CN109235174A - 一种基于纤维增强型水泥基复合材料的无接缝路面结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于纤维增强型水泥基复合材料的无接缝路面结构，该路面结构从上到下依次包括罩面层、水泥混凝土面层、基层和底基层；所述罩面层设于水泥混凝土面层的上方，罩面层材料为纤维增强型水泥基复合材料；所述罩面层和面层之间应进行粗糙化处理，保证两个结构层之间的连续性；纤维增强型水泥基复合材料的主要成分是水泥、粉煤灰、石英砂和PVA纤维；所述罩面层采用全断面摊铺的形式进行铺筑，保证消除路面结构表观缝隙。罩面层施工缝应设置在水泥混凝土板的板中位置，并采用环氧树脂灌缝胶在各施工缝处进行灌缝处理。本发明能实现消除水泥混凝土路面表观缝隙的目标，减少路面结构因水泥板板块之间的接缝引起的损害，延长道路使用寿命。

Description

一种基于纤维增强型水泥基复合材料的无接缝路面结构

技术领域

本发明涉及交通运输工程领域，涉及一种用于国省干线公路、市政道路的新建、改建、大中修工程中的新型水泥混凝土路面结构，特别是涉及一种基于纤维增强型水泥基复合材料的无接缝路面结构。

背景技术

纤维增强型水泥基复合材料（ECC，Engineered Cementitious Composites）是以微观力学、断裂力学和数理统计为基础，通过对基体、纤维以及基体/纤维界面特性进行合理设计而得到的一种高性能纤维增强型水泥基复合材料。上世纪90年代初由Victor Li等人在美国密歇根大学高等土木工程材料实验室研制成功，随后在欧洲各国和日本得到了飞速发展。这类新型材料最大的意义在于解决了混凝土本身固有的脆性，其在拉伸，弯曲等荷载形式作用下产生大量的细密裂缝使它同时具有高延性，高韧性和高能量吸收能力。ECC在直接拉伸荷载作用下具有应变硬化和多缝开裂特性，并且可以控制最大裂缝宽度在100μm以内。同时ECC材料不仅可以利用普通混凝土制作工艺加工成型，针对不同工况还开发了多种制备工艺，如喷射ECC，自密实ECC，挤压成型ECC，防水ECC，早高强ECC 等，为ECC的工程应用提供了有利条件，使ECC在现代混凝土结构建造中有着广阔的应用前景。在国外，ECC已广泛应用于新建、扩建工程中，主要集中在抗震结构、桥梁结构、公路和铁路以及各种结构的劣化混凝土修复工程，显著提高了结构的耐久性。

ECC在国内的发展还处于起步阶段，许多科研单位正在进行材料性能的室内试验研究。国外的研究及工程应用也为ECC在中国的应用提供了十分宝贵的经验。经试验验证，ECC具有类似金属材料的拉伸强化性能，其宏观极限拉应变可高达3%-6%，相当于钢材的塑性应变能力，是一种具有像金属一样可变形的材料。在拉伸和弯曲作用下均表现出非常显著的高延展性和卓越的裂缝分散能力，极限拉应变时平均裂缝宽度仅为40-80μm，平均裂缝间距为1-2mm。在四点弯曲小梁试验中，ECC小梁试件受力开裂后，承载力也不会马上下降，而是经历一个很长的硬化阶段，并且在开裂过程中裂缝宽度始终保持在较低的状态。

水泥混凝土路面是我国使用范围比较广的路面形式，由于水泥混凝土本身在温度变化、湿度变化的情况下会产生一定的胀缩变形，所以水泥混凝土路面一般采用分块的形式进行设置，各板块之间的接缝包含真缝和假缝两种形式。经过长期使用经验以及力学分析发现，接缝是水泥混凝土板块的薄弱部位。在荷载和温度等外界因素的作用下，接缝中的填缝料极易老化损坏，若不及时更换，水泥混凝土板在收缩时会在填缝料和板块之间拉开空隙，造成雨、雪水的下渗，产生板块唧泥；若有石子落入缝隙，在板块膨胀时，极易造成板边破碎。随着病害的进一步发展，水泥板板底会产生脱空，板角以及板中在荷载的作用下会产生断裂，影响了路面结构的承载能力和使用寿命。因此，对于普通水泥混凝土路面，如何消除接缝的影响，保证路面结构的使用寿命，就成了道路工程领域研究的热点。目前，在实体工程中，采用连续配筋混凝土路面及沥青混合料加铺是常见解决方案，但是这两种解决方案存在着工程造价高和反射裂缝难以控制的问题。因此，寻求能够有效消除水泥混凝土路面接缝影响的路面结构及材料是延长我国水泥混凝土路面使用寿命领域研究的重要问题，ECC材料的特点为解决这一问题提供了可能性。

发明内容

为了解决以上问题，本发明提供一种基于纤维增强型水泥基复合材料的无接缝路面结构，消除水泥混凝土路面结构的表观缝隙，以解决传统的水泥混凝土路面结构由于面板之间的接缝带来各种病害问题，从而达到延长路面结构的使用寿命的目的，为达此目的，本发明提供一种基于纤维增强型水泥基复合材料的无接缝路面结构，该路面结构从上到下依次包括罩面层、水泥混凝土面层、基层和底基层；

所述罩面层设于水泥混凝土面层的上方，罩面层材料为纤维增强型水泥基复合材料，厚度为6-8cm。

所述罩面层和面层之间应进行粗糙化处理，保证两个结构层之间的连续性。

作为本发明进一步改进，所述罩面层采用具有高延性、高韧性和高能量吸收率的纤维增强型水泥基复合材料，该材料中的主要成分是水泥、粉煤灰、石英砂和PVA纤维；

其中，水泥选用P.Ⅱ.52.5R；粉煤灰须采用Ⅰ级粉煤灰，45μm筛余量不大于12%，需水量比不大于95%。

石英砂级配为：尺寸为1.18mm的方孔筛，石英砂通过率为100%，尺寸为0.6mm的方孔筛，石英砂通过率为44.6%，尺寸为0.3mm的方孔筛，石英砂通过率为10.8%，尺寸为0.15mm的方孔筛，石英砂通过率为0%。

PVA纤维选择直径为39μm，长度为12mm的材料，材料的弹性模量不低于42.8GPa，延伸率不低于6%。

所述罩面层采用全断面摊铺的形式进行铺筑，保证消除路面结构表观缝隙。由于工期产生的施工缝应设置在水泥混凝土板的板中位置，并采用环氧树脂灌缝胶在各施工缝处进行灌缝处理。

作为本发明进一步改进，所述罩面层和面层之间应进行粗糙化处理。在铺设罩面层之前，先将普通水泥混凝土表面进行凿毛，凿去表面浮浆，露出坚实的石子和水泥石，处理后表面的粗糙度在0.9-1.2mm，然后用清水冲洗干净。

作为本发明进一步改进，所述水泥混凝土面层采用普通水泥混凝土，厚度为18-22cm，面层材料参数要求、板块设置以及钢筋布置原则均参照相关规范；

所述基层采用水泥稳定碎石，基层厚度为18-22cm，厚度数值根据交通量等级来选用，各材料的要求应参照相关规范；

所述底基层为经过碎石化处理的旧沥青路面或旧水泥混凝土路面，或者为新建公路的级配碎石底基层。

本发明是一种适用于冻融循环和温度变化剧烈地区的路面结构。纤维增强型水泥基复合材料材料具有高延性和微裂多缝的特性，与普通水泥混凝土面层材料相比，该材料可以采用全断面薄层摊铺，避免了接缝的使用。纤维增强型水泥基复合材料可以通过微裂缝释放面板中的应力，减少道路面板因温度、湿度变化产生的不利应力，保证结构层的稳定性。该路面结构的应用，消除了水泥混凝土路面的表观缝隙，可以保证路面结构的内部免受路表下渗水的损害。特别对于重载路段，需要路面层底拉应力的极限值更大时，本结构与传统水泥混凝土路面结构相比，显示出十分明显的抗破坏能力；同时，由于罩面层中有PVA纤维，使该层的抗反射裂缝能力得以增强；另外由于罩面层的存在，消除了道路表面的缝隙，大大提高了行车舒适性。本发明中的路面结构，在保证路面平整、稳定、耐磨的前提下，减少了路面结构内部的水损害，大大提高了路面的使用寿命。

附图说明

图1为本发明一种应用于重交通量干线公路的无接缝路面结构。

图2为本发明一种应用于高速公路服务区的无接缝路面结构。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

本发明提供的基于纤维增强型水泥基复合材料的无接缝路面结构，在保证不影响水泥混凝土路面的使用前提下，利用纤维增强型水泥基复合材料对路面进行罩面，消除路面表观缝隙，保证路面结构免受由接缝带来的病害，延长路面结构的使用寿命。该结构尤其适用于冻融循环和温度变化剧烈地区的水泥混凝土路面。

实施例1：

一种基于纤维增强型水泥基复合材料的无接缝水泥混凝土路面结构，应用于重交通量的干线公路，该工程为改扩建工程，如图1所示为改建方案路面结构横断面设计图。

该路面结构从上到下依次包括罩面层、水泥混凝土面层、基层和铺设在路基之上的底基层；

所述罩面层设于水泥混凝土面层的上方，罩面层材料为纤维增强型水泥基复合材料，为了满足交通量的需求，该层厚度设为8cm。纤维增强型水泥基复合材料的主要成分是水泥、粉煤灰、石英砂和PVA纤维，具有高延性、高韧性和高能量吸收率的特点，这使得罩面层可以采用全断面铺筑的形式来设置。

其中，水泥选用P.Ⅱ.52.5R；粉煤灰须采用Ⅰ级粉煤灰，45μm筛余量不大于12%，需水量比不大于95%。

石英砂级配为：尺寸为1.18mm的方孔筛，石英砂通过率为100%，尺寸为0.6mm的方孔筛，石英砂通过率为44.6%，尺寸为0.3mm的方孔筛，石英砂通过率为10.8%，尺寸为0.15mm的方孔筛，石英砂通过率为0%。

PVA纤维选择直径为39μm，长度为12mm的材料，材料的弹性模量不低于42.8GPa，延伸率不低于6%。

所述罩面层采用全断面摊铺的形式进行铺筑，保证消除路面结构表观缝隙。由于工期产生的施工缝应设置在水泥混凝土板的板中位置，并采用环氧树脂灌缝胶在各施工缝处进行灌缝处理。

所述罩面层和面层之间应进行粗糙化处理，保证两个结构层之间的连续性。在铺罩面层之前，先将普通水泥混凝土表面进行凿毛，凿去表面浮浆，露出坚实的石子和水泥石，处理后表面的粗糙度在0.9-1.2mm之间，然后用清水冲洗干净。

所述水泥混凝土面层采用普通水泥混凝土，厚度为20cm，面层材料参数要求、板块设置以及钢筋布置原则均参照《公路水泥混凝土路面设计规范》（JTG D40-2011）。

所述基层采用水泥稳定碎石，基层厚度为20cm，厚度数值根据交通量等级来选用，各材料的要求应参照《公路水泥混凝土路面设计规范》（JTG D40-2011）。

所述底基层级配碎石底基层，层厚为20cm。

实施例2：

一种基于纤维增强型水泥基复合材料的无接缝水泥混凝土路面结构，应用于高速公路服务区，该工程为新建工程，如图2所示为新建方案路面横断设计图。

服务区的路面相比高速公路等条带型结构，属于一种大面积的场地硬化，该种结构水泥混凝土板的接缝要比公路上多，更加需要表面无缝隙的路面结构。该服务区重载车停放比较多，轮迹不固定，经计算属于中等交通量。

该路面结构从上到下依次包括罩面层、水泥混凝土面层、基层和铺设在地基之上的底基层；

所述罩面层设于水泥混凝土面层的上方，罩面层材料为纤维增强型水泥基复合材料，为了满足交通量的需求，该层厚度设为6cm。纤维增强型水泥基复合材料的主要成分是水泥、粉煤灰、石英砂和PVA纤维，具有高延性、高韧性和高能量吸收率的特点，这使得罩面层可以采用全断面铺筑的形式来设置。罩面层材料的参数要求与实施例1中一致。

所述罩面层采用全断面摊铺的形式进行铺筑，保证消除路面结构表观缝隙。由于工期产生的施工缝应设置在水泥混凝土板的板中位置，并采用环氧树脂灌缝胶在各施工缝处进行灌缝处理。

所述罩面层和面层之间应进行粗糙化处理，保证两个结构层之间的连续性。在铺罩面层之前，先将普通水泥混凝土表面进行凿毛，凿去表面浮浆，露出坚实的石子和水泥石，处理后表面的粗糙度在0.9-1.2mm之间，然后用清水冲洗干净。

所述水泥混凝土面层采用普通水泥混凝土，厚度为18cm；基层采用20cm厚的水泥稳定碎石；底基层采用10cm厚的级配碎石。以上各层材料参数参照《公路水泥混凝土路面设计规范》（JTG D40-2011）选用。

本发明采用纤维增强型水泥基复合材料作为路面结构的罩面层，消除了水泥混凝土路面的表观缝隙，避免了接缝带来相应的病害对路面结构的影响，减少了路面结构受到水损害的几率。本发明中的路面结构，所述罩面层为纤维增强型水泥基复合材料，其中纤维增强型水泥基复合材料为一种新型材料，该材料主要成分之一是PVA纤维，使得该复合材料具有良好的抗弯拉性能。ECC结构层在拉伸、弯曲等荷载形式作用下产生大量的细密裂缝，使该路面结构中不利的能量得以释放；同时ECC层在直接拉伸荷载作用下具有应变硬化和多缝开裂特性，并且可以控制最大裂缝宽度在100μm以内，这一特性使该种纤维增强型水泥基复合材料可以全断面摊铺形成无接缝罩面层，从而消除水泥混凝土路面的表观缝隙，有效的延长了水泥混凝土路面的使用寿命。

所述罩面层下方为水泥混凝土面层，水泥混凝土面层采用分块处置，并且各板块之间采用钢筋进行连接，这样设置一方面可以给面层的胀缩预留一定的变形空间，另一方面水泥混凝土板各板块直接之间采用钢筋连接，提高了面层的整体性，使作为主要承重层的水泥混凝土面层更好的发挥作用。

所述面层下方为水泥稳定碎石基层，通过低剂量水泥含量的水泥稳定碎石材料，实现了硬质路面和松散路基之间的过渡，有效的将路面结构串联为一个统一的整体；水泥稳定碎石基层的存在，还可以将路面承受的车辆荷载均衡的扩散到下层，具有一定的韧性，可以使路面结构更好的发挥作用。

所述基层下方为底基层，如果用于改扩建项目上，底基层可以是经过碎石化处理的旧沥青路面或者旧水泥混凝土路面；如果用于新建项目，底基层可以为级配碎石。一方面旧路面碎石化处理可以避免废料的产生，从而节约成本；另一方面旧路面作为底基层可以为路面提供足够的支撑，更好地发挥路面的性能。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。

Claims (4)

1.一种基于纤维增强型水泥基复合材料的无接缝路面结构，其特征在于；该路面结构从上到下依次包括罩面层、水泥混凝土面层、基层和底基层；

所述罩面层设于水泥混凝土面层的上方，罩面层材料为纤维增强型水泥基复合材料，厚度为6-8cm；

所述罩面层和面层之间应进行粗糙化处理，保证两个结构层之间的连续性。

2.根据权利要求1所述的一种基于纤维增强型水泥基复合材料的无接缝路面结构，其特征在于：所述罩面层采用具有高延性、高韧性和高能量吸收率的纤维增强型水泥基复合材料，该材料中的主要成分是水泥、粉煤灰、石英砂和PVA纤维；

其中，水泥选用P.Ⅱ.52.5R；粉煤灰须采用Ⅰ级粉煤灰，45μm筛余量不大于12%，需水量比不大于95%；

石英砂级配为：尺寸为1.18mm的方孔筛，石英砂通过率为100%，尺寸为0.6mm的方孔筛，石英砂通过率为44.6%，尺寸为0.3mm的方孔筛，石英砂通过率为10.8%，尺寸为0.15mm的方孔筛，石英砂通过率为0%；

PVA纤维选择直径为39μm，长度为12mm的材料，材料的弹性模量不低于42.8GPa，延伸率不低于6%；

所述罩面层采用全断面摊铺的形式进行铺筑，保证消除路面结构表观缝隙，由于工期产生的施工缝应设置在水泥混凝土板的板中位置，并采用环氧树脂灌缝胶在各施工缝处进行灌缝处理。

3.根据权利要求1所述的一种基于纤维增强型水泥基复合材料的无接缝路面结构，其特征在于：所述罩面层和面层之间应进行粗糙化处理，在铺设罩面层之前，先将普通水泥混凝土表面进行凿毛，凿去表面浮浆，露出坚实的石子和水泥石，处理后表面的粗糙度在0.9-1.2mm，然后用清水冲洗干净。

4.根据权利要求1所述的一种基于纤维增强型水泥基复合材料的无接缝路面结构，其特征在于：

所述水泥混凝土面层采用普通水泥混凝土，厚度为18-22cm，面层材料参数要求、板块设置以及钢筋布置原则均参照相关规范；

所述基层采用水泥稳定碎石，基层厚度为18-22cm，厚度数值根据交通量等级来选用，各材料的要求应参照相关规范；

所述底基层为经过碎石化处理的旧沥青路面或旧水泥混凝土路面，或者为新建公路的级配碎石底基层。