混凝土預制塊體路面應用探析

莫品疆，歸 翀

(廣西交通職業技術學院，廣西 南寧 530023)

混凝土預制塊體路面應用探析

莫品疆，歸 翀

(廣西交通職業技術學院，廣西 南寧 530023)

混凝土預制塊體路面的主要特點是結構強度高、耐久性好、工程造價低，適用于建設資金缺乏的農村公路的建設。文章分析了混凝土預制塊體路面結構承載機理，提出了適合于農村公路的混凝土預制塊體尺寸，并結合路面施工工藝及混凝土塊體的預制工藝，根據現有的路面結構設計方法，提出了適合于農村公路的混凝土預制塊體路面結構組合設計方案，為混凝土預制塊體路面設計和施工提供參考。

混凝土；預制塊體；路面；設計；應用

0 引言

目前我國公路路面主要以瀝青混凝土路面和水泥混凝土路面構成的“二元”路面結構為主，然而這兩種路面存在著造價高、工期較長、后期養護費用高等問題，如何利用有限資金，建成造價相對低廉、使用壽命相對較長、養護成本較低的農村道路，是一個值得深究和亟待解決的問題。混凝土預制塊體路面因其塊體可以在預制廠批量生產，平面尺寸、強度、厚度等基本指標容易控制，質量能夠保證[1]，而且造價低、壽命長、養護成本低等特點，與瀝青路面和水泥路面相比有很大優勢，所以在農村公路建設使用混凝土預制塊體路面是一個很好的選擇。

1 混凝土預制塊體路面結構承載機理

混凝土預制塊體路面是由高強、高精密度的水泥混凝土預制塊體按照特定的排列

方式緊密排列、塊體間用嵌縫砂填灌而成的路面，在行車荷載的作用下受邊緣約束形成穩定的嵌鎖從而限制了相鄰的塊體間相互轉動、錯開的趨勢[2]，見圖1。正是由于塊體間相互錯開的趨勢，使得相接觸的塊體間產生了摩擦力，形成了抗剪強度。

圖1 邊緣約束塊體路面橫斷面圖

如圖2所示，如果施加的路面荷載越大，塊體間相互錯開的趨勢越明顯，產生的擠壓力越大，荷載就會由荷載中心下的塊體擴散至周圍的塊體，從而將荷載擴散到更大的范圍。聯鎖塊鋪面的這種由塊體間的擠壓將豎向荷載轉化為水平推力的過程，在力學上描述為“拱”。通過以上分析，對比圖3所示的拱結構受力示意圖可知，混凝土預制聯鎖塊鋪面具有明顯的拱效應。

圖2 拱效應示意圖

圖3 拱結構受力示意圖

在一般的路面設計中為了路面排水的需要而設置路拱橫坡，而對于水泥混凝土預制塊鋪面來說，這將使得塊體間側向擠壓力更為明顯。在有路拱橫坡存在時塊體間相互擠壓的過程見圖4。由圖4可知在荷載P的作用下，A點豎向位移至A′點，當彎沉l=h時，塊體的側向壓縮量VL為：

VL=L-L1=l×sinα≈l×α(1)

式中:α——路拱橫坡。

如α=2%，則VL=0.02×l。

由式(1)可知，回彈彎沉越大，塊體側向壓縮量越大，塊體所受的擠壓力越大，對荷載的擴散能力越大。同時側向摩擦阻力越大，接縫的抗剪強度越大。

圖4 路面拱存在時的鋪面拱效應示意圖

2 混凝土預制塊體尺寸的確定

2.1 平面尺寸的確定

根據各級汽車荷載車輪著地面積寬度(行車方向)為20cm，所以塊體寬度最小取10cm。道路路面混凝土塊體的長寬比一般為1.5～2[3]，根據上述塊體尺寸選擇的基本原則，以汽20級為例，通過計算機程序計算，分別在20cm×30cm、20cm×60cm兩個矩形中以任意長寬為x、y的小矩形進行分割,使得分割后大矩形中x×y面積一半的小塊總面積最小。寬度取10cm，長寬比分別取1.5、1.6、1.7、1.8、1.9進行計算，計算結果表明，長寬比為1.8最為理想。但是出于便于施工的考慮，長寬比選擇1∶2，所以取塊體的平面尺寸為10cm×20cm。

2.2 厚度的確定

在車輛荷載作用于路面塊體上時，塊體底部受到較大的彎拉應力，在考慮單個塊體受力情況時，應使其處于最不利狀態下，即塊體完全“騰空”，呈現為簡支梁的狀態，運用有限元法計算不同厚度的塊體底部“騰空”，上部輪載為0.7MPa時，塊體底部所產生的彎拉應力。塊體平面尺寸為10cm×20cm，塊體厚度分別采用4cm、6cm、8cm、10cm、12cm。計算結果如表1所示。

表1 騰空塊體底部最大彎拉應力值表

由表1可知，當塊體厚度在8cm時，塊體底部彎拉應力就很小了，所以在農村公路中，塊體的厚度主要推薦3個尺寸為：8cm、10cm、12cm。

3 塊體路面結構組合設計

3.1 結構厚度設計

根據以往的經驗和試驗論證，在保證安全的前提下采用了厚度等效法和模量等效法，將預制塊體等效為其厚度的0.25～0.35倍的密級配瀝青混凝土[4]，運用公路路面設計程序系統2003計算，得出混凝土預制塊體路面結構推薦設計方案為：基層厚度為35cm，墊砂層厚度為3cm，見圖5。

圖5 塊體路面初步擬定結構圖

3.2 級配碎石基層

碎石的級配是級配碎石基層強度與剛度最重要的影響因素，所以碎石級配的設計是級配碎石基層設計的主要內容。影響級配的主要因素為集料最大公稱粒徑和4.75mm與0.075mm篩孔通過百分率。

參考國內外級配碎石基層混合料的級配組成范圍，結合混凝土預制塊體路面的結構形式，確定適合于農村混凝土塊體路面級配碎石基層混合料的級配組成范圍，如表2所示。

表2 混凝土預制塊體路面級配碎石基層混合料 推薦級配范圍數值表

3.3 墊砂層

混凝土預制塊體鋪面與其它道路路面不同的是路面是由許多預制塊體拼裝而成，在面層與基層之間還存在一層一定厚度的墊砂層，墊砂層厚度一般在3～5mm。參考國內外關于混凝土預制塊體路面結構墊層砂與填縫砂規格的要求，結合試驗路段當地砂質的具體情況確定墊層砂與接縫砂的級配范圍如表3所示。

表3 墊層砂與接縫砂級配表

3.4 塊體混凝土配合比設計及性能試驗

采用標號為42.5MPa的水泥成型C30水泥混凝土預制塊，參考《普通混凝土設計規程》(JGJ55-2011)中普通混凝土的設計方法，確定塊體混凝土的配合比[5]。通過計算配合比，進行試拌，確定試拌配合比，拌和成型，各成型一組試件，每組6塊，放入養護室內養護，到養護齡期后對試件進行強度試驗，繪制強度和膠水比的線性關系圖，確定膠水比為2.68，即水膠比為0.37。在確定的水膠比基礎上，上下浮動0.05得到三個水膠比，然后以這三個水膠比成型試件進行塊體性能試驗。即以水膠比為0.32、0.37和0.42 基準，塊體尺寸以20cm×10cm×10cm為標準，混凝土預制塊體材料用量比例為mc0∶mw0∶ms0∶mg0=1∶0.37∶2.32∶3.2，分別成型試件并進行性能試驗。

3.4.1 抗壓強度試驗

塊體抗壓強度采用試驗室內壓力試驗機，精度(示值相對誤差)≤±1%。采用室內養護28d的預制塊體進行試驗[6]，對于要進行抗壓強度試驗的塊體應清除表面松動顆粒和浮渣，然后放入溫度為室溫的水中浸泡24h±0.25h。每個水灰比成型6塊試件進行抗壓強度試驗，試驗結果以6塊試件抗壓強度平均值和單塊最小值表示，其試驗結果如表4所示。

表4 抗壓強度試驗結果

通過抗壓強度的試驗數據來看，當水灰比為0.37時，塊體強度達到了Cc40 《混凝土路面磚》(GB28635-2012)的強度等級[7]。

3.4.2 抗折強度試驗

塊體抗壓強度采用試驗室內抗折試驗機，精度(示值相對誤差)≤±1%。采用室內養護28d的預制塊體進行試驗，對于要進行抗壓強度試驗的塊體應清除表面松動顆粒和浮渣，然后放入溫度為室溫的水中浸泡24h±0.25h。每個水灰比成型6塊試件進行抗折強度試驗，試驗結果以6塊試件抗折強度平均值和單塊最小值表示，其試驗結果如表5所示。

表5 抗折強度試驗結果表

通過以上抗折的數據來看，0.37的水灰比能夠使塊體的抗折強度達到Cf4.0《混凝土路面磚》(GB28635-2012 )的強度等級。

通過試驗數據得出，用0.37的水灰比所成型的試件與其它兩個水灰比所成型的試件相比，其單個試驗性能并不是最好的，但是從拌和難易程度、振動壓實、強度、吸水率等綜合情況來看，其綜合性能優勢比較明顯，所以試驗證明0.37的水灰比較為合適。

4 結語

混凝土預制塊體路面以其塊體可以在預制廠批量生產，質量能夠保證，而且具有造價低、壽命長、養護成本低等特點，在我國農村公路建設中已經有一定的應用。隨著理論研究的進一步深入，如通過再生混凝土骨料在預制塊體中的應用研究，進一步降低混凝土預制塊體路面的建設成本，混凝土預制塊體路面還將會得到更廣泛的關注，并在我國農村公路建設中占據更大的比例，而且在城市道路、有特殊要求的特殊路段也將會出現混凝土預制塊體路面的應用。

[1]陳炳生.預制塊路面設計應用研究[C]. 上海：上海市公路學會，1999.

[2]孫立軍.聯鎖塊鋪面的結構承載理論[J]. 土木工程學報，2005，28(4):15-21.

[3]王春紅.云南省農村公路新型路面典型結構研究[D].西安：長安大學，2011.

[4]JTGD50-2006，公路瀝青路面設計規范[S].

[5]JGJ55-2011，普通混凝土配合比設計規程[S].

[6]JTGD40-2011，公路水泥混凝土路面設計規范[S].

[7]GB28635-2012，混凝土路面磚[S].

Discussions on the Application of Precast Concrete Block Pavement

MO Pin-jiang，GUI Chong

(Guangxi Vocational and Technical College of Communications，Nanning，Guangxi，530023)

The main features of precast concrete block pavement is the high structural strength，good durability，and low construction cost，which is suitable for the construction of rural highway lack of construction funds.This article analyzed the structure-bearing mechanism of precast concrete block pavement，proposed the precast concrete block size suitable for rural highway，and combined with pavement construction technology and the prefabrication process of concrete blocks，and based on existing pavement structure design methods，it proposed the structure combination design plan of precast concrete block pavement suitable for rural highways，thereby providing the reference for the design and construction of precast concrete block pave-ment.

Concrete；Precast blocks；Pavement；Design；Application

莫品疆，碩士，副教授，研究方向：公路橋梁工程技術。

U

A

10.13282/j.cnki.wccst.2015.06.009

1673-4874(2015)06-0035-04

2015-05-08