大孔隙聚合物改性水泥混凝土路面基層結構受力分析

大孔隙聚合物改性水泥混凝土路面基層結構受力分析

□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，降低公路建設和養護成本，提高路面的使用質量，但其力學作用機理尚不明確。文章基于彈性層狀體系理論的BISAR程序對以該結構為基層的瀝青路面基面層進行力學分析，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，路面各結構層的應力應變情況并與以往半剛性基層做出比較，從而得出該結構在減少裂縫、延長路面使用壽命和質量方面的作用機理;應用ANSYS有限元分析方法，驗證車輛荷載作用下PCPB作為路面基層對瀝青面層的力學響應;最后通過正交試驗，確定PCPB的最佳結構組合形式。

大孔隙；聚合物；改性水泥混凝土；基層；結構；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合后形成的一種具有穩定結構的排水式（透水性好）混凝土結構體系。作為路面基層，該結構可以有效減少由于干縮和溫縮等導致的瀝青路面裂縫，同時該結構較以往其他路面基層結構具有強度高，荷載作用下應力、應變小等特點。

大孔隙水泥混凝土基層具有良好的力學性能并已在一些工程實踐中得到了很好的應用，但其力學作用機理還不是很明確。本文是以PCPB在HB-LZ高速公路工程中的實際應用為背景，研究其力學性能與結構組成變化之間的對應關系，從而確定PCPB在優化路面結構組合、延長路面使用壽命、提高路面使用質量方面的優越性。

1 結構模型

對比普通半剛性基層路面與PCPB路面的結構受力情況，在HB-LZ高速公路工程中，原設計采用的普通路面結構與對比試驗采用的PCPB路面結構，見圖1和圖2。

對比圖1和圖2可以發現，PCPB路面的厚度要小于普通半剛性路面，這就節省了建設成本并簡化了施工程序。

2 力學分析

2.1 PCPB模量變化下的應力應變

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構的應力應變情況也間接地反映了聚合物的加入對路面強度的影響。

計算發現，改變PCPB模量對基層的層底彎拉應力和剪應力有一定的影響，見圖3。但對面層影響不大，只是對面層層底的彎拉應變有一定的影響，見圖4。

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

2.2 聚合物對強度的影響

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

2.3 PCPB與普通路面基層厚度變化下的應力應變

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

面層層底的彎拉應力反映了車輛荷載作用下基層對于面層的力學響應。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的面層層底彎拉應力減少了23%，而普通混凝土的面層層底彎拉應力減少了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力減小了42%，而PCPB的基層剪應力減小了60%；可見對于PCPB路面結構，適當的增加基層的厚度可以對剪應力的增大起到很好地抑制作用。

2.4 PCPB和普通路面結構的應力應變與行車荷載的關系

路面在使用過程中，主要是承受車輛荷載的作用。因此，要分析路面結構的力學路用性能，主要是分析車輛荷載作用下路面內的應力應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力應變

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

3 結論

1）大孔隙結構面層厚度小于以往結構組合，這樣不僅可以有效利用資源、做到保護環境、可持續發展，而且可以大大減少工程造價、節省開支。

2）對于PCPB基層的合理厚度為45cm。

3）通過對PCPB進行力學分析發現，PCPB較以往傳統的普通混凝土基層具有良好的力學性能。

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U416.214

C

1008-3197（2012）03-44-03

2011-11-25

丁良躍/男，1981年出生，工程師，學士，上海市城市建設設計研究院天津分院，從事道路設計工作。