重载水泥混凝土路面施工技术研究报告.docx
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重载水泥混凝土路面施工技术研究报告
重载交通水泥混凝土路面施工
技术研究报告
中交三公局第一工程有限公司
二〇一三年七月•北京
报告题目：
重载交通水泥混凝土路面施工技术研究
合同编号：
起止时间：
2013年3月～2013年11月
报告时间：
2013年04月
项目负责人：
项目组成员：
完成单位：
中交三公局第一工程有限公司
编撰：
关键词：
水泥混凝土路面滑模施工平整度控制混凝土振捣
内容摘要：
本项目的主要是通过对大厚度水泥混凝土路面施工工艺的研究，改善大厚度水泥混凝土路面平整度差，传力杆难以就位，施工质量差的现状，大大提高水泥混凝土路面使用寿命和行驶舒适性，对于拉动水泥产业发展，应对金融危机具有重要和现实意义。
为促进水泥混凝土路面在高等级公路中的应用提供技术支撑。
本项目所制定的研究目标是从目前水泥混凝土路面施工中存在的普遍问题和难点问题角度入手，充分考虑施工的技术水平和变异性而提出的，具有很强的针对性。
本项目的主要研究内容反映了水泥混凝土路面施工中面临的主要技术问题以及受到道路使用者普遍关注的热点问题，也是影响水泥混凝土路面道路服务水平提升的重要因素。
通过本项目研究，不仅结构设计、材料设计、关键施工工艺、质量控制等方面对所涉及的一些实际问题进行深入地探讨和完善，更主要是针对水泥混凝土路面的特点，提出切实可行的技术对策和方案。
本研究所取得的主要研究成果有：
1.针对重载交通运行环境，对混凝土板块划分进行优化设计，减小了混凝土板的应力。
其中轻重方向荷载应力分别减小17.2%、19.8%，轻重方向最大温度应力分别减小20%、44.6%，温度疲劳应力分别减小31.5%、66.1%，提高路面疲劳寿命。
2.从机械角度（摊铺机架、传感器、行进速度等方面）分析了滑模摊铺机对路面平整度的影响，提出了控制措施。
3.从施工工艺角度（布料、混凝土振捣、传力杆插入、路面抹平等方面）分析了滑模摊铺影响水泥混凝土路面平整度的因素，提出了控制措施。
4.对滑模摊铺基准线、搓平梁、模板进行改进，有效提高了路面平整度。
单位名称：
中交三公局第一工程有限公司
地址：
北京市朝阳区来广营西路18号邮编：
100012
目录
第一章绪论4
1.1工程概述4
1.2课题来源及课题提出4
1.3研究背景4
1.4主要研究内容5
1.5课题实施过程5
第二章现有重载水泥混凝土路面施工状况8
2.1平整度无法保证8
2.2传力杆布设偏差显著，断板率高居不下8
2.3表面塑性开裂严重10
第三章重载水泥混凝土路面结构组合分析12
3.1准兴重载高速交通量情况12
3.2计算参数13
3.3规范设计累计轴载与极限荷载14
3.4小板块累计轴载和极限轴载16
3.5基层抗压强度与路面寿命和极限单轴轴载的关系18
3.6小结21
第四章滑模摊铺机对平整度影响分析23
4.1刚性机架的滤波和基层平整度（初平）23
4.2挂线和位置传感器（精平）27
4.3滑模摊铺机行进速度的影响28
第五章滑模摊铺工艺对路面平整度的影响32
5.1布料不均对路面平整度的影响33
5.2料位高度控制与平整度的关系34
5.3振捣棒参数设置对路面平整度的影响34
5.4混凝土挤压成型对路面平整度的影响38
5.5传力杆插入带来的平整度损失39
5.6路面抹平器对平整度的修复40
第六章滑模摊铺施工工艺改进技术43
6.1滑模摊铺机基准线设置技术43
6.2滑模摊铺机模板改进技术46
6.3滑模摊铺机搓平梁改进技术47
第七章应用效果及推广前景52
第八章经济及社会效益53
第一章绪论
1.1工程概述
内蒙古准格尔至兴和运煤高速公路，系内蒙古自治区“十一五”规划重点项目和西部大开发重点项目，为自治区“8横8纵8支8环线”路网中重要一横线。
本项目西起内蒙古自治区鄂尔多斯市准格尔旗大路乡，途经呼和浩特市清水河县、和林县，乌兰察布市凉城县、丰镇市、察哈尔右翼前旗、兴和县等三个市、七个旗县，终点止于兴和县团结乡。
路线全长265公里，公路等级：
高速公路，设计时速：
100、80km/h，设计荷载：
公路－I级，路基宽度27.75m，路面采用水泥混凝土高级路面，分为重载3车道，轻载2车道，总投资概算145亿元。
1.2课题来源及课题提出
滑模摊铺机施工水泥混凝土路面工艺原理的核心是要解决混凝土振捣密实要求较小的振动粘度系数与不塌边较小的坍落度的矛盾。
解决此矛盾的关键是加强振捣力，延长振动仓前后间距强化夯实作用和加大挤压吨位。
首先保证混凝土路面密实不麻面，具有优良的平整度；其次是设置两级布料装置、自动松方高度控制板、超铺角、加长侧模板、采用机械装置打拉杆，保证边部不塌边，并具有良好的横向平整度。
为此，中交第三公路工程局有限公司特立项此课题进行研究。
1.3研究背景
我国沥青资源相对匮乏，沥青路面较水泥路面承建费用高；而水泥年产量连续多年居世界第一，自20世纪90年代以来，我国水泥混凝土路面以前所未有的速度迅猛发展，特别是作为高速公路的主要形式之一，近年来水泥混凝土路面亦迅速增加。
广西有近一千多公里的水泥混凝土高速公路，占全国高速公路水泥混凝土路面的近60％。
随着交通荷载的日益增加、重载车超载车比例的增加，普通的混凝土路面已经不能满足行车荷载的要求，因此在一些重载路段的混凝土板厚度已经达到32cm。
首先目前滑模摊铺机适宜的摊铺厚度在28cm以下，所以在大厚度水泥混凝土板在滑模施工过程中，由于振捣棒功率有限，可能出现混凝土面板上下层振捣不均匀，致使板的上下密度相差很大。
第二，目前采用传力杆插入技术（DBI）的滑模摊铺机多适合于28mm直径以下的传力杆，但是我国《水泥混凝土路面设计规范》中针对大厚度水泥混凝土板，将传力杆设计为38～42mm的粗传力杆，进而加剧了滑模摊铺DBI技术的插入困难，有的施工现场出现摊铺机履带离开底面并压断导线的情况，因而路面的平整度丧失殆尽。
第三，DBI装置在插入传力杆过程中将已经挤压成型的混凝土挤出，由于周边混凝土不能流动填充空槽，在搓平梁搓平和超级抹平器过程中，只有砂浆才能填充空槽，因而造成集料离析，难以达到密实、平整要求。
混凝土终凝后，局部细集料集中的地方收缩比大、凹陷进一步加剧了面板平整度下降。
1.4主要研究内容
通过对重载大厚度水泥混凝土路面施工工艺的研究，改善大厚度水泥混凝土路面平整度差，传力杆难以就位，施工质量差的现状，大大提高水泥混凝土路面使用寿命和行驶舒适性。
进而拉动水泥产业发展、应对金融危机，为促进水泥混凝土路面在高等级公路中的应用提供技术支撑。
项目主要研究内容为：
1.现有大厚度水泥混凝土路面施工状况分析；
2.重载水泥混凝土路面结构组合分析；
3.水泥混凝土路面平整度影响因素研究；
4.水泥混凝土路面平整度控制技术研究。
1.5课题实施过程
1.5.1实施的技术路线
本项目的技术路线是合理、有效的。
研究中采取调研、室内试验、建模分析和现场试验追踪观测的技术路线，以内蒙准兴重载公路工程为依托，针对水泥混凝土路面平整度控制技术，对主要研究内容开展了全面、系统的研究。
几方面的研究内容相辅相承，从理论到实践、从整体到局部、从设计到施工、从指标评定到质量控制，全方位覆盖了水泥混凝土路面施工的各个关键环节。
研究的技术路线见图1-1。
前期调研、技术储备
科研项目申请
研究大纲的编制
科研单位.专家技术咨询
关键技术研究细则的编制
以工程为依托开展关键技术研究
优化施工工艺.提高施工质量水平
图1-1
1.5.2科研设备投入
投入的科研设备详见表1-1。
表1-1主要科研设备投入
序号
设备设施名称
规格型号
技术参数或指标
规模或
数量
1
万能试验机
UDH-20
日本
1
2
压力试验机
AC-300DE
日本
1
3
MTS材料试验机
MTS-810
美国
2
4
冻融试验机
CH-25-30P
日本、美国
1
5
大容量恒温恒湿箱
417532
美国
1
6
动弹模量测定仪
DT-6W
中国
1
7
收缩膨胀仪
/
中国
1
9
液压脉动疲劳试验机
PME-50A
济南
1
10
标准养护自动控温控湿设备
FHBS-4
中国
1
11
IRI测定仪
/
澳大利亚
1
（续上表）
12
落锤式弯沉仪
phoenix
丹麦
1
13
路面加速加载仪（ALF）
/
澳大利亚
1
14
快速冻融循环试验机
/
美国
2
15
大型环境实验室
－30℃～60℃
/
1
17
动态电阻应变仪
东华Dh－5935
/
1
18
加载系统
VertekATLas-20
/
1
19
数字图像分析仪
Q600型
/
1
20
路面裂缝监测仪
CMD300
/
1
21
ANSYS有限元软件
美国
1
第二章现有重载水泥混凝土路面施工状况
2.1平整度无法保证
目前，国内铺筑30cm以上的大厚度水泥混凝土路面日渐增多，特别是运煤重载路段，例如内蒙、山西等。
混凝土板都是采用一次滑模而成，传力杆采用DBI技术施工。
由于混凝土板太厚，在振捣过程中经常造成板上下层密度不均匀，导致板的强度存在很大偏差。
此外，DBI装置在插入传力杆过程中将已经挤压成型的混凝土挤出，由于周边混凝土不能流动填充空槽，在搓平梁搓平和超级抹平板抹平过程中，只有砂浆填充空槽，因而造成集料离析，难以达到密实、平整要求。
混凝土终凝后，局部细集料集中的地方收缩比大、凹陷进一步加剧了面板平整度下降。
根据几条高等级水泥混凝土路面平整度检测数据显示，IRI合格率都不足60%。
图2-1平整度合格率很难保证
2.2传力杆布设偏差显著，断板率高居不下
传力杆的传统施工方法有两种，即插入法和支架法。
采用插入法来安装传力杆时，并不能使传力杆最终保持水平。
这主要是由于：
后续施工过程中的精平以及混凝土的干缩变形，再加上传力杆的自重使它在混凝土凝固之前还会有一定的沉降量，此外，由于混凝土本身并不是均匀的材料，因此导致传力杆的沉降也不均匀，因而使传力杆无法保持最终水平。
为了避免插入法安装导致传力杆无法保持水平的缺点，现有施工过程中大都采用支架法施工，即用支架事先把传力杆安放在规定的位置上，在传力杆滑动的一端涂上黄油或者沥青，使传力杆不和混凝土粘在一起，然后进行摊铺。
虽然支架法施工通过对支架的固定和传力杆的安放可以保证传力杆的水平、准确，但是会影响摊铺的速度，此外，由于支架法施工完全依赖于工人作业，还存在工人因疏忽忘记安放传力杆而造成工程隐患以及人为误差导致传力杆的摆放存在偏差等问题。
由于传力杆布设存在偏差是一个普遍存在的问题，当传力杆布设存在偏差时，会导致传力杆在混凝土中不能自由滑动，最终将导致混凝土板的开裂。
所以，如何减少和避免传力杆布设存在偏差成为当下一个亟需解决的问题。
通过上述分析可以得知，传力杆在施工过程中的布设偏差主要有三种情况：
在水平界面内存在偏差、在垂直界面内存在偏差以及同时在水平面和垂直面内存在偏差。
在水平面内的偏差又分为角度的偏差以及布设长度的偏差，如图2-2所示；在垂直面内的偏差又分为角度的偏差以及布设深度的偏差，如图2-3所示。
图2-2传力杆在水平面内布设存在偏差
图2-3传力杆在垂直面内布设存在偏差
由于传力杆布设偏差，混凝土收缩受到限制，应力无法在缩缝处释放，经常导致在传力杆端部出现断板，如图2-4所示。
图2-4传力杆布设偏差导致的断板
2.3表面塑性开裂严重
塑性收缩一般发生在混凝土凝结硬化之前，此时混凝土几乎没有强度或强度很小，受高温或较大风力影响，混凝土表面失水过快，造成毛细管中产生较大的负压而使混凝土体积急剧收缩，而此时混凝土的强度又无法抵抗其本身收缩，产生塑性收缩裂缝。
图2-5施工结束后塑性收缩裂缝
混凝土路面板为大面积薄板结构，在大风条件作用下，表面水分蒸发过快，容易产生塑性收缩和干缩开裂。
路用水泥混凝土在大风条件下的塑性开裂是混凝土的变形在自身及外界诸多因素作用下受到限制的结果。
自由变形条件下，收缩没有受到约束，混凝土不产生拉应力，出现早期开裂的机率甚小。
而实际工程中，面板混凝土暴露在自然环境当中，大风条件下的蒸发作用导致混凝土板中的水份以很快的速度丧失，导致收缩应力的产生，同时由于混凝土板受到源自基层和混凝土自身的约束，使得内部产生拉应力，当此拉应力超过极限抗拉强度时将会导致混凝土路面出现裂缝。
研究表明，混凝土中80%的水分要蒸发，约20%的水分是水泥硬化所必需的，多余水分的蒸发便引起混凝土体积的收缩。
塑性收缩裂缝多呈中间宽、两端细且长短不一，互不连贯状态。
较短的裂缝一般长20～30cm，较长的裂缝可达2～3m，宽1～5mm，形成初期深度较浅，但受降温收缩影响会逐渐向下延伸。
目前，对道路混凝土路面大风条件下塑性开裂的研究主要基于混凝土的水份的蒸发及收缩率。
为了直观了解混凝土板早期开裂的发生和发展，深入探索其开裂的本质和机理，必须通过大风条件的下蒸发率试验、开裂试验量测混凝土内部湿度、湿度的早期变形规律，研究混凝土的大风条件下裂缝的发生和发展，并选择多种养生剂，比较了其在道路混凝土强度形成初期的优劣，为减少道路混凝土开裂提供实用建议。
混凝土硬化初期，水泥水化释放出热量，由于混凝土是热的不良导体，散热较慢，使得混凝土内部温度较外部高，有时可达40～60℃。
在大风作用下水分蒸发带走热量，导致混凝土内外形成温度梯度，造成温度变形和温度应力，内部膨胀和外部收缩相互制约，在外表混凝土中将产生很大拉应力导致混凝土出现裂缝，最终导致断板。
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