林也堅

(漳州城投建工集團有限公司,福建 漳州 363000)

0 引言

聚合物透水混凝土在鋼橋面鋪裝中的應(yīng)用具有廣闊的發(fā)展前景[1]。其透水性能優(yōu)越,能夠有效減少雨天積水對交通安全的影響,因此備受關(guān)注[2]。然而,傳統(tǒng)聚合物透水混凝土的力學(xué)性能相對較弱,限制了其在實際工程中的應(yīng)用范圍[3]。

為了克服這一限制,本研究致力于通過引入增強材料來提升聚合物透水混凝土的性能。我們選擇了玻璃纖維布、玻璃格柵和聚丙烯纖維等增強材料[4],并通過試驗研究探索了它們對聚合物透水混凝土性能的影響[5-6]。在此基礎(chǔ)上,使用有限元分析方法建立聚合物透水混凝土鋼橋面鋪裝的模型,以模擬汽車荷載下的應(yīng)力分布情況,并評估增強材料對結(jié)構(gòu)整體剛度的提升效果[7-8]。

實際工程應(yīng)用是本研究的重要組成部分。我們將增強型聚合物透水混凝土鋪裝應(yīng)用于道路工程,并對其性能和施工過程進行了全面觀察和評估[9-12]。通過實踐驗證,總結(jié)了增強型鋪裝的優(yōu)點,并提出了改進和施工建議,以進一步優(yōu)化其應(yīng)用效果。

本研究的成果對于促進增強型聚合物透水混凝土在鋼橋面鋪裝領(lǐng)域的推廣和應(yīng)用具有重要意義。通過提升聚合物透水混凝土的性能,我們可以為城市交通建設(shè)提供更安全、可持續(xù)的解決方案,為人們創(chuàng)造更加便利和舒適的出行環(huán)境[13]。

1 試驗研究

1.1 試驗方案

研究聚合物透水混凝土在鋼橋面鋪裝中的應(yīng)用,通過加強材料(玻璃纖維布、玻璃格柵、聚丙烯纖維)對其性能進行增強。試驗將重點測試聚合物透水混凝土的透水系數(shù)、彎曲拉伸強度和疲勞性能。

1.2 試驗步驟

透水系數(shù)測試根據(jù)CJJ/T 135透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程,使用標準的透水系數(shù)測試裝置進行測試。試驗設(shè)備包括水圓筒、溢流水槽、抽真空裝置等,測量器具包括鋼直尺、秒表、量筒、溫度計等。試驗用水應(yīng)為無氣水,溫度宜為20 ℃±3 ℃。樣品制備為直徑100 mm、高度50 mm的圓柱,試驗程序包括測量試樣直徑厚度、密封試樣、真空處理試樣、測量透水圓筒水位等步驟。數(shù)據(jù)處理包括計算透水面積和透水系數(shù)。試驗結(jié)果可用于評價材料的透水性能。

彎曲拉伸強度測試根據(jù)CJ/T 544—2021聚氨酯透水混凝土,使用抗折試驗機進行彎曲拉伸強度測試。制備符合規(guī)范要求的混凝土小梁試件,包括標準尺寸和配置適當?shù)募訌姴牧?如玻璃纖維布、玻璃格柵和聚丙烯纖維)。其中,玻纖布及玻璃格柵分別測試1層及2層加強的試件,聚丙烯纖維采用1%,2%及3%三種不同摻量[14]。在試驗中,施加適當?shù)募虞d速率和加載方式,測量并記錄加載過程中的應(yīng)力和應(yīng)變。通過分析實驗數(shù)據(jù),計算得到聚合物透水混凝土的彎曲拉伸強度[15]。

疲勞性能測試根據(jù)JTG/T 3364-02—2019公路鋼橋面鋪裝設(shè)計與施工技術(shù)規(guī)范,進行聚合物透水混凝土的疲勞性能測試。制備符合規(guī)范要求的疲勞試件,采用小梁形狀。在試驗中,施加適當?shù)妮d荷和加載頻率,進行疲勞循環(huán)加載。根據(jù)規(guī)范要求,設(shè)定加載次數(shù)或加載時間,并記錄試驗過程中的應(yīng)力和應(yīng)變數(shù)據(jù)。通過分析疲勞試驗結(jié)果,評估聚合物透水混凝土的疲勞性能[16]。

1.3 試驗結(jié)果

1.3.1 玻璃格柵及玻璃纖維布加強

通過玻璃格柵及玻璃纖維布加強的聚合物透水混凝土及未添加任何增強材料的試件試驗結(jié)果如表1所示,疲勞性能試驗如表2所示,透水及彎拉性能試驗如圖1所示。

表1 透水及彎拉性能試驗(玻璃格柵及纖維布)

表2 疲勞性能試驗(玻璃格柵及纖維布)

1.3.2 玻璃格柵及玻璃纖維布加強

通過聚丙烯纖維加強的聚合物透水混凝土試驗結(jié)果如表3所示,疲勞性能試驗見表4,透水及彎拉性能試驗見圖2。

表3 透水及彎拉性能試驗(聚丙烯纖維)

表4 疲勞性能試驗(聚丙烯纖維)

1.4 試驗結(jié)果分析

從樣本數(shù)據(jù)中可以看出,隨著增強材料的添加,聚合物透水混凝土的透水系數(shù)逐漸降低。具體來說,添加1層玻璃格柵和2層玻璃格柵的聚合物透水混凝土相較于普通聚合物透水混凝土,透水系數(shù)分別降低了8%和11%。而添加1層玻璃纖維布和2層玻璃纖維布的聚合物透水混凝土透水系數(shù)分別降低了58%和63%。此外,摻量為0.1%,0.2%和0.3%的聚丙烯纖維加強的聚合物透水混凝土透水系數(shù)分別降低了14%,25%和28%。增強材料的引入均在不同程度上降低了透水系數(shù),其中玻璃纖維布降低最為顯著,與聚合物透水混凝土本身的設(shè)計理念相悖。但對于玻璃纖維布及玻璃格柵,其并不添加于混合料中,而是設(shè)置在鋪裝結(jié)構(gòu)表面或底面,因此在工程設(shè)計中建議將玻璃纖維布設(shè)置于混合料下方,一方面不影響橋面排水,另一方面可保護鋼橋面板不受水分侵蝕。對于聚丙烯纖維,其低摻量情況下對透水性能的影響作用較小。

對于彎拉強度,通過對比不同樣本的數(shù)據(jù),我們觀察到增強材料的使用對聚合物透水混凝土的彎拉強度產(chǎn)生了正面影響。特別是在添加1層玻璃纖維布的情況下,彎拉強度相較于普通聚合物透水混凝土提高了65%。而添加1層玻璃格柵的聚合物透水混凝土彎拉強度相較于普通聚合物透水混凝土提高了58%。摻量為0.1%,0.2%和0.3%的聚丙烯纖維加強的聚合物透水混凝土彎拉強度相較于普通聚合物透水混凝土分別提高了39%,56%和97%。對于玻璃纖維布及玻璃格柵,多層設(shè)置對整體性能的提升效果顯著,但在試件成型過程中發(fā)現(xiàn)多層設(shè)置成型難度較大,平整度難以保證;而對于聚丙烯纖維,增加摻量對整體性能的提升效果較強,但在高摻量下數(shù)據(jù)不穩(wěn)定,可靠性待進一步驗證。對比不同的增強材料的增強效果可發(fā)現(xiàn),玻璃纖維布能夠有效增強聚合物透水混凝土的抗彎能力,使其更具承載能力和耐久性。

對于三點疲勞循環(huán)試驗,根據(jù)提供的數(shù)據(jù),可以看出在不同增強材料的使用情況下,聚合物透水混凝土在經(jīng)受90萬次到100萬次的疲勞循環(huán)試驗后,具有較好的穩(wěn)定性和耐久性。在未破壞的樣本中,摻量為0.2%和0.3%的聚丙烯纖維加強的聚合物透水混凝土具有最好的性能,表現(xiàn)出更高的耐久性。

進一步分析試驗數(shù)據(jù)時發(fā)現(xiàn),摻量為3%的聚丙烯纖維加強的聚合物透水混凝土在透水系數(shù)和彎拉強度方面顯示出較大的偏差。

這種偏差可能是由于摻量過高導(dǎo)致的拌合不均勻所致。聚丙烯纖維作為增強材料,其添加可以改善聚合物透水混凝土的力學(xué)性能和耐久性。然而,過高的摻量可能導(dǎo)致纖維在混凝土中的分散不均勻,從而影響了混凝土的性能表現(xiàn)。在本試驗中,摻量為3%的聚丙烯纖維的樣本在透水系數(shù)和彎拉強度方面顯示出明顯的偏差,表明在摻量過高的情況下,聚丙烯纖維的均勻分散受到了一定的挑戰(zhàn)。

2 有限元分析

為了進一步評估聚合物透水混凝土在鋼橋面鋪裝中的性能,本研究使用ANSYS軟件進行有限元分析,以建立節(jié)段梁模型,并比較使用不同增強材料及未使用增強材料時的鋼橋面應(yīng)力。通過有限元分析,定量研究不同情況下的結(jié)構(gòu)響應(yīng),并提供有關(guān)增強材料影響的可靠結(jié)果。

首先,基于實際橋面結(jié)構(gòu)的幾何尺寸和材料特性,在ANSYS中建立了節(jié)段梁模型。模型采用了適當?shù)木W(wǎng)格劃分(見圖3),以確保模擬的準確性和計算效率。為了模擬真實的工況,引入汽車荷載作用,并考慮了材料的彈性和非線性行為(見圖4)。

在模型建立后,我們分別進行了以下情況的有限元分析:使用玻璃纖維布增強的聚合物透水混凝土鋼橋面鋪裝、使用玻璃格柵增強的聚合物透水混凝土鋼橋面鋪裝、使用聚丙烯纖維增強的聚合物透水混凝土鋼橋面鋪裝,以及未使用任何增強材料的聚合物透水混凝土鋼橋面鋪裝。

有限元數(shù)值模擬計算結(jié)果如表5所示。應(yīng)力分布云圖見圖5—圖8。

表5 數(shù)值模擬

在鋼橋面鋪裝中,使用玻璃格柵作為增強材料能夠顯著降低鋼橋面的應(yīng)力值。相比于無增強情況下的應(yīng)力值(28.4 MPa),使用玻璃格柵后應(yīng)力值下降到25.9 MPa。

使用玻璃纖維布作為增強材料也能夠有效降低鋼橋面的應(yīng)力值。應(yīng)力值為26.9 MPa,略低于無增強情況。

聚丙烯纖維作為增強材料在鋼橋面的應(yīng)力值為26.2 MPa,與玻璃纖維布相近,表現(xiàn)較好。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

某工程是鋼橋面鋪裝工程,橋面寬度為12 m。為提高鋼橋面的耐久性和承載能力,決定采用玻璃纖維布增強的聚合物透水混凝土作為鋪裝材料。

3.2 現(xiàn)場施工

在施工過程中,首先進行了鋼橋面的清潔和表面處理工作,以確保鋪裝層與橋面的良好黏附。隨后設(shè)置玻璃纖維布,之后澆筑聚合物透水混凝土,確保其均勻分布和牢固黏附。

3.3 現(xiàn)場檢測

完成鋪裝后,對鋼橋面進行現(xiàn)場檢測以評估玻璃纖維布增強的聚合物透水混凝土的性能。主要檢測指標包括透水系數(shù)和彎曲拉伸強度。通過現(xiàn)場檢測結(jié)果顯示,采用玻璃纖維布增強的聚合物透水混凝土在透水性能和彎曲拉伸強度方面表現(xiàn)出色,適用于鋼橋面鋪裝工程的選擇。

3.4 應(yīng)用建議

在采用玻璃纖維布增強的聚合物透水混凝土進行鋼橋面鋪裝工程時,為了確保施工質(zhì)量和材料性能的最大發(fā)揮,以下是一些建議和注意事項:

1)在進行玻璃纖維布的施工前,應(yīng)對鋼橋面進行徹底清潔,確保表面無灰塵、油污和雜物。2)確保玻璃纖維布與鋼橋面緊密結(jié)合,可采取以下措施:a.使用專用的膠黏劑或環(huán)氧樹脂黏結(jié)劑,確保良好的黏附性能。b.添加硅烷偶聯(lián)劑,以提高玻璃纖維布與鋼橋面的黏附力和耐久性。c.注意施工過程中的壓實,確保玻纖布與鋼橋面之間無空隙或褶皺。3)在施工過程中,嚴格控制溫度和濕度,避免極端條件對施工質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。

4 結(jié)論

本研究通過試驗測試、數(shù)值模擬及實際工程應(yīng)用研究、分析并應(yīng)用了增強型聚合物透水混凝土鋪裝,得出了以下結(jié)論:

1)實驗結(jié)果表明,通過使用增強材料(如玻璃纖維布、玻璃格柵和聚丙烯纖維)可以顯著改善聚合物透水混凝土的性能,在疲勞循環(huán)試驗中也表現(xiàn)出更好的穩(wěn)定性和耐久性。這些結(jié)果為聚合物透水混凝土在鋼橋面鋪裝中的應(yīng)用提供了重要的參考,并為工程設(shè)計和施工提供了指導(dǎo)。然而,進一步的研究和實踐仍然是必要的,以進一步驗證和完善這些結(jié)論。

2)從有限元計算結(jié)果來看,玻璃格柵的應(yīng)用能夠在鋼橋面鋪裝中顯著降低應(yīng)力值,是一種有效的增強方式。玻璃纖維布和聚丙烯纖維也能夠略微降低應(yīng)力值,提升鋼橋面的性能。

3)在聚合物透水混凝土中,過高的聚丙烯纖維摻量可能導(dǎo)致拌合不均勻,進而對透水系數(shù)和彎拉強度產(chǎn)生較大的偏差。因此,在實際應(yīng)用中,需要仔細控制聚丙烯纖維的摻量,確保其均勻分散,并根據(jù)具體工程要求進行合理的配比設(shè)計。