增強型聚合物透水混凝土鋪裝的研究與應用

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用具有廣闊的發展前景[1]。其透水性能優越,能夠有效減少雨天積水對交通安全的影響,因此備受關注[2]。然而,傳統聚合物透水混凝土的力學性能相對較弱,限制了其在實際工程中的應用范圍[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力分布情況,并評估增強材料對結構整體剛度的提升效果[7-8]。

實際工程應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,總結了增強型鋪裝的優點,并提出了改進和施工建議,以進一步優化其應用效果。

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域的推廣和應用具有重要意義。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提供更安全、可持續的解決方案,為人們創造更加便利和舒適的出行環境[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、彎曲拉伸強度和疲勞性能。

1.2 試驗步驟

透水系數測試根據CJJ/T 135透水水泥混凝土路面技術規程,使用標準的透水系數測試裝置進行測試。試驗設備包括水圓筒、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。數據處理包括計算透水面積和透水系數。試驗結果可用于評價材料的透水性能。

彎曲拉伸強度測試根據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。制備符合規范要求的混凝土小梁試件,包括標準尺寸和配置適當的加強材料(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,施加適當的加載速率和加載方式,測量并記錄加載過程中的應力和應變。通過分析實驗數據,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JTG/T 3364-02—2019公路鋼橋面鋪裝設計與施工技術規范,進行聚合物透水混凝土的疲勞性能測試。制備符合規范要求的疲勞試件,采用小梁形狀。在試驗中,施加適當的載荷和加載頻率,進行疲勞循環加載。根據規范要求,設定加載次數或加載時間,并記錄試驗過程中的應力和應變數據。通過分析疲勞試驗結果,評估聚合物透水混凝土的疲勞性能[16]。

1.3 試驗結果

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 試驗結果分析

從樣本數據中可以看出,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,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,而是設置在鋪裝結構表面或底面,因此在工程設計中建議將玻璃纖維布設置于混合料下方,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據,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,多層設置對整體性能的提升效果顯著,但在試件成型過程中發現多層設置成型難度較大,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,但在高摻量下數據不穩定,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現,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。

對于三點疲勞循環試驗,根據提供的數據,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受90萬次到100萬次的疲勞循環試驗后,具有較好的穩定性和耐久性。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,表現出更高的耐久性。

進一步分析試驗數據時發現,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性能和耐久性。然而,過高的摻量可能導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。在本試驗中,摻量為3%的聚丙烯纖維的樣本在透水系數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。

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力。通過有限元分析,定量研究不同情況下的結構響應,并提供有關增強材料影響的可靠結果。

首先,基于實際橋面結構的幾何尺寸和材料特性,在ANSYS中建立了節段梁模型。模型采用了適當的網格劃分(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。

有限元數值模擬計算結果如表5所示。應力分布云圖見圖5—圖8。

表5 數值模擬

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力值。相比于無增強情況下的應力值(28.4 MPa),使用玻璃格柵后應力值下降到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力值。應力值為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力值為26.2 MPa,與玻璃纖維布相近,表現較好。

3 工程應用

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 現場檢測

完成鋪裝后,對鋼橋面進行現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和彎曲拉伸強度。通過現場檢測結果顯示,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出色,適用于鋼橋面鋪裝工程的選擇。

3.4 應用建議

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,為了確保施工質量和材料性能的最大發揮,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合,可采取以下措施:a.使用專用的膠黏劑或環氧樹脂黏結劑,確保良好的黏附性能。b.添加硅烷偶聯劑,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量產生不利影響。

4 結論

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

1)實驗結果表明,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,在疲勞循環試驗中也表現出更好的穩定性和耐久性。這些結果為聚合物透水混凝土在鋼橋面鋪裝中的應用提供了重要的參考,并為工程設計和施工提供了指導。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論。

2)從有限元計算結果來看,玻璃格柵的應用能夠在鋼橋面鋪裝中顯著降低應力值,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致拌合不均勻,進而對透水系數和彎拉強度產生較大的偏差。因此,在實際應用中,需要仔細控制聚丙烯纖維的摻量,確保其均勻分散,并根據具體工程要求進行合理的配比設計。