FRP防治預(yù)制水泥路面板微裂紋擴(kuò)展數(shù)值模擬

(重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院 重慶 400074)

前言

水泥混凝土路面在使用過(guò)程中容易出現(xiàn)裂縫、孔洞坑槽、邊角斷裂及表層脫落等局部病害，這些局部損害往往得不到及時(shí)、有效的修復(fù)，導(dǎo)致破損范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，最終造成大范圍的整板損壞。針對(duì)這類(lèi)整板損壞路面，常通過(guò)預(yù)制拼裝修復(fù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)原有破損路面的整板更換。但是這些用于更換的預(yù)制路面板在后場(chǎng)加工過(guò)程中，難免會(huì)由于水泥自身干縮等原因會(huì)造成表面含有初始微裂紋。

一、FRP防治裂紋擴(kuò)展作用機(jī)理

FRP與預(yù)制混凝土路面板采用環(huán)氧材料粘結(jié)在一起，形成一個(gè)復(fù)合體后起到防治路面板表面微裂縫擴(kuò)展的效果。在車(chē)輛荷載作用下，預(yù)制路面表面微裂縫有繼續(xù)擴(kuò)展的趨勢(shì)，而FRP一定程度上限制了表面微裂縫自由擴(kuò)展，從而延長(zhǎng)了路面板的使用壽命。一般情況下，F(xiàn)RP的作用是使路面板表面微裂紋尖端的拉應(yīng)力和集中剪應(yīng)力得到一定程度的的降低，特別是對(duì)降低集中拉應(yīng)力的效果更好。

二、FRP防治裂紋擴(kuò)展有限元分析

(一)有限元模型的建立

本文采用彈性半空間地基模型進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)合我國(guó)現(xiàn)行公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范[4]規(guī)定的雙層板力學(xué)模型要求，本文路面模型采用三層結(jié)構(gòu)，分別為：面層(預(yù)制路面板)、基層(水泥穩(wěn)定碎石)和路基[5-6]。

模型參數(shù)如下表1所示，此外模型是基于擴(kuò)展有限元法來(lái)模擬微裂紋擴(kuò)展，損傷判據(jù)為最大主應(yīng)力失效準(zhǔn)則[7-8]，混凝土預(yù)制板損傷參數(shù)根據(jù)課題組前期研究成果，最大主應(yīng)力為3.1MPa，斷裂能為250N/m。

表1 模型參數(shù)

合理建立接觸關(guān)系和邊界條件對(duì)于正確分析路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為是十分關(guān)鍵。假設(shè)預(yù)制路面板與混凝土界面之間為光滑接觸，AASHO路面設(shè)計(jì)指南建議的混凝土與基層的摩擦因數(shù)[9]為0.9～2.2，因此本文選取的預(yù)制混凝土板與基層的摩擦系數(shù)為1.5。

(二)計(jì)算結(jié)果與分析

1.受荷預(yù)制板應(yīng)力變形云圖

無(wú)FRP粘貼層的受荷預(yù)制板和有FRP粘貼層受荷預(yù)制板應(yīng)力變形云圖，其中FRP模量取200GPa，粘貼層界面剛度取選取為5/0.05MPa·mm-1，由圖像知，在標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下，兩類(lèi)受荷預(yù)制板微裂紋尖端的最大主拉應(yīng)力值都已經(jīng)超過(guò)3.1MPa，但微裂紋并沒(méi)有發(fā)生擴(kuò)展，這是因?yàn)槭芎砂鍞嗔涯苓€沒(méi)有達(dá)到250N/m，不具備裂紋擴(kuò)展的條件。

2.超載條件下FRP粘貼層對(duì)微裂紋擴(kuò)展影響

公路交通中由于交通量的大量增加,尤其是載貨汽車(chē)的比率逐漸增大,超載現(xiàn)象越來(lái)越嚴(yán)重,車(chē)輛超載會(huì)使水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)的表面彎沉、面層底面和基層層底的拉應(yīng)力和剪應(yīng)力以及土基頂面的最小主應(yīng)變隨之增大，由此對(duì)水泥混凝土路面使用壽命造成了很大的影響。對(duì)于預(yù)制水泥混凝土路面板來(lái)說(shuō)，車(chē)輛超載還會(huì)加速預(yù)制路面板表面微裂紋擴(kuò)展，從而造成路面板破壞。

表2 不同車(chē)輛荷載下有無(wú)FRP粘貼層微裂紋擴(kuò)展高度值

根據(jù)微裂紋擴(kuò)展高度數(shù)據(jù)可知：

(1)未粘貼FRP材料的受荷預(yù)制板表面微裂紋開(kāi)始擴(kuò)展時(shí)對(duì)應(yīng)的臨界車(chē)輛荷載值在100KN～200KN之間，而粘貼FRP材料的臨界車(chē)輛荷載在200KN～300KN之間；

(2)在標(biāo)準(zhǔn)軸載下未粘貼FRP材料的受荷板表面微裂紋沒(méi)有發(fā)生擴(kuò)展，而荷載增加到200KN時(shí)裂紋擴(kuò)展了2cm，增加300KN時(shí)裂紋擴(kuò)展了3cm，這說(shuō)明超載車(chē)輛對(duì)預(yù)防受荷板微裂紋擴(kuò)展極其不利，且超載值越大，受荷預(yù)制板表面微裂紋擴(kuò)展的越嚴(yán)重；

三、結(jié)論

本文利用ABAQUS軟件基于擴(kuò)展有限單元法建立帶初始微裂紋的預(yù)制路面板模型，計(jì)算分析有無(wú)FRP粘貼層的受荷預(yù)制板最大主拉應(yīng)力值、微裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子大小以及超載條件下表面微裂紋的擴(kuò)展，評(píng)價(jià)FRP粘貼層用于防治受荷預(yù)制板表面微裂紋擴(kuò)展的效果，得到的主要結(jié)論如下：

(1)標(biāo)準(zhǔn)軸載下，有無(wú)FRP粘貼層的受荷預(yù)制板表面微裂紋均沒(méi)有發(fā)生擴(kuò)展，但粘貼FRP材料的的受荷板中應(yīng)力分布相對(duì)較為分散；

(2)FRP粘貼層能夠一定程度上降低受荷板主拉應(yīng)力值和微裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子大小；

(3)粘貼了FRP材料的預(yù)制板，最大主拉應(yīng)力值和微裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子大小與FRP模量、粘貼層界面剛度均成反比，且隨著FRP模量和界面剛度的增加，下降幅度逐漸變緩，最終趨于穩(wěn)定。