混凝土路面發(fā)展的論文
摘要：本文對世界各國在預(yù)應(yīng)力路面方面所做的工作進行了回顧與展望。主要就以下幾個方面進行闡述：預(yù)應(yīng)力混凝土路面的發(fā)展，其優(yōu)缺點、預(yù)應(yīng)力混凝土路面類型、材料要求、設(shè)計方法、路基約束、費用及其未來的進一步研究工作。
關(guān)鍵詞：預(yù)應(yīng)力混凝土路面設(shè)計方法發(fā)展研究
1簡介
盡管預(yù)應(yīng)力的原理被廣泛地應(yīng)用于房屋、橋梁等結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，但在道路上的應(yīng)用卻很有限。眾所周知，混凝土的主要特性就是抗壓強度遠(yuǎn)大于抗拉強度。預(yù)應(yīng)力混凝土路面就是充分利用這一特性，事先在工作截面上施加壓應(yīng)力，以提高它的抗彎拉強度，提高承受荷載能力。國外對預(yù)應(yīng)力混凝土路面做了較多的研究，國內(nèi)尚未開展此項研究工作。
由于預(yù)應(yīng)力混凝土路面提高了截面的實際抗彎強度，因而在相同的荷載作用下，路面板的厚度比普通混凝土路面要薄，一般為10～15cm。如果再薄會使路面板產(chǎn)生過大的撓度，對路面板的耐久性和地基的穩(wěn)定性都不利，另外，也增大了施工難度。預(yù)應(yīng)力使混凝土路面板長可大大增大，一般取90～120m，國外也有長達150～300m。
2發(fā)展過程
預(yù)應(yīng)力混凝土路面是二十世紀(jì)四十年代后期發(fā)展起來的一種特殊的水泥混凝土路面。最早是在法國使用，后來在英國和其它歐洲國家先后用于道路路面或機場道面上。美國、日本和前蘇聯(lián)等國家也都修建了一定數(shù)量的預(yù)應(yīng)力混凝土路面和機場道面。
據(jù)載世界上第一條預(yù)應(yīng)力混凝土路面出現(xiàn)在法國的Luzancy的一座橋梁的引路上。但直到1947年，聞名于世的Orly跑道的建成才使預(yù)應(yīng)力混凝土路面完全確立。當(dāng)時，該跑道為了滿足現(xiàn)代飛行的需要而設(shè)置的。全長409.5m，由帶橫向鋼絲索和臺座的三角形面板組成。1953年，在同一地點，在連續(xù)的矩形板上采用了開口式千斤頂和橫向鋼絲索，其它工程諸如：在Luzancy和Esbly使用了斜向鋼絲索，而在長295.2m的Bourg-Servas路段上采用了開口式千斤頂和墩座的“連續(xù)型”板(即無膨脹縫、連續(xù)的混凝土板)。
其中，一條試驗路是板邊薄于板中，其他都是平均約15cm厚的等截面。法國除在Bourg-Servas路上使用了5.18MPa的初始預(yù)應(yīng)力外，對板所施加的縱向預(yù)應(yīng)力在數(shù)量級上與其他國家都相同。法國工程師不贊成橫向施加預(yù)應(yīng)力。
英國是自1950年的Crawley道路才開始預(yù)應(yīng)力混凝土路面研究的。該路主要是為了調(diào)查預(yù)應(yīng)力混凝土在道路建設(shè)中的使用情況，在該路上對一些設(shè)計因素和施工方法(采用了Freysinnet型鋼絲索和錨具，24.6m長的鋼索在2.25m中心處形成了一個菱形圖案)進行了研究。其后又先后修建了倫敦機場的停機坪、Essex道路、PortTaLbot道路、Catwick停機坪等。
英國的預(yù)應(yīng)力混凝土路面板絕大多數(shù)都是“單獨型”的，即有鋼絲索和分隔的膨脹縫。因為它們認(rèn)為，“單獨型”板要好于“連續(xù)型”。在英國，廣泛地使用15cm等厚板，除在倫敦機場上用的三角形板為16.25cm外。它曾使用的最大截面是25cm等厚板，而一塊采用開口式千斤頂?shù)陌鍏s為10cm厚。
英國的縱向預(yù)應(yīng)力一般為：1.575MPa(公路)，3.15MPa(機場)，1.925MPa(斜向鋼絲束)；橫向預(yù)應(yīng)力一般少于0.35MPa，除三角形板外。
在德國一些有關(guān)預(yù)應(yīng)力板的早期分析工作要比其他國家早，但其理論應(yīng)用只限于橋面板、樓板等，而不是路面板。在1953年才開始在Mergelstetten修筑預(yù)應(yīng)力路面，其后又修筑了幾條道路。
美國最早著名的PatuxentRiverNavaeAirStation預(yù)應(yīng)力道面是由BureauofYardsandDocks于1953～1954年建的，這是一條長150m、寬3.6m、厚17.5cm的路面，縱向鋼索的初始預(yù)應(yīng)力大約為4.9MPa。其后又修了許多試驗路，其中較近的就是1980年聞名的芝加歌O′Hare國際機場上所建的預(yù)應(yīng)力混凝土罩面(240m長，45m寬，20～22.5cm厚的跑道)，這是美國首次將預(yù)應(yīng)力混凝土用于商用機場道面。
其他國家如比利時、奧地利等都于50年代左右起步，巴西也于1972～1978年在里約熱內(nèi)盧修了一條厚18cm、面積為552〖KG*4000m2的預(yù)應(yīng)力混凝土機場道面，在荷蘭、瑞士也都修了許多預(yù)應(yīng)力道面，其中較近的如荷蘭在Schipol建的(1980～1987年)。
3預(yù)應(yīng)力混凝土路面的優(yōu)缺點
許多研究工作表明預(yù)應(yīng)力混凝土路面有以下幾方面的優(yōu)勢：
(1)路面板厚度只需傳統(tǒng)混凝土路面板厚的40%～60%，就能提供很高的承載力和較高的抗變形能力，對減薄機場道面的厚度非常有利。
(2)預(yù)應(yīng)力混凝土路面由于板較長，接縫數(shù)量可大大減少，改善了行車的平穩(wěn)性。
(3)預(yù)應(yīng)力的存在使路面板體性較強，邊角軟弱部分得以改善，大大減少了橫向開裂的可能性，提高了路面的耐久性。
(4)預(yù)應(yīng)力混凝土路面的用筋量少于除貧混凝土外其他路面。據(jù)國外研究指出，用于正常預(yù)應(yīng)力設(shè)計所需的鋼筋量約為2.7125km/m2，這遠(yuǎn)少于連續(xù)配筋路面(在一些情況下可達1/5的用量)。
(5)從國外已建路面的使用狀況來看，預(yù)應(yīng)力混凝土路面幾乎30年不需大修，養(yǎng)護需求也較少。對于較長使用年限的主要問題就是來自胎紋的磨耗，但預(yù)應(yīng)力混凝土路面要比傳統(tǒng)混凝土路較來看，初期投資高，但養(yǎng)護面的磨耗要小。就其費用與傳統(tǒng)混凝土路面的比費用幾乎為零，并且減少了由于養(yǎng)護所延誤的時間等因素。
其主要缺點在于：
(1)從經(jīng)濟觀點來看，雖減薄了路面板的厚度，但需大量的預(yù)應(yīng)力筋腱，施工工藝較復(fù)雜，手工操作的工作量大，難以實現(xiàn)機械化、自動化施工，初期投資較大。
(2)雖然預(yù)應(yīng)力混凝土路面板可以做得較長，但隨長度的增加，由路基約束所引起的張拉應(yīng)力也隨之增大，另外，板的位移量也會增大，這對橫向接縫的設(shè)計要求很嚴(yán)，同時對路基摩擦約束要盡可能小。
(3)對施工隊伍人員素質(zhì)要求較高，并需進行嚴(yán)格的質(zhì)量控制。
4預(yù)應(yīng)力混凝土路面類型
據(jù)現(xiàn)有資料，國外做法大致可將預(yù)應(yīng)力路面分為兩大類：“單獨型”板的路面和“連續(xù)型”板的路面。
“單獨型”路面就是配置一定數(shù)量的預(yù)應(yīng)力鋼筋，由間隔較長的膨脹縫相隔離的路面板組成。按施加預(yù)應(yīng)力的先后次序又可分為先張法和后張法兩種，這與房屋、橋梁上的做法相同，一般多采用后張法。
“連續(xù)型”路面就是無筋路面，因無膨脹縫而得名，這種路面可以做得很長，按照施加預(yù)應(yīng)力的方法可分為千斤頂加力和自加應(yīng)力。千斤頂加力是一般在兩個固定的錨固端間澆筑混凝土，并留有空隙放置加力千斤頂，待混凝土硬化達到規(guī)定強度后，用千斤頂從兩端加力，達到規(guī)定壓力時，將兩端空隙封閉。自應(yīng)力路面不用千斤頂加力，而是選用膨脹水泥，混凝土硬化，體積增大，由于兩端受有約束而使混凝土自動產(chǎn)生內(nèi)壓應(yīng)力。
一般認(rèn)為，“單獨型”板的路面要好于“連續(xù)型”板的路面。主要原因一是扣除路基摩阻后的預(yù)應(yīng)力在有膨脹縫路面中幾乎保持常量，而在“連續(xù)型”板中，板不能自由膨脹，且又很長，從而使其應(yīng)力隨外界溫度、濕度變化很大，很難對所需的預(yù)應(yīng)力進行估計。因此，工程上多采用“單獨型”路面，“連續(xù)型”路面還處于研究、試驗階段，實際應(yīng)用不多。
5材料要求
預(yù)應(yīng)力混凝土路面需要高質(zhì)量的混凝土(高強度、低收縮和低徐變)。水灰比應(yīng)盡可能小，以避免由于收縮和徐變引起過大的預(yù)應(yīng)力損失。國外有報導(dǎo)，28d的抗壓強度為21～56MPa，彎拉模量為2.10～5.25MPa。
一些實例中還使用礬土水泥，但其明顯優(yōu)勢在于混凝土澆筑的高速性。
現(xiàn)有記載除了早期的一些室內(nèi)試驗外，很少有使用促凝劑或增加混凝土和易性的外加劑。
6設(shè)計方法
目前，世界各國對預(yù)應(yīng)力混凝土路面的設(shè)計仍然沒有一個統(tǒng)一的方法體系，而且在某種程度上都是經(jīng)驗性的，一般施加足夠的縱向預(yù)應(yīng)力來防止橫向收縮開裂。一般認(rèn)為：板收縮時，溫度翹曲約束應(yīng)力使板底受壓，這有助于預(yù)應(yīng)力抵消由荷載和收縮引起的張拉應(yīng)力；板膨脹時，由荷載和白天翹曲約束引起的板底受拉可被預(yù)應(yīng)力和板底摩擦約束應(yīng)力所抵消。因此，所施加的預(yù)應(yīng)力主要由(1)交通荷載；(2)由溫度和濕度所引起的翹曲約束；(3)板收縮期間的板底摩擦約束。
三個因素所決定：
基本的設(shè)計方程犧ft＋fpf△T+fF+fL
式中：fp——由預(yù)應(yīng)力引起的混凝土中的壓應(yīng)力；
ft——混凝土的容許彎曲應(yīng)力(混凝土彎折模量/安全系數(shù))；
f△T——由溫度差引起的應(yīng)力；
fF——由路基摩阻引起的應(yīng)力；
fL——由荷載引起的彎曲應(yīng)力。
溫度應(yīng)力
如果假設(shè)溫度梯度沿線性變化，那么就有
f△T=（Ecac△T2）／(1-V)
テ渲校珽c、ac、V分別為混凝土彈性模量、溫度膨脹系數(shù)和泊松比。
路基摩阻引起的應(yīng)力
fF=μ××
其中，μ為路基摩阻系數(shù)，為混凝土的密度，為距千斤頂?shù)木嚯x。當(dāng)=L/2(L為板長)，fF達到最大。在確定預(yù)應(yīng)力大小時，取fF=μ××L/2。
在設(shè)計中，板厚一般是根據(jù)預(yù)應(yīng)力筋或套管所必須的覆蓋層厚度來確定的，而非根據(jù)承載應(yīng)力計算設(shè)計。
預(yù)應(yīng)力數(shù)值如下：公路上僅使用縱向鋼索或縱橫向都配置筋時，一般在0.63～2.87MPa；機場上平均值可達3.15MPa；當(dāng)采用斜向鋼索來產(chǎn)生縱向預(yù)應(yīng)力時，平均值約為1.93MPa。橫向預(yù)應(yīng)力還未廣泛被采用，一般為0～1.4MPa，當(dāng)板寬不超過3.6m時，可不設(shè)橫向預(yù)應(yīng)力。
7路基約束
在任何混凝土板和其下的基層間都存在摩阻約束，該約束阻止板隨溫度、濕度的變化而移動。在預(yù)應(yīng)力混凝土路面中，盡量減小該摩擦力是非常重要的，因為它是引起預(yù)應(yīng)力損失的主要因素，同時它也決定著板的長度。盡管國外在這方面已做了不少工作，但摩擦系數(shù)的大小仍難以確定。有些部門建議摩擦系數(shù)為0.25～0.5但在試圖減小摩擦的砂或石屑所組成的滑動層中也發(fā)現(xiàn)其值為1.25～2.0。許多室內(nèi)試驗所確定的摩擦系數(shù)都比現(xiàn)場的小，這是因為室內(nèi)未能真實反映現(xiàn)場的狀況條件所致。
為了減小摩擦，通常采用一層砂土覆蓋防水紙、砂和油毛氈或砂和聚乙烯薄膜。在這方面進行了許多嘗試，還有使用瀝青材料作滑動層的，但未見有成功報道，許多研究表明采用一薄層的同一粒徑的球形顆粒(砂、石屑等)對于減小摩擦效果很好，其作用如同滾珠軸承。
8費用
造價費用最能體現(xiàn)新生事物的發(fā)展前途，人們往往更注重其經(jīng)濟效益如何，而忽略了其它方面。雖然國外做過許多與傳統(tǒng)的`混凝土路面的比較分析，但仍不能說明問題，因為大部分工作都是試驗性的，所以比成本費用自然要高于所預(yù)期的。很顯然，當(dāng)技術(shù)完善和普及時，其費用就會下降。目前，從國外一些報告可以看出，預(yù)應(yīng)力混凝土路面與傳統(tǒng)路面在建設(shè)費用上相差不大。雖然評估預(yù)應(yīng)力混凝土路面的長期養(yǎng)護費用似乎過早，但它在養(yǎng)護上的經(jīng)濟性是十分可觀的。
英國的Crawley的預(yù)應(yīng)力道面顯示了它與普通鋼筋混凝土路面的建設(shè)費用基本相同。在完成第一塊板的鋪設(shè)后，曾進行招標(biāo)修建其余的板，結(jié)果早期的投標(biāo)價要低于所預(yù)計用于普通路面的造價，4個最低的報價只比普通路面的報價高6%。
另外，1980在美國的O''Hare機場修建了世界第一個用于商用機場道面的后張罩面。表1給出了修建前的方案比較——40年使用年限的總成本分析，盡管表1有估計成份，但也一定程度說明了預(yù)應(yīng)力混凝土路面的經(jīng)濟效益。
9未來展望與進一步的研究
就目前而言，仍然缺少對預(yù)應(yīng)力混凝土路面各方面的認(rèn)識。作者認(rèn)為預(yù)應(yīng)力混凝土路面的設(shè)計理論和施工方法的發(fā)展將主要圍繞以下幾個方面：
(1)對各種板長所需的恰當(dāng)?shù)念A(yù)應(yīng)力。
(2)板的膨脹、收縮和翹曲特性。
(3)板的承載特性，其中包括研究預(yù)應(yīng)力對板的承載能力的影響，以及對板疲勞特性等的影響。在確定預(yù)應(yīng)力時，不僅要防止在最不利的情況下開裂，而且還需考慮混凝土的疲勞特性。
(4)板與地基的摩擦特性及處理方法。
(5)接縫和排水系統(tǒng)的設(shè)計。
(6)施工程序的發(fā)展，是否能使用傳統(tǒng)的鋪路做法，或經(jīng)濟的方法。
已建的絕大多數(shù)預(yù)應(yīng)力混凝土路面都屬于“單獨型”的，但該類路面不能做得很長(一般可達120m)。如果路基的摩擦問題解決了，并且對“連續(xù)型”的路面有了一定認(rèn)識，那么修建長達300m或更長的路面是可能的。我們可從“單獨型”和“連續(xù)型”路面的一些特性中看出：將這兩類路面聯(lián)合使用會更有利，“連續(xù)型”路面可用于路基狀況較好的直路上，“單獨型”路面用于路基情況稍差和曲線路上。
隨著預(yù)應(yīng)力混凝土路面的理論體系的成熟和施工技術(shù)的發(fā)展，預(yù)應(yīng)力混凝土路面將會有良好的發(fā)展前景。
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