CN102561143A - 一种高寒地区混凝土公路路面结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及了一种公路路面结构，是一种具有梯度功能的耐冻融和防水的水泥混凝土路面。该路面结构是由三层具有梯度热导率的结构组成，各层的热导率从上到下递减分布，使从热量路基散发到空气中，且阻止空气中热量向路基传递，保持冻土地层的稳定性，起到保护高寒地区公路路基的作用。它由低强度普通混凝土层、中强度混凝土层、防水层和碾压纤维混凝土层组成。本发明具有高防水、抗冻融的特点，改善了路面综合使用功能，从而延长混凝土路面耐久性，提高经济效益。

Description

一种高寒地区混凝土公路路面结构

技术领域

本发明涉及一种公路混凝土路面结构 ，特别涉及一种高寒地区适用的混凝土公路路面结构。

背景技术

常用的水泥混凝土路面是用水泥、水、沙及外加剂等材料组成的水泥浆为粘结料，碎石为骨料，沙为填充料，经过拌合，摊铺、振捣和养护所修筑的单层路面，厚度一般为220-280mm，其刚度大，属脆性材料。在常用防水层路面，车辆在行驶过程中，由于轮胎的泵吸作用，在防水层与桥面板界面处有法向拉拔应力的产生。路面层在此类法向拉拔应力的作用下，有可能脱开，造成破坏。同时层内部产生较大的剪应力，引起不确定破坏面的剪切变形，在水平方向上产生相对位移发生剪切破坏，产生推移、拥包等病害。总之，路面在拉压、胀缩、冲击等各种应力的作用下往往过早地出现开裂、剥落和滑移等病害，影响路面结构使用功能，甚至导致不均匀沉陷，引发耐久性破坏。这些病害都与水的渗入和滞留有着直接关系。在高寒地区路基土的冻融现象严重，反复交替的冻融过程而使路基出现不均匀沉降，从而导致公路路基不稳定。

在解决路面冻融方面，现一般采取抬高路基、碎石块路基、设置热管或保温层等技术。抬高路基是采用的最常见的工程措施之一。但从实际工程看，如青藏公路某段将路基高度抬高了3米左右，但出现了阴阳面路基温度场之间的差异导致路基病害，阳面出现坍塌和纵向开裂，同时高路基也带来了路基下得融化夹层增厚，路基沉陷变形加大，为路基的稳定性带来巨大隐患。近年来梯度功能设计方法大量出现，但主要集中在航空航天、机械、电子、医用先进复合材料领域，而在土木工程材料中的应用还未大量开展，尤其在道路建筑材料领域。水泥混凝土单层设计仍是主流，其成本和施工技术较低，但耐久性差。若采用梯度功能混凝土路面成本较高，但综合考虑后期维护及耐久性，则表现出更高的性价比。如现有发明专利（申请公布号CN102084064A）公开了一种具有梯度热导率的路面层，通过在不同层添加高、中和低热导率的微纳米粉体实现热导率梯度，但此成本较高且施工复杂。

在解决路面防水方面，常用的是SBS高聚物改性沥青防水卷材，因为SBS是一种高分子聚合物，与特殊复合材料在沥青中混合形成网状，大大限制了沥青胶束的自由度，从而防水、粘结、抗剪能力都大大提高，非常适合代替普通乳化沥青用于公路透层、稀浆封层、粘层施工。但由于是通常采用的是卷材，不可避免会                                                                                                             水层就和混凝土分离，达不到防水的技术效果。由此可见，现有的高聚物改性沥青防水卷材还不能很好满足防水的需要，会经常发生粘结不牢的质量问题。另有些采用分层防水结构，如现有发明专利（申请公布号CN101831855A）公开了一种防水路面结构，该结构是由面层、基层、防水层、排水垫层和透水过滤层构成的多层防水结构。此路面施工要求和成本都较高。

交通运输部公路科学研究院的付智等在“纤维混凝土路面施工技术”一文（公路，2011年1月第1期：36-40）中指出我国在钢纤维水泥混凝土路面方面的研究与工程试验已经有20多年的历史，《公路水泥混凝土路面施工技术规范》（JTGF30-2003）中已经列有钢纤维混凝土路面施工技术的相关条款，但实际工程使用得并不多。原因是目前钢纤维的价格越来越贵，钢纤维混凝土的单方造价比普通混凝土高出２倍。拌和钢纤维混凝土路面的推广使用受到高昂造价的限制。同济大学混凝土材料研究国家重点实验室的姚武在“聚丙烯腈纤维混凝土低温性能的研究”一文（建筑材料学报，2003年9月第6卷第3期：243-247）中指出低掺量聚丙烯腈纤维可以有效地缓解由低温循环而引起的混凝土损伤，同时纤维的阻裂机制使混凝土能抵抗较大的温度应力并具有较高的弯曲韧性。聚丙烯腈纤维的弹性模量随温度降低而提高的特性对纤维混凝土低温环境下抵抗冻胀破坏具有正面加强效应。微细聚丙烯腈纤维改善了混凝土的早期内部缺陷，降低了原生裂隙尺度，提高了混凝土的抗拉极限应变和断裂能，因而有益于混凝土低温环境下的强度增长和混凝土抗冻融耐久性的提高。也就是说，聚丙烯腈纤维混凝土特别适用于寒冷地区。

从现有高寒区公路路基保护方法看，还没有一种成本低且具有良好保护效果的保护方法。在高寒区铺筑满足强度、抗冻融、防水和耐久的公路是一个有待解决的问题。

发明内容

技术问题：为解决背景技术中存在的问题，本发明提出一种高寒地区具有梯度功能的抗冻融和防水的水泥混凝土路面。该路面结构将梯度功能和防水设计方法引入到道路设计中。梯度功能设计方法是采用先进的复合技术，将两种或两种以上不同材料进行组合，使其结构达到连续梯度变化，得到性能呈连续平稳变化。它是为适应航空、航天和先进动力等高新技术领域对材料提出的先进设计理念。本设计将梯度功能设计方法引入到混凝土路面结构设计中，利用不同强度混凝土的导热率不同的特性，对路面进行逐层设计，并对不同层混凝土的界面进行均匀过渡处理，实现从底板到表面层的强度、刚度、粘结性能和耐久性的梯度变化，同时对表面结构进行特殊设计，提高抗渗、防冻和耐磨性能，有效提高路面对外界复杂作用的适应能力，改善路面综合使用功能，从而延长混凝土路面耐久性，提高经济效益。另外在结构中铺设一层防水层以提高防水性能。

技术方案： 本发明路面结构分为四层，从下到上依次是低强度普通混凝土层（4）、中强度混凝土层（3）、防水层（2）和碾压纤维混凝土层（1）。低强度普通混凝土(4)，由C20-C25混凝土制成，其厚度约为10-12cm。中强度普通混凝土层(3)，由C30-C40混凝土制成，其厚度约为8-10cm。防水层(2)，采用由聚酯胎或玻纤复合胎为胎体、浸涂SBS改性沥青而制成的防水材料，其具有高温不流淌，低温不裂变等特点。防水层厚度约为3-5cm。碾压纤维混凝土层（1），由C45-C50混凝土中掺加纤维材料，利用纤维以大幅度提高水泥混凝土的应力吸收能力和抗弯拉强度并增强耐磨性、抗渗性和耐久性。如常用的聚丙烯腈纤维。其厚度约为8-10cm。

进一步地，所述的中强度混凝土层（3）的层面相隔5-8m设有宽10-15cm、深2-3cm的梯形槽，在铺设防水层时，由SBS改性沥青填充与防水层成一体，提高抵抗层间的剪切破坏的能力。

由上述技术方案可见，本发明的这种路面结构，具有如下优点：

（1）利用不同强度混凝土导热率不同的特性，对路面进行逐层设计，并对不同层混凝土的界面进行均匀过渡处理，实现从底板到表面层的强度、刚度、粘结性能和耐久性的梯度变化，利用形成了一种具有单向导热功能的梯度热导率的路面结构。该路面自上而下热导率递减，从而使路面形成一个从路基到空气的单项导热通道，使热量容易从路基散发到空气中，且阻止路面的热量向路基和路基下面冻土传递，冻土始终表现为放热状态，从而避免冻土由于热量积聚产生的冻融病变，实现了混凝土路面从底面到表面的不同功能过渡，缓解了路面混凝土与基层材料之间的性能非一致性，同时提高路表面综合使用功能，如耐磨、抗渗和抗滑性能等，改善了整体结构的耐久性，达到保护高寒区公路和路基的作用。

（2）在结构中铺设一层防水层采用由聚酯胎或玻纤复合胎为胎体、浸涂SBS改性沥青而制成的防水材料。聚合物SBS改性沥青粘结防水层的主要特点:一是使上覆沥青的下部形成沥青层，同时其下部还有一层薄沥青膜，沥青层与薄沥青膜一起共同形成一个粘结防水层，防水效果好；二是其弹性恢复好，可显著减轻下层或上层裂缝对其的破坏作用；三是粘结防水层可起到应力吸收层的作用，可延缓基层收缩开裂所引起的反射裂缝；四是可采用机械化施工，施工速度快、质量易控制。另外，在结合面设计中，下面混凝土层面相隔5-8m设计有宽10-15cm、深2-3cm的梯形槽，在铺设防水层时，由SBS改性沥青填充与防水层成一体，提高抵抗层间的剪切破坏的能力。

（3）路面层采用碾压纤维混凝土，与传统混凝土相比，减少水泥掺量和用水量，乱向分布的纤维改善了混凝土的内部结构，使其具有抗裂性强，韧性好，强度高，抗冻性能好，抗疲劳和冲击性能强的优点，提高的特性对纤维混凝土低温环境下抵抗冻胀破坏具有正面加强效应。微细聚丙烯腈纤维改善了混凝土的早期内部缺陷，降低了原生裂隙尺度，提高了混凝土的抗拉极限应变和断裂能，因而有益于混凝土低温环境下的强度增长和混凝土抗冻融耐久性的提高，特别适用于寒冷地区。因此该路面具有良好的经济效益。

附图说明

图1是本 发明结构示意图

其中：1——碾压纤维混凝土层；2——防水层；3——中强度普通混凝土层；4——低强度普通混凝土层；5——路基。

图2是图1中①-①剖面图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步详细描述：

通过图1可见，本路面一共铺设四层。分别是：碾压纤维混凝土层(1)、防水层(2)、中强度普通混凝土层(3)、低强度普通混凝土层(4)。

采取机械施工，根据路面情况进行表面处理，如确有基层超高之处, 应采用人工刨除, 不能动用机械, 否则极易造成基层的大面积松动, 影响了基层强度的均匀性; 对于基层标高不足之处, 不能用基层混合料填补,宜用同(4)层混凝土一次性施工成型。

首先铺设低强度普通混凝土(4)，由C20-C25混凝土制成，其厚度约为10-12cm。然后铺设中强度普通混凝土层(3)，由C30-C40混凝土制成，其厚度约为8-10cm。再铺设防水层(2)，可采用由聚酯胎或玻纤复合胎为胎体、浸涂SBS改性沥青而制成的可卷曲的防水材料，其具有高温不流淌，低温不裂变等特点。防水层厚度3-5cm。最后铺设碾压纤维混凝土层（1），由C45-C50混凝土中掺加纤维材料，利用纤维以大幅度提高水泥混凝土的应力吸收能力和抗弯拉强度并增强耐磨性、抗渗性和耐久性。如常用的的聚丙烯腈纤维。其厚度约为8-10cm。

铺设中强度普通混凝土层(3)和低强度普通混凝土层(4)时参照《公路水泥混凝土路面施工技术规范（JTGF30-2003）》实施。包括以下工序：路基整形；按比例拌合混凝土；摊铺并整平。注意铺设中强度普通混凝土层(3)时层面相隔5-8m预制宽10-15cm、深2-3cm的梯形槽。

铺设防水层(2)时注意改性沥青应在规范要求的温度下喷洒，沥青洒布车应保持一定的压力并匀速行驶，以保证沥青洒布均匀，喷洒过量处，应予刮除。并按《公路路基路面现场测试规程(JTJ059-95)》中有关要求和方法检测洒布量，每次检测不少于3处。沥青洒布设备应配备有适用于不同稠度沥青喷洒用的喷嘴，在沥青洒布机喷洒不到的地方可采用手工洒布。喷洒超量、漏洒或少洒的地方应予纠正。在梯形槽处应手工慢喷洒以免出现缝隙。喷洒改性沥青时，喷油管宜与路表面形成约30°角，并有适当高度，以使路面上喷洒的改性沥青形成重叠。洒布改性沥青，沥青须全路满铺，达到无破洞、漏铺、脱开等现象的要求。

铺设碾压纤维混凝土层(1)时，在一立方米碾压混凝土中加入聚丙烯腈纤维1公斤，在搅拌机中搅拌均匀。纤维混凝土拌和出的混合料均不应结团，当发现有结团现象时，应在搅拌机上配备纤维均布机有效消除结团现象。将此混合料运抵现场后采用机械摊铺的方法，按厚度8-10cm均匀摊铺在防水层（2）上，不采用传统水泥混凝土的振捣方法施工，而是用压路机碾压，碾压至规范要求的压实度（≥95%）后形成。

Claims (2)

1.一种高寒地区混凝土公路路面结构，其特征在于：路面结构分为四层，从下到上依次是低强度普通混凝土层（4）、中强度混凝土层（3）、防水层（2）和碾压纤维混凝土层（1）；所述的低强度普通混凝土(4)，由C20-C25混凝土制成，其厚度为10-12cm；所述的中强度普通混凝土层(3)，由C30-C40混凝土制成，其厚度为8-10cm；所述的防水层(2)，采用由聚酯胎或玻纤复合胎为胎体、浸涂SBS改性沥青而制成，其厚度约3-5cm；所述的碾压纤维混凝土层（1），采用由C45-C50混凝土中掺加纤维材料制成，其厚度为8-10cm。

2.根据权利要求1所述的一种高寒地区混凝土公路路面结构，其特征在于：所述的中强度混凝土层（3）的层面相隔5-8m设有宽10-15cm、深2-3cm的梯形槽，在铺设防水层时，由SBS改性沥青填充与防水层成一体。

Images