钢筋焊接网混凝土路面技术及在高速公路中的应用

作者:刘建伟 虞文景 吴喜荣 刘力源 王帅
单位:山西省交通科学研究院黄土地区公路建设与养护技术交通行业重点实验室
摘要:调研了国内外水泥混凝土路面发展现状, 对比分析了有无配筋水泥混凝土路面技术性能, 得到钢筋焊接网混凝土路面的技术特点和优势, 提出了混凝土双层摊铺的施工工艺。通过5个实体工程的修筑, 实现了钢筋焊接网混凝土路面施工技术。发展钢筋焊接网混凝土路面是解决我国水泥路面现有问题的有效途径, 是具有实际意义的理念和举措。
关键词:道路工程 钢筋焊接网 混凝土路面 施工技术
作者简介:作者简介: 刘建伟, 工程师, E-mail:windsends@163.com;

 

0 引言

近年来, 我国交通事业获得跨越式发展, 公路总里程已达457.73万km, 其中高速公路里程逐年增长 (见图1) , 2015年底通车里程达12.35万km, 稳居世界第一。据统计, 全国水泥混凝土路面占全部路面长度的40.8%, 占有铺装路面的72.1%, 但主要用于县、乡等低等级公路, 在国家高速公路网中比例仅为3%。近年来, 山西省采用钢筋焊接网铺筑水泥混凝土路面, 改变了以往素混凝土路面行车舒适性差, 有重载车通行时易产生早期断板、破碎、错台等状况, 使水泥路面有可能在高速公路和城市道路中得到更多、更快的发展。

本文通过山西省配筋混凝土路面近年的工程案例, 介绍了钢筋焊接网混凝土路面[1,2], 特别是连续配筋混凝土路面技术特点、施工工艺及应用效果, 可对水泥混凝土路面的发展和钢筋焊接网在混凝土路面中的应用提供参考。

图1 我国高速公路里程发展Fig.1 Development of expressway

图1 我国高速公路里程发展Fig.1 Development of expressway

 

1 水泥混凝土路面国内外发展现状

1.1 国外发展概况

水泥混凝土路面在国外得到广泛应用, 其中, 美国干线公路水泥路占13%, 复合式路面占19%;英国高速公路占20%, 干线公路占6%;前西德高速公路占30%, 前东德高速公路占82%;法国高速公路占15%;比利时高速公路占40%, 国道 (干线公路) 占20%, 省道占35%;韩国高速公路占63%。

美国高速公路中, 早期水泥路面结构多为板块式普通混凝土路面, 1921年提出并在华盛顿区修建了60km连续配筋混凝土路面 (CRCP) 试验路, 其后有35个州大量修建连续配筋混凝土路面, 这种路面因全程无横向缩缝, 因而行车舒适、噪声小。

2006年, 由美国联邦公路局 (FHWA) 、各州公路和运输工作者协会 (AASHTO) 和战略公路研究计划 (NCHRP) 联合组成专家组对欧洲、澳大利亚、加拿大的水泥路面实地考察, 报告指出上述国家均把连续配筋混凝土路面作为重载条件下长寿命路面的首选, 局部采用钢筋混凝土路面。

统计2001—2010年间日本不同类型水泥混凝土路面 (见表1) , 可见以普通混凝土 (注:日本的普通混凝土中一般均配有6钢筋焊接网) 为主, 但连续配筋混凝土比例逐年增长。表中“薄层”结构, 系指在原有水泥或沥青路面上加铺10~20cm厚配钢筋焊接网水泥路面补强或罩面的结构。

表1 日本不同类型的水泥混凝土路面Table 1 Japan’s different types of cement concrete pavement   

10 000m2

表1 日本不同类型的水泥混凝土路面Table 1 Japan’s different types of cement concrete pavement

值得一提的是, 日本在分析该国试验路25年观测资料和国外长寿命路面性能基础上, 正在建设新东名高速公路 (全长320km, 已建成通车162km) [3], 长寿命路面设计使用年限100年, 累计设计轴载1亿车次, 隧道和路基段路面结构采用了24 (28) cm厚连续配筋水泥混凝土+8cm厚沥青面层复合式路面结构, 使高强度、耐久性好的配筋混凝土和行车舒适性好的沥青面层两种材料充分发挥各自功能特点, 这也是长寿命路面和水泥混凝土路面发展应用的一种方向。

1.2 国内发展概况

到2013年末, 统计我国水泥混凝土路面总里程达1 777 262.6km, 总里程虽然较多, 若按不同等级公路水泥混凝土路面里程分类统计分析 (见图2) , 则发现我国水泥路面主要用于乡、村低等级公路中。在全国10.4万km高速公路路面中, 水泥混凝土路面只有3 452.8km, 所占比例仅0.19%, 与99.81%的沥青路面相比, 几乎可忽略不计。这与国外高速公路水泥路面比例15%~80%相比, 反映出我国无钢筋网素混凝土路面路用性能差、技术落后, 在国、省道的路面类型选择中不被认可的事实。

图2 不同等级公路水泥混凝土路面里程比例分布 (2013年) Fig.2 Ratio distribution of different grade highway cement concrete pavement mileage

图2 不同等级公路水泥混凝土路面里程比例分布 (2013年) Fig.2 Ratio distribution of different grade highway cement concrete pavement mileage

 

水泥路面在我国等级公路路面设计中不被认可的主要原因, 是未配设钢筋网的素混凝土路面在重载车通行的道路中水泥路早期破损严重[4], 设计年限30年的路面可能3年即产生病害;加之在通车路线上水泥路面维修困难、对交通影响大等原因所致。

某大型钢厂建设了双层钢筋焊接网水泥混凝土路面, 因其刚度大、抗弯拉强度高, 满足该厂钢材运输条件。投入使用以来, 主干道路面基本完好, 未采用钢筋焊接网的道路已经破损。可见, 采用双层钢筋焊接网的道路适合应用于重型荷载运行频繁的路面中[5]

2 钢筋焊接网水泥混凝土路面技术分析

2.1 配筋混凝土路面技术特点分析

通过对有、无配筋水泥混凝土路面技术性能对比, 发现配筋后水泥混凝土路面对重载交通适应性更好, 有效控制混凝土板温缩应力及变形, 尤其采用连续配筋混凝土路面, 无需设置缩缝及传力杆与支架, 钢筋焊接网片搭接流水作业施工简便、质量有保证, 避免了普通混凝土路面易产生的错台、渗水、汲浆、脱空、断板等早期病害, 同时避免了因接缝振动造成的行车舒适性差, 是适用于高速公路的耐久性路面。

钢筋焊接网的采用是连续配筋混凝土路面发展的重要技术措施[6]。水泥路面中的连续配筋有现场绑扎和采用钢筋焊接网片拼接两种方法, 两种工艺的比较如表2所示。

表2 连续配筋不同生产工艺比较Table 2 Comparing of different production process of continuous reinforcement   

表2 连续配筋不同生产工艺比较Table 2 Comparing of different production process of continuous reinforcement

我国以往施工的少量连续配筋水泥路面均采用现场绑扎钢筋工艺施工, 由于该工艺施工进度慢、工程质量差、无法有效解决混凝土侧向布料和有效振捣等技术难题, 加之布筋不合理、路面开裂严重, 因此未在全国大量推广应用[7]

连续配筋钢筋网片采取事先焊接预制, 施工采用先铺2/3厚度混凝土, 经振捣、整平后即放置连续配筋钢筋焊接网片, 再铺1/3厚度混凝土振捣、整平, 前后工序相接流水作业施工, 可克服现场绑扎 (焊接) 的各种缺点, 使连续配筋混凝土路面能在高速公路或者其他大规模工程施工中得到推广应用, 并特别适用于工作面较小的隧道水泥路面施工, 从而可使水泥路面能在我国公路和城市道路中得到应有的发展。山西省的研究和实践表明: (1) 钢筋焊接网用于混凝土路面结构是提升水泥路面质量的关键技术, 是促进我国水泥路发展的必要措施; (2) 对于大交通量的路面结构, 钢筋焊接网混凝土路面的工程造价低于沥青路面; (3) 水泥路面的施工较沥青路面更加节能环保; (4) 大交通量条件下, 连续配筋水泥混凝土路面需要用大直径 (14, 16) 热轧焊接网, 需解决工厂生产的设备配套、运输、单价等相关问题; (5) 现行的《钢筋焊接网混凝土结构技术规程》JGJ114—2014可以作为设计、施工的依据和推广、应用的技术保障。

为了使钢筋焊接网在板类构件、桥面、路面以及护坡等工程中更有效地应用, 郑州大学土木工程学院和中国建筑科学研究院进行了20组不同形式钢筋焊接网锚固试件的拔出试验, 分析了钢筋焊接网横筋对纵筋黏结滑移性能和锚固强度的影响, 说明了用焊接网替代绑扎网的科学性和必要性[8]

2.2 钢筋焊接网混凝土路面施工工艺探索

采用先架设钢筋网再摊铺混凝土作业时, 需配以侧向卸料和布料设备, 保证一定的工作面, 还应注意钢筋网对下层混凝土振捣密实的影响。由于纵筋间距较密 (10~15cm) , 还有横筋的存在, 排式振捣器应避免触碰横筋并插入钢筋网以下振捣, 保证钢筋网下混凝土密实是路面成败的关键之一。

采用模板法分层连续摊铺可保证下层混凝土振捣密实, 该工艺将水泥混凝土路面分两层进行铺筑, 施工流程为:安装模板→下层混凝土的布料、摊铺、振捣→铺设钢筋网→上层混凝土的布料、摊铺、振捣→路表面粗平、精平、拉毛、初期养护, 纵向刻槽、后期养护。主要工序的施工要点如下 (现场施工情况见图3) 。

图3 钢筋焊接网连续配筋混凝土路面施工现场Fig.3 Welded steel fabric continuously reinforced concrete pavement construction

图3 钢筋焊接网连续配筋混凝土路面施工现场Fig.3 Welded steel fabric continuously reinforced concrete pavement construction

 

1) 先摊铺下2/3面板厚度混凝土, 混凝土直接卸在模板内, 可用小挖掘机辅助布料, 人工辅助粗平, 均匀布料后采用排式振捣器振捣以保证混凝土的密实度和均匀性, 之后再用平板振捣梁进行初平。

2) 立即铺设钢筋焊接网, 控制网片位置距混凝土板顶1/3面板厚度处。

3) 采用平搭法进行钢筋焊接网接头绑扎后及时铺筑上1/3厚度的混凝土, 采用小型挖掘机进行布料辅以人工粗平, 排式振捣器振捣、整平, 三辊轴机组振捣、精平连续作业。

4) 考虑到混凝土的分层铺筑, 上述工序必须连续施工, 要求上层混凝土应在下层混凝土初凝前完成, 施工段落宜控制在20~30m, 并根据混凝土搅拌和运输能力、混凝土凝结时间作适当调整;当混凝土坍落度衰减较多或工作时间需延长时, 应通过掺配缓凝剂解决。

5) 振捣时应以混凝土停止下沉、不再冒泡并泛出水泥浆为准, 振捣器应尽量避免碰撞钢筋, 最后用三辊轴机组进行整平提浆, 赶出气泡, 对有不平之处, 应及时进行补平。每一施工段落混凝土的摊铺、振捣时间一般不大于30min。

6) 严格控制混凝土水灰比和振捣方式, 不得产生多余浮浆。

7) 精平后的混凝土表面, 在初凝前, 采用机械或人工拉毛的方式拖出细观纹理。拉毛采用固定支架拖挂2~3层叠合麻布、帆布或棉布, 洒水湿润后, 软拖制作微观抗滑构造。布片接触路面的长度宜为1.0~1.5m。

8) 硬化混凝土表面应采用刻槽机制作宏观抗滑构造, 刻槽时间应以不产生槽边破损条件下尽早实施。采用不等间距纵向刻槽工艺, 矩形槽槽宽3mm、槽深4mm、槽间距20~25mm, 一次刻槽最小宽度应≥600mm, 每次刻槽间距≥100mm。

9) 选择合理养护方式及时进行养护, 保证混凝土强度增长, 防止微裂纹的产生, 实测混凝土强度达到设计强度的80%后可停止养护。在养护期间禁止一切车辆通行。路面养护宜采用覆膜和喷洒养护剂的方法进行。

3 山西省高速公路钢筋焊接网混凝土路面应用实例

近年来山西省在高速公路新建和改造工程中, 先后完成了夏 (家营) 汾 (阳) 高速公路60 208m2配筋普通混凝土板块和连续配筋混凝土换板、太 (原) 古 (交) 高速公路挖方路基段及西山隧道部分路段 (2km) 、榆 (社) 平 (遥) 高速公路宝塔山隧道、长 (治) 安 (阳) 高速公路虹梯关隧道和阳 (泉) 左 (权) 高速公路7个隧道项目 (总长12 360m) 的连续配筋混凝土路面工程, 并采用工厂化生产的钢筋焊接网片。

3.1 旧混凝土路面维修补强中的应用

夏汾高速公路改造范围主线53.925km, 路基宽26m, 路面宽2×11.25m, 面板厚26cm, 为运煤重载路线, 2000年铺筑普通水泥混凝土路面, 面板厚26cm, 因原路面破损严重, 2009年设计使用复合式路面进行改建, 根据面板长短分别按配钢筋焊接网普通混凝土板块和连续配筋混凝土路面更换破碎板60 268m2, 使用钢筋焊接网2 200t。连续配筋纵筋12, 间距100mm;横筋12, 间距400mm。连续配筋焊接网尺寸:1 052cm×150cm, 1 052cm×200cm, 平搭接长度20d。普通配筋混凝土板用8钢筋焊接网, 规格为150mm×150mm, 网片搭接长度20cm。作为运煤重载高速公路, 通行车辆中近80%为大型运输车辆, 该段水泥路面改造后已运营6年, 使用性能完全满足要求, 效果良好。

3.2 连续配筋混凝土路面中的应用

太原-古交高速公路是我省近几年修建的全线水泥混凝土路面, 路基挖方段共计2km采用连续配筋混凝土路面, 路基填方段采用双层配筋混凝土路面, 西山特长隧道 (13.65km) 除CRCP试验段外, 采用钢筋、钢纤维混凝土路面。通车运营3年来, 在重轴载大交通的条件下, 整体上保持了较好的使用性能, 尤其连续配筋混凝土路面, 整体性好, 行车舒适。

榆社-平遥高速公路宝塔山特长隧道 (全长10.48km) 特重交通方向, 全部采用钢筋焊接网连续配筋混凝土路面, 面板厚28cm, 钢筋焊接网纵筋ф16mm, 间距125mm;横筋ф12mm, 间距500mm。

长治—安阳高速公路虹梯关特长隧道 (全长13.1km) , 采用钢筋焊接网连续配筋混凝土路面。路面宽7.75m, 纵筋ф16mm, 间距150mm;横筋ф12mm, 间距500mm。

阳泉-左权高速公路7条隧道共计12.36km应用了连续配筋混凝土路面, 其中蒙山特长隧道 (全长5.6km) 采用连续配筋混凝土路面, 其他为复合式路面, 其中一个标段全部采用钢筋焊接网。路面宽7.75m, 分特重交通车道和重交通车道, 蒙山特长隧道内路面结构:有仰拱时, 特长隧道进出口端300m采用4cm AC-13+6cm AC-20+24cm CRCP+15cm贫混凝土, 其余段落采用28cm (重交通车道26cm) 连续配筋水泥混凝土+15cm贫混凝土。其余6条长、中、短隧道采用连续配筋混凝土复合式路面, 路面结构同上述进出口300m段。无仰拱时, 在相应段落结构下增设10cm贫混凝土的整平层。

特长隧道连续配筋混凝土路面纵筋16, 特重交通车道间距114mm (重交通车道121mm) ;横筋ф12, 间距500mm。复合式路面纵筋ф16, 间距200mm;横筋ф12, 间距500mm。连续配筋焊接网网片尺寸:1 200cm×190cm, 1 200cm×210cm。钢种:HRB335。连续配筋纵向钢筋搭接长度为25d, 横向钢筋搭接长度为2倍纵筋间距。

4结语

水泥混凝土路面的发展应用国内外存在巨大差距, 究其原因, 与我国以往混凝土板未配筋有很大关系。

本文通过有无配筋水泥混凝土路面技术特点分析和山西省近几年工程实践总结, 包括夏汾高速旧混凝土路面维修工程、平榆高速宝塔山特长隧道路面、太古高速连续配筋混凝土路面、长平高速虹梯关特长隧道路面、阳左高速隧道路面等实体工程, 介绍钢筋焊接网混凝土路面的施工和应用情况, 从钢筋网片布置、钢筋搭接、混凝土分层布料和摊铺及路面养护等方面总结了钢筋焊接网混凝土路面在高速公路施工的工艺和注意事项。经过多条高速公路实体工程的实施, 保证了优良的路面质量和使用效果, 为钢筋焊接网混凝土路面在我国高等级公路中的推广应用提供了技术支撑。

最终提出水泥混凝土路面从素混凝土板向配筋混凝土板或连续配筋混凝土路面的发展建议, 钢筋焊接网较绑扎钢筋网锚固性能优良, 应为配筋混凝土路面的首选, 为我国钢筋焊接网在路面工程中的应用及重新认识和发展水泥混凝土路面提供了依据。

 

Welded Steel Fabric Concrete Pavement Technology and Its Application in Expressway
Liu Jianwei Yu Wenjing Wu Xirong Liu Liyuan Wang Shuai
(Key Laboratory of Highway Construction & Maintenance Technology in Loess Region, Ministry of Transport, Shanxi Transportation Research Institute)
Abstract: The current situation of the development of cement concrete pavement is researched at home and abroad, the performance of concrete pavement reinforced or not is analyzed, the advancement and characteristics of welded steel fabric concrete pavement are got, two layers technology of concrete construction is put forward. The welded steel fabric concrete pavement construction technology is carried out in five entity engineering construction. Developing reinforcement concrete pavement is an effective way to solve the existing problem of cement pavement, is meaningful ideas and measures.
Keywords: road engineering; welded steel fabric; concrete pavements; construction;
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