（道路與鐵道工程專業(yè)論文）再生集料剛性基層結(jié)構(gòu)研究.pdf

山東大學碩士學位論文 摘要 半剛性路面是我國公路路面結(jié)構(gòu)的主要型式。由于重載交通等諸多方面的原 因，我國半剛性路面結(jié)構(gòu)早期損壞嚴重，且早期修建的高速公路陸續(xù)進入大修期， 高速公路大修任務繁重。大修中銑刨后的半剛性基層材料大量廢棄，造成巨大的 資源浪費、土地占壓，并引發(fā)一系列的環(huán)境問題。針對我國高速公路大修中半剛 性基層銑刨后浪費嚴重的現(xiàn)狀，研究了高速公路二灰碎石基層再生后做剛性基層 的技術(shù)。 提出了低配筋率鋼筋網(wǎng)混凝土剛性基層的概念，建立了鋼筋網(wǎng)混凝土基層荷 載應力簡化模型，分析了再生混凝土基層瀝青路面的荷載應力。得到標準行車荷 載和超載情況下，再生集料剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)的受力情況及應力應變變化規(guī) 律。通過三維有限元計算標準荷載和超載作用下不同配筋剛性基層結(jié)構(gòu)的應力應 變，確定不同鋼筋網(wǎng)方案對剛性基層結(jié)構(gòu)受力的影響，預測不同基層結(jié)構(gòu)瀝青路 面的疲勞壽命，確定設置鋼筋網(wǎng)的作用，鋼筋網(wǎng)的設置位置和配筋率等。 分析混凝土基層上覆瀝青面層路面結(jié)構(gòu)的溫度梯度，利用三維有限元模型， 得到路面結(jié)構(gòu)的溫度場；并計算分析了混凝土基層瀝青路面的溫度應力及耦合應 力。由于一年中溫度驟降1 5 攝氏度的天氣極少，不像車輛荷載那樣每天都有幾 千次，將溫度荷載和車輛荷載一起產(chǎn)生的耦合應力作為計算路面結(jié)構(gòu)疲勞壽命的 依據(jù)是不合理的。 采用熱一應力耦合方法，計算分析了不同剛性基層橫縫間距對剛性基層瀝青 路面溫度應力的影響，提出了適合再生集料剛性基層的橫縫間距。研究認為，鋪 筑瀝青面層后，基層的溫度梯度較小，溫度翹曲應力大幅減小，外界溫度場的變 化對再生集料剛性基層溫度應力的影響較小，再生集料剛性基層的橫縫間距由養(yǎng) 護期末的極限降溫控制。推薦出再生集料水泥混凝土基層的合理切縫間距。 根據(jù)剛性基層瀝青路面復合式結(jié)構(gòu)的具體要求，進行再生集料剛性基層瀝青 路面結(jié)構(gòu)組合設計。結(jié)合工程實踐和理論計算，推薦出基于原大修高速公路路面 結(jié)構(gòu)的合理的剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)及面層、基層厚度。并給出混凝土基層瀝青 路面的結(jié)構(gòu)設計步驟與設計實例。 鋪筑試驗路段，結(jié)合理論分析與國內(nèi)外使用經(jīng)驗，進行再生集料混凝土基層 山東大學碩士學位論文 設計及驗證，探尋合理的設計方法。 關(guān)鍵詞：半剛性基層? 再生集料? 剛性基層? 配合比? 橫縫間距，溫度應力。 i l 山東大學碩士學位論文 a b s t 隊c t s e m i r i g i dp a v e m e n ts t r u c t u r ei st h em a i nt y p eo fp a v e m e n ts 臼眥t i l r ei nc h i n a b e c a u s eo fh e a v yt r a f f i ca n dm a n yo t h e rr e a s o n s ，t h ee a r l yd a m a g eo fs e m i r i g i d p a v e m e n ts t r u c t u r ei ss e r i o u s m o r e o v e r , t h ee a r l yc o n s t r u c t e df r e e w a yi sg o i n gi n t o t h eo v e r h a u lp e r i o do n ea f t e ra n o t h e r t h em i l l e ds e m i r i g i db a s em a t e r i a li s e n o r m o u sw a s t eo fr e s o u r c e s ，a n dr e s u l ti nas e r i e so fe n v i r o n m e n t a lp r o b l e m s c o n s i d e r i n gt h es e r i o u sw a s t eo fm i l l e ds e m i - r i g i db a s ei nf r e e w a yo v e r h a u l ，a t e c h n i q u eo nr e c l a i m e dl i m e f l ya s hm a c a d a mu s e di nr i g i db a s ew a ss t u d i e d t h ec o n c e p to f r i g i db a s ew i t hm e s hr e i n f o r c e m e n tw a sp u tf o r w a r d l o a ds t r e s s s i m p l i f e dm o d e lo fr i g i db a s ew i t hm e s hr e i n f o r c e m e n tw a ss e tu p ，a n dt h es t r e s so f a s p h a l tp a v e m e n tw i 也r e c y c l e dc o n c r e t eb a s ew a sa n a l y z e d u n d e rt h es t a n d a r d t r a f f i cl o a da n do v e r l o a dc o n d i t i o n s i t ss t r e s sa n ds t r a i nc h a n g i n gr u l e sw e r eo b t a i n e d t h r o u g ht h et h r e e d i m e n s i o n a lf i i l i t ee l e m e n tm e t h o d s t r e s s s t r a i no fr i g i ds 1 帥c t i j r e s o fd i f f e r e n tr e i n f o r c e m e n tu n d e rs t a n d a r dl o a da n do v e r l o a dw a sc a l c u l a t e dt o d e t e r m i n et h ei m p a c to fd i f f e r e n tp r o g r a m so nt h em e s hr e i n f o r c e m e n ts l m c t l i e s t h e f a t i g u el i v e so fa s p h a l tp a v e m e n t 謝n 1d i f f e r e n tr i g i db a s es t r u c t u r e sw e r ep r e d i c t e d t h er o l eo fm e s hr e i n f o r c e m e n t ，t h er e i n f o r c e m e n tn e ts e t t i n g sl o c a t i o na n d r e i n f o r c e m e n tr a t i ow e r ed e t e r m i n e d t h e t e m p e r a t u r eg r a d i e n to fc o n c r e t eb a s es 1 蚋j c t i 鵬w i t ha s p h a l ts u r f a c ew a s a n a l y z e d t h et e m p e r a t u r ef i e l do fp a v e m e n ts t r u c t u r ew a so b t a i n e du s i n g t h r e e d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n tm o d e l t h et h e r m a ls t r e s sa n dc o u p l i n gs t r e s so f a s p h a l tp a v e m e n t 、 ，i t l lc o n c r e t eb a s ew e r ea n a l y z e d s t u d i e ss u g g e s tt h a t ：t h ew e a t h e r o ft e m p e r a t u r ed r o p p e d15 。cad a yi sr a r e l y ，u n l i k et h ev e h i c l el o a da st h o u s a n d s t i m e se v e r yd a y t a k i n gt h ec o u p l i n gs t r e s sa st h ec a l c u l a t i o nb a s i so ff a t i g u ei i f ei s u n r e a s o n a b l e a d o p t i n gt h e r m a l - s t r e s sc o u p l i n gm e t h o d ，t h e r m a ls t r e s so fa s p h a l tp a v e m e n t w i t hr i g i db a s ew i t hd i f f e r e n tt r a n s v e r s ei o i n ts p a c e sw a sc a l c u l a t e da n da n a l y z e d t h e t r a n s v e r s ej o i n ts p a c es u i t a b l ef o rr i g i db a s eo fr e c y c l e da g g r e g a t ew a sp u tf o r w a r d s t u d i e ss u g g e s tt h a tt e m p e r a t u r eg r a d i e n ta n dw a r p i n gs t r e s sd e c r e a s e ds h a r p l ya f t e r p a v i n ga s p h a l tc o n c r e t e n et r a n s v e r s ej o i n ts p a c e i sc o n t r o l l e d b ye x t r e m e t e m p e r a t u r er e d u c t i o no fr i g i db a s ei n i t sc u r l i n gp e r i o d t h er e a s o n a b l et r a n s v e r s e j o i n ts p a c e o fr e c y c l e da g g r e g a t ec o n c r e t eb a s ew a sr e c o m m e n d e d i na c c o r d a l i c ew i t ht h es p e c i f i cr e q u i r e m e n t so fc o m p o s i t es t r u c t u r eo f a s p h a l t p a v e m e n t 、航mr i g i db a s e t h ep a v e m e n ts t r l l c t l i ew a sd e s i g n e d c o m b i n e dw i t h e n g i n e e r i n gp r a c t i c ea n dt h e o r e t i c a lb a s i s ，r e c o m m e n dt h er e a s o n a b l ea s p h a l t p a v e m e n ts n u c t l l r e 、 ，i t l lr i g i db a s ei nt h eh i g h w a yo v e r h a u la n dg i v es t r u c t u r a ld e s i g n p r o c e d u r e sa n dd e s i g ne x a m p l e s c o m b i n e dw i t ht h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de x p e r i e n c eb o t l la th o m ea n da b r o a d t r i a lp a v e m e n ts e c t i o n sw e r ec o n s t r u c t e d ，t h ed e s i g na n dv e r i f i c a t i o no fr e c y c l e d a g g r e g a t er i g i db a s ew a sc a r r i e do u t i l l 山東大學碩士學位論文 k e yw o r d ：s e m i r i g i db a s e7r e c y c l e da g g r e g a t e r i g i db a s e , m i x t u r er a t i o t r a n s v e r s e j o i n ts p a c e t h e r m a ls t r e s s - i v 原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的學位論文，是本人在導師的指導下，獨立 進行研究所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不包含 任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的科研成果。對本文的研究作出 重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本聲明的法律責 任由本人承擔。 論文作者簽名：翼叢 日 期：絲卑：絲 關(guān)于學位論文使用授權(quán)的聲明 本人完全了解山東大學有關(guān)保留、使用學位論文的規(guī)定，同意 學校保留或向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復印件和電子版，允 許論文被查閱和借閱；本人授權(quán)山東大學可以將本學位論文的全部 或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或其他 復制手段保存論文和匯編本學位論文。 ( 保密論文在解密后應遵守此規(guī)定) 論文作者簽名：翼堂裊導師簽名： 期： 山東大學碩士學位論文 1 1 研究目的及意義 第一章緒論 半剛性路面是我國公路路面結(jié)構(gòu)的主要型式。由于諸多方面的原因，我國半 剛性路面結(jié)構(gòu)早期損壞嚴重，且早期修建的高速公路陸續(xù)進入大修期，高速公路 大修任務繁重。大修中銑刨后的半剛性基層材料大量廢棄，造成巨大的資源浪費、 土地占壓，并引發(fā)一系列的環(huán)境問題。本課題將銑刨的半剛性基層材料用作瀝青 路面剛性基層，探討經(jīng)濟耐久的再生集料剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)形式。 半剛性路面結(jié)構(gòu)對抵抗重載起到了良好的作用。但是，由于半剛性基層的干 縮、溫縮與脆性特性，以及重載交通的作用，基層開裂現(xiàn)象嚴重。基層一旦開裂， 動載下的板塊活動使瀝青面層底部拉應力與剪應力大幅增長而導致反射裂縫與 面層的快速疲勞，加速路面結(jié)構(gòu)的開裂與唧漿破壞，破壞后其養(yǎng)護維修費用高。 由于半剛性路面的開裂唧漿難以修復，近年來許多高速公路大修中將柔性基層應 用于高速公路的維修結(jié)構(gòu)中。但由于重載、柔性結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)的協(xié)同性等問題， 修復后的路面也出現(xiàn)了一些新的路面結(jié)構(gòu)病害。 高速公路大修過程中，銑刨的大量半剛性基層材料被作為廢料拋棄，不僅占 壓土地，而且對環(huán)境造成不利影響。銑刨的半剛性基層材料，特別是上基層材料， 具有一定的級配、較高的強度，仍具有較高的利用價值。以銑刨的半剛性上基層 材料作為骨料，配制成水泥混凝土剛性基層，探討高速公路半剛性路面結(jié)構(gòu)大修 中修建剛性基層瀝青路面的可行性，這對于缺乏石料地區(qū)，半剛性基層材料的再 生利用，對保護環(huán)境與資源，降低工程建設成本，改善路面結(jié)構(gòu)的受力狀況，延 長路面結(jié)構(gòu)使用壽命，具有重要的經(jīng)濟和社會意義。 本課題依托京福高速德州段，對高速公路大修過程中原有二灰碎石半剛性基 層的就地利用，研究二灰碎石再生集料的性能與再生利用技術(shù)，提高路面結(jié)構(gòu)的 耐久性能。本項目通過室內(nèi)實驗、試驗路鋪筑及路面結(jié)構(gòu)力學的有限元計算分析， 研究能抵抗重車、結(jié)構(gòu)合理、經(jīng)濟耐用的再生集料剛性基層結(jié)構(gòu)，提高路面結(jié)構(gòu) 的耐久性能。這對于探討高速公路維修中再生集料的利用，節(jié)約資源，降低工程 成本，減少礦山開采，保護環(huán)境與資源具有重大的社會與經(jīng)濟效益，是實現(xiàn)建筑 資源環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的主要措施之一。 山東大學碩士學位論文 1 2 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 目前，國內(nèi)、外對半剛性基層材料的再生利用主要是與瀝青面層一起銑刨后 進行冷再生利用。近年來，國內(nèi)、外對冷再生技術(shù)進行了大量研究。在國外，美 國、芬蘭、法國及歐洲一些國家對瀝青砼冷再生利用的配合比設計、施工工藝等 進行了研究，在國內(nèi)，同濟大學的薛明i l j 、廣東路橋的肖盈【2 】等，對瀝青路面冷 再生的材料、工藝、穩(wěn)定劑及改性機理等進行了試驗和理論研究，并在部分公路 上進行了試驗推廣。但是，總體而言，冷再生利用技術(shù)尚不成熟，冷再生混合料 的材料性能、配合比設計方法、及路用性能有待進一步研究，冷再生技術(shù)在高速 公路中的利用受到一定的限制。在國內(nèi)，張超【3 】、李征【4 】等人也就利用舊水泥混 凝土做道路基層的技術(shù)開展了一些初步研究。 由于剛性基層瀝青路面具有良好的耐久性和抗重車能力，素混凝土或連續(xù)配 筋混凝土基層瀝青路面在美、英、德等國的高速公路中應用較多。我國長安大學 自2 0 0 1 年至今一直對貧混凝土l 引、水泥混凝土、連續(xù)配筋混凝土及多孔混凝土【6 】 等剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)的力學特性和結(jié)構(gòu)設計方法進行研究。馬慶雷【_ 7 】等對基 于剛性基層( 包括貧混凝土、水泥混凝土和鋼筋混凝土基層) 的耐久性瀝青路面 結(jié)構(gòu)進行研究。但上述研究均未對剛性基層的板塊尺寸、切縫間距等進行深入的 理論分析和試驗研究，所提出的切縫間距等技術(shù)數(shù)據(jù)缺乏理論依據(jù)。 如何充分利用半剛性基層材料，并再生后做剛性基層，以修筑耐久性好、抗 重車能力強的剛性基層瀝青路面，國內(nèi)外研究尚為空白。根據(jù)我國高速公路大修 任務艱巨、半剛性基層銑刨后浪費嚴重的現(xiàn)狀，將半剛性基層再生后用作瀝青路 面的剛性基層，具有巨大的社會、經(jīng)濟效益和現(xiàn)實意義。以下分幾個部分介紹相 關(guān)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀：再生集料利用的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，剛性基層的國內(nèi)外研究 現(xiàn)狀，及鋼筋網(wǎng)加固技術(shù)的研究現(xiàn)狀，及剛性基層切縫間距的研究現(xiàn)狀。 1 2 1 剛性基層的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 剛性基層主要指以貧混凝土、水泥混凝土和連續(xù)配筋混凝土等材料作道路基 層。這類基層強度高，抗沖刷能力強，耐久性好。加鋪瀝青面層材料后，可以綜 合剛性路面和柔性路面的優(yōu)勢，大大延長路面的使用壽命。在美、英、德等國也 較多的采用素混凝土或連續(xù)配筋混凝土作為高速公路瀝青路面基層。其中連續(xù)配 2 山東大學碩士學位論文 筋混凝土基層路面結(jié)構(gòu)于1 9 世紀3 0 年代最早出現(xiàn)在美國新澤西州，后來在歐美得 到了較為廣泛的應用。 我國長安大學自2 0 0 1 年至今一直對貧混凝土、水泥混凝土、連續(xù)配筋混凝 土及多孔混凝土等基層瀝青路面結(jié)構(gòu)進行研究，并通過實驗路研究提出合理的結(jié) 構(gòu)形式。 長安大學的劉偉1 5 j 對貧混凝土基層混凝土路面結(jié)構(gòu)的力學特性和結(jié)構(gòu)設計 方法進行深入研究，認為貧混凝土具有比常用的半剛性基層材料更加優(yōu)良的疲勞 性能，提出了貧混凝土基層混凝土路面的概率型結(jié)構(gòu)設計方法。提出了貧混凝土 兩種形式的疲勞方程，并據(jù)此推導了混凝土路面結(jié)構(gòu)貧混凝土基層的疲勞應力系 數(shù)和瀝青路面結(jié)構(gòu)貧混凝土基層的抗彎拉強度結(jié)構(gòu)系數(shù)。 對貧混凝土基層混凝土路面現(xiàn)有結(jié)構(gòu)設計方法的應力計算進行了分析，發(fā)現(xiàn) 等剛度法用于雙層板路面的荷載應力計算是可行的，但用于溫度應力計算會引起 較大的誤差。 利用三維有限元方法對貧混凝土基層混凝土路面進行了荷載應力和溫度應 力的大量計算，通過回歸，得出了貧混凝土基層混凝土路面荷載應力及溫度應力 實用計算公式。針對規(guī)范中軸載換算存在的問題，分別根據(jù)面層和基層的荷載應 力公式和疲勞方程，提出軸載換算公式以及疲勞應力系數(shù)。 長安大學的馬慶雷f 7 】對基于剛性基層( 包括貧混凝土、水泥混凝土和鋼筋混 凝土基層) 的耐久性瀝青路面結(jié)構(gòu)進行研究。認為剛性基層瀝青路面較半剛性基 層瀝青路面具有使用壽命長，減少行程時間費、車輛運行費和事故費，可在較長 時間內(nèi)保持較高的服務能力，大大減少時間壽命周期費用等優(yōu)點。 提出了普通水泥混凝土基層、貧混凝土基層厚度范圍與合理切縫間距，建立 了剛性基層瀝青路面的結(jié)構(gòu)設計方法；提出采用應力吸收層、大粒徑瀝青碎石混 合料等結(jié)構(gòu)層可有效地防止剛性基層因溫度應力而引起的瀝青面層反射裂縫。 利用三維有限元模型，分析了瀝青面層厚度、基層厚度、基層模量和路基模 量等參數(shù)對剛性基層的荷載應力、溫度應力及其兩者之間的復合應力的影響規(guī)律 及其顯著性。得出了標準軸載作用下基層應力以及不同軸型荷載作用下混凝土基 層底面的荷載應力、溫度應力及復合應力的實用計算公式。 長安大學的鄭木蓮1 6 】對多孔混凝土排水基層進行研究，認為多孔混凝土具有 3 山東大學碩士學位論文 良好的溫縮、干縮、抗沖刷和抗凍等物理性質(zhì)。對疲勞試驗數(shù)據(jù)進行分析，得出 了多孔混凝土作為水泥混凝土路面下面層荷載應力計算的疲勞應力系數(shù)，和作為 瀝青路面基層層底彎拉應力驗算的抗拉強度結(jié)構(gòu)系數(shù)。 對于多孔混凝土基層水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)設汁，提出了組合設計的具體要 求。從分析路面溫度場入手，研究了多孔混凝土基層的溫度翹曲應力和溫度脹縮 應力，據(jù)此分析了多孔混凝土基層接縫的設置依據(jù)和縫間距離。最后綜合路面排 水分析和應力分析與結(jié)構(gòu)計算兩部分內(nèi)容，提出多孔混疑土基層水泥混凝土路面 的結(jié)構(gòu)設計方法。 但是目前還未發(fā)現(xiàn)利用破碎半剛性基層作為再生集料骨料，進行水泥混凝土 剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)設計的先例。 1 2 2 鋼筋網(wǎng)加固技術(shù)的研究現(xiàn)狀 在公路建設中一般采用連續(xù)配筋混凝土或鋼絲網(wǎng)加固技術(shù)，很少采用鋼筋 網(wǎng)。國內(nèi)外對連續(xù)配筋混凝土的研究已經(jīng)非常成熟，并且都制定了相關(guān)的設計施 工規(guī)范。但由于連續(xù)配筋混凝土基層瀝青路面用筋多，較難推廣；近年又提出鋼 絲網(wǎng)加固技術(shù)，如陜西榆林地區(qū)就是為了改善瀝青混凝土路面推移病害，在瀝青 碎石路面中加入鋼絲網(wǎng)【1 引。再如長安大學公路學院、陜西榆林公路管理局、中交 第一公路勘察設計研究院聯(lián)合研究【l9 】在楊靖線上的陡坡推移路段，針對沙漠地區(qū) 公路的網(wǎng)裂和推移病害，分別采用瀝青微表處理和改性瀝青混合料加鋪鋼絲網(wǎng)施 工的工藝進行處理。選用直徑為3 m m 的成品鋼絲網(wǎng)，每片為l o m 2 的等邊菱形網(wǎng) 格，菱形邊長6 c m ，鋼絲網(wǎng)的連接為點焊焊接；瀝青采用成品改性瀝青，并且在 混合料中添加1 一的水泥。對雙面層路面，澆灑透層油一攤鋪4 c m 瀝青碎石下 面層一鋪設鋼絲網(wǎng)一攤鋪3 c m 瀝青碎石上面層一碾壓一改性瀝青薄層罩面。單面 層路面，澆灑透層油一鋪設鋼絲網(wǎng)一攤鋪瀝青碎石面層一碾壓一改性瀝青薄層罩 面。歷時一年后，尚未出現(xiàn)推移、擁包，取得了較好的效果。 焊接鋼筋網(wǎng)混凝土結(jié)構(gòu)一般應用于大型現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)和橋梁中，在國外已 經(jīng)有廣泛的研究。焊接鋼筋網(wǎng)的應用始于1 9 0 1 年美國的馬薩諸塞州 ( m a s s a c h u s e t t s ) 2 0 】，用作預制混凝土的配筋。早在2 0 世紀初1 2 1 1 ，德國、意大 利、奧地利、法國、美國等國家就制定了焊接鋼筋網(wǎng)的標準。我國在2 0 世紀9 0 4 山東大學碩士學位論文 年代以后才逐漸采用焊接鋼筋網(wǎng)，1 9 9 5 年頒布實施了鋼筋混凝土用焊接鋼筋 網(wǎng)，1 9 9 7 年頒布實施了焊接鋼筋網(wǎng)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程。目前我國焊接鋼 筋網(wǎng)的研究應用尚處于起步階段，與發(fā)達國家有較大差距，規(guī)程提出其適用范圍 僅為工業(yè)及民用房屋及一般構(gòu)筑物的板和墻的混凝土結(jié)構(gòu)。 本課題采用鋼筋網(wǎng)加固半剛性基層再生集料剛性基層路面結(jié)構(gòu)目前國內(nèi)外 尚未有研究。 1 2 3 剛性基層橫縫間距的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 混凝土基層的橫向裂縫主要是由于在環(huán)境溫度和相對濕度的影響下產(chǎn)生的 溫縮變形和干縮變形引起的。一般而言，混凝土隨含水量變化而引起的干縮變形， 主要取決于拌制混凝土時的單位用水量。單位用水量越大，干燥時的收縮也越大。 因此，應在施工條件允許的范圍內(nèi)盡可能采用較小的單位用水量。至于其他影響 因素，如水泥用量、水灰比等雖與干縮性有關(guān)，但影響程度遠不如用水量。混凝 土基層澆筑初期，表面的水分蒸發(fā)會引起表層混凝土的不均勻收縮。因此，必須 采取相應的養(yǎng)生措施，以保證混凝土有良好的凝結(jié)硬化條件。可見干縮變形受施 工條件的影響較大，可以得到有效控制，此處重點考慮溫度變形的影響。 有關(guān)碾壓混凝土、貧混凝土基層縮縫間距的研究相對較少。雖然普遍認為可 比普通水泥混凝土路面適當延長間距，但多以一定時間的工程實踐為依據(jù)。從路 面力學理論分析延長縮縫間距的機理，一般是依據(jù)干縮和溫縮系數(shù)來確定縮縫的 間距。再生集料混凝土基層的縮縫間距可參照碾壓、貧混凝土的縮縫研究成果。 對于碾壓混凝土，有文獻根據(jù)室內(nèi)伸縮值的對比試驗和試驗路的鋪筑驗證， 認為碾壓混凝土路面每隔l o 1 5 m 設置一條縮縫是可行的【2 2 1 。西班牙、法國、澳 大利亞等國家研究、應用碾壓混凝土路面施工技術(shù)已有多年歷史，但由于主要用 于建造貨場、港口碼頭、停車場和低等級道路工程，因此對接縫的研究較少，有 的甚至與瀝青路面一樣，不預設接縫，任其自由開裂。根據(jù)第十八屆世界道路會 議的資料介紹，不預設橫縫、自由開裂產(chǎn)生的橫縫間距通常為6 - 1 2 m ，有時可 達到2 0 m 。 日本道路協(xié)會1 9 9 0 年5 月制訂的“碾壓混凝土路面技術(shù)指南( 草案) 對橫 向縮縫提出的設置原則【2 3 】為：當板厚為2 5 c m 時，橫向縮縫間距為1 5 - 2 0 m ；板 5 山東大學碩士學位論文 厚小于2 5 c m 時，間距為1 0 - - 1 5 m 。但這種規(guī)定主要依據(jù)實際工程觀測，尚未見 到深入的試驗研究成果或理論分析報告。 美國混凝土學會( a c i ) 3 2 5 委員會1 9 9 5 年發(fā)表的碾壓混凝土當前工藝水平 的報告1 2 4 】中涉及碾壓混凝土路面接縫設計的內(nèi)容相當少，僅在“路面設計的考 慮”一節(jié)中提到：采用橫縫時，一般問隔在9 1 m - 2 1 3 m 之間。 英國道路研究所的足尺試驗路表明，增加貧混凝土的強度會增大溫度裂縫的 間距和寬度。為了獲得微裂縫的最佳分布，德國建議在新建的貧混凝土基層上切 縫。在下列情況下要求切縫： ( 1 ) 貧混凝土基層的厚度大于或等于2 0 c m ，橫向切縫的間距須小于5 m ； ( 2 ) 穩(wěn)定基層的抗壓強度超過上限值( 1 2 m p a ) ，橫向切縫的間距須小于5 m 。 德國對切縫間距的這一要求偏小，但其對于厚度較大，強度較高的貧混凝土 基層需作切縫處理且切縫間距較小的思想值得借鑒。f o u l k e s 認為，在水泥結(jié)基 層中采用溫縮系數(shù)高的粗集料可使板長縮短；降低貧混凝土的強度到其低限 1 0 m p a 可進一步調(diào)節(jié)裂縫的間距。但降低貧混凝土的強度對相鄰板之間的鎖結(jié)作 用有害，而這種鎖結(jié)作用可提高整個基層的整體性，為面板提供有力的支撐。 綜上所述，各國對縮縫設置的認識尚未統(tǒng)一，雖普遍認為可比普通水泥混 凝土路面適當延長間距，但多以一定時間內(nèi)的實踐為依據(jù)，尚缺乏從路面力學 理論上深入分析延長縮縫間距的機理，因而無法根據(jù)材料及結(jié)構(gòu)的自身特性確 定合理的縮縫間距。 再生集料混凝土基層與混凝土面層又存在顯著不同，其上面覆蓋約0 1 m 厚 的瀝青混凝土面層，大大緩解了溫度的影響。目前尚未見有關(guān)再生集料混凝土基 層接縫設置的論述。胡長順等【2 5 】對碾壓混凝土基層進行一系列物理力學性質(zhì)研 究，得出其縮縫距離可較普通混凝土板的長，并通過在試驗路上設置不同間距的 縮縫，觀察得出接縫間距為l o m 和1 5 m 板未發(fā)生斷裂的結(jié)論。牛開民等【2 5 】通過 對全厚式碾壓混凝土路面進行應力分析，并結(jié)合碾壓混凝土本身的收縮特性，認 為每隔6 1 0 m 設置一條縮縫是可行的。對于貧混凝土基層縮縫間距，普遍認為 可比普通水泥混凝土路面適當延長，孫家偉【2 6 】通過分析，提出貧混凝土基層的橫 向縮縫間距一般可在1 0 , - - 一1 5 m 之間選擇。鄭木蓮2 7 1 通過一維熱傳導分析，提出 多孔混凝土基層接縫間距的計算方法，認為多孔混凝土基層接縫間距在1 0 - 2 0 m 6 山東大學碩士學位論文 之間。 目前，國內(nèi)外對普通水泥混凝土路面的溫度應力進行了深入的研究，對瀝青 路面水泥混凝土基層溫度應力的研究尚未系統(tǒng)。由于混凝土基層的平面尺寸從普 通水泥混凝土基層到貧混凝土基層，變化較大，且在上方鋪筑了瀝青面層，改變 了其溫度特性，因此需要對混凝土基層瀝青路面的溫度場和溫度應力進行分析。 1 3 研究內(nèi)容 1 再生集料剛性基層的構(gòu)造研究 為遏制再生集料剛性基層的干縮、溫縮反射裂縫對瀝青面層的影響，對再生 集料剛性基層不同縮縫間距、不同鋼筋網(wǎng)配制方式進行荷載應力、溫度應力數(shù)值 模擬計算；并通過鋪筑試驗路進行結(jié)構(gòu)性能的跟蹤檢測，以確定剛性基層的配筋 技術(shù)、板塊尺寸。 2 剛性基層的切縫間距 研究再生集料剛性基層切縫間距的控制因素，提出再生集料剛性基層切縫間 距的理論計算方法。 3 再生集料剛性基層路面結(jié)構(gòu)使用耐久性的研究 通過對大、中修中使用的再生集料剛性基層路面結(jié)構(gòu)、柔性基層路面結(jié)構(gòu)的 力學性能、抗疲勞及經(jīng)濟性能進行對比分析，研究這兩類基層的層位功能、受力 特點、使用耐久性，為再生集料剛性基層路面結(jié)構(gòu)設計提供理論依據(jù)，為高速公 路大修中瀝青路面結(jié)構(gòu)類型的選擇提供理論支撐。 4 鋼筋網(wǎng)對剛性基層受力的影響 探討剛性基層中鋼筋網(wǎng)的作用，比較鋼筋網(wǎng)對行車荷載、溫度荷載引起的剛 性基層應力分布的影響，基層開裂前后，鋼筋網(wǎng)的功能，及鋼筋網(wǎng)對剛性基層疲 勞壽命的影響。 5 剛性基層的結(jié)構(gòu)性能評價 通過對試驗路的現(xiàn)場檢測結(jié)果與理論計算結(jié)果的比較分析，以及試驗路跟蹤 觀測，對該路面結(jié)構(gòu)性能做出合理的評價。 1 4 研究的技術(shù)路線 1 。建立再生集料剛性基層溫度應力有限元計算模型，對再生集料剛性基層不 7 山東大學碩士學位論文 同縮縫間距進行溫度應力數(shù)值模擬計算，以確定剛性基層的板塊尺寸和切縫間 距。 2 建立剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)的有限元計算模型，對再生集料剛性基層不同 縮縫間距、不同鋼筋網(wǎng)配制方式進行荷載應力、溫度應力數(shù)值模擬計算，以確定 剛性基層的配筋技術(shù)。 3 進行水泥混凝土一瀝青混凝土復合式路面結(jié)構(gòu)設計 4 結(jié)構(gòu)性能對比試驗研究。對再生集料剛性基層路面結(jié)構(gòu)、柔性基層路面結(jié) 構(gòu)的力學性能、抗疲勞及經(jīng)濟性能進行對比分析，研究這兩類基層的層位功能、 受力特點、使用耐久性，為高速公路大修中瀝青路面結(jié)構(gòu)類型的選擇提供理論支 撐。 5 試驗路驗證。 1 5 可行性分析 1 理論知識 根據(jù)現(xiàn)在所掌握的專業(yè)知識、計算機操作能力、數(shù)學計算能力和前人的研究 成果，可以完成本課題的數(shù)據(jù)處理和理論分析工作。 2 試驗技術(shù)條件 根據(jù)道路實驗室現(xiàn)有的試驗設備和技術(shù)條件，能夠完成本課題所涉及的室 外，室內(nèi)試驗。 3 現(xiàn)場測試條件 現(xiàn)場工程技術(shù)成熟，監(jiān)測儀器和設備齊全，能夠全面和準確的觀測所需數(shù)據(jù)。 4 應用前景 目前我國高速公路的主要路面結(jié)構(gòu)形式是半剛性基層瀝青路面，這對抵抗重 載交通起到了良好的作用。但是，由于半剛性基層的干縮、溫縮與脆性特性，以 及重載交通的作用，基層開裂現(xiàn)象嚴重。早期病害稱為普遍現(xiàn)象。加之先期修建 的高速公路目前已基本達到大修年限，半剛性路面結(jié)構(gòu)大修任務繁重。目前大修 中，銑刨的大量半剛性基層材料幾乎全部作為廢料拋棄，不僅占壓土地，而且對 環(huán)境造成不利影響。半剛性基層材料的利用問題十分突出。銑刨的半剛性基層材 料，具有一定的級配、較高的強度，仍具有較高的利用價值。以銑刨的半剛性基 層材料作為骨料，配制成水泥混凝土做剛性基層，對降低工程建設成本具有重要 3 山東大學碩士學位論文 的經(jīng)濟意義。特別是對于缺乏石料平原區(qū)高速公路，市場需求巨大。 該項目的研究，將提出合理的半剛性基層再生集料修建剛性基層瀝青路面 的設計和施工方法，可以降低工程費用，提高路面結(jié)構(gòu)耐久性，有效利用半剛性 路面大修中的廢棄基層材料，減少環(huán)境的污染，降低工程成本和減少礦山開采具 有良好的經(jīng)濟效益、社會和環(huán)境效益。這些都將更有利于該技術(shù)的應用與推廣， 符合節(jié)約資源，保護環(huán)境，可持續(xù)發(fā)展的理念。推廣前景廣闊。 根據(jù)上述條件，認為該課題的開展是可行的。 9 山東大學碩士學位論文 第二章剛性基層的特點 2 1 現(xiàn)有瀝青路面結(jié)構(gòu)的病害 目前我國公路的主要路面結(jié)構(gòu)形式是半剛性基層瀝青路面，這對抵抗重載交 通起到了良好的作用。相對于柔性基層來說，半剛性基層具有良好的板體性能， 較高的強度和較強的荷載擴散能力。半剛性基層下路床頂面的荷載壓應力與壓應 變較小，有利于保持路基處于良好的工作狀態(tài)并處于彈性工作狀態(tài)，從而有利于 減輕瀝青路面的車轍，同時，還能因地制宜地利用當?shù)夭牧希哂休^大的經(jīng)濟優(yōu) 勢。因此，半剛性基層在我國得到了廣泛應用，在路面結(jié)構(gòu)形式中占據(jù)了主流地 位。但是，半剛性基層本身存在難以克服的缺陷與不足：土的溫縮系數(shù)比干縮系 數(shù)大4 - 5 倍，二灰土等半剛性基層的開裂多發(fā)生于氣溫較低的冬季，土的粘性愈 大、石灰劑量愈高，石灰土基層裂縫愈多愈寬。通過加入粉煤灰、級配碎石改良 而形成的二灰穩(wěn)定級配碎石結(jié)構(gòu)，雖然能減小裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展，但還不能消除 反射裂縫的出現(xiàn)。 國外專家研究發(fā)現(xiàn)，瀝青面層下5 - 1 0 c m 是產(chǎn)生車轍破壞的主要區(qū)域；我國 的研究資料也認為在i o o k n 軸載作用下，面層下2 7 c m 是剪應力的作用范圍，是車 轍病害易發(fā)區(qū)域，在這個范圍內(nèi)采用瀝青碎石結(jié)構(gòu)是不可行的。但在路面結(jié)構(gòu)層 與基層之間采用7 c m 的瀝青碎石作為排水與反射裂縫緩解層是可行的。公路病害 調(diào)查表明路面產(chǎn)生自下而上裂縫的居多，并進而引起其他病害。主要病害類型： 坑槽、沉陷、縱縫、網(wǎng)裂。 2 2 基層類型與特點 2 。2 。1 路面基層的發(fā)展 為適應公路交通量的增長和重載車輛的增加，路面結(jié)構(gòu)包括基層結(jié)構(gòu)在不斷 更新和完善。就我國公路建設發(fā)展而言，道路基層經(jīng)歷了如下三個階段： 1 適應中、低交通的泥結(jié)碎石及級配礫石路面，其基層主要采用手擺片石、 碎石土、碎磚等當?shù)夭牧稀Ｓ捎诮煌啃∫约笆前咨笟饴访?，能承擔當時不大 的交通量。 1 0 山東大學碩士學位論文 2 隨著公路里程的快速增長，為改善路面行車質(zhì)量，采用瀝青表面處治路面， 原來的泥結(jié)碎石及級配礫石路面改作基層。在推廣中發(fā)現(xiàn)該含土多、塑性指數(shù)大 的泥結(jié)碎石及級配礫石基層越來越明顯地暴露出它們水穩(wěn)性不好的弱點。針對這 種現(xiàn)象，當時用摻灰的方法對基層進行處理，收到了一定的效果。 3 進入2 0 世紀8 0 年代以來，隨著我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展，高等級公路的里程 不斷增加。為適應高等級公路重交通、重載對道路的要求，一種以無機結(jié)合料穩(wěn) 定粒料為基層、瀝青混凝土為面層的所謂“半剛性路面”被大量應用。國家在“七 五 科技攻關(guān)中專門立項進行研究，并取得大量成果。半剛性基層在我國得到了 廣泛應用，在路面結(jié)構(gòu)形式中占據(jù)了主流地位?；鶎右话悴捎脽o機結(jié)合料穩(wěn)定粒 料，厚度1 5 2 5 c m ，底基層一般采用無機結(jié)合料穩(wěn)定土，厚度1 5 4 0 c m 。 2 2 2 各類基層特點 目前路面基層類型根據(jù)材料的力學行為可分為：柔性基層、半剛性基層和剛 性基層。 1 半剛性基層 半剛性基層指無機結(jié)合料穩(wěn)定類基層，這是目前我國應用最廣泛的基層，其 結(jié)合料一般采用水泥、石灰、工業(yè)廢渣等材料。半剛性基層承載力大、剛度大、 模量高、板體性強、彎沉小，但這種材料溫縮、干縮變形大，易開裂，屬于脆性 材料?；诎雱傂圆牧蠌姸雀摺⒛Ａ看?、板體性強的優(yōu)點，我國路面設計時將半 剛性基層作為承重層，提出強基薄面的設計思想。雖然近幾年面層設計也有增厚 的趨勢，一些高速公路的瀝青面層加厚至18 c m ，但是半剛性基層的強度仍然控 制在3 - 5 m p a ，在施工中強度甚至更高，同時半剛性基層材料變形小，易斷裂的 缺點依然沒有改變，反射裂縫仍然為半剛性基層瀝青路面的主要破壞模式。 由于半剛性基層材料溫縮和干縮特性，以及材料本身的脆性，裂縫的產(chǎn)生不 可避免。裂縫的存在導致三種后果：首先，當車輪從裂縫的一側(cè)經(jīng)過到達裂縫的 另一側(cè)時，應力形成突變，并在裂縫處產(chǎn)生較大應力集中，表現(xiàn)為面層在裂縫處 上下剪切和層底彎拉，這些應力，加之溫度應力的綜合、反復作用，導致面層疲 勞而產(chǎn)生反射裂縫：其二，水沿裂縫滲入路面結(jié)構(gòu)內(nèi)，在行車荷載作用下，對基 層、底基層、路基形成水力沖刷，將材料中的細料唧出，材料松散并形成坑槽， 山東大學碩士學位論文 半剛性基層失去板體性，彎沉迅速增大，最終導致結(jié)構(gòu)破損；第三，界面上水的 存在改變了接觸條件，結(jié)構(gòu)不再連續(xù)，界面成為半連續(xù)甚至光滑接觸模式，這種 情況使得路面的受力狀態(tài)十分不利，瀝青層底有可能出現(xiàn)超過極限拉應力，導致 瀝青面層開裂，承載力降低，產(chǎn)生車轍等病害。半剛性基層路面的破壞一般從半 剛性基層的縮裂開始，然后破壞由基層向面層及向路基延伸，最終發(fā)展為整個路 面結(jié)構(gòu)的破壞，因此這種路面破壞模式屬于路面的結(jié)構(gòu)性破壞。一旦損壞，維修 養(yǎng)護是目前面臨的一大難題。 我國幅員遼闊，氣候條件千差萬別，但高速公路幾乎全部采用半剛性基層的 結(jié)構(gòu)形式卻過于單一，很難適應在不同氣候環(huán)境下的使用要求，需要發(fā)展和研究 多樣化的基層材料，豐富高等級公路路面的結(jié)構(gòu)形式。而柔性基層和剛性基層鑒 于各自的優(yōu)點，應進一步研究，以利選擇應用。 2 柔性基層 國際上應用較多的柔性基層主要包括級配碎石基層和瀝青穩(wěn)定碎石基層。 ( 1 ) 級配碎石基層 級配碎石基層是世界各國普遍采用的基層類型之一，采用具有一定厚度和嚴 格級配要求的優(yōu)質(zhì)級配碎石作為上基層，而半剛性材料作為下基層。這種上柔下 剛的倒裝結(jié)構(gòu)，使上下基層優(yōu)勢互補，既充分發(fā)揮半剛性基層瀝青路面強度較高 的優(yōu)點，同時克服其缺點，能在很大程度上防治和減少半剛性基層的反射裂縫。 但是，級配碎石層整體強度不足，抵抗變形能力差，在荷載多次重復作用下易產(chǎn) 生塑性變形積累，為達到較高的壓實度應采用重型壓實標準。然而當其厚度較大 時，即使達到較高壓實度，在重復荷載作用下也會產(chǎn)生較大的殘余變形。除可作 為應力消散層用在瀝青面層與半剛性基層之間外，級配碎石可在輕交通道路上用 作薄瀝青面層下的基層作為主要承重層( 此時厚度較厚) ，或在中重交通道路上用 作厚瀝青面層的基層或設置在一定厚度的瀝青穩(wěn)定碎石下作為底基層。 雖然我國級配碎石應用較早，但主要用于一般公路的基層和低等級公路的路 面，或作為排水墊層，而且對碎石材料的級配要求不嚴，隨意性較大，若將其大 面積用于高等級公路，尚需進一步研究。 ( 2 ) 瀝青穩(wěn)定碎石基層 瀝青穩(wěn)定碎石基層是在級配碎石基礎上發(fā)展起來的，是用適量的瀝青對級配 1 2 山東大學碩士學位論文 碎石進行穩(wěn)定后用作瀝青路面的基層。與半剛性基層相比，瀝青穩(wěn)定碎石基層剛 相對較小，具有較高的抗剪強度、抗彎拉強度和耐疲勞性，不易產(chǎn)生收縮開裂和 水損害；與傳統(tǒng)的用于面層的瀝青混凝土相比，它是針對于基層用的，粒徑偏大， 級配偏粗，瀝青用量偏少，對原材料的要求相對于面層要低。 瀝青穩(wěn)定碎石基層瀝青路面的優(yōu)越性主要體現(xiàn)在：由于面層和基層材料結(jié)構(gòu) 的相似性，路面結(jié)構(gòu)受力、變形更為協(xié)調(diào)。設計優(yōu)良的瀝青穩(wěn)定基層混合料能保 證一定的空隙率，使水分順暢地通過基層排出，不會滯留在路面結(jié)構(gòu)中造成路面 的水穩(wěn)性破壞；瀝青混合料對于水分的變化不敏感，受水和冰凍影響較小，不會 因為干縮裂縫而導致面層出現(xiàn)反射裂縫；瀝青穩(wěn)定碎石基層同瀝青面層一起構(gòu)成 全厚式瀝青面層，從而使得整個瀝青面層的修筑時間減少。 鑒于上述優(yōu)點，使得瀝青穩(wěn)定碎石基層瀝青路面在國外得到廣泛應用，其中 最有代表性的是美國全厚式瀝青路面結(jié)構(gòu)和英國長壽命瀝青路面。國外瀝青路面 結(jié)構(gòu)中瀝青層總厚度較大，其路面結(jié)構(gòu)相對于我國半剛性路面來講，偏于柔性。 國外的瀝青路面結(jié)構(gòu)有向進一步加厚瀝青層的厚度并提高瀝青穩(wěn)定類基層強度 的方向發(fā)展。國內(nèi)在這方面做了一些研究，并對瀝青穩(wěn)定類基層瀝青路面設計的 各個方面進行了試驗和分析，但這方面的研究工作剛剛起步，要通過實際道路的 修筑，對瀝青穩(wěn)定類基層瀝青路面的長期使用性能進行觀測，以獲得足夠數(shù)據(jù)， 進行分析。同時，由于近來石油價格的攀升，綜合考慮我國國情，將其大面積推 廣應用尚有待商榷。 3 剛性基層 剛性基層主要指以貧混凝土、水泥混凝土和連續(xù)配筋混凝土等材料作基層。 這類基層強度高，抗沖刷能力強，耐久性好。加鋪瀝青面層材料后，可以綜合剛 性路面和柔性路面的優(yōu)勢，大大延長路面的使用壽命。 為提高瀝青路面的耐久性，采用剛性基層是一種行之有效的措施，目前剛性 基層可采用貧混凝土、水泥混凝土和連續(xù)配筋混凝土。根據(jù)各類剛性基層的物理 力學特性，參考國內(nèi)外相關(guān)研究成果，連續(xù)配筋混凝土基層、水泥混凝土基層和 貧混凝土基層的設計基準期可分別為6 0 年、4 5 年和3 0 年，從而充分體現(xiàn)出其 優(yōu)越的耐久性能。 國內(nèi)有關(guān)剛性基層的研究相對較少，只有近幾年長安大學對貧混凝土、水泥 1 3 山東大學碩士學位論文 混凝土和連續(xù)配筋混凝土這三種剛性基層進行了研究，但隨著對這種路面結(jié)構(gòu)的 進一步認識，以及路面結(jié)構(gòu)耐久性理念的進一步發(fā)展，剛性基層必將得到越來越 廣泛的應用。 2 3 剛性基層材料特性 水泥混凝土作為剛性基層時與其作為面層相似，在其承受的荷載應力和溫度 應力之和超過其極限彎拉強度時，混凝土板便產(chǎn)生斷裂破壞。在荷載和溫度的重 復作用下，混凝土基層會在低于其極限抗彎拉強度時出現(xiàn)疲勞破壞。本項目采用 二灰碎石再生集料配制的水泥混凝土剛性基層，其性質(zhì)與普通水泥混凝土基層的 性質(zhì)類似，以下主要研究再生集料混凝土的特性。 1 再生混凝土的強度特性 強度是水泥混凝土硬化后的主要力學特性，我國國家標準普通混凝土力學 性能試驗方法f 2 8 1 規(guī)定，混凝土強度有立方體抗壓強度、棱柱體抗壓強度、劈裂 抗拉強度、彎拉強度、剪切強度和粘結(jié)強度等。與一般工程結(jié)構(gòu)不同，水泥混凝 土用作路面時以彎拉強度作為主要強度指標，抗壓強度作為參考或輔