战高峰

(吉林建筑工程学院,长春130021)

　　摘　要　在公路水泥混凝土路面可靠性研究的基础上,本文分析了水泥混凝土路面的耐久性及其影响因素,探讨了水泥混凝土路面动态可靠度,并给出了水泥混凝土路面耐久性分析方法。

　　关键词　水泥混凝土路面　耐久性　动态可靠度

1　引言

水泥混凝土路面的可靠性通常是指由土基、垫层、基层和面层组成的路面整体,在特定的环境中,在规定的时间内,完成其预定功能的能力。一般情况下用路面可靠度(可靠指标)的大小来评定这种能力。目前,我国道路工作者多重视路面可靠度的研究,其目的是用可靠性理论的结构设计方法代替现行规范凭经验定值地给定安全系数的容许应力设计方法。依据现行《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTJ012-94),水泥混凝土路面的可靠性设计方法就是把荷载的疲劳应力Ρp和温度疲劳应力Ρt及混凝土设计弯拉强度f c m都作为随机变量,根据概率分析来确定路面结构的失效概率或可靠度。利用这种方法设计的路面,考虑了水泥混凝土路面各结构参数的不确定性和随机性,使路面具有明确的安全性。而从广义上讲水泥混凝土路面的可靠性应包括三个方面的要求:安全性、适用性、耐久性。因此,为了使水泥混凝土路面满足使用者的要求,还应研究其耐久性。所谓水泥混凝土路面的耐久性是指路面结构在设计使用年限内,不需要花费大量维修费用保持其行车安全、使用性能和外观要求的能力。参照混凝土结构耐久性研究的内容,水泥混凝土路面耐久性的分析主要包括水泥混凝土路面材料研究和路面结构组合设计方法研究。材料方面的研究主要包括路面混凝土的抗冻性、碱-集料反应、混凝土配合比设计、化学作用等;路面结构组合设计方法的研究主要包括混凝土路面荷载效应与抗力效应随时间变化的规律的分析。

2　影响公路混凝土路面耐久性的主要因素

水泥混凝土路面是直接暴露于大自然的构造物,它在使用过程中要承受车辆荷载、环境因素、气候等不利因素的复杂作用,为此影响其耐久性的因素很多。主要有以下几个方面的内容。

2.1　路面混凝土的材料组成

主要指路面混凝土的配合比及其强度;水泥品种,水泥标号与用量;外加剂品种与用量;抗渗性;骨料的品种及级配。

2.2　路面混凝土的冻融破坏

路面混凝土水化硬结后内部有许多毛细孔。在混凝土路面施工时,为了保证和易性,混凝土用水量要比水泥水化所需的水多。使混凝土毛细孔中产生游离水,在低温时,这部份水就会结冰,结冰时体积膨胀9%,从而引起混凝土内部结构的破坏。但一般混凝土中水的冰点温度要低一些。如果毛细孔中水不超过91.7%时,毛细孔中空气可起缓冲调节作用,将一部分结冰的水挤入胶凝孔,从而减少膨胀压力。在胶凝孔中处于过冷状态的水分因其蒸汽压高于同温下冰的蒸汽压而向毛细孔中冰的界面处渗透,在毛细孔中产生渗透压力。这样,处于饱水状态的混凝土受冻时,毛细孔中同时受到膨胀压力和渗透压力,使混凝土结构产生内部裂缝和损伤,经过多次反复,损伤积累到一定程度就使其结构破坏。为此,要防止混凝土冻融循环破坏,首先要降低水灰比,减少混凝土中的自由游离水;其次在路面混凝土施工时加入引气剂,使混凝土中形成微细气孔,从而提高抗冻性。

2.3　混凝土的碱集料反应

所谓水泥混凝土的碱集料反应,是混凝土中水泥、外加剂、掺合料或水中的可溶性碱(钾、钠)溶于混凝土孔隙液中,与集料中能与碱反应的活性成分

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・东　北　公　路2000年(二氧化硅)在混凝土硬化后逐渐发生的一种化学反应,反应生成物吸收水膨胀,使混凝土产生内应力,导致混凝土工程开裂、上拱或强度降低等损坏,称为碱集料反应(A lkali A ggregate R eacti on简称AA R)损坏(碱-集料反应)。当水泥混凝土路面产生碱集料反应破坏时,路面内部产生不均匀膨胀,并产生裂缝,裂缝呈现网状或树枝状。这种裂缝不同于路面早期的网状收缩裂缝,它一般出现在开放交通数月或数年后,裂缝随着湿度的增大或其它环境因素的变化而发展,最后发展成为龟裂。如果裂缝继续发展,路面可能出现脱皮、松散,甚至完全破坏而影响行车安全。在开裂时,有时伴随着局部隆起,裂缝处有反应产物碱硅凝胶顺裂缝渗流出来(水泥混凝土路面由于车轮与路面的不断接触摩擦,渗出物往往不被人们所注意)。防止混凝土路面产生碱集料反应的主要措施有:控制水泥的含碱量;控制水泥混凝土总含碱量;控制使用碱活性集料;在路面用混凝土中掺入火山灰质掺合料及水淬渣;在路面用混凝土中掺加引气剂;加强与完善路面的排水系统,隔绝水、空气来源;在混凝土中加入氯化锂、氯化钡。2.4　车轮的磨耗

在车辆荷载的重复作用下,混凝土路面机械磨损。

3　水泥混凝土路面动态可靠性分析及动态可靠指标

为了分析公路水泥混凝土路面的耐久性,关键是研究水泥混凝土路面结构的初始可靠度和可靠度随时间的衰减规律。根据可靠性数学理论,在路面可靠性分析时,我们可以定义水泥混凝土路面的功能函数为:

y=f(x1x2…x i……x n)(1)式中:y为水泥混凝土路面功能函数的因变量,它可以理解为水泥混凝土路面的抗力效应、荷载效应或可靠度指标。x i(I=12……n)为混凝土路面功能函数的自变量,可以被理解为路面的材料参数、结构参数、几何尺寸等。利用式(1)我们可以求出水泥混凝土路面的可靠度。在水泥混凝土路面耐久性分析时,式(1)中各变量都是时间t的函数,路面的可靠度随时间衰减,为此,需要分析水泥混凝土路面的动态可靠性。

3.1　水泥混凝土路面动态可靠性

水泥混凝土路面的动态可靠性可定义为:在规定的使用年限内(如重交通30年),在正常使用、维修养护条件下,考虑环境和结构抗力衰减等因素的影响,水泥混凝土路面使用过程中某一时刻后在后续使用基准期内能完成预定功能的能力。用可靠度度量为:

P p(t)=P{Z(t,Σ)≥,Σ∈[t,T s]}(2)式中:t——水泥混凝土路面使用过程中的分析时刻;

T——路面设计使用年限;

Z(t,Σ)——考虑水泥混凝土路面t时刻预期

技术状况影响的功能函数,为全随机过程,依

据现行的《公路水泥混凝土路面设计规范》表

示为:

Z(t,Σ)=R(t,Σ)-S(t,Σ)(3)式中:R(t,Σ)——考虑t时刻预期结构状态的抗力随机过程,可取为非平稳随机过程,其任意时

点分布为正态分布;

S(t,Σ)——考虑t时刻预期结构工作状态和

后续股役基准期变化的荷载效应随机过程,

可取为平稳二项随机过程,其任意时点分布

为正态分布。

为简化计算,且偏于安全,也可采用后续股役基准期内的最小抗力和最大荷载效应的概率分布,将上述全随机过程模型转化为随机变量模型。

P r=P{(Rm-Sm)}≥0(4)式中:Rm——后续股役基准期T s-t内最小抗力随机变量;

Sm——后续股役基准期T s-t内最大荷载效

应随机变量。

3.2　水泥混凝土路面的动态可靠指标

利用式(4)可以求出水泥混凝土路面t时刻的可靠指标Β(t),定义水泥混凝土路面初始时刻的可靠指标Β0,则有:

Ν(t)=Β(t) Β0(5)式中:Ν(t)——混凝土路面相对动态可靠度指标。4　公路水泥混凝土路面耐久性分析

水泥混凝土路面设计的目的是使所设计的结构在预定的使用期限内,能满足设计所预期的各种功能要求。一般说来,工程结构必须满足安全性、适用性、耐久性三项功能的要求。

所谓耐久性,是指结构在化学的、生物的或其他不利因素的作用下,在预定时期内其材料性能的恶化不致导致结构出现不可接受的失效概率。从工程概念上说,足够的耐久性能就是指在正常维护条件

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第23卷第3期　　　　　　　　　战高峰:公路水泥混凝土路面耐久性分析方法

下结构能够使用到预期的耐久年限。

依据现行的《公路水泥混凝土路面设计规范》所给出板厚计算公式:

Ρp +Ρt ≤f c m (6)定义S p =Ρp +Ρt 为水泥混凝土路面的广义荷载

效应,R p =f c m 为水泥混凝土路面的广义抗力效应。则有:

S p ≤R p (7)满足(7)结构可靠度指标Β0为定值。

参考文献[1]的方法,笔者引入水泥混凝土路面耐久性设计概念和耐久性设计系数后,公式(7)变为:

S p ≤Γ

p R p (8)

式中　Γp ——耐久性设计系数。

实际上Γp 为Β(t )的函数:

Γp =f [Β

(t )](9)根据文献[1]有:

Γp =Γp (t )=Β

0 (Β0+Βt -Β(t ))(10)

式中　Βt ——水泥混凝土路面耐久性设计中,在t

时刻要求的可靠度指标确定值。

对于Βt 不仅与结构作用、结构抗力、环境因素等客观条件有关,而且涉及很多的主观因素,由吉林省水泥混凝土路面的使用情况调查,参照已有研究成果,笔者作如下简化计算,在初期可靠度指标不下降,后期取Βt 为在30年(重交通)内由Β0到0.9Β0间的线性递减,即有

Βt =

Β0　　　t<10

Β0(1-0.002(t-10)　t ≥10

(11)Β(t )是随时间变化的函数,一般按指数规律衰减。要确定它,需做许多路况调查和观测,在统计回归的基础上,给出其适时的计算公式。依据有关文献结构耐久性的设计系数的简化计算公式,在进行水

泥混凝土路面耐久性分析时,取下式计算耐久性系

数:

Γ=

2-K p s

2-K p r

(12)式中:K p s 和K p r 分别为公路水泥混凝土路面广义荷载与广义抗力变化系数。

K p s =

Ρp (T )+Ρt (T )Ρp +Ρt

K p r =

f c m (T )f c m

(13)

Ρp ,Ρt 为公路水泥混凝土路面可靠性设计时,Ρp ,Ρt 的均值,f c m 为极限抗弯拉强度的均值。T 为混凝土路面耐久性设计时的目标使用期。Ρp (T ),Ρt (T )为混凝土路面耐久性设计时的目标使用期时的荷载应力与温度应力,f c m (T )为混凝土路面耐久性设计时的目标使用期时的极限抗弯拉强度。5　结语

本文分析了影响水泥混凝土路面耐久性的主要因素,并将结构耐久性分析的方法用于公路水泥混凝土路面,探讨了水泥混凝土路面耐久性分析方法。随着对水泥混凝土路面使用性能的观测与评定和大量统计数据的获取,笔者将进一步研究水泥混凝土路面的耐久性分析与设计的数值方法。

由于影响水泥混凝土路面耐久性的因素较多,统计分析工作量较大,尚有许多工作要做,本文只是做了初步探讨,文中不足之处敬请同行专家斧正。

参考文献

1　李田,刘西拉.混凝土结构的耐久性设计.土木工程学报,1994(2)2　中华人民共和国行业标准《公路水泥混凝土路面设计规范》JTJ 012-94

3　张建仁,张起森编著.公路工程结构可靠度理论及其应用.人民交

通出版社

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A bs tra c t

B ased on research ing on reliab ility of h ighw ay cem en t concrete pavem en t ,du rab ility and

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