談鋼纖維混凝土路面設(shè)計(jì)方法

周 惠 周志華 廖家榮

1 概述

鋼纖維混凝土是在普通混凝土中摻入亂向分布的短鋼纖維所形成的一種新型的多相復(fù)合材料。這些亂向分布的鋼纖維能夠有效地阻礙混凝土內(nèi)部微裂縫的擴(kuò)展及宏觀裂縫的形成，顯著地改善了混凝土的抗拉、抗彎、抗沖擊及抗疲勞性能，具有較好的延性。其物理和力學(xué)性能優(yōu)于普通混凝土路面。適用于橋面鋪裝、機(jī)場(chǎng)跑道、停車場(chǎng)和舊混凝土路面的加鋪層等場(chǎng)合?，F(xiàn)行《水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)鋼纖維混凝土路面設(shè)計(jì)僅作了簡(jiǎn)單的規(guī)定:面板厚度取普通混凝土路面面板厚度的0.55倍～0.65倍，且不小于10cm。但混凝土新型的路面材料的優(yōu)良性能在設(shè)計(jì)過(guò)程中未能體現(xiàn)出來(lái)。因此，有必要對(duì)鋼纖維混凝土的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行探討。

2 設(shè)計(jì)方法

在現(xiàn)有普通混凝土路面的設(shè)計(jì)方法中以鋼纖維混凝土的設(shè)計(jì)參數(shù)(設(shè)計(jì)彎拉強(qiáng)度f(wàn)cm、彎拉彈性模量Ec)取代普通混凝土的設(shè)計(jì)參數(shù)，進(jìn)行鋼纖維混凝土路面設(shè)計(jì)。

鋼纖維混凝土的設(shè)計(jì)彎拉強(qiáng)度f(wàn)cm、彎拉彈性模量Exc無(wú)圖表可查，需要通過(guò)試驗(yàn)的方法獲得。鋼纖維混凝土的厚度計(jì)算先按普通混凝土的規(guī)定進(jìn)行，然后決定鋼纖維混凝土厚度，即根據(jù)鋼纖維的體積率(一般為0.75%～1.2%)，采用普通混凝土加鋪層厚度，其厚度還應(yīng)符合鋼纖維加鋪層最小厚度的規(guī)定。鋼纖維混凝土彎拉彈性模量Exc可由其彎拉強(qiáng)度推算。下面以實(shí)例闡明鋼纖維混凝土路面設(shè)計(jì)方法和步驟。

3 鋼纖維混凝土路面設(shè)計(jì)實(shí)例

江西有一條二級(jí)公路，根據(jù)全國(guó)公路自然區(qū)劃圖屬于Ⅳ5區(qū)，其公里樁K23+000～K25+200原設(shè)計(jì)為瀝青碎石路面，因該段設(shè)計(jì)標(biāo)高低，基本與兩邊農(nóng)田齊平，路基經(jīng)處理后測(cè)得的彎沉值基本達(dá)到要求，經(jīng)研究確定改鋼纖維混凝土面層。

3.1 交通分析

根據(jù)2004年度當(dāng)?shù)毓饭芾砭纸煌ㄕ{(diào)查資料，將該路段各類車輛日交通量進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)軸載換算得:N1=270軸次/d。交通量年增長(zhǎng)率r=5%;車輛代表車型估計(jì)誤差修正系數(shù)rq=1.2。故該工程竣工后第一年的標(biāo)準(zhǔn)軸載BZZ-100平均日當(dāng)量作用次數(shù)Ns=270×1.2×(1+5%)=270×1.26=340次/d。查表知屬重交通。

當(dāng)設(shè)計(jì)年限t=30年、車道系數(shù)c=0.35，可計(jì)算得到設(shè)計(jì)年限內(nèi)一個(gè)車道上標(biāo)準(zhǔn)軸載累計(jì)作用次數(shù)Ne為:

3.2 初擬路面結(jié)構(gòu)

初估混凝土板厚24cm，則取鋼纖維混凝土板厚24×0.6≈14cm，基層選用水泥穩(wěn)定粒料20cm，E2=400mPa，板平面尺寸選為寬3.0m，長(zhǎng)5.0m，縱縫為設(shè)計(jì)拉桿平縫，橫縫為不設(shè)傳力桿的縮縫(假縫)。

3.3 確定基層頂面的回彈模量Et

3.3.1 實(shí)測(cè)彎沉確定土基回彈模量E0

由E0與L0的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式:E0=2 430×L0-0.7實(shí)測(cè)土基彎沉即可求得土基回彈模量。

該段實(shí)測(cè)彎沉數(shù)據(jù)如下(單位:0.01mm):

一組:114 173 188 219 219 219 147 225 220 157 158 90 108;

二組:118 126 132 142 105 127 143 156 168 170 152 144 163;

三組:123 150 134 145 164 180 110 125 172 145 163 152 106 98 178。

表1 鋼纖維混凝土礦料級(jí)配

表2 鋼纖維混凝土抗壓、抗折強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果(面板厚度14cm)

根據(jù)實(shí)測(cè)的41個(gè)彎沉數(shù)據(jù)，計(jì)算彎沉 L平均值為152(0.01mm)，標(biāo)準(zhǔn)差 S 為 35.1(0.01mm)，保證率系數(shù) Za為1.645，得出符合規(guī)范要求的彎沉代表值:L0=L(平均)+Za×S=152+1.645 ×35.1=210(0.01mm)。

土基回彈模量計(jì)算:

試驗(yàn)結(jié)果:鋼纖維混凝土礦料級(jí)配見表1，鋼纖維混凝土抗壓、抗折強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果(面板厚度14cm)見表2。

3.3.2 確定材料參數(shù)

根據(jù)實(shí)測(cè)混凝土的設(shè)計(jì)彎拉強(qiáng)度和彈性模量，計(jì)算基層頂面的當(dāng)量回彈模量Et。

1)確定設(shè)計(jì)彎拉強(qiáng)度f(wàn)cm。

路面以設(shè)計(jì)彎拉強(qiáng)度作為設(shè)計(jì)控制指標(biāo)，取28 d齡期的14cm板厚的鋼纖維混凝土兩組試件，每組3根同條件制作和養(yǎng)護(hù)的試件，用三分點(diǎn)加載試驗(yàn)方法確定。

根據(jù)表2的抗折強(qiáng)度值，6個(gè)試件fcm平均值為7.63mPa，λ值取2，彎拉強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)差為0.103 3，則設(shè)計(jì)彎拉強(qiáng)度f(wàn)cm按下式計(jì)算:

2)確定彈性模量Ec。

因無(wú)實(shí)測(cè)條件，根據(jù)《現(xiàn)代道路路基路面工程》按下式計(jì)算:

根據(jù)回彈彎沉值L0，按下式轉(zhuǎn)換成基層頂面的當(dāng)量回彈模量Et為:

3.4 確定荷載疲勞應(yīng)力Qp

荷載在混凝土面層內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力，采用半無(wú)限大地基上彈性小擾度薄板的力學(xué)模型和有限元法進(jìn)行分析計(jì)算，并采用縱縫邊緣中部作為應(yīng)力計(jì)算時(shí)的臨界荷位。

3.4.1 確定疲勞應(yīng)力系數(shù)kf

3.4.2 計(jì)算軸載在臨界荷位處產(chǎn)生的最大應(yīng)力Qp

根據(jù)《現(xiàn)代道路路基路面工程》，不考慮接縫傳荷能力的應(yīng)力折減系數(shù)，綜合系數(shù)kc查表得1.35，應(yīng)用有限元法得出的應(yīng)力計(jì)算圖，通過(guò)查圖得出標(biāo)準(zhǔn)軸載在臨界荷位處產(chǎn)生的荷載應(yīng)力Qps。擬定鋼纖維混凝土板厚14cm，已知基層選用水泥穩(wěn)定粒料20cm，E2=400mPa，則 Ec/Ec1=36 065/400=90.2，通過(guò)查應(yīng)力計(jì)算圖得Qps=2.23mPa，修正后的荷載疲勞應(yīng)力:

3.5 確定溫度疲勞應(yīng)力Qt

3.5.1 確定溫度翹曲應(yīng)力Qtm

其中，Qtm為最大溫度梯度時(shí)的溫度翹曲應(yīng)力，MPa;ac為混凝土的線膨脹系數(shù)，通常可取1×10-5/℃;Ec為混凝土的彎拉彈性模量，MPa;h為混凝土面板厚度;Tg為所在地混凝土面板的最大溫度梯度，℃/cm，按表取用換成板厚14cm的溫度梯度值為55℃/cm;kx為考慮溫度沿板厚非線性分布的溫度應(yīng)力系數(shù)，按板長(zhǎng)L與板相對(duì)剛度半徑r的比值L/r和板厚h按圖確定，其中r=0.537h(Ec/Etc)1/3。

1)確定溫度應(yīng)力系數(shù)kx。

基層頂面當(dāng)量回彈模量的修正公式Etc=nEt=0.35×52.83=18.5mPa，則 Ec/Etc=36 065/18.5=1 949。

那么:

L/r=500/94=5.32，由板溫度翹曲應(yīng)力系數(shù)值的圖求得溫度應(yīng)力系數(shù) kx=1.09。

2)確定溫度翹曲應(yīng)力Qtm。

3.5.2 確定累計(jì)疲勞損傷系數(shù)kt

由于溫度翹曲應(yīng)力年變化所產(chǎn)生的累計(jì)疲勞損傷系數(shù)kt，按所在地公路自然區(qū)劃和最大溫度翹曲應(yīng)力Qtm同混凝土設(shè)計(jì)彎拉強(qiáng)度f(wàn)cm的比值，由相應(yīng)的溫度應(yīng)力疲勞系數(shù)表確定，則:

相應(yīng)得疲勞損傷系數(shù)kt=0.294。

3.5.3 確定溫度疲勞應(yīng)力Qt

溫度疲勞應(yīng)力:

3.6 檢驗(yàn)初擬的路面結(jié)構(gòu)

按下述條件檢驗(yàn):

其中，Qp為荷載疲勞應(yīng)力，MPa;Qt為溫度疲勞應(yīng)力，MPa;fcm為混凝土的設(shè)計(jì)彎拉強(qiáng)度，MPa。

因?yàn)闈M足Qp+Qt=(0.95～1.03)×fcm條件，所以擬定的路面面層厚度滿足要求。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)探討鋼纖維混凝土路面設(shè)計(jì)方法，闡明了路面結(jié)構(gòu)層的組合設(shè)計(jì)，應(yīng)根據(jù)該路的交通繁重程度，結(jié)合當(dāng)?shù)丨h(huán)境條件和材料供應(yīng)情況。鋼纖維混凝土路面的混凝土面板要求具有較高的彎拉強(qiáng)度，表面平整、抗滑、耐磨。它與普通混凝土路面相比，鋼纖維混凝土路面厚度可以減薄35%～45%，而縮縫間距可以增至15m～20m，脹縫與縱縫可以不設(shè)。

當(dāng)今，伴隨著運(yùn)輸量和汽車載重的增加，作為重交通或特重交通等級(jí)的水泥路面，使用鋼纖維混凝土路面將成為一種趨勢(shì)。特別在地方交通項(xiàng)目中的連接線工程以及養(yǎng)護(hù)工程中，鋼纖維混凝土路面具有很大的實(shí)用價(jià)值。

[1]JTJD40-2002，公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范[S］.

[2]JTG F30-2003，公路水泥混凝土路面施工規(guī)范[S］.

[3]JTG E30-2005，公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程[S］.

[4]尤曉暐.現(xiàn)代道路路基路面工程[M］.第2版.北京:清華大學(xué)出版社，北京交通大學(xué)出版社，2008.