本发明涉及混凝土路面结构及设计方法，特指一种基于PVA与PAN材质的混凝土路面结构及其设计方法。
背景技术：
一般施工的工厂或建筑工地的路面均采用混凝土路面，其厚度从15cm到50cm不等，因采用钢筋混凝土配筋的造价太高，且钢筋除锈防护或环氧保护的成本也较高，故为了节约成本，普遍采用素混凝土浇筑形成，一方面素混凝土浇筑形成的混凝土路面的结构强度不高。在施工现场运送物料或使用的设备较多属于重载机车，其对混凝土路面的承载要求较高，由于重载机车的碾压，使得素混凝土浇筑形成的混凝土路面经常出现开裂、断裂的问题；另一方面素混凝土浇筑形成的混凝土路面的防水性能较低，对于雨季多的地区，若采用素混凝土路面使得雨水很容易渗透，这样若是为提高强度而采用钢筋混凝土结构则很容易导致钢筋生锈；又一方面素混凝土浇筑形成的混凝土路面的柔韧性较差，对于淤泥质较软的底层，素混凝土路面会非常容易开裂。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种基于PVA与PAN材质的混凝土路面结构及其设计方法，解决现有技术中为节约成本而采用素混凝土浇筑形成的混凝土路面结构强度不高、防水性能低及柔韧性差而经常出现开裂、断裂及渗水等的问题。
实现上述目的的技术方案是：
本发明提供了一种基于PVA与PAN材质的混凝土路面结构的设计方法，包括如下步骤：
待施工的基于PVA与PAN材质的混凝土路面结构包括设于地基层之上的底层、设于所述底层之上的中间层以及设于所述中间层之上的面层；
设计所述底层的材料为PVA纤维混凝土，所述PVA纤维混凝土包括水泥、粉煤灰、矿渣粉、砂、碎石、水、减水剂、PVA短纤维以及引气剂；
根据所述混凝土路面结构的受力情况设计所述中间层的强度及厚度得到对应的强度设计值和厚度设计值，依据所设计的强度设计值选取对应强度的中间层材料；依据
设计所述面层的材料为PAN纤维混凝土，所述PAN纤维混凝土包括水泥、粉煤灰、砂、碎石、水、减水剂、PAN短纤维以及引气剂。
本发明的设计方法涉及一种基于PVA与PAN材质的混凝土路面结构，采用PAN纤维混凝土作为路面结构的面层，该PAN纤维混凝土形成的界面细腻防水，使得雨水入渗难，适应雨季多的地区，具有良好的防水性能。且PAN纤维混凝土的表面光洁度好，作为面层可使得路面结构具有较好的外观。采用PVA纤维混凝土作为路面结构的底层，该PVA纤维混凝土外观粗糙，起到了弹性褥垫作用，增加了路面结构的柔韧性，利于粘结中间层，使得底层不易开裂，适用于淤泥质土层。设计了中间层的强度及厚度，使其满足荷载要求，既能够支撑路面结构上行驶的车辆，也能够有效保护地基层，避免路面开裂及断裂的问题。底层和面层作为保护层，也有利于面层防裂，底层还起到了防潮的作用。
本发明基于PVA与PAN材质的混凝土路面结构的设计方法的进一步改进在于，还包括：根据设计得出的所述中间层的厚度设计值设计双层竹筋结构的间距：
将双层竹筋结构中位于顶部的竹筋结构距所述中间层上表面的距离和位于底部的竹筋结构距所述中间层下表面的距离设计为混凝土保护层最小厚度，从而所述双层竹筋结构的间距为所述中间层的厚度设计值与两倍的混凝土保护层最小厚度的差值。
本发明基于PVA与PAN材质的混凝土路面结构的设计方法的进一步改进在于，还包括：将所述双层竹筋结构均设计为双向的竹筋格栅状。
本发明基于PVA与PAN材质的混凝土路面结构的设计方法的进一步改进在于，选取对应强度的中间层材料为选取对应强度的混凝土。
本发明基于PVA与PAN材质的混凝土路面结构的设计方法的进一步改进在于，设计所述底层和所述面层的材料为混凝土强度等级为C40的纤维混凝土。
本发明基于PVA与PAN材质的混凝土路面结构的设计方法的进一步改进在于，所述面层采用混凝土强度等级为C40的PAN纤维混凝土，所述PAN纤维混凝土包括水泥、粉煤灰、砂、碎石、水、减水剂、PAN短纤维以及引气剂。
本发明基于PVA与PAN材质的混凝土路面结构的设计方法的进一步改进在于，所述的水泥、粉煤灰、砂、碎石、水、减水剂、PAN短纤维以及引气剂的重量之比为358∶89∶754∶959∶170∶4.47∶1∶0.134。
本发明基于PVA与PAN材质的混凝土路面结构的设计方法的进一步改进在于，所述底层采用混凝土强度等级为C40的PVA纤维混凝土，所述PVA纤维混凝土包括水泥、粉煤灰、矿渣粉、砂、碎石、水、减水剂、PVA短纤维以及引气剂。
本发明基于PVA与PAN材质的混凝土路面结构的设计方法的进一步改进在于，所述的水泥、粉煤灰、矿渣粉、砂、碎石、水、减水剂、PVA短纤维以及引气剂的重量之比为304∶130∶0.9∶720∶1081∶170∶4.34∶1∶0.130。
本发明还提供了一种利用基于PVA与PAN材质的混凝土路面结构的设计方法施工形成的基于PVA与PAN材质的混凝土路面结构，包括设于地基层之上的底层、设于所述底层之上的中间层以及设于所述中间层之上的面层，所述中间层内埋设有双层竹筋结构。
附图说明
图1为本发明基于PVA与PAN材质的混凝土路面结构及其设计方法中的基于PVA与PAN材质的混凝土路面结构的剖视图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
参阅图1，本发明提供了一种基于PVA与PAN材质的混凝土路面结构及其设计方法，用于解决现有的采用素混凝土浇筑形成的混凝土路面结构因结构强度不高而经常出现开裂及断裂的问题。本发明的设计方法及依据该设计方法所施工形成的路面结构，通过设计中间层的强度值和厚度值来确保中间层满足荷载要求，既能够支撑路面结构上行驶的重载机车，也能够有效保护地基层，且由于中间层结构强度满足要求，能够避免路面开裂及断裂的问题，另外在中间层内还设置有提高强度的双层竹筋结构，进一步的控制路面结构的开裂及断裂问题，竹筋结构采用圆竹，成本低，且无需钢筋的除锈防护及养护操作。上述设计的中间层结合上下的面层及底层，利用面层及底层的纤维混凝土结构的防护作用，一方面提高面层的防裂效果，另一方面底层还起到了防潮的作用。面层采用PAN纤维混凝土，具有良好的防水性能，底层采用PVA纤维混凝土，使得路面结构具有较好的柔韧性，起到弹性褥垫作用，避免开裂。下面结合附图对本发明基于PVA与PAN材质的混凝土路面结构及其设计方法进行说明。
如图1所示，本发明提供的基于PVA与PAN材质的混凝土路面结构的设计方法，包括如下步骤：
待施工的基于PVA与PAN材质的混凝土路面结构20包括设于地基层11之上的底层21、设于底层21之上的中间层22、以及设于中间层22之上的面层23，图1中所示的地基层11为地面10以下的土体层，即为天然地基。当然，该地基层并不限于天然地基，也可以为人工地基，可以为利用石屑、砂、和/或混合灰等铺设并夯实所形成的垫层。
设计底层21的材料为PVA纤维混凝土，该PVA纤维混凝土包括水泥、粉煤灰、矿渣粉、砂、碎石、水、减水剂、PVA短纤维以及引气剂；
根据混凝土路面结构的受力情况设计中间层22的强度及厚度得到对应的强度设计值和厚度设计值，依据所设计的强度设计值选取对应强度的中间层材料；
设计面层23的材料为PAN纤维混凝土，该PAN纤维混凝土包括水泥、粉煤灰、砂、碎石、水、减水剂、PAN短纤维以及引气剂。
作为本发明的一较佳实施方式，设计底层21和面层23的材料为混凝土强度等级为C40的纤维混凝土。较佳地，面层23采用混凝土强度等级为C40的PAN(聚丙烯腈)纤维混凝土，PAN纤维混凝土包括水泥、粉煤灰、砂、碎石、水、减水剂、PAN短纤维以及引气剂。其中的水泥、粉煤灰、砂、碎石、水、减水剂、PAN短纤维以及引气剂的重量之比为358∶89∶754∶959∶170∶4.47∶1∶0.134。底层21采用混凝土强度等级为C40的PVA(聚乙烯醇)纤维混凝土，PVA纤维混凝土包括水泥、粉煤灰、矿渣粉、砂、碎石、水、减水剂、PVA短纤维以及引气剂。其中的水泥、粉煤灰、矿渣粉、砂、碎石、水、减水剂、PVA短纤维以及引气剂的重量之比为304∶130∶0.9∶720∶1081∶170∶4.34∶1∶0.130。面层23和地层21采用的材料及配合比见如下表1和表2：
表1：面层采用C40短切PAN纤维混凝土及其配合比
表2：底层采用C40短切PVA纤维混凝土及其配合比
其中的PAN纤维混凝土形成的界面细腻防水，可使得雨水入渗难，且表面光洁度号，使得面层具有较好的外观及良好的防水效果。PVA纤维混凝土外观粗糙，利于粘结中间层，且具有较好的弹性褥垫作用，使得底层不易开裂，且适用于淤泥质土层，其增加了路面结构的柔韧性。PAN纤维混凝土和PVA纤维混凝土相结合作为路面结构，使得路面结构具有较好的防水性能，还具有较好的柔韧性，避免开裂，路面结构的中间层设计了满足荷载要求的强度及厚度，能够较好的解决路面开裂及断裂的问题。
作为本发明的另一较佳实施方式，根据混凝土路面结构的受力情况设计中间层的强度及厚度得到对应的强度设计值和厚度设计值，包括：
设计中间层22的强度和厚度从而得出强度设计值和厚度设计值，包括：
设计得出中间层的强度设计值fc：
fc＞F/bL (式一)
式一中，fc为中间层的强度设计值，F为基于PVA与PAN材质的混凝土路面结构所承受的轴重，b为车轮投影到基于PVA与PAN材质的混凝土路面结构的宽度，L为车轮投影到基于PVA与PAN材质的混凝土路面结构的长度，bL为车轮的投影面积；此时不考虑面层23和底层21的受力，车轮荷载主要考虑中间层的受力，即车轮对基于PVA与PAN材质的混凝土路面结构的荷载全部作用于中间层上，以此来计算中间层所需的强度设计值；
依据所得出的中间层的强度设计值fc选取对应强度的中间层材料；
设计得出中间层的厚度设计值：
根据《混凝土结构设计规范》中冲切计算部分规定混凝土的应力的扩散角θ为45°，则tan θ＝1，从而地基层和基于PVA与PAN材质的混凝土路面结构的结合处的传递应力满足σ：
σ＝F/[(b+2tan θ δ2)(L+2tan θ δ2)]≤fa (式二)
式二中，σ为地基层和基于PVA与PAN材质的混凝土路面结构的结合处的传递应力，F为基于PVA与PAN材质的混凝土路面结构所承受的轴重，b为车轮投影到基于PVA与PAN材质的混凝土路面结构的宽度，L为车轮投影到基于PVA与PAN材质的混凝土路面结构的长度，δ2为中间层的厚度，fa为地基层的承载力设计值，(b+2tan θ δ2)(L+2tan θ δ2)为车轮的投影面积扩散到地基层表面后的扩散面积；
通过式二计算得出中间层的厚度设计值，根据式二可得出：
4δ22+2(b+L)δ2+Lb-F/fa≥0 (式三)
求解式三时，舍弃一个负数根，得到中间层的厚度设计值δ2，
δ2≥0.25{[(b-L)2+4F/fa]0.5-b-L}
设计底层21的厚度δ1和面层23的厚度δ3为混凝土保护层最小厚度，从而设计得到了满足受力要求的基于PVA与PAN材质的混凝土路面结构。根据《混凝土结构设计规范》中规定的混凝土保护层最小厚度为10cm至15cm，一般选取10cm或15cm。较佳地，还包括：于中间层22内埋设双层竹筋结构，该双层竹筋结构之间呈一定的间距设置，双层竹筋结构采用竹子拼接形成。
本发明的设计方法所提供的基于PVA与PAN材质的混凝土路面结构，针对其中的中间层进行了强度和厚度的设计，使其能够满足重载机车的承载要求，还符合地基层承载力的设计要求，且中间层内部设置了双层竹筋结构，能够提高中间层的结构强度，增加其受力能力，避免基于PVA与PAN材质的混凝土路面结构的开裂及断裂问题。本发明所设计的竹筋路面混凝土结构能够很好的解决素混凝土浇筑形成的混凝土路面的开裂、断裂问题，且竹筋结构的成本较低，也符合节约成本的要求，底层和面层作为保护层，也有利于面层防裂，底层还起到了防潮的作用。
作为本发明又一较佳实施方式，该设计方法还包括：根据设计得出的中间层22的厚度设计值δ2设计双层竹筋结构的间距：
将双层竹筋结构中位于顶部的竹筋结构距中间层22上表面的距离和位于底部的竹筋结构距中间层22下表面的距离设计为混凝土保护层最小厚度，从而双层竹筋结构的间距为中间层的厚度设计值δ2与两倍的混凝土保护层最小厚度的差值。若将位于顶部的竹筋结构距中间层22上表面的距离设计为10cm，将位于底部的竹筋结构距中间层22下表面的距离设计为10cm，则双层竹筋结构的间距为δ2-20cm。较佳地，将双层竹筋结构均设计为双向的竹筋格栅状，采用圆竹作为配筋，横纵交错连接，形成格栅状的竹筋结构。竹筋结构的尺寸长宽厚为10mm*30mm*500mm。
作为本发明的再一较佳实施方式，选取对应强度的中间层材料为选取对应强度的混凝土。在选择混凝土时，选择混凝土强度满足中间层的强度设计值fc。所选择的混凝土的坍落度在180mm内的非高流动性混凝土，可以为混凝土强度等级为C40，C50，或者C35的混凝土。
本发明还提供了一种利用上述的基于PVA与PAN材质的混凝土路面结构的设计方法施工形成的基于PVA与PAN材质的混凝土路面结构，如图1所示，该基于PVA与PAN材质的混凝土路面结构20包括设于地基层11之上的底层21、设于底层21之上的中间层22以及设于中间层22之上的面层23，中间层22内埋设有双层竹筋结构。其中的中间层22的强度和厚度依据上述基于PVA与PAN材质的混凝土路面结构的设计方法中所设计的强度设计值和厚度设计值进行选择，底层21和面层23的厚度及强度也依据上述的基于PVA与PAN材质的混凝土路面结构的设计方法进行选择。
本发明的基于PVA与PAN材质的混凝土路面结构中的面层采用PAN纤维混凝土，由于该PAN纤维混凝土形成的界面细腻防水，雨水入渗难，且表面光洁度好，使得面层具有较好的外观及良好的防水效果。底层采用PVA纤维混凝土，由于PVA纤维混凝土外观粗糙，利于粘结中间层，且具有较好的褥垫作用，增加了弹性，使得底层不易开裂。PVA纤维混凝土增加路面结构的柔韧性，PAN纤维混凝土的防水性，使得路面结构适应于多雨的环境，能够避免雨水的渗漏，采用竹筋代替钢筋，解决钢筋易生锈和成本高的问题，底层适用于淤泥质土层，避免开裂。本发明的底层、中间层以及面层的结合面均进行了毛化处理，以便于各个结构层之间的有效粘结，且中间层的强度及厚度均满足所支撑的荷载要求，结合面层和底层的保护作用，本发明的基于PVA与PAN材质的混凝土路面结构能够很好的解决混凝土路面的开裂及断裂问题。
以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。