羧基丁苯聚合物改性水泥混凝土路面設(shè)計及分析

陳文閣

(內(nèi)蒙古筑業(yè)工程勘察設(shè)計有限公司，內(nèi)蒙古牙克石 022150)

近些年來，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和改革開放的深入，我國高等級公路也得到了迅速的發(fā)展，同時，經(jīng)濟(jì)發(fā)展對于路面材料與路面結(jié)構(gòu)的要求也比以往更高。一般情況下，高等級公路的面層中會使用水泥混凝土或者瀝青混合材料，但是，水泥混凝土具有抗折強(qiáng)度低、抗壓強(qiáng)度高的特征，在應(yīng)用于公路路面時柔性和抗變形能力相對較差，這也在一定程度上制約了水泥混凝土在公路中的使用。為了克服水泥混凝土的缺點(diǎn)，可以將聚合物高分子材料應(yīng)用到其中，就目前來看，國內(nèi)外的眾多專家學(xué)者已經(jīng)針對這一問題進(jìn)行了深入的研究，研究結(jié)果證實(shí)，聚合物高分子材料與水泥混凝土的結(jié)合能夠很好的提高其抗折強(qiáng)度和柔性，并降低其剛性與彈性模量。同時，實(shí)驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)，在水泥混凝土中羧基丁苯聚合物最優(yōu)化的摻合量是15%，在7 d時，能夠提升22%的強(qiáng)度，在28 d時，能夠提升38%的強(qiáng)度，在90 d時，能夠提升15%的強(qiáng)度。下面就按照《公路水泥混凝土路面設(shè)計規(guī)范》分析普通水泥公路與羧基丁苯聚合物水泥混凝土路面的厚度，使用ANSYS軟件分析其應(yīng)力的變化，比較兩者受力情況的不同，以便為日后的施工提供一定的技術(shù)支持。

1 路面設(shè)計參數(shù)介紹

某二級公路使用了水泥混凝土路面，在使用初期其標(biāo)準(zhǔn)軸載次數(shù)設(shè)置為850次/d，規(guī)定使用年限為30年，交通量呈現(xiàn)出5%的增長速度，輪跡橫向系數(shù)為0.2，標(biāo)準(zhǔn)軸載次數(shù)為412.26×104次。此外，其土基彈性模量是35 MPa，墊層厚度為20 cm，材料為石灰土，彈性模量為150 MPa，基層厚度為18 cm，材料為碎石灰土，彈性模量為400 MPa。由于路基表面有5 cm的厚度為瀝青層，因此，在計算時取厚度為20 cm進(jìn)行計算，此外，接縫傳荷系數(shù)Kr=0.87，綜合系數(shù) Kc=1.35，疲勞應(yīng)力系數(shù) Kf=1.49，最大溫度梯度Tg=0.92。根據(jù)路段的參數(shù)，可以使用以下幾種的設(shè)計方案，具體情況詳見表1與表2。根據(jù)以上結(jié)果可以得出，在同等情況下，與普通水泥混凝土相比而言，使用羧基丁苯聚合物進(jìn)行改進(jìn)能夠?qū)⒙访婧穸戎辽贉p少8 cm。

表1 面層設(shè)計方案

表2 水泥混凝土面層設(shè)計計算情況

2 應(yīng)力分析

對于應(yīng)力的分析使用彈性地基板理論，就是將剛度較大的水泥混凝土面層作為彈性地基小撓度彈性板，再根據(jù)路面結(jié)構(gòu)層次、幾何形狀、荷載作用位置、接縫影響、裂縫影響簡化路面結(jié)構(gòu)，分析方式使用三維有限單元模型和ANSYS軟件進(jìn)行分析，計算出普通水泥和羧基丁苯聚合物改性水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)的具體應(yīng)力。在計算時，取5 m×3.75 m的混凝土板為計算對象，取路面2 m以下的路基建立三維立體有限元模型，由于路面是一種長空間線形結(jié)構(gòu)，因此，其路面前端與后端截面位移可以看做0，同時，在計算時將其看為全約束情況。此外，為了更好的描述混凝土板的幾何模型，選擇26 cm厚度的普通混凝土板和18 cm的羧基丁苯聚合物混凝土板，路基和墊層的情況可以參考以上的假設(shè)情況。

對于荷載模型建立，可以參考《公路水泥混凝土路面設(shè)計規(guī)范》的相關(guān)規(guī)范進(jìn)行，模型可以使用雙圓均布荷載，根據(jù)計算，輪胎接觸路基表面壓強(qiáng)為0.70 MPa，雙輪中心距為31.95 cm，接觸面積當(dāng)量圓直徑為21.3 cm，荷載作用于模型的混凝土板橫邊緣中部、混凝土板中部以及混凝土板邊緣中部。根據(jù)ANSYS軟件進(jìn)行計算，可以計算出水泥混凝土路面最大彎拉應(yīng)力值以及最大豎向應(yīng)力值，具體的計算結(jié)果詳見表3。

表3 最大彎拉應(yīng)力值與最大豎向應(yīng)力值計算結(jié)果分析表

根據(jù)表3的結(jié)果可以得出，在同等邊界約束條件以及荷載下，羧基丁苯聚合物水泥混凝土路面受到的彎拉應(yīng)力要大于普通的水泥混凝土路面，但與此同時，羧基丁苯聚合物水泥混凝土路面提供的承載能力也大于普通的水泥混凝土路面，當(dāng)路面厚度相同的情況下，羧基丁苯聚合物水泥混凝土路面最大彎拉應(yīng)力值相對較小。

根據(jù)表2與表3的結(jié)果，使用有限元軟件計算的結(jié)果比使用《公路水泥混凝土路面設(shè)計規(guī)范》計算出的應(yīng)力值偏大，但是荷載疲勞應(yīng)力值會相對偏小，如對厚度為26 cm的普通水泥混凝土板使用《公路水泥混凝土路面設(shè)計規(guī)范》計算出的荷載應(yīng)力是1.37 MPa，使用有限元軟件計算出的最大彎拉應(yīng)力值是1.57 MPa;對厚度為18 cm的丁苯聚合物使用《公路水泥混凝土路面設(shè)計規(guī)范》計算出的應(yīng)力值為2.26 MPa，使用有限元軟件計算出的應(yīng)力值則為2.34 MPa。

此外，羧基丁苯聚合物改性水泥混凝土面板豎向位移大于普通水泥混凝土，同時，其抗變形能力也大于普通的水泥混凝土，這不會對其承載能力產(chǎn)生不利影響。羧基丁苯聚合物水泥混凝土路面荷載最小的位置為縱向邊緣中部位置，此時，應(yīng)力值最小，因此，在實(shí)際的施工過程中，可以將該位置作為臨界荷位。

3 結(jié)語

在條件相同的情況下，與普通水泥混凝土路面相比而言，羧基丁苯聚合物改性水泥混凝土路面能夠減少至少8 cm的厚度，在邊界約束以及荷載情況相同時，羧基丁苯聚合物所受的應(yīng)力值要大于普通水泥混凝土路面，但其承載能力也要大于普通水泥混凝土路，在面板厚度相同的情況下，羧基丁苯聚合物承受到最大彎拉應(yīng)力值相對較大。使用有限元軟件分析路面最大彎拉應(yīng)力值比使用《公路水泥混凝土路面設(shè)計規(guī)范》計算出的應(yīng)力值較大，但是小于荷載疲勞應(yīng)力值，而羧基丁苯聚合物改性水泥混凝土路面的荷載作用點(diǎn)豎向最大位移大于普通水泥混凝土面板，同時其抗變形能力與柔性也相對較大，這不會對路面的承載能力產(chǎn)生影響。以上路面經(jīng)過1年的試用以后，路面外觀情況依舊良好，無裂縫、磨損和破損情況的出現(xiàn)，根據(jù)檢查，其路面結(jié)構(gòu)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求，路面的承載能力十分理想，此外，取樣調(diào)查的結(jié)果也顯示，路面材料的強(qiáng)度也十分理想，抵抗荷載能力較強(qiáng)。

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