屠建波，王 誠

（1.浙江省交通規(guī)劃設計研究院，浙江 杭州 310006；2.后勤工程學院軍事土木工程系，重慶市401311）

連續(xù)配筋水泥混凝土路面開裂過程及影響因素分析

屠建波1，王 誠2

（1.浙江省交通規(guī)劃設計研究院，浙江 杭州 310006；2.后勤工程學院軍事土木工程系，重慶市401311）

為了解CRCP路面的開裂過程及影響因素，借助有限元軟件ANSYS，對CRCP路面早期及后期的開裂過程進行了分析，并討論了地基阻力、筋材模量、溫差及黏結(jié)剛度對CRCP路面開裂行為的影響。結(jié)果表明：在水泥混凝土面層鋪設初期，裂縫大約在其間距為40 m時穩(wěn)定；當水泥混凝土板長小于15 m時，地基摩阻力對板中混凝土的應力影響很小；筋材模量越大，筋材約束混凝土變形的能力就越強，最終水泥混凝土的開裂間距越?。粶夭钤酱?，水泥混凝土路面的開裂速度也越快，但最終水泥混凝土的裂縫間距是趨于一致的；筋材與混凝土間的黏結(jié)剛度越大，水泥混凝土路面的開裂速度越快，最終的裂縫間距也越小。

連續(xù)配筋水泥混凝土路面；有限元分析；開裂過程；影響因素

0　引言

連續(xù)配筋水泥混凝土路面（CRCP）是指在水泥混凝土面層配置一定數(shù)量的縱向連續(xù)鋼筋和橫向鋼筋，橫向不設接縫的路面。CRCP路面［1］是道路工程師為了克服普通水泥混凝土路面的各種病害及改善路用性能而采用的一種路面結(jié)構(gòu)形式，具有完整而平坦的行車表面，增強了路面板的整體剛度，改善了汽車行駛的舒適性。

由于鋼筋混凝土本身的特性，CRCP路面不可避免地會因濕氣變化、溫度變化、地基摩阻力及筋材約束等因素作用而產(chǎn)生收縮裂縫。裂縫會影響路面的整體性，是CRCP路面設計的重要控制指標。因此，本文綜合連續(xù)配筋水泥混凝土路面在施工和使用過程中的實際情況，在不考慮荷載作用的前提下，對水泥混凝土強度形成期間和強度形成后的CRCP路面進行分析，了解了干縮、溫縮、筋材約束及地基約束作用過程及效果，從而對CRCP的開裂過程進行探討，為優(yōu)化CRCP路面設計方案提供理論依據(jù)。

1　CRCP開裂過程及計算模型建立

1.1開裂過程

CRCP路面［2］出現(xiàn)裂縫通常是由干縮、溫縮、地基約束力及鋼筋約束力共同作用引起的。由于在水泥混凝土強度形成期間，鋼筋對混凝土的約束力很小，因此，本文把水泥混凝土強度形成期間的路面開裂稱為早期開裂，強度形成后的路面開裂稱為后期開裂。

路面的早期裂縫主要是由干縮、溫縮以及地基約束力引起。面層剛鋪筑完成時，是沒有裂縫的板體，失水、降溫使面層板體向中軸收縮。由于地基阻力的作用，板體收縮受到約束，板體產(chǎn)生收縮應力。當收縮應力大于材料的抗拉強度時，在最大應力處或基層薄弱處產(chǎn)生收縮裂縫。

路面的后期裂縫主要由溫縮、地基約束力及鋼筋約束力引起。隨著時間的推移，路面干縮失水基本完成，此時路面的收縮主要為溫縮，溫縮受到地基阻力和鋼筋約束力的作用，導致裂縫的產(chǎn)生。特別是經(jīng)過一個冬天的降溫影響，路面內(nèi)部收縮裂縫進一步發(fā)展，最終形成穩(wěn)定的規(guī)則裂縫。

1.2計算模型

圖1　有限元計算模型

2　CRCP早期開裂分析

由于在水泥混凝土強度形成期間，筋材對混凝土的約束力很小，因此不考慮筋材約束。對板長為100 m的連續(xù)配筋路面進行有限元分析，以期得到路面建成初期在干縮應力與地基阻力作用下裂縫發(fā)展的規(guī)律以及穩(wěn)定以后的裂縫間距。

由于路面建成初期，溫差變化不大，因此，為方便計算，在混凝土強度形成之前僅考慮干縮應力和地基阻力。計算模型中面板厚度為26 cm，地基摩擦系數(shù)取1.5，水泥單位重γc=24 000 N/m3，混凝土初期抗拉強度取2.5 MPa，干縮應變εsh取0.000 2。為了方便計算，干縮應變的產(chǎn)生通過降低溫度來模擬，見下式：

式中：εsh為干縮應變；αT為溫縮系數(shù)，10-6/℃；ΔT為降溫幅度，℃。

通過計算得到0.000 2的干縮應變折合成20℃的溫差。試驗結(jié)果如表1和圖2所示。

表1　不同混凝土板長的板中應力

圖2　不同板長時混凝土板中應力

由表1知，在水泥混凝土面層鋪設初期，由于混凝土的干縮作用及地基阻力的作用，面層產(chǎn)生裂縫，大約在裂縫間距為40 m時穩(wěn)定。因此，在后面的分析中，以40 m作為起始路面長度。

3　CRCP后期開裂分析

在對連續(xù)配筋混凝土路面的后期開裂進行分析時，本文通過有限元對地基阻力、筋材模量、溫差及黏結(jié)剛度對開裂行為的影響進行分析。分析一種因素的影響時，其他因素保持不變。計算模型中板長為40 m，面板厚度為26 cm，筋材直徑為16 mm，縱筋間距為11 cm。

3.1地基阻力影響

新的用戶如果想要獲得水權(quán)，或許可從政府預留的水權(quán)中申請，但更普遍的情況是必須從老用戶手中購買。愿意賣水權(quán)者，肯定是他自己用水的效益不如賣水收入高；而買水權(quán)者，肯定他使用水資源的效益要超過購買水權(quán)的成本。因此，通過水權(quán)的交易，水資源不斷從低效用水者向高效用水者轉(zhuǎn)移，從而實現(xiàn)水資源的高效配置，并可借助市場機制隨時動態(tài)調(diào)整、不斷優(yōu)化。

為了研究地基摩阻力對路面后期開裂的影響，在其他條件相同的情況下，對僅考慮筋材約束和同時考慮地基阻力及筋材約束兩種情況下的板中應力進行比較。計算模型中筋材為50 GPa的玄武巖纖維筋，摩擦系數(shù)取1.5，溫差取35℃，黏結(jié)強度取34 MPa/mm，結(jié)果如圖3所示。

圖3　地基阻力對板中應力的影響

由圖3可知，當水泥混凝土板長小于15 m后，地基摩阻力對板中混凝土的應力影響很小，混凝土開裂主要受筋材的約束，筋材約束越強，板體斷裂越快。對于連續(xù)配筋水泥混凝土路面，裂縫間距指標為1～2.5 m，因此在后面的開裂影響因素分析時，忽略地基摩阻力的影響。

3.2筋材模量影響

為了研究混凝土強度形成后筋材模量對混凝土開裂的影響，筋材模量分別取210 GPa（鋼筋）、150 GPa、100 GPa、50 GPa（玄武巖纖維筋），溫差取35℃，黏結(jié)強度取34 MPa/mm，結(jié)果如圖4所示。

圖4　筋材模量的影響

由圖4看出，在不計地基阻力影響下，當溫差和黏結(jié)剛度相同時，筋材的模量對混凝土開裂間距有較大影響；筋材模量越大，筋材約束混凝土變形的能力就越強，開裂速度越快，表現(xiàn)為最終水泥混凝土的開裂間距越??；并且連續(xù)配筋路面板中應力隨著板長減小而減小，板長大于20 m時應力變化較為緩慢，板長小于20 m時，應力急劇減小。

通過長期觀測玄武巖筋CRCP路面和鋼筋CRCP路面的開裂速度，發(fā)現(xiàn)玄武巖筋CRCP路面開裂較慢，與前面有限元分析的結(jié)論一致，即路面開裂速度隨筋材模量的增大而增大。為了保證行車舒適性，CRCP路面的裂縫寬度要很小，而裂縫寬度與裂縫間距正相關，路面要求較快完成開裂，因此有必要提高玄武巖纖維筋的模量。

3.3溫差影響

為了研究混凝土強度形成后溫差對混凝土開裂的影響，溫差分別取30℃、35℃、40℃、45℃，筋材模量取50 GPa（玄武巖纖維筋），黏結(jié)強度取34 MPa/mm，結(jié)果如圖5所示。

圖5　溫差的影響

由圖5可知，當筋材模量和黏結(jié)剛度相同時，溫差越大，水泥混凝土路面的開裂速度也越快，但最終水泥混凝土的裂縫間距是趨于一致的。

3.4黏結(jié)剛度影響

為了研究混凝土強度形成后黏結(jié)剛度對混凝土開裂的影響，黏結(jié)剛度系數(shù)取34 MPa/mm、40 MPa/mm、50 MPa/mm、60 MPa/mm，筋材模量取50 GPa（玄武巖纖維筋），溫差取35℃，結(jié)果如圖6所示。

從圖6看出，當筋材模量和溫差相同時，筋材與混凝土間的黏結(jié)剛度越大，水泥混凝土路面的開裂速度越快，最終的裂縫間距也越小，說明兩者間的黏結(jié)剛度對配筋設計有較大的影響。

4　結(jié)論

（1）在水泥混凝土面層鋪設初期，裂縫大約在其間距為40 m時穩(wěn)定。

圖6　不同粘結(jié)剛度的影響

（2）當水泥混凝土板長小于15 m時，地基摩阻力對板中混凝土的應力影響很小，在進行配筋理論分析時，可忽略地基摩阻力的影響。

（3）筋材模量越大，筋材約束混凝土變形的能力就越強，最終水泥混凝土的開裂間距越??；溫差越大，水泥混凝土路面的開裂速度也越快，但最終水泥混凝土的裂縫間距是趨于一致的；筋材與混凝土間的黏結(jié)剛度越大，水泥混凝土路面的開裂速度越快，最終的裂縫間距也越小。

（4）連續(xù)配筋路面板中應力隨著板長減小而減小，板長大于20 m時應力變化較為緩慢，板長小于20 m時，應力急劇減小。

（5）增加筋材模量和增大筋材與混凝土間的黏結(jié)剛度總的來說對實現(xiàn)連續(xù)配筋路面的設計指標是有利的。在不考慮筋材應力的情況下，溫差大小主要影響開裂速度，對最終的開裂間距影響較小。

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U416.216

B

1009-7716（2016）01-0015-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.01.005

2015-08-18

屠建波（1975-），男，浙江余姚人，工程碩士，高級工程師，主要從事城市道路及路面結(jié)構(gòu)研究。