底部槽形預制塊構造形式與力學性能研究*

魏勝國 李月光 周冰清 王 恒 徐 文 張 愷

(中交二公局第三工程有限公司1) 西安 710046) (武漢理工大學交通學院2) 武漢 430063) (江西省交通科學研究院3) 南昌 330200)

0 引 言

預制塊路面的面層是由高強度、高精度的水泥混凝土預制塊緊密排列、互相嵌擠形成的，塊間填筑接縫砂，預制塊面層下鋪設有一層砂墊層.預制塊一般分為普通型和聯鎖型兩種[1].在農村公路、城市道路、高填方地區、軟基路段等場合[2-4]應用時多為普通型預制塊路面，在大型港口、碼頭、堆場等場合[5]應用時多為高強度聯鎖型預制塊路面.

國內外對于預制塊路面的研究主要集中在研究預制塊路面整體性能.Knapton等[6]進行了剛性基礎上的承載板試驗和進一步的現場足尺試驗；Shackel[7]進行了柔性基礎上的室內承載板試驗；Sharp等[8]用道路模擬車進行了足尺預制塊路面的快速行車試驗；Miura等[9]為研究預制塊路面的力學性能和能否采用CBR方法設計預制塊路面，進行了足尺試驗；孫立軍[10]進行了兩次室內承載試驗和兩次現場承載試驗對混凝土預制塊路面的承載特性和結構設計方法進行了研究；王火明[11]進行了相關的室內承載板試驗和環道試驗研究，提出了永久變形預估模型.

預制塊面層在荷載作用下，塊體之間相互擠壓，會形成“嵌擠”效應，提高了路面結構的承載力.預制塊面層下面的砂墊層一般起到調平、擴散荷載的作用，砂墊層還能避免預制塊與基層直接接觸出現應力集中.因此，研究砂墊層與預制塊面層之間的作用關系十分重要.目前國內外預制塊路面所使用的預制塊底面大多是平的，與砂墊層之間的摩阻力較小，在車輛荷載的反復作用下，容易出現接縫砂流失，塊體松散的情況，進而影響到預制塊路面的使用性能.底部槽形預制塊由于底部開槽的特殊構造，在預制塊面層震動壓實后，墊層砂能夠填進預制塊底部的凹槽中，與預制塊面層有更好的接觸，從而提供更大的水平摩阻力，使這種嵌擠作用更牢固，改善路面性能.

1 試驗準備

預制塊的力學性能一般用抗壓強度和抗折強度來表示，也有用劈裂抗拉強度來表示.文獻[12]將預制塊分為抗壓強度Cc40，Cc50，Cc60三個等級，抗折強度Cf4，Cf5，Cf6三個等級.試驗選用抗壓強度Cc50等級，抗折強度Cf5等級，底部槽形預制塊的抗壓強度與抗折強度的試驗方法與普通預制塊相同.此外，還選用了無垂直加載和有5 kN荷載垂直加載兩種工況進行水平摩阻力試驗.

1.1 底部槽構造形式的確定

預制塊在不同場合下尺寸、形狀不一，普通型預制塊在等級公路上用作車行道時形狀可為矩形、正方形和六角形等，長度宜為400～500 mm、寬度宜為 200～250 mm；聯鎖型預制塊尺寸一般小一些，長為200～250 mm、寬 100～125 mm，也可以比這個尺寸大1～3倍.用作車行道的預制塊厚度一般為10～18 cm，具體厚度按公路等級由設計確定.其中，用于極重、特重、重交通過渡路面車行道預制塊的最小厚度不應小于15 cm；用于中、輕交通公路車行道預制塊的最小厚度不應小于10 cm[13].本次研究所采用的預制塊為普通型預制塊Common Block(CB)，選用公稱尺寸為400 mm×200 mm×120 mm，底部槽形預制塊構造形式有三種，見圖1，分別是五個矩形槽Trench-5Rectangular Groove(TG-5R)、五個三角形槽Trench-5Triangular Groove(TG-5T)、1個方形槽Shell-Rectangular Groove(Shell-R).試驗所用預制塊信息見表1.

圖1 試驗所用預制塊構造形式

表1 試驗所用預制塊信息

1.2 試驗材料

預制塊所用水泥混凝土采用C50配合比設計，水灰比為0.4，水泥采用P·O42.5等級普通硅酸鹽水泥，粗集料為粒徑10 mm以內的級配碎石，細集料為最大粒徑5 mm的河砂，砂的級配見表2，細度模數為2.6，含泥量小于2%.混凝土各成分組成為：m(水泥)∶m(粗集料)∶m(細集料)∶m(水)=513∶1 077∶606∶205 kg/m3.

表2 砂的級配

1.3 試件制作

預制塊試件在實驗室制作成型.對于這4種類型的預制塊，由于公稱尺寸相同，底部槽的構造不同，選用相同的模具和不同形狀的底板.粗集料、細集料和水泥應先充分拌合，之后再加入水，拌合時要注意把控時間，避免拌合時間過長出現混凝土品質下降，應在拌合后的30 min內完成試件的澆筑.預制塊澆筑后應充分振搗，避免出現預制塊空隙過大影響其強度的情況.本次試驗用振搗棒振搗密實后再將預制塊放置于振動臺上進行振動，之后再用刮刀抹平預制塊上表面.拆除模具后應對預制塊進行養護，養護控制在溫度20 ℃，濕度95%的環境中，養護28 d.

2 試驗過程

2.1 抗壓強度試驗

抗壓強度試驗選用TYE-2000B型壓力試驗機.預制塊試件上部為一鋼制墊壓板，根據試件厚度120 mm，選用墊壓板尺寸為：長240 mm、寬120 mm、厚30 mm，下壓板尺寸應大于試件底面尺寸.

試驗前應先清除預制塊表面粘渣、毛刺，放入室溫水中浸泡24 h，之后將試件取出，用擰干的濕毛巾擦去表面附著水，放置在試驗機下壓板的中心位置.啟動試驗機，保持勻速連續加荷，加荷速度為0.4～0.6 MPa/s，直至試件破壞，記錄破壞荷載.本次試驗每種類型的預制塊各選取3個試件，預制塊的抗壓強度計算按式(1)計算，取平均值，精確到0.1 MPa.

(1)

式中：σc為抗壓強度，MPa；P為破壞荷載，N；A為試件實際受壓面積，或上表面受壓面積，mm2.

2.2 抗折強度試驗

抗折強度試驗時預制塊試件底部應有兩個鋼棒組成的支座，上部有一鋼制加壓棒.選用鋼質圓棒直徑為40 mm、長度200 mm，其中一個支撐棒應能夠滾動并可以自由調整水平位置，鋼棒不與預制塊直接接觸，之間有一塊4 mm厚木質三合板墊層.見圖4.

試驗前的準備工作與抗壓強度一樣，然后將預制塊順著長度方向放置于支座上.本次試驗選用抗折支距L為24 cm.啟動試驗機，關閉回油閥，緩慢打開送油閥，勻速連續加荷，加荷速度為0.04～0.06 MPa/s，直至試件破壞，記錄破壞荷載.和抗壓強度一樣，每種類型的預制塊各選取3個試件，預制塊抗折強度按式(2)計算，取平均值，精確到0.1 MPa.

(2)

式中：σf為彎拉強度，MPa；F為破壞荷載，N；L為兩支座間的中心距離，mm；b為試件寬度，mm；he為試件有效厚度，mm.

圖2 Shell-R橫截面

(3)

(4)

2.3 水平摩阻力試驗

水平加載試驗是在一個1 m×1 m的木箱上的，木箱內填充30 cm厚砂性土，15 cm厚級配碎石基層，3 cm厚砂墊層，分別用木錘分層振搗壓實.然后，將預制塊放置在砂墊層上，用液壓千斤頂預壓，確保墊層砂充分填進預制塊底部的槽中.水平加載見圖3，分別是無垂直加載和有5 kN荷載垂直加載兩種工況.垂直加載時，預制塊上放置有兩層鋼質墊壓板，墊壓板之間為3根鋼棒.安裝好試驗設備后，測量各種類型預制塊的水平摩阻力f(N)和對應的水平位移s(0.01 mm)，用力傳感器(最大量程20 kN)測量f，用兩個百分表(取平均值)測量s.現定義，預制塊水平位移不超過300(3 mm)時對應的最大水平摩阻力f為臨界水平摩阻力.

圖3 兩種工況加載圖

3 結果和討論

3.1 抗壓強度

三種底部槽形(Shell-R,TG-5T,TG-5R)預制塊抗壓強度(見圖4)分別為53.7，62.0，58.0 MPa，相比普通型預制塊CB的66.1 MPa分別下降了18.8%，6.2%，12.3%，這三種預制塊的抗壓強度都大于最低50 MPa的要求.底部槽形的構造形式對預制塊的抗壓性能有較大的影響，Shell-R的抗壓性能最差，TG-5T的抗壓性能最好，TG-5T和TG-5R的抗壓性能較為接近.從構造上看，Shell-R在實際抗壓時容易出現應力集中、局部易破壞是由于邊緣厚度e過小，結構形式不合理，而TG-5T和TG-5R底部槽的體積VG和預制塊的體積VB都相同，構造較為接近，所以實際抗壓性能也較為接近.

圖4 各種預制塊的抗壓強度

3.2 抗折強度

三種底部槽形(Shell-R,TG-5T,TG-5R)預制塊抗折強度(見圖5)分別為6.1，5.3，5.7 MPa，相比普通型預制塊CB的6.5 MPa，分別下降了6.3%，18.5%，12.4%，這三種預制塊的抗折強度都大于最低5 MPa的要求.底部槽形預制塊中，Shell-R和TG-5R有效厚度he都是105 mm，但Shell-R抗折性能比TG-5R好，這是因為Shell-R底部還有兩個厚度為e的肋板承受彎拉應力； TG-5T和TG-5R的體積相同，但TG-5T抗折性能比TG-5R差，這是因為TG-5T的有效厚度he更小.由此可見，預制塊橫截面形狀和有效厚度he對預制塊的抗折性能有較大影響.

圖5 各種預制塊的抗折強度

3.3 臨界水平摩阻力

各種類型預制塊(Shell-R,TG-5T,TG-5R,CB)在無垂直荷載加載的情況下，產生不超過3 mm位移時，臨界水平摩阻力f(見圖6)分別為83，102，69，47 N.經過比較，可以發現底部三角形槽TG-5T的預制塊臨界水平摩阻力f最大，比普通型預制塊CB提高了117%，底部方形槽Shell-R和底部矩形槽TG-5R次之，分別提高了76.6%，46.8%.

圖6 無垂直加載時各類預制塊的水平摩阻力

在5 kN垂直荷載的作用下，再次測量各類預制塊(Shell-R,TG-5T,TG-5R,CB)的臨界水平摩阻力f(見圖7)，分別為2 150，3 190，3 350，3 150 N.這時，底部矩形槽TG-5R的預制塊臨界水平摩阻力f提升最大，相比普通型預制塊CB，提高了6.3%，底部三角形槽TG-5T的預制塊的臨界水平摩阻力f和普通型預制塊CB比較相近，僅提高了1.3%，而底部方形槽Shell-R的預制塊的臨界水平摩阻力f則出現了下降的現象，達到31.7%，分析原因，是因為這種底部開槽的形式不合理，邊緣厚度e太小，當墊層砂填進底部方形槽中時，砂與預制塊底面的接觸方式和接觸面積與普通型預制塊相差不大，應當增大邊緣厚度或采用多個方形槽.總體而言，底部槽形預制塊抵抗水平滑動的性能相比普通型預制塊有較大的改善.

圖7 加載5 kN垂直荷載時各預制塊水平摩阻力

4 結 論

1) 提出了3種新型底部槽形的路面預制塊構造形式，分別為底部方形槽Shell-R、三角形槽TG-5T、矩形槽TG-5R.

2) 底部槽形預制塊的抗壓性能和抗折性能相比普通型預制塊有所下降，最多的下降幅度都在18%左右，性能下降的預制塊仍然能夠滿足設計強度的要求.其中，底部方形槽的預制塊抗壓性能最差，抗折性能最好，三角形槽TG-5T的抗壓性能最好，抗折性能最差，矩形槽TG-5R的抗壓性能和抗折性能較為均衡.

3) 底部槽形預制塊的臨界水平摩阻力f相比普通型預制塊有較大的提升，這說明底部槽形預制塊抵抗水平滑動的性能相比普通型預制塊有較大的改善.其中，無垂直荷載加載時三角形槽TG-5T的臨界水平摩阻力f提升最大，達到了117%，5 kN荷載垂直加載時矩形槽TG-5R的預制塊的臨界水平摩阻力f提升最大，達到6.3%.

4) 底部方形槽Shell-R預制塊的結構形式不合理，需要改進，而底部矩形槽TG-5R預制塊的抗壓強度和臨界水平阻力都明顯優于底部三角形槽TG-5T預制塊，故推薦使用底部矩形槽TG-5R預制塊用于預制塊路面鋪筑.