复合式路面结构特点及应用

复合式路面结构特点及应用1、复合式路面1.1无论从经济、技术、使用性能方面都优于单一柔性或刚性路面结构。 规范定义：面层由两层不同材料类型和力学性质的结构层复合而成的路面 1.2种类：1）水泥复合式路面：碾压砼—普通砼（RCC—PCC）、贫砼—普通砼（EPCC—PCC）、2）水泥混凝土加铺沥青混凝土复合路面：碾压混凝土—沥青面层（RCC—AC）、普通混凝土—沥青面层（PCC—AC）、钢筋混凝土—沥青面层（JRC—AC）、 连续配筋混凝土—沥青面层（CRC—AC）。 1.3水泥混凝土——沥青混凝土（CC-AC）复合路面特点：1）结构组成特点

在水泥混凝土路面上加铺沥青层，即修筑水泥混凝土与沥青混凝土复合式路面结构，不仅可减少沥青用量（与柔性路面相比），而且可弥补刚性路面的不足（行车舒适性差、养护难度大等）。路面整体刚度大，稳定性好，行驶舒适性好。路面结构组成为：基层+水泥混凝土板+界面层+沥青面层。界面层的材料通常采用的是改性沥青同步碎石或砂粒式沥青混凝土等，厚度5~20毫米，主要起到粘结和防水和防裂作用。界面层材料模量小，具有高粘度，弹性恢复性能好，能够很好的吸收水泥混凝土板由于形变而产生的应力，能够有效的抑制反射裂缝的传播。

刚柔性路面最大的特点是组成面层结构的材料的模量不一样，刚度相差很大。水泥混凝土板具有强度高、刚度大、温度敏感性小，材料模量相对比较稳定，属脆性材料。沥青面层材料模量小，温度敏感性大，材料模量随温度变化，呈现明显的黏-弹-塑性。正是由于材料模量的差异较大，从而导致刚柔性路面在车辆荷载及温度应力作用下，呈现明显的变形不协调性（模量——受力状态下应力和应变之比；弹性模量——在弹性阶段应力和应变之比，符合胡克定律）刚度——抵抗弹性变形的能力；劲度——抵抗弹性位移的能力强度——经受外力或其它作用时，抵抗破坏的能力；黏性——流体在运动状态中抵抗剪切变形速率能力的性质；弹性——受外力发生形态变化，除去作用力后能恢复原来状态的性质；塑性——给定荷载下，材料发生永久变形的特性。）2）力学行为特点。

路面结构的组成和各组成材料的力学性质决定了路面的力学行为特点。刚柔性路面的面层材料由刚性的水泥混凝土板和柔性的沥青混合料组成，其受力呈现以下几个方面的特点：(1)当面层沥青混合料厚度较小时，路面呈现出刚性路面特点，水泥混凝土板承受较大的竖向应力和水平应力。此时的沥青面层主要是起到改善路面行驶的舒适性， 为了防止水分渗入沥青路面结构内部，路面结构设计时，沥青面层至少有一层密集配沥青混凝土，其沥青混合料的现场空隙率应控制在8%以下，也可根据需要作封层结构。 2.3沥青路面分类（6）按混合料的结构组成特点划分沥青混合料是由粗集料、细集料、矿粉和沥青以及外加剂所组成的一种复合材料。粗集料分布在沥青与细集料形成的沥青胶砂中，细集料又分布在沥青与矿粉构成的沥青胶浆中，形成具有一定内摩阻力和黏结力的多级网络结构。由于各组成材料用量比例不同，压实后沥青混合料内部矿料矿料分布状态、剩余空隙率也呈现出不同的特征，形成不同的组成结构，而具有不同组成结构特征的沥青混合料在使用时则表现出不同的性能。按照沥青混合料的结构组成特点，将沥青混合料分为悬浮密实结构、骨架空隙结构和骨架密实结构。①悬浮密实结构：配制的沥青混合料中，矿料颗粒由大到小连续存在，粒径较大的颗粒被较小一档的颗粒挤开，不能直接接触形成嵌挤骨架结构，彼此分离悬浮于较小颗粒和沥青胶浆之间，而较小矿料与沥青胶浆较为密实，形成了所谓悬浮式密实结构。我国传统的AC-I就是典型的悬浮式密实结构。悬浮式密实结构的沥青混合料经压实后，密实度较大，水稳定性、低温抗裂性和耐久性较好，是使用较为广泛的沥青混合料。但这种沥青混合料结构强度受沥青性质及其状态影响较大，在高温条件使用时，由于沥青黏度降低，可能导致沥青混合料强度和稳定性下降。②骨架空隙结构：当采用连续式开级配矿料与沥青组成沥青混合料时，较粗的集料颗粒彼此接触，形成互相嵌挤的骨架，但较细的粒料数量较少，不足以充填骨架空隙，以至压实后混合料中空隙较大，形成所谓的骨架空隙结构。沥青碎石混合料（AM）和开级配磨耗层沥青混合料（OGFC）是典型的骨架空隙结构。在形成骨架空隙结构的沥青混合料中，粗集料之间的嵌挤力对沥青混合料的强度和稳定性起着重要作用，结构强度受沥青性质和物理状态的影响较小，因而高温稳定性较好。但由于压实后的沥青空隙率大，空气和水分等容易进入沥青混合料内部，引发沥青老化或将沥青从表面剥落，因此这种结构沥青混合料的耐久性值得关注。③骨架密实结构当采用间断型密集配矿料时，在沥青混合料中既有足够数量的粗集料形成骨架，又根据粗集料骨架空隙率的大小加入了足够的细集料和沥青胶浆，使之填满骨架空隙，形成较高密实度的骨架结构，这种结构兼具上述两种结构的优点，是一种较为理想的结构类型。沥青玛蹄脂碎石混合料（SMA）是一种典型的骨架密实型结构。（7)按路面基层力学结构层特性分类 ①柔性基层沥青路面：以沥青稳定类材料、粒料等为基层的沥青路面，最常用结构形式为沥青混凝土面层+沥青稳定碎石基层+粒料基层。柔性基层沥青路面总体刚度小，在车辆荷载作用下产生的弯沉变形较半刚性基层大，经路面各结构层传递，作用在土基上的单位压力较大。柔性基层沥青路面时国外发达国家主要使用的路面结构形式，通过合理的结果组合、材料组成和厚度设计激昂车辆荷载传递给土基，使土基承受的单位压力处于一定的范围内。虽然柔性材料模量较低，塑性变形较大，对减少表面弯沉、土基顶面压应力或沥青底层底拉应变的效果不如半刚性基层明显，但柔性基层沥青路面的极限应变比半刚性基层沥青路面大。在柔性基层沥青路面的总变形中，路基变形约占90%以上，故对柔性基层沥青路面结构应提高路基强度或加强软弱地基处理。②刚性基层沥青路面：以水泥混凝土结构（通常为贫水泥混凝土）作为基层，上面铺筑较厚的沥青层的路面。贫混凝土、碾压混凝土、水泥混凝土等刚性基层与其他基层相比具有很高的强度、刚度，较好的整体性和稳定性，良好的抗冲刷性能，当采用多孔透水混凝土时还兼有内部排水功能。水泥混凝土材料作为沥青路面的基层，可以发挥水泥混凝土具有强度高、稳定性好的优点，同时沥青混凝土作面层，则具有行车舒适、噪音小的优点。这种复合式路面可以避免各自的缺点，具有良好的使用性能和耐久性。贫混凝土和普通混凝土刚性基层比半刚性基层会产生更大的干缩和温缩裂缝，宜导致其上沥青面层出现反射裂缝。所以在刚性基层的路面结构中，应采取防止反射裂缝的措施，以保证沥青面层不至于因为基层开裂而反射至沥青面层表面。研究表明，在基层及沥青面层之间铺设大粒径沥青碎石、级配碎石、应力吸收层等中间结构层都能有效地防止反射裂缝，但必须采取措施保证沥青层与水泥混凝土之间有良好的黏结状态。③半刚性基层沥青路面：以半刚性基层材料为基层，其上直接铺筑沥青面层的路面，结构形式为沥青混凝土面层+半刚性基层。半刚性基层、底基层的材料有水泥稳定类、二灰稳定类、石灰稳定类。半刚性基层在前期具有柔性基层的特点，而在后期强度和刚度均有较大幅度的增长，但是最终的强度和刚度仍远小于水泥混凝土等刚性基层。由于这类材料的刚性处于刚性基层和柔性基层之间，因此把用这种基层铺筑的沥青路面统称为半刚性基层沥青路面。半刚性基层沥青路面是我国高等级公路路面的主要铺装形式，占到90%以上。但半刚性基层收缩大、表面致密、易积水、与沥青面层的接触条件差，且这些缺陷易受交通荷载、气候因素的影响而更为额坏，从而导致路面的早期破坏，因此需采取合理的措施，消除其不利影响。④组合式基层沥青路面：即柔性基层与半刚性底基层组合使用的路面，最常用的结构形式为沥青混凝土面层+沥青碎石基层+半刚性底基层，或者沥青混凝土面层+沥青碎石基层+粒料过渡层+半刚性底基层。经研究发现，由于半刚性基层与沥青面层直接接触会带来诸多问题，而在半刚性基层与沥青面层之间加设一层柔性材料（如沥青稳定碎石（ATB），沥青稳定碎石排水基层（ATPB）,级配碎石等），却可以大大改善沥青路面结构行为和受力特点：①降低层间模量比，改善面层—基层接触条件，改善路面受力特性，提高沥青路面的抗车辙和抗疲劳开裂性能；②消除水分对路面结构的不利影响，防止路面水损害；③吸收半刚性基层裂缝应力，消除反射裂缝，保证沥青路面连续性和耐久性。目前这种组合式沥青路面（特别是半刚性基层上加设沥青稳定碎石）得到了越来越多的应用。但是值得注意的是：当采用级配碎石基层时，必须验算其上各结构层的疲劳性能，以避免由于整体性材料与非整体性材料界面出现的应力或应变突变而产生的疲劳破坏。⑤全厚式沥青路面：天然的或经过简单处理的路基以上全部为沥青层的路面。全厚式沥青混凝土路面时路面结构全部采用沥青混合料铺筑，一般沥青层厚达400~500㎜以上，它仍属于柔性基层沥青路面范畴。这种结构主要用于繁重交通道路或高程受到限制的街区道路和特殊路段。 （2）沥青面层结构设计 表面层是与气候环境和行车荷载直接接触的结构层，要求平整、密实、抗滑耐磨、抗车辙、抗老化等。对于路线平纵线性不良路段，宜选用表面粗糙的抗滑面层（AC-C）SMA等，对于气候炎热，多雨潮湿地区，也可选用OGFC。且沥青混合料的级配公称最大粒径与沥青层的厚度相匹配，常用的公称最大粒径为13㎜或16㎜. 中下面层承受从表面层传递下来的荷载，车轮荷载的剪应力在距路表4~6㎝处达到最大，且此范围内的路面温度高，所以中、下面层应具有良好的高温抗车辙你能力。此外，与基础模量相差大的下面层还需要具有良好的抗疲劳开裂能力。中面层可选用粗型密集配、SMA、高性能沥青混凝土等级配类型的混合料，如SMA-20、AC-20C、Sup-19等。 对于多孔沥青混合料的路面而言，必须在排水表层下作防水层，防止雨水下渗。 下面层可选用AC-25或LSM-25或ATB-25作柔性基层。半开级配沥青碎石（AM）,因空隙率大，渗水严重不宜作面层。半开级配沥青碎石AM-13、AM-16、AM-20主要用于调平层，且空隙率不宜大于14%；若设计为开级配排水基层（ATPB）,其设计空隙率为18%~24%，；其下做好防水层。下表为各种混合料类型及使用建议沥青混合料类型及使用建议层位密集配半开级配开级配最大粒径（㎜）厚度（㎜）断级配粗级配细级配调平层排水基层空隙率（%）3~53~43~6（8）3~68~1212~18＞18超薄磨耗层SAC-10AC-10CSMA-10AC-10FOGFC-1013.220~25表面层SAC-13AC-13CSMA-13AC-13CSpu-13AC-13FAM-13OGFC-131640SAC-16SMA-16AK-16AC-16FAM-16OGFC-161940~50中面层AC-20FSAC-20SMA-20AC-120CSpu-19AM-2026.550~60下面层AC-25CSpu-25AM-2531.570~100柔性基层LSM-25AM-25ATPB-2531.580~100LSM-40AM-40ATPB-4053100~1502、水泥混凝土路面几种结构形态的应力特点水泥混凝土路面的优点：（1）承载能力强：水泥混凝土面板的弹性模量在20000~50000Mpa，荷载作用下变形小，有较大的扩散荷载能力，传递给基层的压力小，对基层的承载能力要求相对较低。（2）稳定性好：水泥混凝土的耐水性强，能够在降雨量较大或短期浸水情况下维持其使用功能；水泥混凝土路面的高温稳定性好，与沥青路面相比，在持续高温作用下，水泥混凝土路面不会产生过大的塑性变形；水泥混凝土路面的耐腐蚀性强，对油类、盐碱类及其他易腐蚀沥青的化学和生物介质相对不敏感。（3）耐久性优良：在正确设计和保证施工质量的条件下，水泥混凝土路面的耐候性、抗冻性、抗滑性和耐磨性能优良。水泥混凝土为无机材料，仅有风化问题，但没有沥青等有机材料的老化问题，而风化是老化时间的100倍。（4）表面平整度久经不衰：水泥混凝土路面只要施工平整度好，基层抗冲刷性能高，其良好的平整度衰减很慢，优良的平整度保持年限将比沥青路面长。（5）材料易得、有利环保：由于水泥混凝土路面对粗集料的磨光值和磨耗值要求较低，因而可使用的粗集料岩石种类广泛。当地面水流经或渗透混凝土路面时，对周围土壤和地下水无污染。（6）油耗低、经济性好：水泥混凝土在荷载作用下，均无沥青路面的弯沉盆，不像沥青路面重车行驶始终在爬弯沉盆。所以，在使用期内车辆的燃油消耗比沥青路面节省约15%~20%。（7）色度低、色差小、隔热性能好：水泥混凝土路面色度低、色差小，光、热反射能力较沥青路面大，能延缓路面冰雪融化速度，对路基有一定保护作用。缺点：（1）行驶舒适性差：水泥混凝土模量高，反弹颠簸大，荷载、温度、干湿变形较大，路面设置接缝多，且极易破坏；刚度大，减振效果差、噪声大；这些因素影响路面行车的舒适性，同样平整度的舒适性明显比沥青路面差。（2）板体性强、基层抗冲刷要求高；水泥混凝土对基层的抗冲刷要求高，否则在接缝处宜产生唧泥、错台、和啃边，并在反复冲刷唧泥作用下易引起板底脱空，车辆荷载尤其重载作用下极易形成断板、断边和断角等结构性破坏，而影响路面行车。（3）不均匀沉降适应性差：由于水泥混凝土路面板刚性大，对于容易产生大的变形的基层、软土地基及高填方路基，要求有较高的、稳固的支撑条件。（4）维修难度大、眩光疲劳：水泥混凝土路面强度高，维修比较困难；水泥混凝土路面的光、热反射能力较大，容易造成驾驶员眼部疲劳。2.1碾压混凝土——采用振动碾压成型的水泥混凝土1）碾压混凝土特点RCC具有施工快、强度高、缩缝少、水泥用量少、造价低、减少施工环境污染等优点。它是低水灰比，坍落度为零的水泥混凝土，经振动压路机振动、碾压成型，不论是大型工程，还是局部改扩建工程，施工方便快捷。2）碾压混凝土施工①原材料要求水泥:与普通混凝土水泥要求基本一致。对级配好的碎石，水泥用量一般8%一13%(以重量计)，对集料级配差且含软质骨料多(达5%左右)的材料，可取高限。集料:粗集料使用连续级配，集料的最大粒径一般为15-20mm，最大的不超过40mm。细浆料含砂率不超过28%一30%.水:与普通水泥混凝土路面要求相同。掺配料:可掺人粉煤灰、炉渣粉、石英粉等，经过充分拌和后作为结合料。我国目前利用粉煤灰掺量为20%-40%，而国外最高达80%，目的是尽量推迟凝结时间以增长现场施工时间和降低造价。配合比设计:我国RCC路面配合比设计是采用传统的设计方法，即绝对体积法或假定容重法计算。W/C一般为0.3-0.4之间，水泥用量约在200一260kg/m3之间。②施工技术拌和:拌和机可采用普通混凝土拌和机，由于RCC混凝土的含水量小，属于干硬性混凝土，混合料不易拌和均匀，所以拌和时间要适当加长。ROC混凝土的落料高度要尽量减小，以避免最大骨料的离散。运料:在运输混合料时采用汽车运输，运料车必须覆盖蓬布，以免遭受日晒或雨淋。摊铺:RCC混凝土的施工速度主要受拌和能力和布料速度的影响，所以选择合适的布料方式和机械是非常重要的。可以使用摊铺机、平地机、喂料机、3）结构特点①结构厚度复合路面厚度应复合《公路水泥混凝土路面设计规范》（JTGD40-2002）第4.4.8条“复合式路面沥青上面层的厚度一般为25~80㎜”下面层RCC厚度复合第4.4.6条规定，根据交通等级和公路等级的不同，路面厚度分别在200~270㎜之间。一般要求不小于240㎜.②平面尺寸试验表明：在10℃~-16一般要求板长不超过15米。规范要求6~10米。③接缝与反射裂缝RCC同普通混凝土一样，接缝有胀缝、缩缝、施工缝等，并按要求设置；各种接缝的构造，修筑方法和使用材料也与普通混凝土相同。RCC板的接缝会反射到AC层内甚至贯通到AC层表面。这是因为，当温度下降时，RCC板产生水平收缩变形，引起CA层开裂，或当车轮通过接缝时，相邻板产生挠度差，使AC板产生剪切破坏。④为了防止或减轻反射裂缝，可以采取的措施有：提高基层强度、刚度或提高RCC板横缝传荷能力以减少相邻板的挠度差；提高沥青混合料的强度；从结构设计上着手解决如在RCC与AC层之间设置沥青橡胶层、沥青胶砂、沥青混合料连接层、土工织物、钢丝网、油毡等，也可采用锯开封缝的方法。2.2普通混凝土——除接缝区和局部范围外面层内均不配筋的水泥混凝土路面1）结构特点普通混凝土或仅在路面板边缘和角隅少量配筋的混凝土,就地灌筑成的路面结构,施工方便，造价低廉。普通混凝土路面应沿纵向每隔4~6米设一缩缝，满足温度下降混凝土收缩的要求；每隔150~200米设一胀缝，（冬季施工应100~150m设置胀缝；夏季施工应200~250m设置胀缝）防止夏季热胀，板翘曲压裂或缝边混凝土挤碎；沿横向每隔3～4.5米设一纵缝（图1）。纵横缝一般做成垂直相交，交通量较小时，为了减少车辆振动，也有把横缝做成与纵缝交成70°～80°斜角,并按4、4.5、5、5.5和6米的不等间距顺序布置。胀缝间隙宽1.8～2.5厘米，为防止渗水，上部5～6厘米深度内应灌以填缝料，下部则设置用沥青浸制的软木嵌条。为传递荷载，混凝土板厚中央处设钢传力杆，杆径20～32毫米，长40～60厘米，间距30厘米。杆的半段涂沥青并套以套筒，筒底部填以木屑等材料。普通混凝土路面板大多做成等厚断面，厚约24～32厘米。由于板的边缘和角隅最易遭到破坏，可设置边缘钢筋和角隅钢筋予以加固。2）变形以温度应力引起的变形为主，在正温度梯度作用下，表面混凝土受压，底面混凝土受拉，板向上拱起，在负温度梯度作用下，板顶、底面受压、受拉作用相反，板四角向上翘曲。脱空就成了混凝土板最大病害，在超荷载作用下，形成断板。2.3钢筋混凝土——面层配置纵向、横向钢筋或钢筋网并设置接缝的水泥混凝土路面在混凝土路面板内，沿纵横向配置钢筋网。钢筋直径8～12毫米，纵筋间距15～35厘米，横筋间距30～75厘米。钢筋设在板顶面下1/3~1/2处，以减轻板面裂纹的产生和扩张。板厚和纵缝间距与普通混凝土路面相同，但横缩缝间距可增至10～30米，并设传力杆。在地路基软弱地段和交通特别繁重处，也可将钢筋网设在板底面之上5～6厘米处，或设双层钢筋网。规范条文说明6.2.1：“钢筋混凝土面层配筋数量是为了平衡混凝土面层收缩受限制时产生的拉力。当混凝土面层收缩好似其中央两侧向内的摩阻力为一半面层混凝土质量乘以其与基层的摩阻系数，这一摩阻力即为作用于混凝土面层中央的拉力，并假定沿面层断面平均作用而由钢筋承受。钢筋配筋率和平面尺寸及气候有关,一般为0.1%~0.2%，最低为0.05%，最高为0.25%。2.4双层钢筋混凝土路面应力分析 1）荷载应力分析 ①板宽 分别取板宽的宽度为3.5m~6.5m进行计算。板厚hc=30㎝，纵向配筋率p=0.57%，纵向钢筋横向布置间距为300㎜，单层钢筋数量为19φ18；计算结果表明，随着板宽的增大板底拉应力逐渐增大，钢筋应力也随之增大。 ②板长 面层厚度为30㎝，基层厚度为20㎝，面层模量为30000MPa，基层模量为20000MPa。地基模量为300MPa。面层板宽保持5.6m，固定板的纵向配筋率，改变面板长度值。随着面板长度的增加，板底最大应力和钢筋拉应力都略有增加，当板长从5.0m增加到20m时，板底拉应力只增加了0.052MPa，数值变化很小。当面板长度达到18m以上时，其长度变化对板底最大拉应力的影响几乎可以不计。③板厚 在不同的板厚和基层模量条件下，荷载应力随着板厚增大而减小。④配筋率 配筋率变化会改变钢筋的传荷能力，进而会影响荷载应力变化。不论板长取何值，纵向配筋率的增大将引起板内最大应力的减小，当板长小于12m时减小的幅度较大，当板长大于12m时应力减小幅度较小且接近。如p从0.26%增加到0.7%，板长为12m时，应力从0.89602MPa减小到0.89125MPa，减小了0.53%，板长大于12m以后板内应力相差很小。尤其是板长大于18m时，其对板内应力的影响可忽略不计。⑤钢筋位置 为了分析纵向钢筋在断面上的位置对荷载应力的影响，将钢筋按下列位置布置，即上、下两层钢筋网间距分别取50㎜,100㎜,150㎜,200㎜。 分别考虑上下两层钢筋的作用，首先固定下层钢筋放置在据板底面50㎜处，即下保护层厚度为50㎜.随着两层钢筋网间距逐渐增大，板内最大主应力也增大，并趋于平缓。固定上保护层厚度为50㎜，并将下层钢筋网逐渐下移的情况，板内最大主应力急剧减小，故可以看出在满足保护层厚度的前提下，尽量将上下两层钢筋网间距增大，会明显减低板内最大主应力。因此，可以看出钢筋网分别起到的作用：上层钢筋网由于与水泥混凝土存在黏结力，共同抵抗车辆荷载，从而极大提高了路面结构的承载能力；下层钢筋网则充分发挥了钢筋的抗拉特性，弥补了混凝土抗拉性能差的不足，从而提高钢筋混凝土路面结构抗拉破坏能力。 同时，为了考虑上下两层纵向钢筋在断面上的位置对荷载应力的影响，将钢筋按以下位置设置：板厚2/5、板厚1/3、板厚1/4、板厚1/6、和板厚1/12处，并在计算时取hc=30㎝，p=0.57%，板长6m变化到18m，板内最大应力是： 当钢筋设置在板厚2/5处时，板内的应力值大于其他4个位置时的值；钢筋在板厚1/12处时应力值最小。板内应力都随着板长的增加而增大，且板长不同，钢筋位置对板底应力影响程度也不同。在尽量满足保护层厚度的前提下，增加双层钢筋网间距会显著减小板内应力。考虑到双层钢筋混凝土路面上保护层厚度不小于50㎜，当板厚为30㎝，钢筋布置在板厚1/3和1/6厚度之间对称位置是产生荷载应力最小的位置，设计合理。 2）温度应力分析①板长 板长是钢筋混凝土路面设计分析中的重要参数，其变化会引起钢筋和混凝土应力与位移的显著变化。计算时取水泥混凝土胀缩系数ac=1×10-5/℃,水泥混凝土弹性模量Ec=3×104MPa，Ds=18㎜,钢筋胀缩系数as=9×10-6/℃,钢筋弹性模量Es=2×105MPa，板长6~20m，按2m递增，升温40℃板底拉应力随板长变化板长68101214161820板底拉应力0.230.280.330.380.430.480.530.57②板厚 板底拉应力随板厚的变化板厚242628303234板底拉应力1.571.531.471.381.241.07 随着板厚的增加，混凝土应力降低，而混凝土的位移和钢筋应力增大，且基本上表现为线性规律。其原因在于板厚的增加使混凝土承受拉应力的截面面积增大。例如：当板厚hc=24㎝时，板底拉应力为1.573MPa，当hc=34㎝时板底拉应力为1.0758MPa，故混凝土应力降低31.6%；而此时，钢筋应力增加49.3%。③钢筋位置 变化上下钢筋网在混凝土截面的位置，混凝土的应力和钢筋应力随钢筋位置的变化而产生较大的变化。 随着钢筋网间距逐渐增大，混凝土的温度应力也逐渐增大；钢筋网间距增大至100㎜后，温度应力增加趋势变缓。而此时当钢筋网间距由50㎜增大到250㎜是，板底拉应力增加1.3%，钢筋拉应力和钢筋网间距呈线性正比关系。上下层钢筋网间距在大于100㎜时，继续增大钢筋网间距对混凝土板底拉应力影响较小。但考虑到保护层厚度，所以在满足保护层厚度的前提下，上下层钢筋网间距大于100㎜即可。④混凝土膨胀系数 混凝土膨胀系数αc的变化与混凝土材料组成等许多因素有关，其中最主要的因素是混凝土骨料的性质。一般αc在0.6×10-5~1.2×10-5/℃范围内变化。混凝土膨胀系数变化对各因素的影响αc/×10-5/℃混凝土板位移（㎜）板底拉应力（MPa）钢筋拉应力（MPa）0.60.06270.25040260.851481.471.00.14021.3821145.461.20.18261.8523208.021.50.24252.4774292.38 从上表可以看出，混凝土板位移、混凝土板底拉应力和钢筋拉应力都随αc的增加线性增大。为了减少混凝土的位移，以及减小混凝土应力和钢筋应力，在钢筋混凝土路面中，要尽可能考虑采用线膨胀系数小的混凝土材料和采用合适的配合比。⑤配筋率 配筋率变化由两个因素引起的：一是钢筋直径Ds的变化；二是钢筋横向间距b的变化。这两个因素变化对配筋率的影响相同，但对混凝土与钢筋的应力和位移影响则不同。i无论哪一张配筋方式，钢筋应力都随着配筋率的增加而减小，混凝土板底应力随配筋率增加而减小，且基本为线性变化。这是因为配筋率增大后，钢筋握裹面积增加，增强了钢筋对混凝土的约束，减小了混凝土的变形。ii在配筋率相同时，采用“小间距、小直径”配筋方式比“大直径、大间距”配筋方式能更有效地减小混凝土板底拉应力和钢筋应力，减小混凝土的位移。因为配筋率相同时，小直径小间距的配筋方式使钢筋具有更大的握裹面积。iii在相同配筋率和外部荷载情况下，配筋方式不同，路面内钢筋和混凝土的板底拉应力、位移状态不同，有时差别还较大，尤其是混凝土位移和钢筋应力，建议使用小直径钢筋进行配筋。Iv随着配筋率增加，无论采取何种配筋方式，混凝土位移均变小。⑥温度梯度Tg温度梯度对钢筋混凝土路面各因素的影响温度梯度Tg/(℃/m)606570758085板底拉应力/MPa1.03211.09711.16221.23721.31231.3821钢筋拉应力/MPa93.26105.73118.34129.38138.32145.46从上表看出，温度梯度Ts对温度应力的影响呈正比例关系。当温度梯度从60℃/m增大到853)小结①地基模量、基层模量、面层厚度等参数对钢筋混凝土面板荷载应力有较大的影响，基层厚度、沥青混凝土功能层模量对面板荷载应力影响较小。②在满足保护层厚度的前提下，尽量增大两层钢筋网间距会明显降低板底的最大弯拉应力。③温度应力和干缩应力对双层钢筋混凝土面层影响较大，设置双层钢筋可以有效限制混凝土裂缝宽度，减小面层开裂，并防止雨水下渗。同时下层钢筋的设置，可以明显提高面板底部抗拉应力的能力，使混凝土带缝工作。④随着板长、板宽的增加，混凝土板底拉应力与钢筋轴向拉应力都随着增大；板厚增加可使混凝土板底拉应力明显降低；温度梯度和年平均降温对混凝土板底拉应力和钢筋轴向拉应力影响显著。⑤在配筋率相同的条件下，小直径、小间距的配筋方式好似钢筋骨架具有更大的骨架密度，比大直径、大间距的配筋方式能更有效地减少钢筋混凝土的应力。配筋设计时，宜选用φ14~φ20的螺纹钢筋；对于一般地区，尽量不要采用强度等级C40及以上水泥混凝土；纵向钢筋可设在板厚1/3~1/6范围内，下层钢筋网应尽量靠近面板底部。⑥双层钢筋混凝土面层厚度计算时采用板底弯拉应力指标，可按普通混凝土路面计算板厚或直接采用厚度推荐值；纵向配筋率控制在0.4%~0.8%范围内，钢筋拉应力不超过钢筋屈服强度。2.4连续配筋混凝土在混凝土路面板内大量配筋，配筋率达0.6～1.0％，纵筋直径12～16毫米,间距7.5～20厘米，可连续贯穿横缝。横筋直径6～9毫米。间距40～120厘米。钢筋设在板厚中央略高处，与板表面距离至少6～7厘米。在连续配筋混凝土路面板的端部应设置端缝，它有两种形式：一为自由式,即连续设置3～4条胀缝,以便板端部自由胀缩；另一为锚固式，即在板底部设置若干根肋梁或桩埋入地基内，以阻止板的胀缩活动。与素混凝土路面相比，连续配筋混凝土路面板厚可减薄15～20％；缩缝间距可增长至100～300米。但用钢多，造价高，施工较复杂。1.1CRCP病害调查和影响因素分析﹙1﹚边缘冲断冲断产生的机理如下：对新建的路面，由于加筋的的作用，裂缝窄，传荷能力强。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。由于裂缝处剥落及板底的不均匀支撑，在重车作用下板顶产生较大的横向拉应力。学者指出当车辆荷载反复作用时，便累计疲劳，产生纵向裂缝，进而出现冲断。﹙2﹚横向裂缝尽管裂缝宽度是预估冲断的一个重要因素，但对其研究较少。发现早期产生的裂缝比后期产生的裂缝要宽，增加了裂缝的变异性。裂缝宽度服从Weibull分布，初始横向裂缝由环境因素产生。宽裂缝和冲断是CRCP的两大主要病害。研究表明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﹚纵向裂缝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、混凝土的蜕化会哦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的下沉有关。影响CRCP开裂和冲断等的主要原因有以下10种。=1\*GB3①板厚随着板厚的增加，冲断减少，平整度提高。板厚是否合适依赖于施工条件和其他设计因素。=2\*GB3②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水平。LTPP试验路调查表明，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；Kohler指出冲断与宽裂缝有关，与平均裂缝宽度无关。Colley认为虽然大部分的路面病害发生在宽裂缝或密集横向裂缝处，但也发现部分路面尽管平均裂缝间距小于0.6m，但是状况完好。③混凝土材料混凝土强度越高对路面越有利，模量、干缩和线膨胀系数越小对路面越有利。强度增大通常伴随着高的模量、干缩和线膨胀系数，会抵消强度增加的有利影响。美国《力学—经验法公路设计指南》等研究表明线膨胀系数对路面性能影响最大，粗集料类型对线膨胀系数影响最大。德克萨斯大学运输研究中心的Suh的等学者发现使用石灰岩做粗集料的CRCP具有较大的裂缝间距，较窄的裂缝宽度及更长的寿命，后来Cho等学者尝试对两种集料混合使用，但效果不理想。④纵向配筋率研究表明裂缝间距一般会随着钢筋用量的增加而降低。美国《力学—经验法公路设计指南》认为在美国（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。在野外调查表明，增加钢筋用量会减少冲断和提高平整度。同时表明，某纵向配筋是否合适像板厚一样依赖于施工条件和其他设计因素。⑤纵向钢筋的埋置深度研究表明，钢筋越靠近路表，裂缝宽度越小，冲断也越少，但是会造成施工的困难。美国《力学—经验法公路设计指南》建议在离路表8.8cm到板中这段深度内放置钢筋。对厚度超过330mm的混凝土板建议采用双层钢筋等。⑥裂缝传荷能力美国《力学—经验法公路设计指南》研究表明，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。由混凝土路面性能表明，基层侵蚀、集料嵌挤的损失、钢筋的修饰、过宽的裂缝和其他类型的接缝损坏会减小裂缝的剪切刚度。⑦板宽一般情况下，板宽与车道宽度相同。有少数工程也是用宽的路面板以提高路面性能。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用于固定纵向钢筋，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。⑩基层混凝土板与基层之间的黏结影响裂缝的间距。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。Zollinger认为在水泥稳定基层上设一层薄的沥青混凝土效果比较理想。如果连续配筋混凝土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润滑剂，以减小层间黏结，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。基层类型对CRCP的长期性有较大的影响。1.2规范中的CRCP设计指标和设计方法设接缝的普通水泥混凝土路面最主要的病害是板底的横向疲劳开裂，因此设计时主要控制车辆荷载和环境荷载作用下板底的纵向拉应力不超过混凝土的疲劳强度。而板底的横向疲劳开裂在CRCP中很少，CRCP中影响行车的病害主要是冲断，故需根据CRCP的冲断等病害建立相应的设计指标和设计方法。1993年版的AASHTO规范中钢筋用量的确定依据静力平衡的关系，采用维托公式计算最小配筋率。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；裂缝处钢筋的最大拉应力不大于其屈服强度。钢筋用量标准：①平均裂缝间距为0.9~2.4m；②裂缝间距小于0.64mm，以避免水进入路基；③钢筋应力小于钢筋的屈服强度。在确定设计标准时，必须满足一定的可靠度的要求。冲断会严重影响路面的平整度，规定在95%的可靠度水平下冲断数（10~20）/mile(1609.34m)比较合适。过宽的裂缝会降低裂缝处的传荷能力，会导致冲断发生，规定最大裂缝不能寛于0.02in（2.54mm）,裂缝处的传荷能力不能低于95%。美国《力学-经验法公路设计指南》指出，冲断的产生起源于相邻横向裂缝之间的纵向裂缝的形成，纵向裂缝的发展与横向弯曲应力造成的累积疲劳损伤有关，因此，通过研究形成纵向裂缝的累积疲劳损伤来预测冲断的发展。需要指出，当横向裂缝处的传荷能力较强，而且板底（尤其是纵向裂缝接缝处）支撑条件良好时，板顶的横向弯曲应力很小，疲劳损伤累积速度很慢，产生冲断所需的时间可能无限长。基于以上原因，美国《力学-经验法设计指南》把横向接缝处的传荷能力和板底的支撑条件作为两个最重要的设计因素。1.3CRCP结构分析与设计（1）力学分析计算机程序CRCP-10利用有限元、频域变换分析、可靠度等理论和方法对CRCP进行应力分析。它考虑了温度的变化和干缩沿板厚的非线性分布、翘曲的影响、混凝土蠕变的影响、钢筋与混凝土之间非线性的黏结-滑移本构关系、材料特性随时间的变化、动态荷载的影响等。在进行荷载应力分析时，由于裂缝间的传荷能力较强，将CRCP板视作黏弹性地基上的无限大板。（2）横向裂缝间距、宽度和传荷能力预估（3）冲断预估（4）设计变异性1.4CRCP施工技术1.5连续配筋混凝土CRC基层沥青路面美国和法国等国家均将CRC基层沥青路面作为高速公路典型结构的一种，但对其研究很少，可以从CRCP上沥青加铺层的研究中借鉴。对CRCP上沥青加铺层的设计，美国《力学-经验法设计指南》指出，以沥青面层的纵向裂缝、温缩裂缝、车辙、平整度及CRC的冲断作为设计指标。除了纵向裂缝外，若旧CRCP的冲断和裂缝损坏已经修复，则一般不会出现反射裂缝。纵向裂缝、温缩裂缝、车辙的预估方法与一般的沥青路面相同，只是其中的应力等变量不同。冲断的预估方法也与普通的CRCP相同，仅是路面结构的应力分析结果不同。平整度预估公式与普通水泥混凝土路面上加铺层的相同。2、连续配筋混凝土路面现状调查及分析 2.1横向裂缝调查及分析 （1）总体情况 调查公路长度横向裂缝总数一般裂缝Y型裂缝X裂缝密集裂缝错开裂缝耒宜高速150010383681108169180铜川段22033281271339孙吴段910135667232013643粤赣高速12407441927108916 （2）裂缝间距分布情况 按照现行规范，连续配筋混凝土面层的纵向配筋设计时，横向裂缝的平均间距L为1.0~2.5m。当L＞2.5m时，应增大配筋率，当L＜1m时，应减少配筋率。认为若裂缝间距小于1m，则面板处于窄版的受力状态，即存在冲断并引发纵向开裂破坏的可能；当裂缝间距大于2.5m时，则裂缝的宽度太宽，接缝传荷能力降低，缝边容易出现楔形碎裂与崩边破坏，且导致表面水渗入结构内部，引起钢筋锈蚀等长期耐久性损坏。 实际调查结果是小于1m裂缝间距的比例最高。 （3）横向裂缝宽度 铜川段裂缝最大宽度为14mm，最小裂缝宽度为0.1mm，宽度小于1mm的占64.2%，有35.8%的裂缝不满足设计要求； 孙吴段裂缝最大宽度为0.94mm，最小宽度为0.18mm。平均宽度为0.52mm。 2.2纵向裂缝调查与分析 最长、最短纵向裂缝均出现在耒宜高速，分别是49.5米和0.3米。调查公路路段长度（m）纵向裂缝总数（条）纵缝最大长度（m）纵缝最小长度）m)纵缝平均长度（m）纵缝总长度（m）耒宜高4G210铜川段22058380.76.6382.9孙吴段91030446.1粤赣高速1240318.82.3冲断调查与分析调查公路路段长度（m）冲断数目（处）冲断面积（m2）发生在密集裂缝处的百分率（%）耒宜高速5段150057198.653.8~100G210铜川122023460244孙吴段1910511.06100粤赣高速2124044.01502.4调研结论（1）各路段的设计均按照《公路水泥混凝土路面设计规范》（JTGD40-2002）进行，设计时均控制裂缝间距在1.0m~2.5m。但实际上，耒宜高速、G210铜川段、山西孙吴线、粤赣高速分别有50%、51.7%、51.9%、62.3%的裂缝间距不在这个范围，而且各调查路段均出现了大量的裂缝密集路段。（2）裂缝宽度是影响CRCP长期性能的关键。当裂缝宽度过大时，在环境因素的影响下，裂缝处可能因渗水而锈蚀钢筋，侵蚀基层，且宽的横向裂缝会引起荷载传递能力损失和裂缝处混凝土剥落，进而导致面板在车轮的作用下容易发生冲断破坏。目前规范规定裂缝宽度应小于1mm。铜川段裂缝平均宽度大于1mm，而且宽度的大小也不均匀。（3）尽管CRCP病害涉及冲断、坑槽、网裂、剥落、表面磨光等，但除冲断外的病害仅零星发生，冲断是最主要的病害，能占到影响行车病害总量的90%以上。（4）造成CRCP冲断的原因主要有：路表水渗入板底造成混凝土板脱空、路基不均匀沉降、重车交通量大、施工工艺不成熟、路面内部排水系统不完善等。在密集裂缝处发生的冲断最多，孙吴段、铜川段粤赣高速和耒宜高速密集裂缝处的冲断分别占到了冲断总量的100%、44%、50%、63%。（5）为了控制CRCP裂缝不均匀开裂，个别公路对CRCP进行预切缝处理，以防止混凝土路面不规则开裂给路面带来病害。3、温降和干缩作用下连续配筋混凝土路面力学分析和参数敏感性分析3.1温降和干缩作用下连续配筋混凝土路面应力和位移分析CRCP与普通混凝土路面有很大不同，主要表现在：CRCP的纵向拉应力主要来自温降和干缩受到的约束而无法自由发生引起的应力，而温度梯度引起的纵向拉应力较小，在温降和混凝土干缩所引起的应力的1%以内。普通水泥混凝土路面的应力主要来自温度梯度引起的翘曲应力；普通水泥混凝土路面设置接缝，地基与面板之间的摩阻力很小，在力学分析中通常忽略不计，而CRCP受到的纵向摩阻力一般不可忽略。CRCP配置纵向钢筋的主要作用是控制温降和干缩引起的横向裂缝，使得横向裂缝间距在合理范围内，不至于出现较小的裂缝间距和过宽的裂缝宽度而导致冲断。纵向配筋设计标准——混凝土面层横向裂缝的平均间距为1.0~2.5m；——裂缝缝隙的最大宽度为1㎜；——钢筋拉应力不超过钢筋的屈服强度。2.5水泥混凝土下面层单位成本比较（每平方米/25厘米）（参考长益预算费用）路面结构沥青砼造价（元/m2）碾压混凝土（元/m2）普通水泥混凝土路面（元/m2）单层钢筋混凝土路面（元/m2）双层钢筋混凝土路面（元/m2）连续配筋混凝土路面（元/m2）沥青混凝土6+4（厚10cm）6*12+4*17=140水泥混凝土C35厚25cm95.5(保津招标价)109.43（长益大修审核价109.43109.4370.04（16cm）109.43（25cm）单层钢筋网φ12间距10*5065.3365.33双层钢筋网φ16间距20*50161.16传力杆φ328.7215.148.728.72应力吸附AC-9厚2cm30.4830.4830.4815.2415.24端头锚固10.13板底2cm沥青混凝土隔离层24.3724.3724.3724.37合计140134.7179.42238.33318.92185.11（224.5）2.6规范要求：（JTGD40-2002）条文说明4.4.2复合式面层的水泥混凝土下面层，如选用不设传力杆的普通混凝土或碾压混凝土，则为了减缓反射裂缝的出现，须采用较厚的沥青混凝土上面层（如100mm以上）。选用这种方案，还不如选用连续配筋混凝土或设传力杆的普通混凝土经济。因为，后种方案降低了反射裂缝出现的可能性，可采用较薄的沥青混凝土上面层（如25~80mm），因上面层厚度减薄而减少的费用，足以抵消因配筋而增加的费用。2.7专家点评我国高速公路复合式水泥混凝土路面的实践已经表明：横向缩缝中未插传力杆的普通混凝土或碾压混凝土路面做成复合式路面效果较差，40~60㎜沥青混凝土表层是遮盖不住错台的。接缝处沥青混合料压溃脱落较多，行车舒适性很差。所以复合式路面中的承载结构层在高速、一级公路上应做成每条横缩缝插传力杆的水泥混凝土或连续配筋混凝土路面，必须首先控制接缝和裂缝宽度，并及时填缝：一是防止渗漏水；二是防止压溃脱落。在贫混凝土上基层上设计水泥混凝土路面及老水泥混凝土路面加铺水泥混凝土路面时，设置不薄于30㎜的沥青混凝土缓冲封层，实现刚性路面在刚性基层上的软着陆。其主要目的是缓解面板的温差与荷载垂直疲劳弯拉应力，阻止“刚碰刚”的双层板之间垂直温差翘曲与荷载组合引发的大量翘曲断角破坏；同时提高刚性基层表面的抗冲刷能力