用于街道、道路或公路的改进的混凝土铺路板以及用于该板设计的方法

发明目的

本发明涉及一种用于铺设道路、公路和城市街道或类似路面的混 凝土板，以及一种不同于传统方法的新的板设计方法，该混凝土板提 供了对现有技术的板的尺寸的改进，由此产生了更薄的路面，并且因 此比现有已知的板更便宜。对于这种类型的路面，板被支撑在用于这 种路面的传统基层上，该传统基层可以是用水泥或沥青处理过的粒料。 本发明用于新的混凝土路面，而不考虑用重叠的混凝土层修复的旧路 面。

本发明适用于用于铺设道路、公路和街道的级别的混凝土板，其 中关键的要素是板尺寸和载重卡车的轮子之间的距离，以及经过的各 种类型车辆的数量。

背景技术

直到目前还使用的传统系统，考虑了路面板的宽度等于车道宽度， 路面板的长度尺寸等于行车道宽度或者6米长。这样的尺寸使得车辆 载荷，特别是载重卡车，同时在板的两个边缘施加载荷，当这两个边 缘被翘曲时引起板表面的张应力。这种卷曲是正常的，并且板总是沿 其边缘向上卷曲。由于混凝土应力，此载荷系统是引起开裂的主要原 因。

本发明考虑了较短的板，该板将永不会在其两个边缘被同时施加 上载荷。因此，该载荷系统是不同的。当轮子在摆动的板上行驶时， 该新载荷系统总是将载荷支撑在地基上。它绝不会在一块板上行驶超 过一个行路装置。在比卡车的前后轴的尺寸更小的板上产生更小的制 造应力的这一概念，使得能够减小支撑卡车所必需的板的厚度。该厚 度的减小降低了初建费用。

通常，用于道路、公路和城市街道的混凝土板具有通常是一个行 车道宽度的尺寸，通常是3500mm宽和3550-6000mm长。为了支撑对 这些板增加了张力和技术条件要求的重型卡车的载荷，道路土木工程 师必须对板进行设计，其中该板的厚度尤为重要，以避免开裂。许多 这样的设计使用了钢筋、金属网或钢，确保了板的耐久性，但是却大 大地提高了板成本。

日期为1998年7月7日的文献ES 2149103(Vásquez Ruiz Del)， 披露了一种在施工现场的混凝土板之间的铰接式载荷转移过程，其中 放置在工作地段结合面的结合部被制造成由塑料网制成的单个装置， 该单个装置考虑了预先在设计室准备的剪切和弯曲方案。以此方式， 利用收缩现象来获得沿着相邻的板的结合部的交替的凹槽，该相邻的 板组成连续的混凝土板，该交替的凹槽能够在板之间形成铰接式的连 接。该过程利用一个混凝土分隔元件来配合完成，该混凝土分隔元件  易形成裂纹并且防止水进入水平空间，并且可以被上述装置保持在 适当位置。在此文献中提到的该发明适用于用于道路、公路和在港区 中的仓库的混凝土路面，并且它允许不使用基层和基底(sub base) 来设计路面。

日期为1996年11月16日的文献ES 2092433(Vásquez Ruiz Del)， 披露了一种建造用于公路和飞机场的混凝土路面的过程。在铺料机(3) 上放置滑动模板以在坡面(1)上的板内形成内孔(2)，流体被灌入 (4)到由模板形成的每一个防水孔中，其中该流体优选地是膨润土泥 浆或肥皂洗湿空气(soaped wet air)，以足够流量和压力灌注该流 体，使得一旦去除模板，这些孔会由浇灌在其上的流体支撑，闭合倒 三角形的混凝土孔并且为在小隧道内新浇注的混凝土配置支承；然后 实施必须的步骤以形成混凝土。在此文献中提到的该发明能够节约路 基上层或者路基层的混凝土，并且获得用于各等级路如公路、道路、 通道和飞机场的刚性路基。

日期为2000年1月13日的文献WO 2000/01890(Vásquez Ruiz Del)，披露了一种在施工现场的混凝土板之 间的铰接式载荷转移过程，其中放置在工作地段结合面的结合部被制 造成由塑料网制成的单个装置，该单个装置考虑了预先在设计室准备 的剪切和弯曲方案。以此方式，利用收缩现象来获得沿着相邻的板的 结合部的交替的凹槽，该相邻的板组成连续的混凝土板，该交替的凹 槽能够在板之间形成铰接式的连接。该过程利用一个混凝土分隔元件 来配合完成，该混凝土分隔元件容易形成裂纹并且防止水进入水平空 间，并且可以被上述装置保持在适当位置。在此文献中提到的该发明 适用于用于道路、公路和在港区中的仓库的混凝土路面，并且它允许 不使用基层和基底来设计路面。

附图说明

附图被包括，以更好地理解本发明，并且被引入本说明书中且组 成本说明书的一部分。它们图解了本发明，并且与说明书一起它们能 够阐明本发明。

图1示出了在150毫米厚、4米长的工业地板上测得的卷曲。该 板被支撑在中心圆上，边缘呈悬臂支撑。拐角的变形是边缘中心变形 的四倍多。(Holland 2002)

图2示出了传统尺寸的板的载荷临界形式。

图3示出了在脱粘的混凝土板上的基于悬臂长度的刚度效应。

图4示出了在其内有一定量的开裂的板上的基本刚度的效应。中 间的刚度好于过硬或过软的刚度。最佳值是在CBR 30-50％之间。 (Armanghani 1993)。

图5示出了较短的板具有比较长的板更短的悬臂，从而在其顶部 具有更小的张应力。

图6示出了较短的板具有更小的表面力，从而具有更小的卷曲。

图7示出了在工业地板上测得的卷曲。它显示了短板比长板具有 更小的卷曲。(Holland 2002)

图8示出了在混凝土板内的包括有卷曲提升力的示意性力。

图9示出了使用HDM 4性能模型，分别具有150mm和250mm厚度、 1,800mm和3,600mm长度的混凝土路面中的开裂性能。

图10示出了在工作位置的板长度效应以及载荷的效应。在图上的 每一载荷代表车辆的前后轴。

图11示出了当行车载荷位于边缘以及板摆动时短板的位置和载 荷。

图12示出了具有和不具有拉杆的混凝土板的(开裂)性能。如果 板能够摆动，那么悬臂将变短并且开裂将减少。

图13示出了当板粘合到基层上时的示意性力。较短的板具有较小 提升载荷，从而粘合更有效。

图14示出了用于本发明的计算方法中的重型卡车的尺寸。

图15示出了用于本发明的等级的板的最大许可尺寸。

图16示出了相比于带有一个行路装置的普通卡车或标准卡车，用 于本发明的等级的板的最大许可尺寸。

发明内容

本发明涉及用于铺设道路、公路和城市街道或类似路面的混凝土 板，该混凝土板提供了对现有技术的板的尺寸的改进，产生了更薄的 路面，并且因而比现有已知的板更便宜；以及提供了一种不同于传统 方法的新的板设计方法。对于这种类型的路面，板被支撑在用于这种 路面的传统基层上，该传统基层可以是用水泥或沥青处理过的粒料。 本发明用于新的混凝土路面，而不考虑用重叠的混凝土层修复的旧路 面。

本发明适用于用于铺设道路、公路和街道的级别的混凝土板，其 中关键的要素是板尺寸和载重卡车的轮子之间的距离，以及经过的各 种类型车辆的数量。

在分析混凝土路面的性能以及其与卷曲的关系时，有某些可被讨 论的构想。在智利，有过用水泥处理过的基层上的未粘合的板的非常 糟糕的经历。聚乙烯板被放置在这些板和CTB之间。这些路面大约不 到8年时间就开始开裂，而在同一合同段的粒料基层上的路面，具有 在混凝土下的相同聚乙烯，在十五年之后才开始开裂。这一性能显示 了基层的粘合、刚度以及板长度的效应。以下观点试图解释这一性能 并且优化混凝土路面设计。

路面板由基层支撑。当板卷曲时，如果基层是刚性的，板不会下 沉到该基层上，中心支撑区域会变小而悬臂会变长(图1、2和3)。 对于在边缘的载荷，这将对板表面产生高的张应力，而使板从上至下 开裂。如果基层是软的，板将下沉到该基层上，对于相同的载荷产生 较短的悬臂以及较小的应力。因此，理想的支撑刚度是具有30-50％的 CBR(土壤阻力试验)刚度(图4)。

过软的基层，目前对于在中心的载荷，将对板底部产生张应力， 而使板自底向上开裂。这被解释为是因为板将被整体支撑，并且在可 变形支撑件上的板的变形将引起应力(图4)。如果这些板向下翘曲 将引起相同的效果。在得知卷起现象之前，这是利用旧的设计方法在 计算应力时的初始构想。

这意味着当板向上卷曲时用作基层材料的最佳材料将具有30-50％ 的CBR。在智利，最耐用的混凝土路面(在大交通流量道路上使用超 过70年)被建造在具有30％的CBR的基层上。

如果板是平坦的并且具有自底向上开裂的可能性，基层所需的刚 度将是不同的。

需要考虑的另一点是，大型车辆通常在晚上行驶，此时板向上卷 曲。这会使我们想到对于乡村路面的设计应当主要考虑向上卷曲。

如果板向上卷曲，产生的悬臂为其长度的四分之一，则较短的板 将具有较短的悬臂(图5)。因此，较短的板在顶部将具有比较长的 板更小的张应力。

同样，较短的板具有减小的卷曲。该卷曲由板表面上的不对称力 引起(图6)。该力由混凝土表面上的干燥和热差异收缩而引起。该 力引起了结构或构造向上卷曲。

干燥收缩卷曲是由于在板的顶部和底部之间的湿气差引起的。由 于土壤的湿气在路面以下凝结，板的底部总是潮湿的，而它的表面通 常是干燥的。

这一湿气梯度产生了向上卷曲。在智利，在实际路面上测得了具 有零度温度梯度的板的残余的向上卷曲，这相当于带有顶部冷却器的 17.5℃的热梯度。最大的正梯度在正午测得，此时板的表面是热的， 为19.5℃。这意味着板将永不会在地基上变平。它总是呈向上卷曲， 该卷曲在夜晚最大，此时增加了内部的且带有顶部冷却的温度梯度。 这使得板产生最大的向上卷曲，并且通常在早晨太阳出来之前的几个 小时产生。

结构对于减小内在的湿气卷曲是重要的。当混凝土不是足够坚硬 时，一种避免表面水分流失的良好硬化方法将减小卷曲。通过在板的 下面使用透水材料，或者在浇注混凝土之前使基层不饱和浸透，而使 得板的底部表面的混凝土得到一定程度的干燥，这也减小了湿气卷曲。 当浇注混凝土时需要注意基层的温度。可能需要洒些水来降低基层的 温度。

主要的热收缩在建造过程中产生。当在白天较热的时间内浇注混 凝土时，由于板表面的混凝土比其底部表面的温度更高，将更热并具 有更长的硬化表面。它也将首先硬化。当温度下降至正常工作温度时， 板的上部将比底部部分减少更多的长度，由此引起产生向上卷曲的表 面力。在下午和晚上浇注混凝土将减小高的表面温度并减小由于热差 异引起的卷曲。

这些由表面的干燥和温度收缩引起的力将随着板的长度而变化。 对于较长的板，卷曲力将较大，由此卷曲和悬臂也较大。

可见，建造的时间选择和硬化以及长度一起对于混凝土板的卷曲 影响很大。

通常，在3.5米至5米长的板上，前后轴同时对板的两边施加载 荷(图10)。该载荷引起了当路面向上卷曲时对路面的交通表面张应 力，引起路面自顶向下开裂。这些在顶部的张应力是由于板的悬臂部 分产生的力矩引起的。在此情况下，载荷转移是非常重要的，载荷转 移能够允许多于一个的板承担该载荷。板协同工作，从而减小在每一 板上的应力。

图9示出了仅仅变化厚度和板长度，所有其它设计参数保持不变 时，路面的开裂性能。用于分析这一性能的模型是自Ripper 96模型 发展而来的HDM 4模型。可见，3.8米长和220mm厚的板的开裂性能 类似于1.8米长和150mm厚的板。如果板粘合到CTB，该性能会更好。

该模型由于在其边缘引起载荷，因此该模型的尺寸比板的尺寸大。

如果板具有一个短的、前后轴绝不会同时加载到其边缘上的长度 (图10)，那么载荷的配置和板的摆动改变了板内的应力配置。这样 只有一组轮子将在板上通过，并且板将以一种载荷将总是接触地基而 被良好支撑的方式摆动，板将没有由悬臂和载荷产生的压力。在摆动 中，板将被提升并且板的重量将引起表面的张应力(图11)。在此情 况下，当板摆动时，应力由该板自身的重量产生。现在，主要的载荷 将取决于板的几何形状而不是取决于行车载荷。假设基层的刚度是最 优的，如果板向上卷曲并且能够摆动，应力将会减小。

下表1示出了几何形状和由板的混凝土重量引起的应力。它假定： 当行车载荷被施加到板的一个边缘，并且提升该板的另一端和另一板 时，悬臂是板长度的0.41倍并且载荷转移70％。它也示出了需要提升 板的轴向载荷。

L      高度   宽度   力矩     σ       提升板的轴向载荷

(cm)   (cm)   (cm)   (kg*cm)  (MPa)    (kg)

500    25     350    3076      30      10767

500    20     350    2461      37      8613

500    15     350    1846      49      6460

500    12     350    1477      62      5168

500    10     350    1230      74      4307

500    8      350    984       92      3445

450    25     350    2492      24      9690

450    20     350    1993      30      7752

450    15     350    1495      40      5814

450    12     350    1196      50      4651

450    10     350    997       60      3876

450    8      350    797       75      3101

400    25     350    1969      19      8613

400    20     350    1575      24      6891

400    15     350    1181      32      5168

400    12     350    945       39      4134

400    10     350    788       47      3445

400    8      350    630       59      2756

350    25     350    1507      14      7537

350    20     350    1206      18      6029

350    15     350    904       24      4522

350    12     350    724       30      3618

350    10     350    603      36      3015

350    8      350    482      45      2412

175    25     175    377      4       1884

175    20     175    301      5       1507

175    15     175    226      6       1131

175    12     175    181      8       904

175    10     175    151      9       754

175    8      175    121      11      603

120    25     120    177      2       886

120    20     120    142      2       709

120    15     120    106      3       532

120    12     120    85       4       425

120    10     120    71       4       354

120    8      120    57       5       284

表1-几何形状、应力和由于板自身重量引起应力(σ)所需的 轴向重量。为了简化模型使用了若干简单的假定。

对于较薄的板，提升它所需要的载荷小于提升较厚的板所需要的 载荷。轻量交通将提起产生张应力的板边缘。由于轻型车辆的数量多 于重型车辆的数量，因此对于较薄的板增加了疲劳重复量。

把这个作为一个故障机理，设计时需要考虑板的几何形状。通过 根据最普通的卡车的轴和轮胎距离来设计板长度，可以优化该几何形 状。

半个行车道的宽度也有助于承载靠近窄车道的中心的行车载荷， 减小边缘处的载荷和减小横向的悬臂。三分之一行车道的宽度能够承 载靠近纵向结合部的行车载荷，损害性能。

可以优化行车道宽度。对于按照正常宽度的三个行车道，利用非 对称性的设计，可以设计一个较窄的中间行车道来保持在外侧行车道 中心的行车载荷。

必须注意的其它载荷条件是平面板由于在弹性支撑上弯曲引起的 正常应力。此载荷条件产生了底部张应力和自底向上的开裂。在这种 情况下应该控制这些应力，因为它们会是对板厚度的另一限制。

在给定长度下，当减小板长度时，由行车载荷产生的应力发生变 化。对于长板，载荷转移有助于支撑载荷。对于短板，载荷转移增加 了相邻板的载荷并且增大了应力。这在图11中示出，其中可以看到， 消除邻接的板的载荷减小了应力。这也可以在图12中看到，其中通过 减小板摆动以及在更小应力的位置接收载荷的可能性，拉杆增大了板 的悬臂和开裂。

卷曲力趋向于提升路面板的边缘。这是因为一个力矩，该力矩是 由位于板的表面高度并且不在其中性轴的力产生。板的粘合产生了一 个补偿该卷曲力矩的向下的竖直力。如果此粘合竖直力大于卷曲提升 竖直力，那么板将在基层上保持平坦。如果是这样，那么将没有悬臂 并且板内顶部的张应力将变得更加小。即使边缘提升，由于卷曲力矩 受到一个由粘合力产生的相反的力矩，粘合力将减小悬臂的长度。板 底部的未粘合部使板一直移动到卷曲向上力与粘合向下力相同的位 置。

板的粘合有益于混凝土路面的性能。这对于刚性基层——例如用 水泥或沥青处理过的材料——更加重要。

对于半个行车道宽和长的板，设计方案发生变化。对于卷曲向上 的板，对于该几何形状，应力主要是由于板自身的重量和轮胎载荷的 位置产生。同样，厚度应该被由基层上平坦的或向下翘曲的板的形变 引起的应力所控制。

短板比普通长度的板卷曲更小。使得板摆动能够减小路面内的应 力。如果的确如此的话，将不会存在载荷转移。这将设计板内没有钢 杆的路面。通过路缘或者板外边缘的竖直钢销，可以实现为了消除行 车道可能的偏移和分隔而产生的限制。

本发明考虑了卡车的四个支撑点，这些支撑点由轮子的四个支撑 点形成。图14示出了具有两个前轮和两对后轮的卡车。前轮相隔距离 D1，后行路装置相隔距离D2。前轴和第一后轴之间的距离是L。目的 是防止前轮或者两对后轮同时支承在路面上，因此，板应该具有由D1 和D2之间较小者所确定的最大宽度，该最大宽度赋值Dx。为了避免 前轮中的一个和后轮中的一个同时支承在板上，板必须具有小于L的 长度。如图14中可见的，通过这种方式，板将具有最大宽度Dx和最 大长度L，确保了当卡车在道路或公路上行驶时只有一个轮子支承在 板上。

实践中，板的尺寸将大于Dx和L的尺寸，因此必须以一定距离对 板进行切割，该距离能够产生改变车辆或卡车车轴的载荷效应的板尺 寸，而被用作设计标准。在本发明的一个优选实施方案中，在纵向上 间隔3米进行切割，以及进行一个将板宽度减小为至少等于半个行车 道宽度的尺寸的切割。在智利，理想的板应该是1.75m长和1.75m宽。 这些尺寸并不是唯一可能的尺寸，而是它们给出了更好地理解本系统 的实例。目前，该切割通常以在横向上3.5m至6m的间距进行，使 得在纵向上的该长度和该宽度的板等于3.5m宽度的标准车道。

该尺寸使得该板具有比传统板更薄的厚度E。通过对板重量、载 荷转移、地基支撑能力、混凝土阻力、卷曲条件和支承区域、交通量 和类型的应力分析，可以给出厚度E的计算。

一旦已知尺寸Dx、L和E，应准备用于铺砌的地基，以将需要量 的混凝土浇注到适当位置，这些混凝土将充满形成路面板的适当长度 的矩形平行六面体。

Dx宽度的最小尺寸大于50cm，另一方面，该宽度最大尺寸等于 半个标准行车道。以相同的方式，L长度的最小值大于50m。当使用 用于板设计的标准卡车时，根据车轴之间的距离，最大长度可以对应 于3m或3.5m。

此外，板可以由用于混凝土路面的传统基层支撑；该支撑可以是 用水泥或者沥青处理过的粒料。

板的尺寸可以用实验方法来获得，并且与一个设计目录比较，使 设计更容易，该设计目录是基于通过试验跨距测得的性能。

如上文所提到的，路面跨距可以大于尺寸Dx和L，但是通过切割， 跨距可以被切成所需的尺寸。

所提到的尺寸将允许，总是只有一个轮子，或者一个行路装置， 支承并行驶在板上。

如图16所示，标准卡车或者普通卡车总具有一对前轮和后行路装 置。在此情况下，距离L将从前轴和第一后轴之间测得。

为了设计利用本发明的板，提出了下述方法：

a)确定一个标准或者普通卡车，其在前轮之间具有距离D1，在一 个行路装置之间具有距离D2，以及在前轴和此行路装置的第一后轴之 间距离为长度L；

b)确定板宽度为距离Dx，该板宽度小于D1和D2的值；

c)确定板长度，该板长度小于标准卡车的前轴和此行路装置的第 一后轴之间的距离L，以及

d)确定板厚度为距离E，该距离E由混凝土阻力值给定，该混凝 土阻力值考虑了行车载荷、基层的种类和质量以及地基类型。

在本发明的方法中，Dx的最小值大于70cm的常规大水泥地砖。 Dx的最大尺寸等于半个标准行车道，L的最大尺寸等于3.0m或3.5m。

通过适当的计算方法，并且基于载重卡车或者普通卡车，基于在 试验跨距上测得的性能，利用Dx、L和E尺寸可以生成一个设计目录。

作为该方法的一个附加步骤，铺设跨距可以大于Dx和L的尺寸， 然后可以利用锯将该跨距切割成尺寸Dx和L，或者更小的尺寸。