水泥混凝土路面.ppt

第十三章水泥混凝土路面,主要内容,概述水泥混凝土路面构造水泥混凝土面板厚度设计方法水泥混凝土路面的施工工艺其它类型混凝土路面简介,第一节 概述,水泥混凝土路面及其特点水泥混凝土路面的定义 是指由水泥混凝土面板和基（垫）层所组成的路面，也称刚性路面，包括普通混凝土路面（PCCP）、钢筋混凝土路面（RCP）、钢纤维混凝土路面、预应力混凝土路面、连续配筋混凝土路面（CRCP）、装配式混凝土路面等。普通水泥混凝土路面 它是由普通混凝土面层板和基（垫）层所组成的路面，是除接缝区和局部范围（边缘及角隅）外，不配置钢筋的混凝土路面。由于它表面色泽鲜明，也被称为白色路面。,普通混凝土路面的优点（1）强度高（2）稳定性好（3）耐久性好（可以使用2040年或更长）（4）夜间行车效果好（5）使用初期养护费用少，经济效益高？（6）低行驶能耗（行车轮胎变形小，路面能量消耗低）？,普通混凝土路面的缺点（1）初期造价高（目前与进口沥青比造价已不高，且寿命长，单位年费用更低）；（2）对水泥和水需求量大，因此总体污染（水泥生产过程）；（3）噪声大、行驶舒适性差；（4）有接缝（受力薄弱、行车舒适性差、易进水）；（5）修筑周期长，开放交通迟；（6）养护维修困难。,水泥混凝土路面的力学特性,水泥路面的力学特征混凝土的强度及模量远大于基层和土基强度和模量；水泥混凝土本身的抗压强度远大于抗折强度；基层表面与路面板间摩擦力及位移较小，滑动较容易；板块厚度相对于平面尺寸较小，板块在荷载作用下的挠度（竖向位移）很小；混凝土板在自然条件下，存在沿板厚方向的温度梯度，会产生翘曲现象，如受到约束，会在板内产生翘曲应力；荷载多次重复作用，温度梯度也反复变化，混凝土板有疲劳现象。,水泥混凝土路面的力学模式弹性地基板模型弹性地基：因为混凝土板下的基层与土基的应力应变很小，不超过材料的弹性区域弹性板：因为板的模量高，应力承受能力强，一般受力不超过弹性比例极限应力。水泥混凝土路面设计理论：弹性地基上的小挠度薄板理论,水泥混凝土路面的工作及设计特点,抗弯拉强度低于抗压强度，决定其板块尺寸的设计强度指标是抗弯拉强度；车轮荷载作用对其有疲劳效应；温度差造成板有内应力，出现翘曲变形及翘曲应力，且也有疲劳特性；板的使用还受限于支承条件，不均匀支承及板底脱空对板内应力的分布影响极大。,水泥混凝土路面常见破坏形式接缝破坏挤碎：出现于横向接缝（主要是胀缝）两侧数十厘米宽度内，表现为板的伸长受阻，板发生剪切挤碎,拱起：混凝土面板在受膨胀而受阻时，某一接缝两侧的板向上拱起，表现为纵向压曲失稳。,错台：横向接缝两侧路面板出现的竖向相对位移。,唧泥：汽车行经接缝时，由缝内喷溅出稀泥浆的现象。,面板破坏 表现为面板的断裂和裂缝，主要是面板由于所受内应力超过了混凝土的强度而出现的横向或纵向以及板角的断裂和裂缝。断裂裂缝可视为混凝土面层结构破坏的临界状态。,表面损坏包括起皮、磨损、露骨、磨光等,第二节水泥混凝土路面构造,土基性能要求：因水泥混凝土路面强度、刚度都很大，传递到土基的应力很小（一般不超过0.05MPa），对土基的强度要求要比沥青路面低。对土基的支承要求主要是保证基层的稳定性（尤其是水稳定性和路基稳定性），特别是不出现不均匀的支承，从而保证水泥混凝土板处于均匀面支承的受力状态。因此，要求路基（即土基）密实、稳定和均匀，一般要求基层采用水稳定性好的材料、路基处于干燥或中湿状态，沉降稳定。,引起土基不均匀支承的可能原因不均匀沉陷：压实不均匀、填挖结合处理不佳、土基未充分固结（施工期沉降不稳定）；不均匀冻胀：含水量在等温面上分布不均匀、土质不均匀；特殊土质：膨胀土、湿陷性黄土等，加上含水量变化。处治方法土质掺配均匀、控制压实含水量、排水加固及设垫层,基层基层的作用 支承路面板 提供合适地基模量，提高路面结构的承载能力，延长路面使用寿命。减小路基（土基）顶面的压应力，减小地基的不均匀变形，缓和路基不均匀变形对面层的影响。防唧泥 混凝土板如直接放在路基上，会造成路基土塑性变形过大，铺设基层可减轻以至消除唧泥，但未经处治的砂砾基层细料含量和塑性指数不能太高，否则仍会产生唧泥。,防冰冻在季节性冰冻地区，用对冰冻不敏感的粒状多孔材料铺筑基层，可以减少路基的冰冻深度，从而减轻冰冻的危害作用。防水在湿软土基上，铺筑开级配粒料基层可排除路表渗入水及隔断地下毛细水。施工面层施工(如立侧模，运送混凝土混合料等)提供方便,水泥混凝土路面的基层类型粒料类（碎石、砂砾等）稳定类（水泥、石灰粉煤灰或沥青稳定粒料）贫混凝土和碾压混凝土等上述基层分别具有不同的刚度、耐冲刷能力和透水性，要根据交通等级、当地条件和经济性因素选用。,基层的抗冲刷性耐冲刷能力分5级：1级（极耐冲刷）贫混凝土（水泥含量7或8）、碾压混凝土、沥青混凝土2级（耐冲刷）厂拌水泥稳定粒料（水泥含量5）3级（较耐冲刷）厂拌水泥稳定粒料(水泥用量3.5)，沥青稳定粒料(沥青含量3)4级（较易冲刷）现场拌水泥稳定粒料（水泥含量2.5），粒料5级（易冲刷）混杂的粒料，细粒土,基层的设计要求,基层的厚度要求,基层的材料要求,最大粒径不超过基层厚度的1/3；小于0.075mm的细料含量不超过7%；粒料可采用开级配或密级配，其级配组成应符合技术规范规定要求，并应采用重型压实标准压实到较高的压实度（98100）。,基层的宽度要求,水泥混凝土面层,水泥混凝土面层应具有足够的强度、耐久性、表面抗滑、耐磨和平整。面层一般采用设接缝的普通混凝土；面层板的平面尺寸较大或形状不规则，路面结构下埋有地下设施，高填方、软土地基、填挖交界段的路基等有可能产生不均匀沉降时,应采用设置接缝的钢筋混凝土面层。其他面层类型可根据适用条件按规范取用。,面层的几种类型,水泥混凝土路面的形状要求 普通混凝土、钢筋混凝土、碾压混凝土或钢纤维混凝土面层 板一般采用矩形。其纵向和横向接缝应垂直相交,纵缝两侧的横缝不得相互错位。水泥混凝土路面的材料要求新拌混凝土的施工和易性-易于施工操作的性能质量均匀、密实成型硬化后混凝土的强度-抗压强度和抗弯拉强度、模量混凝土的变形特性-弹性变形、徐变变形、温度变形、干燥收缩变形耐久性-混凝土抵抗环境介质作用而保持其形状、质量和适用性的能力,水泥混凝土路面排水水产生的有害影响 使无粘结粒状材料和地基土的强度降低。由于移动车辆产生高动水压力，会使路面基层的细颗粒产生唧泥，使面板支撑不均匀或失去支撑。混凝土路面因板底脱空产生错台、开裂和整个路肩破坏。在冰冻深度大于路面厚度的北方地区，高地下水位会造成冻胀，并在冻融期间降低承载能力。水使冻（膨）胀土产生不均匀冻（膨）胀。,排水问题的重要性 国外的一些对比分析和试验路段观察结果表明，设置完善路面排水设施的路面，其使用寿命要比未设的提高30%（沥青混凝土路面）和50%（水泥混凝土路面）左右。排水设计的原则1）要充分利用有利地形和自然水系，排水沟渠宜短不宜长，就近分流；2）注意与农田水利相配合；3）进行调查研究，全面规划，还应与路基防护加固相配合；4）尽量不破坏天然水系；5）就地取材，讲究经济效益；6）尽量阻止水进入路面结构，并迅速排除路面结构内的水。,路面排水系统的组成路面表面排水方式：主要通过设置横坡，迅速排除降雨。行车道路面应设置单向或双向横破，坡度为1%-2%，路肩宜稍大。中央分隔带和路肩排水方式：主要采用设置排水盲沟的方式。路面结构内部排水方式：通过设置排水垫层/基层。,路肩路肩铺面结构应具有一定的承载能力,其结构层组合和材料选用应与行车道路面相协调,并保证进入路面结构中的水的排除。路肩铺面可选用水泥混凝土面层或沥青面层。路肩水泥混凝土面层的厚度通常采用与行车道面层等厚,其基层宜与行车道基层相同。选用薄面层时,其厚度不宜小于150mm,基层应采用开级配粒料。路肩沥青面层宜选用密实型沥青混合料口其基层可选用无机结合料稳定粒料或级配粒料。行车道路面结构不设内部排水设施时,沥青面层和不透水基层的总厚度不宜超过行车道面层的厚度,基层下应选用透水性粒料填筑。,接缝构造和布置,设置接缝的理由水泥混凝土硬化过程中的收缩；施工过程应设置工作缝；混凝土面板的热胀冷缩 温度均匀变化时：水平拉伸、或水平压缩温度不均匀变化时：白天，板表面温度高于板底温度，水泥砼板中部有向上隆起的趋势，受阻后，顶面受压、板底受拉；夜晚相反，板边有翘起趋势，顶面受拉、板底受压,横向接缝的间距按面层类型和厚度选定普通混凝土面层一般46m，面板的长宽比不宜超过1.30，平面尺寸不宜大于25m2；碾压混凝土或钢纤维混凝土面层一般 610m；钢筋混凝土面层一般 615m,水泥混凝土路面的横向接缝横向接缝 垂直于行车方向的接缝，包括缩缝、胀缝和工作缝 缩缝：保证板因温度和湿度的降低而收缩时沿该薄弱断面缩裂，从而避免产生不规则的裂缝。胀缝：保证板在温度升高时能部分伸张，从而避免产生路面板在热天的拱胀和折断破坏，同时胀缝也能起到缩缝的作用。施工缝：因施工不连续，暂时停止施工时要设置施工缝。常设置在缩缝、胀缝位置处，必须添加传力钢筋，保证纵向整体性。,横缝的构造与设置,胀缝的构造,胀缝是水泥混凝土最薄弱的环节，目前高速公路一般板厚较大，温度升高产生的热压应力不会造成压屈破坏，适量的热压应力还有利于提高路面的整体强度，因此高速公路水泥混凝土路面一般可不设置胀缝（特殊路段如与其他结构物联接处除外）。,缩缝的构造,缩缝间距一般46m，同板长，根据气温状况、地质水文情况选择。如：5m4m的板块，按5m固定间距设置缩缝。,施工缝的构造,施工缝一般尽量选择在胀缝、缩缝处设置，构造与重交通的缩缝构造（b）相似，或者选用企口缝。,横向接缝的间距按面层类型和厚度选定,普通混凝土面层一般4-6m，面板的长宽比不宜超过1.30，平面尺寸不宜大于25m2；碾压混凝土或钢纤维混凝土面层一般6-10m；钢筋混凝土面层一般6-15m,水泥混凝土路面的纵向接缝,纵缝的构造与设置,纵缝：平行于行车方向的接缝，用来控制路面板因翘曲应力与荷载应力共同作用下产生不规则的纵向裂缝。原因：1）混凝土摊铺机仅能摊铺一个车道宽度，纵缝做成真缝形式（平头缝）,2）混凝土摊铺机全路幅摊铺，摊铺宽度两侧做成真缝；摊铺宽度范围内按照车道宽度设置纵缝，做成假缝或者企口缝,纵缝的位置,根据路面设计宽度，按34.5m设置，一般等间距。一般选择在车道标线处；靠近中央分隔带的内侧车道，路缘带与车道间不另设纵缝；外侧车道，纵缝外移路缘带宽度；,拉杆的设置,拉杆：指用于纵缝，以保证板块间沿道路横向的联系为主要目的设置的钢筋。一般采用长度50-70cm、直径18-20mm、间距1.0-1.5m螺纹筋。拉杆设置要求：一般纵缝应设拉杆。,纵横缝的布置,交角：纵缝与横缝一般垂直正交，纵缝两旁的横缝一般成一条直线。在交叉口、匝道位置处，尽量使得纵横缝的夹角为钝角；横缝间距：4-6m（缩缝），我国缩缝间距一般5m；纵缝间距：3-4.5m，我国车道宽3.253.75m，纵缝设置间距?趋势：胀缝少；缩缝间距不等，按4、4.5、5、5.5和6m的顺序设置；横缝与纵缝交成80度左右的斜角。,边缘钢筋,一般设置在纵向，横向只在胀缝两侧或起终点处设置。采用两根直径12-16mm的钢筋，用直径6mm的钢筋固定，端部应弯起，放置在板厚下1/4-1/3处，并保证离板边缘5cm的净距。,角隅钢筋,设置在胀缝两侧板的角隅处，采用两根直径12-14mm，长度2.4m的螺纹钢筋，设在板的上部，并离板顶留有5cm以上净距，距板纵、横边缘各10cm。当交叉口或斜桥处，出现板块锐角时，应增加双层补强钢筋网，以直径6mm钢筋，10cm间距斜交平行排列，设在距板顶、底5-7cm处。,砼路面与桥梁相接的处理,一般桥梁设置桥头搭板，一端放置于桥台上，设置防滑锚固钢筋。斜交桥梁设置渐变板，斜角大于70o设置一块，45o-70o设置两块，小于45o设置至少三块，并要求渐变板短边不小于5m。长边不大于10m。角隅处要设置钢筋网补强。渐变板和搭板 均应按计算配筋量设置钢筋。,渐变板和搭板,水泥砼路面与其它路面相接时的处理,一般规定混凝土路面与固定构造物相衔接的胀缝无法设置传力杆时，可在毗邻构造物的板端部配置双层钢筋网；或端部增加板厚；混凝土路面与桥梁连接，设置610m的过渡板，或设置23道传力杆胀缝；桥头未设置搭板，应设计钢筋混凝土路面。,水泥砼路面的接缝材料接缝板和填缝料 接缝板：耐久性、伸缩弹性（高、低温均佳）；填缝料：要具有良好粘性。接缝板种类 木材板、纤维板、泡沫树脂板等。填缝料 加热施工类：沥青橡胶类、沥青玛碲脂类；常温施工类：聚氯乙稀胶泥类、自流平硅胶等；,第三节 水泥混凝土路面板厚设计方法,水泥混凝土路面结构设计内容路面结构层组合设计；混凝土面板厚度设计；混凝土面板的平面尺寸与接缝设计路肩设计；混凝土路面的钢筋配筋率设计,交通参数,水泥路面的轴载换算,小于40KN 的单轴和80KN 双轴可略去不计,交通等级划分,路面设计参数,设计基准期、目标可靠度和目标可靠度指标,路面可靠度的定义在规定的设计使用年限内，在环境条件和荷载作用下，路面能够发挥其预期功能的概率。我国水泥混凝土路面设计方法：路面板的车辆荷载疲劳应力及温度疲劳应力之和小于混凝土的极限抗折强度。公式左边三项分别代表：可靠度系数、荷载疲劳应力和温度疲劳应力；右边是水泥混凝土面板材料的极限抗折强度。,材料参数与结构参数的变异性范围,对应于目标可靠度的可靠度系数,混凝土材料要求,垫层要求,温度梯度,基层顶面当量回弹模量和计算回弹模量,新建公路,旧路加铺：原有沥青路面加铺水泥混凝土路面时,荷载疲劳应力分析,临界荷位概念：最大荷载和温度梯度综合疲劳损坏最大的位置-临界荷位。临界荷位位置：混凝土板的纵向边缘中部荷载疲劳应力计算,各类接缝的传荷系数及规范取值,考虑轴载累计作用次数的疲劳应力系数,标准轴载在四边自由板的临界荷位处产生的荷载应力,综合系数kc,温度疲劳应力,临界荷位处的温度应力：,设计标准,设计流程,设计示例,公路自然区划区拟新建一条二级公路，路基为粘质土，采用普通混凝土路面，路面宽9m，经交通调查得知，设计车道使用初期标准轴载日作用次数为2100次，试设计该路面的厚度。,交通分析,二级公路的设计基准期查表为20年，其可靠度设计标准的安全等级查表为三级。临界荷位处的车辆轮迹横向分布系数查表查表取0.39。取交通量年增长率为5。设计基准期内的设计车道标准荷载累计作用次数按公式计算,初拟路面结构,相应于安全等级三级的变异水平等级为中级。根据二级公路、重交通等级和中级变异水平，初拟普通混凝土面层厚度为0.22m。基层选用水泥稳定粒料（水泥用量5），厚0.18m。垫层为0.15m低剂量无机结合料稳定土。普通混凝土板的平面尺寸为宽4.5m，长5m。纵缝为设拉杆平缝，横缝为不设传力杆的假缝。,路面材料参数确定,取重交通等级的普通混凝土面层弯拉强度标准值查表为5.0MPa，相应弯拉弹性模量标准值查参考值表为31GP。根据中湿路基路床顶面回弹模量经验参考值表，取路基回弹模量为30MPa，根据垫层、基层材料回弹模量经验参考值表，取低剂量无机结合料稳定土垫层回弹模量为600MPa，水泥稳定粒料基层回弹模量为1300MPa。,计算基层顶面当量回弹模量,荷载疲劳应力,普通混凝土面层的刚度半径,荷载应力,标准轴载在临界荷位处产生的荷载应力：,修正系数确定,修正的荷载疲劳应力,温度疲劳应力参数,区最大温度梯度查表取88（/m）。板长5m，L/r=5/0.67=7.46，由查图得普通混凝土板厚h=0.22m，Bx0.71。按公式计算最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力：,计算温度疲劳应力系数,计算温度疲劳应力,可靠度系数,二级公路的安全等级为三级，相应于三级安全等级的变异水平等级为中级，目标可靠度为85。由查得的目标可靠度和变异水平等级，查表确定,可靠度系数=1.13,判断结构是否满足要求,因而，所选普通混凝土面层厚度（0.22m）可以承受设计基准期内荷载应力和温度应力的综合疲劳作用。,第四节 水泥混凝土路面的施工工艺,原材料-水泥,砂,提高混凝土早期强度。,引气剂,速凝剂,氯化钙,缓凝剂,柠檬酸,提高抗冻性、抗渗性、抗蚀性。需注意由于气泡的存在，混凝土强度有一些降低（可达1020）。,减水剂一方面减少水的用量，保持工作性不变，另一方面提高混凝土强度。,水溶性树脂减水剂,木质素系减水剂,萘系减水剂,早强剂,增强混凝 土耐冻性,调整混凝土凝结时间,改善新拌混 凝土流变性,外加剂,施工准备工作,施工机械的选择 摊铺设备、搅拌设备布置拌和场 拌和场布置原则：交通便利、空间足够、水电方便。材料试验与配合比设计 对选定粗、细集料等进行相关试验，验证满足集料的技术指标要求，然后进行配合比设计。基层质量的检查与整修 保证水泥混凝土路面基层的平整、坚实，平面尺寸、标高和横坡满足要求。洒水润湿、加铺沥青薄层或防水薄膜 洒水防止水泥混凝土铺筑时下部水份散失，引起干缩裂缝。沥青层主要防水,混凝土板施工顺序,立模安置钢筋网混凝土拌和运输摊铺与振捣设置接缝表面处理养生与填缝,第五节 其它类型混凝土路面简介,钢筋混凝土路面1）适用场合：混凝土板块尺寸较大时，或基层易产生不均匀沉降或板下埋有地下设施时。2）特点：配置纵、横向钢筋网，主要目的是控制裂缝的开展；注意点：钢筋最小间距大于最大粒径两倍以上，搭接长度应为直径的24倍以上，钢筋保护层厚度大于5cm；板长一般10-20m，不超过30m,装配式混凝土路面,混凝土预制块拼接路面,混凝土小块铺砌路面,特点：以砼预制块拼装而成，不受气候影响，施工进度快，不需特殊养护，易维修，但接缝多，整体性差，易颠簸。适用于城市道路/停车场/堆场，不适于公路。形状：矩形、正方形或六角形，可加预应力。,特点：小尺寸（一般小于0.03m2），抗压强度高(60MPa)，在基层上设置3cm左右的整平层，然后进行拼装。优点：便于维修，耐压适用场合：城市道路人行道，停车场、堆场等。,钢纤维混凝土路面,特点：混合料中加入1.0-1.2（体积比）的钢纤维，形成混凝土复合材料。优点：抗弯拉、抗压、抗剪强度显著提升，耐磨、抗裂、抗疲劳和抗冻融能力都有提升。注意点：钢纤维掺入比例不宜太高，否则施工和易性降低；纤维长度不宜太长，否则拌和不匀，过短则强度增长不多，适宜长度25-60mm，直径，长径比50-70；拌和加料顺序：砂、碎石、水泥、钢纤维；表面钢纤维要拔出；按照一般混凝土路面厚度设计方法设计厚度，然后折减,碾压混凝土路面,特点：通过碾压达到成型的目的，区别于一般的震捣。水泥用量7-8，用水量小，施工速度快，养生时间短。适用：二级及以下公路的面层和高等级公路的基层。其耐磨性差于一般混凝土路面。集料要求：集料最大粒径20mm。,复合式混凝土路面,根据双层混凝土路面上下层板之间结合程度的不同，有结合式、分离式和部分结合式。,连续配筋水泥砼路面（CRCP）,CRCP是指在路面纵向连续配置足够数量的钢筋，以控制混凝土路面板纵向收缩产生裂缝的间距和缝隙大小，从而可在路面纵向不设接缝的混凝土路面。,连续配筋混凝土路面（Continuously Reinforced Concrete Pavement，简称CRCP）在路面纵向配有足够数量的钢筋，控制混凝土路面板纵向收缩产生的开裂，因此CRCP在施工时完全不设胀、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表面，改善了汽车行驶的平稳性，同时也增加了路面板的整体强度。,CRCP具有耐久性好，行车舒适平顺，施工进度快，极少养护的优点。从长期使用性能来看，CRCP的经济性也很好，现已广泛地应用于高等级公路，机场道面及现有道路的加固。同时，有关CRCP各方面的研究也取得了许多成果和经验。,