砂砾底基层+18cm水泥稳定砂砾下基层+1cm乳化沥青封层+20cm贫混凝土基层+1cm稀浆封层+30cm连续配筋混凝土路面。双层配筋路面的纵向配筋率0.98%，横向配筋率为0.42%；纵向钢筋上下层均采用Ф18Ⅱ级钢筋、布设间距分别为15cm、20cm；上下层横向钢筋均采用Ф16Ⅱ级钢筋，布设间距40cm，上下层钢筋网距混凝土板顶面分为10cm和20cm。4.CRCP结构和调查（4）粤赣高速CRCP试验段路面结构为：连续配筋混凝土28cm+热沥青瓜米石滑动封层+5%水泥稳定级配碎石基层20cm+3.5%水泥稳定粒料底基层20cm+未筛分碎石垫层+土质路基。双层配筋路面的纵向配筋率1.06%，纵向钢筋上层采用Ф18Ⅱ级钢筋、布设间距为15cm，下层采用Ф22Ⅱ级钢筋、布设间距为30cm；横向配筋率为0.27%，上下两层横向钢筋均采用Ф12Ⅱ级钢筋，布设间距30cm；钢筋网分别布设在距路面顶面和底面8cm的位置。4.CRCP结构和调查单层配筋路面纵向配筋率为0.68%，纵向钢筋采用Ф22Ⅱ级钢筋，间距为20cm；横向配筋率为0.13%，横向钢筋采用Ф12Ⅱ级钢筋，间距为30cm；钢筋网布设在距路面顶面10cm处。相比普通混凝土路面配合比降低了19~26.5mm规格碎石的用量，同时相应增加了9.5~19mm的碎石用量。调整后配合比为：水泥350kg：砂686kg：粗集料（4.75~26.5mm）1167kg：水147kg：外加剂3.85kg。4.CRCP结构和调查（5）许昌试验路路面结构为24cmCRCP+2cm沥青砂浆+24cm旧JPCP。配筋率为0.7%,纵横钢筋直径均为φ12螺纹钢筋,纵筋间距