大孔隙聚合物改性水泥混凝土路面基層結(jié)構(gòu)受力分析

□文 /丁良躍

作為一種新型路面基層，大孔隙聚合物改性水泥混凝土基層能夠降低瀝青路面厚度，延長路面使用壽命，降低公路建設(shè)和養(yǎng)護(hù)成本，提高路面的使用質(zhì)量，但其力學(xué)作用機(jī)理尚不明確。文章基于彈性層狀體系理論的BISAR程序?qū)σ栽摻Y(jié)構(gòu)為基層的瀝青路面基面層進(jìn)行力學(xué)分析，研究在不同車輛荷載、不同的PCPB厚度、不同荷載作用位置等因素下，路面各結(jié)構(gòu)層的應(yīng)力應(yīng)變情況并與以往半剛性基層做出比較，從而得出該結(jié)構(gòu)在減少裂縫、延長路面使用壽命和質(zhì)量方面的作用機(jī)理;應(yīng)用ANSYS有限元分析方法，驗(yàn)證車輛荷載作用下PCPB作為路面基層對瀝青面層的力學(xué)響應(yīng);最后通過正交試驗(yàn)，確定PCPB的最佳結(jié)構(gòu)組合形式。

大孔隙；聚合物；改性水泥混凝土；基層；結(jié)構(gòu)；受力

大孔隙聚合物改性水泥混凝土路面基層（以下簡稱“PCPB”），是由單一粒徑、均勻顆粒的集料與聚合物改性水泥結(jié)合后形成的一種具有穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的排水式（透水性好）混凝土結(jié)構(gòu)體系。作為路面基層，該結(jié)構(gòu)可以有效減少由于干縮和溫縮等導(dǎo)致的瀝青路面裂縫，同時(shí)該結(jié)構(gòu)較以往其他路面基層結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)度高，荷載作用下應(yīng)力、應(yīng)變小等特點(diǎn)。

大孔隙水泥混凝土基層具有良好的力學(xué)性能并已在一些工程實(shí)踐中得到了很好的應(yīng)用，但其力學(xué)作用機(jī)理還不是很明確。本文是以PCPB在HB-LZ高速公路工程中的實(shí)際應(yīng)用為背景，研究其力學(xué)性能與結(jié)構(gòu)組成變化之間的對應(yīng)關(guān)系，從而確定PCPB在優(yōu)化路面結(jié)構(gòu)組合、延長路面使用壽命、提高路面使用質(zhì)量方面的優(yōu)越性。

1 結(jié)構(gòu)模型

對比普通半剛性基層路面與PCPB路面的結(jié)構(gòu)受力情況，在HB-LZ高速公路工程中，原設(shè)計(jì)采用的普通路面結(jié)構(gòu)與對比試驗(yàn)采用的PCPB路面結(jié)構(gòu)，見圖1和圖2。

對比圖1和圖2可以發(fā)現(xiàn)，PCPB路面的厚度要小于普通半剛性路面，這就節(jié)省了建設(shè)成本并簡化了施工程序。

2 力學(xué)分析

2.1 PCPB模量變化下的應(yīng)力應(yīng)變

在混凝土中加入改性聚合物，會對混凝土的模量值有很大影響，所以研究模量變化下路面結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變情況也間接地反映了聚合物的加入對路面強(qiáng)度的影響。

計(jì)算發(fā)現(xiàn)，改變PCPB模量對基層的層底彎拉應(yīng)力和剪應(yīng)力有一定的影響，見圖3。但對面層影響不大，只是對面層層底的彎拉應(yīng)變有一定的影響，見圖4。

由圖3可以發(fā)現(xiàn)，在基層彈性模量從8000～12000 MPa變化的過程中，彎拉應(yīng)力最小為0.647MPa，最大為0.676MPa，增加了4.4%，可見隨著聚合物改性劑的摻入對水泥混凝土的強(qiáng)度有很大影響的同時(shí)，對荷載作用下彎拉應(yīng)力的變化影響不大，所以增加聚合物改性劑可以有效地增加混凝土的強(qiáng)度模量而不會造成路面內(nèi)過大的應(yīng)力。而由圖4可見，面層和基層的應(yīng)變值隨著模量的增加都呈減小的趨勢，面層表現(xiàn)為壓應(yīng)變，基層表現(xiàn)為拉應(yīng)變。面層的壓應(yīng)變減小了69%，基層的拉應(yīng)變和剪應(yīng)變分別減小了30.5%和30.4%，可見模量的改變對應(yīng)變的影響還是相當(dāng)明顯的。綜合考慮圖3和圖4可以得出結(jié)論：PCPB彈性模量的變化對應(yīng)力影響不大，而對于應(yīng)變的減小卻表現(xiàn)出很大的影響。通過基層模量的改變可以消除過大的應(yīng)變，同時(shí)又不會造成應(yīng)力增加過大，有很好的效果。

2.2 聚合物對強(qiáng)度的影響

為更好地說明聚合物對強(qiáng)度的影響，選取3種不同粒徑的混凝土進(jìn)行力學(xué)分析，研究在不同的W/(C+P)下，水泥混凝土的強(qiáng)度變化趨勢，從而得出改性劑在改善結(jié)構(gòu)力學(xué)性能方面的作用。

2.3 PCPB與普通路面基層厚度變化下的應(yīng)力應(yīng)變

基層厚度的增加可以有效地分散荷載應(yīng)力的作用范圍和密度，因此，基層厚度會對路面各結(jié)構(gòu)層受力產(chǎn)生一定的影響。圖7和圖8給出了PCPB和半剛性基層路面應(yīng)力隨基層厚度的變化曲線。

面層層底的彎拉應(yīng)力反映了車輛荷載作用下基層對于面層的力學(xué)響應(yīng)。由圖7可知，在基層厚度變化的情況下，PCPB與普通混凝土的面層層底彎拉應(yīng)力都會減小，但PCPB減小的趨勢更加明顯，在厚度由20cm增加到40cm的過程中，PCPB的面層層底彎拉應(yīng)力減少了23%，而普通混凝土的面層層底彎拉應(yīng)力減少了12%。由圖8可知，隨著基層厚度的增加，普通混凝土基層的剪應(yīng)力減小了42%，而PCPB的基層剪應(yīng)力減小了60%；可見對于PCPB路面結(jié)構(gòu)，適當(dāng)?shù)脑黾踊鶎拥暮穸瓤梢詫魬?yīng)力的增大起到很好地抑制作用。

2.4 PCPB和普通路面結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變與行車荷載的關(guān)系

路面在使用過程中，主要是承受車輛荷載的作用。因此，要分析路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)路用性能，主要是分析車輛荷載作用下路面內(nèi)的應(yīng)力應(yīng)變隨荷載的變化情況,見表1。

表1 荷載作用下路面基面層層底的應(yīng)力應(yīng)變

由表1可知，對于PCPB結(jié)構(gòu)，隨著車輛荷載的增加，面層層底和基層層底的彎拉應(yīng)力和剪應(yīng)力都呈較大的增長趨勢。由于此次計(jì)算對應(yīng)的PCPB的厚度為30cm，隨著基層厚度的增加，面層層底的彎拉應(yīng)力會減小，所以可以適當(dāng)?shù)脑黾踊鶎拥暮穸?。隨著荷載的增加，PCPB的面層層底彎拉應(yīng)力較小且變化不明顯，但面層的剪應(yīng)變變化比較大。對于基層層底，PCPB較普通混凝土的路面結(jié)構(gòu)具有較小的應(yīng)變值和變化趨勢。比較基層和面層的應(yīng)變應(yīng)力比可以發(fā)現(xiàn)，對于PCPB類路面，面層的拉應(yīng)力/拉應(yīng)變值為0.178，基層的拉應(yīng)力/拉應(yīng)變值為0.108，而對于普通混凝土基層的路面面層的拉應(yīng)力/拉應(yīng)變值為0.0158，基層的拉應(yīng)力/拉應(yīng)變值為0.012。可見，在滿足層底容許彎拉應(yīng)力的前提下，PCPB類路面具有更好的應(yīng)力應(yīng)變比，即在同等應(yīng)力值下具有更小的應(yīng)變。

3 結(jié)論

1）大孔隙結(jié)構(gòu)面層厚度小于以往結(jié)構(gòu)組合，這樣不僅可以有效利用資源、做到保護(hù)環(huán)境、可持續(xù)發(fā)展，而且可以大大減少工程造價(jià)、節(jié)省開支。

2）對于PCPB基層的合理厚度為45cm。

3）通過對PCPB進(jìn)行力學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，PCPB較以往傳統(tǒng)的普通混凝土基層具有良好的力學(xué)性能。

[1]Elmer C.Hansen，Roy Johannesen.Field effects of water Pumping beneath concrete Pavement slabs[J].Journal of Transportation Engineering，1997，117（6）：679-697.

[2]AASHTO1995，Guide for Design of Pavement Structure[S].

[3]胡立群，沙愛民，翁優(yōu)靈.骨架孔隙結(jié)構(gòu)水泥穩(wěn)定碎石配比設(shè)計(jì)及路用性能[J].公路交通科技，2006，23（6）：22-26.

U416.214

C

1008-3197（2012）03-44-03

2011-11-25

丁良躍/男，1981年出生，工程師，學(xué)士，上海市城市建設(shè)設(shè)計(jì)研究院天津分院，從事道路設(shè)計(jì)工作。