混凝土路面發展的論文

摘要：本文對世界各國在預應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：預應力混凝土路面的發展，其優缺點、預應力混凝土路面類型、材料要求、設計方法、路基約束、費用及其未來的進一步研究工作。

關鍵詞：預應力混凝土路面設計方法發展研究

1簡介

儘管預應力的原理被廣泛地應用於房屋、橋樑等結構領域，但在道路上的應用卻很有限。眾所周知，混凝土的主要特性就是抗壓強度遠大於抗拉強度。預應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力，以提高它的抗彎拉強度，提高承受荷載能力。國外對預應力混凝土路面做了較多的研究，國內尚未開展此項研究工作。

由於預應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生過大的撓度，對路面板的耐久性和地基的穩定性都不利，另外，也增大了施工難度。預應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發展過程

預應力混凝土路面是二十世紀四十年代後期發展起來的一種特殊的水泥混凝土路面。最早是在法國使用，後來在英國和其它歐洲國家先後用於道路路面或機場道面上。美國、日本和前蘇聯等國家也都修建了一定數量的預應力混凝土路面和機場道面。

據載世界上第一條預應力混凝土路面出現在法國的Luzancy的一座橋樑的引路上。但直到1947年，聞名於世的Orly跑道的建成才使預應力混凝土路面完全確立。當時，該跑道為了滿足現代飛行的需要而設置的。全長409.5m，由帶橫向鋼絲索和台座的三角形面板組成。1953年，在同一地點，在連續的矩形板上採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路段上採用了開口式千斤頂和墩座的“連續型”板(即無膨脹縫、連續的混凝土板)。

其中，一條試驗路是板邊薄於板中，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的初始預應力外，對板所施加的縱向預應力在數量級上與其他國家都相同。法國工程師不贊成橫向施加預應力。

英國是自1950年的Crawley道路才開始預應力混凝土路面研究的。該路主要是為了調查預應力混凝土在道路建設中的使用情況，在該路上對一些設計因素和施工方法(採用了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。其後又先後修建了倫敦機場的停機坪、Essex道路、PortTaLbot道路、Catwick停機坪等。

英國的預應力混凝土路面板絕大多數都是“單獨型”的，即有鋼絲索和分隔的膨脹縫。因為它們認為，“單獨型”板要好於“連續型”。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，而一塊採用開口式千斤頂的板卻為10cm厚。

英國的縱向預應力一般為：1.575MPa(公路)，3.15MPa(機場)，1.925MPa(斜向鋼絲束)；橫向預應力一般少於0.35MPa，除三角形板外。

在德國一些有關預應力板的早期分析工作要比其他國家早，但其理論應用只限於橋面板、樓板等，而不是路面板。在1953年才開始在Mergelstetten修築預應力路面，其後又修築了幾條道路。

美國最早著名的PatuxentRiverNavaeAirStation預應力道面是由BureauofYardsandDocks於1953～1954年建的，這是一條長150m、寬3.6m、厚17.5cm的路面，縱向鋼索的初始預應力大約為4.9MPa。其後又修了許多試驗路，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應力混凝土罩面(240m長，45m寬，20～22.5cm厚的跑道)，這是美國首次將預應力混凝土用於商用機場道面。

其他國家如比利時、奧地利等都於50年代左右起步，巴西也於1972～1978年在里約熱內盧修了一條厚18cm、面積為552〖KG*4000m2的預應力混凝土機場道面，在荷蘭、瑞士也都修了許多預應力道面，其中較近的如荷蘭在Schipol建的(1980～1987年)。

3預應力混凝土路面的優缺點

許多研究工作表明預應力混凝土路面有以下幾方面的優勢：

(1)路面板厚度只需傳統混凝土路面板厚的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)預應力混凝土路面由於板較長，接縫數量可大大減少，改善了行車的平穩性。

(3)預應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)預應力混凝土路面的用筋量少於除貧混凝土外其他路面。據國外研究指出，用於正常預應力設計所需的鋼筋量約為2.7125km/m2，這遠少於連續配筋路面(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，預應力混凝土路面幾乎30年不需大修，養護需求也較少。對於較長使用年限的主要問題就是來自胎紋的磨耗，但預應力混凝土路面要比傳統混凝土路較來看，初期投資高，但養護面的磨耗要小。就其費用與傳統混凝土路面的比費用幾乎為零，並且減少了由於養護所延誤的時間等因素。

其主要缺點在於：

(1)從經濟觀點來看，雖減薄了路面板的厚度，但需大量的預應力筋腱，施工工藝較複雜，手工操作的工作量大，難以實現機械化、自動化施工，初期投資較大。

(2)雖然預應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，這對橫向接縫的設計要求很嚴，同時對路基摩擦約束要儘可能小。

(3)對施工隊伍人員素質要求較高，並需進行嚴格的質量控制。

4預應力混凝土路面類型

據現有資料，國外做法大致可將預應力路面分為兩大類：“單獨型”板的路面和“連續型”板的路面。

“單獨型”路面就是配置一定數量的預應力鋼筋，由間隔較長的膨脹縫相隔離的路面板組成。按施加預應力的先後次序又可分為先張法和後張法兩種，這與房屋、橋樑上的做法相同，一般多采用後張法。

“連續型”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，按照施加預應力的方法可分為千斤頂加力和自加應力。千斤頂加力是一般在兩個固定的錨固端間澆築混凝土，並留有空隙放置加力千斤頂，待混凝土硬化達到規定強度後，用千斤頂從兩端加力，達到規定壓力時，將兩端空隙封閉。自應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，由於兩端受有約束而使混凝土自動產生內壓應力。

一般認為，“單獨型”板的路面要好於“連續型”板的路面。主要原因一是扣除路基摩阻後的預應力在有膨脹縫路面中幾乎保持常量，而在“連續型”板中，板不能自由膨脹，且又很長，從而使其應力隨外界温度、濕度變化很大，很難對所需的預應力進行估計。因此，工程上多采用“單獨型”路面，“連續型”路面還處於研究、試驗階段，實際應用不多。

5材料要求

預應力混凝土路面需要高質量的混凝土(高強度、低收縮和低徐變)。水灰比應儘可能小，以避免由於收縮和徐變引起過大的預應力損失。國外有報導，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，但其明顯優勢在於混凝土澆築的高速性。

現有記載除了早期的一些室內試驗外，很少有使用促凝劑或增加混凝土和易性的外加劑。

6設計方法

目前，世界各國對預應力混凝土路面的設計仍然沒有一個統一的方法體系，而且在某種程度上都是經驗性的，一般施加足夠的縱向預應力來防止橫向收縮開裂。一般認為：板收縮時，温度翹曲約束應力使板底受壓，這有助於預應力抵消由荷載和收縮引起的張拉應力；板膨脹時，由荷載和白天翹曲約束引起的板底受拉可被預應力和板底摩擦約束應力所抵消。因此，所施加的預應力主要由(1)交通荷載；(2)由温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：

基本的設計方程犧ft＋fpf△T+fF+fL

式中：fp——由預應力引起的混凝土中的壓應力；

ft——混凝土的容許彎曲應力(混凝土彎折模量/安全係數)；

f△T——由温度差引起的應力；

fF——由路基摩阻引起的應力；

fL——由荷載引起的彎曲應力。

温度應力

如果假設温度梯度沿線性變化，那麼就有

f△T=（Ecac△T2）／(1-V)

テ渲校珽c、ac、V分別為混凝土彈性模量、温度膨脹係數和泊松比。

路基摩阻引起的應力

fF=μ××

其中，μ為路基摩阻係數，為混凝土的密度，為距千斤頂的距離。當=L/2(L為板長)，fF達到最大。在確定預應力大小時，取fF=μ××L/2。

在設計中，板厚一般是根據預應力筋或套管所必須的覆蓋層厚度來確定的，而非根據承載應力計算設計。

預應力數值如下：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；當採用斜向鋼索來產生縱向預應力時，平均值約為1.93MPa。橫向預應力還未廣泛被採用，一般為0～1.4MPa，當板寬不超過3.6m時，可不設橫向預應力。

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，該約束阻止板隨温度、濕度的變化而移動。在預應力混凝土路面中，儘量減小該摩擦力是非常重要的，因為它是引起預應力損失的主要因素，同時它也決定着板的長度。儘管國外在這方面已做了不少工作，但摩擦係數的大小仍難以確定。有些部門建議摩擦係數為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現其值為1.25～2.0。許多室內試驗所確定的摩擦係數都比現場的小，這是因為室內未能真實反映現場的狀況條件所致。

為了減小摩擦，通常採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，許多研究表明採用一薄層的同一粒徑的球形顆粒(砂、石屑等)對於減小摩擦效果很好，其作用如同滾珠軸承。

8費用

造價費用最能體現新生事物的發展前途，人們往往更注重其經濟效益如何，而忽略了其它方面。雖然國外做過許多與傳統的混凝土路面的比較分析，但仍不能説明問題，因為大部分工作都是試驗性的，所以比成本費用自然要高於所預期的。很顯然，當技術完善和普及時，其費用就會下降。目前，從國外一些報告可以看出，預應力混凝土路面與傳統路面在建設費用上相差不大。雖然評估預應力混凝土路面的長期養護費用似乎過早，但它在養護上的經濟性是十分可觀的。

英國的Crawley的預應力道面顯示了它與普通鋼筋混凝土路面的建設費用基本相同。在完成第一塊板的鋪設後，曾進行招標修建其餘的板，結果早期的投標價要低於所預計用於普通路面的造價，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於商用機場道面的後張罩面。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，儘管表1有估計成份，但也一定程度説明了預應力混凝土路面的經濟效益。

9未來展望與進一步的研究

就目前而言，仍然缺少對預應力混凝土路面各方面的認識。作者認為預應力混凝土路面的設計理論和施工方法的發展將主要圍繞以下幾個方面：

(1)對各種板長所需的恰當的預應力。

(2)板的膨脹、收縮和翹曲特性。

(3)板的承載特性，其中包括研究預應力對板的承載能力的影響，以及對板疲勞特性等的影響。在確定預應力時，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)接縫和排水系統的設計。

(6)施工程序的發展，是否能使用傳統的鋪路做法，或經濟的方法。

已建的絕大多數預應力混凝土路面都屬於“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，並且對“連續型”的路面有了一定認識，那麼修建長達300m或更長的路面是可能的。我們可從“單獨型”和“連續型”路面的一些特性中看出：將這兩類路面聯合使用會更有利，“連續型”路面可用於路基狀況較好的直路上，“單獨型”路面用於路基情況稍差和曲線路上。

隨着預應力混凝土路面的理論體系的成熟和施工技術的發展，預應力混凝土路面將會有良好的發展前景。