李苗 劉虎 譚薦中

摘 要：為提高裝配式路面板的力學(xué)性能，同時增大其使用壽命，本文開發(fā)了一種超高性能混凝土（UHPC）材料，并設(shè)計了施工臨時道路的裝配式路面板。通過計算得到適合的板厚區(qū)間，采用有限元計算分析，研究分析荷載作用下不同厚度的UHPC裝配式路面板的板底應(yīng)力。同時采用普通混凝土和UHPC典型S-N曲線計算兩種材料板件疲勞壽命。結(jié)果表明：本文制備的UHPC材料抗壓強(qiáng)度為82.5 MPa，抗折強(qiáng)度為12 MPa，是普通C40混凝土的2倍和2.4倍。14 cm為UHPC裝配式路面板的最佳板厚。其板底最大彎應(yīng)力為設(shè)計強(qiáng)度值的73.67%，小于24 cm厚的C40混凝土84.40%，且減小體積41.7%，減重39.2%，疲勞壽命是C40混凝土136倍。

關(guān)鍵詞：UHPC;施工臨時道路;裝配式路面板;有限元分析;疲勞壽命

中圖分類號：U416.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0 引言

與傳統(tǒng)現(xiàn)澆路面板相比，裝配式混凝土路面板在構(gòu)件預(yù)制廠生產(chǎn)、養(yǎng)護(hù)，一定齡期后可直接鋪設(shè)于施工道路，能夠快速拼接完成通車通行，具有環(huán)境友好、固廢排放量小、資源浪費少、質(zhì)量統(tǒng)一、可循環(huán)使用等諸多優(yōu)點。

裝配式預(yù)制混凝土路面板也存在某些問題。路面板在預(yù)制構(gòu)件廠完成生產(chǎn)，需運(yùn)輸至施工工地進(jìn)行吊裝。裝配式預(yù)制混凝土路面板采用傳統(tǒng)鋼筋混凝土，其自重大，在吊裝過程中的彎拉作用容易造成早期裂縫的形成。大尺寸的路面板其自身重量大，其運(yùn)輸和吊裝的成本必然增加。而路面板尺寸過小，路面的接縫數(shù)量勢必會增加，導(dǎo)致路面的整體性變差，更容易增加后期病害的風(fēng)險，如錯臺、路面板邊緣損壞等。因此，高強(qiáng)度、輕質(zhì)量、高耐久的裝配式預(yù)制混凝土路面板成為目前研究的重點[4]。超高性能混凝土（UHPC）是一種具有高強(qiáng)度、高韌性、高耐久性能的水泥基復(fù)合材料。其抗壓強(qiáng)度一般在普通混凝土的3～12倍，抗彎拉強(qiáng)度可達(dá)普通混凝土的6倍，并且具有極低的滲透性。與普通混凝土相比，UHPC能夠大幅提高混凝土構(gòu)件壽命，減少后期維護(hù)費用的增加。因此，具有優(yōu)異性能的UHPC材料將是裝配式預(yù)制混凝土路面板變得更薄、更輕、更耐久的最佳材料之一。

1 UHPC路面板配合比設(shè)計及結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.1 原材料

本文試驗用水泥為P·I型基準(zhǔn)水泥，其礦物組成、化學(xué)組成及物理性能分別見表1～表3;石英砂粒徑范圍為0.16 mm～1.25 mm;減水劑為聚羧酸系高性能減水劑;鋼纖維采用鍍銅光面平直鋼纖維，長度為12 mm，體積分?jǐn)?shù)為2%。

試驗用配合比如表4所示：

1.2 成型、養(yǎng)護(hù)方法

試塊澆筑成型后在溫度為20℃，濕度為60%環(huán)境下養(yǎng)護(hù)1天，拆模后移入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至28天時，測試力學(xué)性能。

1.3 試驗方法

（1）抗壓強(qiáng)度和泊松比測試依據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50081-2019），試件尺寸分別為150 mm×150 mm×150 mm和150 mm×150 mm×300 mm。

（2）抗彎拉強(qiáng)度及模量測試依據(jù)《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》（JTG E30-2005），試件尺寸150 mm×150 mm×550 mm。

（3）線膨脹系數(shù)測試依據(jù)《Standard Method of Test for Coefficient of Thermal Expansion of Hydraulic Cement Concrete》（AASHTO T 336-11），試件為直徑100 mm的圓柱體。

1.4 試驗結(jié)構(gòu)參數(shù)

通過試驗，裝配式預(yù)制UHPC路面板的性能參數(shù)如表5：

由表5和表6可以得知，本文設(shè)計的UHPC材料的抗壓強(qiáng)度、抗彎拉強(qiáng)度、彈性模量相較于普通C40混凝土均有提高。其中，UHPC材料的抗壓強(qiáng)度約為普通混凝土2倍，抗彎拉強(qiáng)度和彈性模量分別提升了140%和20%。

2 臨時路面板設(shè)計

本文以北京市通懷路（京承高速—河防口）懷柔段道路工程第六標(biāo)段為項目依托。根據(jù)項目地理位置及現(xiàn)場具體情況，臨時便道基本情況如下：

（1）路面寬度：6 m。（2）自然區(qū)劃：Ⅱ區(qū)。（3）交通分析：標(biāo)準(zhǔn)軸載100 kN（單軸重10 t）;最大軸載200 kN（單軸重20 t）。（4）路面結(jié)構(gòu)。根據(jù)施工便道交通荷載等級和中等變異水平等級，路面結(jié)構(gòu)采用：N cm鋼筋混凝土/UHPC面層+20 cm級配碎石基層+20 cm級配碎石底基層形式。

施工車輛同軸輪距1.8 m，為保證施工現(xiàn)場臨時便道預(yù)制構(gòu)件最大程度地發(fā)揮構(gòu)件自身的強(qiáng)度，在構(gòu)件設(shè)計上盡量保證施工車輛同軸車輪作用在不同板件，且盡量避免作用在板件邊緣接縫位置，同時為了便于運(yùn)輸、吊裝及拆卸，臨時路面板板件長度取為1.5 m×1.5 m矩形板，施工便道橫向四塊拼裝鋪設(shè)。

項目中用到的UHPC材料、普通混凝土材料和道路路基力學(xué)性能分別見表5、表6及表7所示。

根據(jù)《公路水泥混凝土路面設(shè)計規(guī)范》（JTG D40-2011），對普通水泥混凝土、UHPC兩種裝配式路面板應(yīng)力進(jìn)行計算，結(jié)果表明厚度為24 cm的普通水泥混凝土路面板最大彎拉強(qiáng)度為4.926 MPa，小于普通水泥混凝土彎拉強(qiáng)度5 MPa，滿足規(guī)范要求;對不同厚度UHPC裝配式路面板計算結(jié)果如表8及圖1所示。

由表8及圖1可知，UHPC裝配式路面板厚度取為8 cm時，其最大彎拉應(yīng)力為12.694 MPa，超過UHPC材料彎拉強(qiáng)度12 MPa，不滿足規(guī)范要求;UHPC裝配式路面板厚度取10 cm～18 cm時，最大彎拉應(yīng)力在6.225 MPa～10.082 MPa范圍內(nèi)，與UHPC材料彎拉強(qiáng)度相比該應(yīng)力范圍較為合理;當(dāng)UHPC裝配式路面板厚度取為20 cm及其以上，最大彎拉強(qiáng)度小于5.779 MPa，應(yīng)力儲備過大，容易造成資源浪費，因而最佳厚度區(qū)間為10 cm～18 cm。

3 有限元分析

3.1 有限元模型建立

為厘清不同厚度時荷載作用下臨時路面板受力情況，本文基于有限元分析軟件Midas FEA建立施工便道裝配式路面板及其下基層的三維實體有限元模型，對普通水泥混凝土路面板和UHPC路面板在荷載作用下板件應(yīng)力進(jìn)行數(shù)值模分析。

車輪荷載簡化為D=30 cm當(dāng)量圓形均布荷載，荷載當(dāng)量圓與裝配式路面板長邊接縫相切，最大接觸壓力P=1.4 MPa。項目所處位置自然區(qū)劃Ⅱ區(qū)，最大溫度梯度標(biāo)準(zhǔn)值T=88℃/m。路面板與地基節(jié)點采用土彈簧進(jìn)行連接。

3.2 計算結(jié)果

由圖2～圖3的路面剖面圖可以看出，路面板受最大力位置為板底的板邊中部。其中普通混凝土和18 cm厚的UHPC路面板所受彎拉應(yīng)力區(qū)域更大。板厚的減小，有利于減小板底最大彎拉應(yīng)力區(qū)域。

由圖2～圖3路面板應(yīng)力剖分圖可知，24 cm普通水泥混凝土路面板底彎拉應(yīng)力最大值為4.22 MPa，小于普通混凝土彎拉強(qiáng)度設(shè)計值5.0 MPa;10 cm、14 cm和18 cmUHPC路面板底彎拉應(yīng)力最大值分別為10.15 MPa、8.84 MPa和7.95 MPa，均小于UHPC彎拉強(qiáng)度設(shè)計值12 MPa，滿足規(guī)范要求。14 cm厚UHPC裝配式路面板的最大彎應(yīng)力為設(shè)計強(qiáng)度值的73.67%，小于24 cm厚的C40混凝土84.40%。由上可知，裝配式路面板在等效車輪荷載作用下，路面板板底彎拉應(yīng)力最大，且呈現(xiàn)出板厚越小彎拉應(yīng)力越大的趨勢。

3.3 疲勞壽命預(yù)測

裝配式施工臨時道路混凝土路面板在施工車輛作用下其底存在較大的彎拉應(yīng)力，雖然其小于路面板混凝土的靜力抗彎拉強(qiáng)度，但在反復(fù)荷載的作用下，可能會在發(fā)生低于靜載強(qiáng)度的疲勞破壞，因此對混凝土路面板進(jìn)行疲勞壽命預(yù)測成為評估板件優(yōu)劣的重要指標(biāo)。C40混凝土和UHPC疲勞方程分別為lgS=0.036 9-0.032 4lgN和S=0.996 2-0.046 8lgN。對C40混凝土和不同厚度UHPC構(gòu)件的疲勞壽命N進(jìn)行預(yù)測，計算結(jié)果如表9所示。

Fatigue life factor= N（UHPC）/N（C40）`由表9可知，與普通水泥混凝土路面板相比，UHPC混凝土路面板具有更高疲勞壽命次數(shù)，10 cm、14 cm和18 cm厚UHPC混凝土路面板疲勞壽命系數(shù)分別為0.63、136和5 220，而UHPC體積分別為0.225 m3、0.315 m3和0.405 m3，吊裝重量分別僅為0.574 t、0.804 t和1.033 t，均小于24 cm普通水泥混凝土路面板吊裝重量1.323 t。綜合考慮裝配式路面板混凝土用量、運(yùn)輸?shù)跹b重量、周轉(zhuǎn)使用次數(shù)以及綜合經(jīng)濟(jì)性能，推薦使用14 cm厚UHPC混凝土路面板，相比24 cm普通水泥混凝土路面板減小體積41.7%，減小自重39.2%，同時疲勞壽命提高至136倍。

UHPC混凝土路面板與普通水泥混凝土路面板相比具有明顯的高強(qiáng)、高壽命的特性，減少了混凝土用量和運(yùn)輸?shù)跹b重量，提高了施工現(xiàn)場標(biāo)準(zhǔn)化的程度，降低了建筑垃圾環(huán)境污染和二氧化碳排放量，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

4 結(jié)論

本文將UHPC材料作為臨時施工道路的路面板材料，采用數(shù)值模擬的方式，明確得到UHPC的高強(qiáng)、高壽命的結(jié)果，其主要結(jié)論如下：

（1）本文設(shè)計的UHPC抗壓強(qiáng)度、抗彎拉強(qiáng)度、彈性模量相較于普通混凝土分別提至約206%、240%和120%。

（2）本文設(shè)計的普通水泥混凝土路面和UHPC路面板底彎拉應(yīng)力最大值均小于彎拉強(qiáng)度設(shè)計值，滿足規(guī)范要求。

（3）與24 cm普通水泥混凝土路面板相比，14 cm和18 cm UHPC混凝土路面板疲勞壽命分別達(dá)到136倍和5 220倍，具有明顯的輕質(zhì)、高強(qiáng)、高壽命的特性。本文最終以14 cm作為裝配式UHPC混凝土路面板推薦厚度。

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