用于施工臨時(shí)道路的UHPC裝配式路面板應(yīng)用研究

李苗 劉虎 譚薦中

摘 要：為提高裝配式路面板的力學(xué)性能，同時(shí)增大其使用壽命，本文開(kāi)發(fā)了一種超高性能混凝土（UHPC）材料，并設(shè)計(jì)了施工臨時(shí)道路的裝配式路面板。通過(guò)計(jì)算得到適合的板厚區(qū)間，采用有限元計(jì)算分析，研究分析荷載作用下不同厚度的UHPC裝配式路面板的板底應(yīng)力。同時(shí)采用普通混凝土和UHPC典型S-N曲線計(jì)算兩種材料板件疲勞壽命。結(jié)果表明：本文制備的UHPC材料抗壓強(qiáng)度為82.5 MPa，抗折強(qiáng)度為12 MPa，是普通C40混凝土的2倍和2.4倍。14 cm為UHPC裝配式路面板的最佳板厚。其板底最大彎應(yīng)力為設(shè)計(jì)強(qiáng)度值的73.67%，小于24 cm厚的C40混凝土84.40%，且減小體積41.7%，減重39.2%，疲勞壽命是C40混凝土136倍。

關(guān)鍵詞：UHPC;施工臨時(shí)道路;裝配式路面板;有限元分析;疲勞壽命

中圖分類號(hào)：U416.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

與傳統(tǒng)現(xiàn)澆路面板相比，裝配式混凝土路面板在構(gòu)件預(yù)制廠生產(chǎn)、養(yǎng)護(hù)，一定齡期后可直接鋪設(shè)于施工道路，能夠快速拼接完成通車通行，具有環(huán)境友好、固廢排放量小、資源浪費(fèi)少、質(zhì)量統(tǒng)一、可循環(huán)使用等諸多優(yōu)點(diǎn)。

裝配式預(yù)制混凝土路面板也存在某些問(wèn)題。路面板在預(yù)制構(gòu)件廠完成生產(chǎn)，需運(yùn)輸至施工工地進(jìn)行吊裝。裝配式預(yù)制混凝土路面板采用傳統(tǒng)鋼筋混凝土，其自重大，在吊裝過(guò)程中的彎拉作用容易造成早期裂縫的形成。大尺寸的路面板其自身重量大，其運(yùn)輸和吊裝的成本必然增加。而路面板尺寸過(guò)小，路面的接縫數(shù)量勢(shì)必會(huì)增加，導(dǎo)致路面的整體性變差，更容易增加后期病害的風(fēng)險(xiǎn)，如錯(cuò)臺(tái)、路面板邊緣損壞等。因此，高強(qiáng)度、輕質(zhì)量、高耐久的裝配式預(yù)制混凝土路面板成為目前研究的重點(diǎn)[4]。超高性能混凝土（UHPC）是一種具有高強(qiáng)度、高韌性、高耐久性能的水泥基復(fù)合材料。其抗壓強(qiáng)度一般在普通混凝土的3～12倍，抗彎拉強(qiáng)度可達(dá)普通混凝土的6倍，并且具有極低的滲透性。與普通混凝土相比，UHPC能夠大幅提高混凝土構(gòu)件壽命，減少后期維護(hù)費(fèi)用的增加。因此，具有優(yōu)異性能的UHPC材料將是裝配式預(yù)制混凝土路面板變得更薄、更輕、更耐久的最佳材料之一。

1 UHPC路面板配合比設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.1 原材料

本文試驗(yàn)用水泥為P·I型基準(zhǔn)水泥，其礦物組成、化學(xué)組成及物理性能分別見(jiàn)表1～表3;石英砂粒徑范圍為0.16 mm～1.25 mm;減水劑為聚羧酸系高性能減水劑;鋼纖維采用鍍銅光面平直鋼纖維，長(zhǎng)度為12 mm，體積分?jǐn)?shù)為2%。

試驗(yàn)用配合比如表4所示：

1.2 成型、養(yǎng)護(hù)方法

試塊澆筑成型后在溫度為20℃，濕度為60%環(huán)境下養(yǎng)護(hù)1天，拆模后移入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至28天時(shí)，測(cè)試力學(xué)性能。

1.3 試驗(yàn)方法

（1）抗壓強(qiáng)度和泊松比測(cè)試依據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50081-2019），試件尺寸分別為150 mm×150 mm×150 mm和150 mm×150 mm×300 mm。

（2）抗彎拉強(qiáng)度及模量測(cè)試依據(jù)《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E30-2005），試件尺寸150 mm×150 mm×550 mm。

（3）線膨脹系數(shù)測(cè)試依據(jù)《Standard Method of Test for Coefficient of Thermal Expansion of Hydraulic Cement Concrete》（AASHTO T 336-11），試件為直徑100 mm的圓柱體。

1.4 試驗(yàn)結(jié)構(gòu)參數(shù)

通過(guò)試驗(yàn)，裝配式預(yù)制UHPC路面板的性能參數(shù)如表5：

由表5和表6可以得知，本文設(shè)計(jì)的UHPC材料的抗壓強(qiáng)度、抗彎拉強(qiáng)度、彈性模量相較于普通C40混凝土均有提高。其中，UHPC材料的抗壓強(qiáng)度約為普通混凝土2倍，抗彎拉強(qiáng)度和彈性模量分別提升了140%和20%。

2 臨時(shí)路面板設(shè)計(jì)

本文以北京市通懷路（京承高速—河防口）懷柔段道路工程第六標(biāo)段為項(xiàng)目依托。根據(jù)項(xiàng)目地理位置及現(xiàn)場(chǎng)具體情況，臨時(shí)便道基本情況如下：

（1）路面寬度：6 m。（2）自然區(qū)劃：Ⅱ區(qū)。（3）交通分析：標(biāo)準(zhǔn)軸載100 kN（單軸重10 t）;最大軸載200 kN（單軸重20 t）。（4）路面結(jié)構(gòu)。根據(jù)施工便道交通荷載等級(jí)和中等變異水平等級(jí)，路面結(jié)構(gòu)采用：N cm鋼筋混凝土/UHPC面層+20 cm級(jí)配碎石基層+20 cm級(jí)配碎石底基層形式。

施工車輛同軸輪距1.8 m，為保證施工現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)便道預(yù)制構(gòu)件最大程度地發(fā)揮構(gòu)件自身的強(qiáng)度，在構(gòu)件設(shè)計(jì)上盡量保證施工車輛同軸車輪作用在不同板件，且盡量避免作用在板件邊緣接縫位置，同時(shí)為了便于運(yùn)輸、吊裝及拆卸，臨時(shí)路面板板件長(zhǎng)度取為1.5 m×1.5 m矩形板，施工便道橫向四塊拼裝鋪設(shè)。

項(xiàng)目中用到的UHPC材料、普通混凝土材料和道路路基力學(xué)性能分別見(jiàn)表5、表6及表7所示。

根據(jù)《公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D40-2011），對(duì)普通水泥混凝土、UHPC兩種裝配式路面板應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明厚度為24 cm的普通水泥混凝土路面板最大彎拉強(qiáng)度為4.926 MPa，小于普通水泥混凝土彎拉強(qiáng)度5 MPa，滿足規(guī)范要求;對(duì)不同厚度UHPC裝配式路面板計(jì)算結(jié)果如表8及圖1所示。

由表8及圖1可知，UHPC裝配式路面板厚度取為8 cm時(shí)，其最大彎拉應(yīng)力為12.694 MPa，超過(guò)UHPC材料彎拉強(qiáng)度12 MPa，不滿足規(guī)范要求;UHPC裝配式路面板厚度取10 cm～18 cm時(shí)，最大彎拉應(yīng)力在6.225 MPa～10.082 MPa范圍內(nèi)，與UHPC材料彎拉強(qiáng)度相比該應(yīng)力范圍較為合理;當(dāng)UHPC裝配式路面板厚度取為20 cm及其以上，最大彎拉強(qiáng)度小于5.779 MPa，應(yīng)力儲(chǔ)備過(guò)大，容易造成資源浪費(fèi)，因而最佳厚度區(qū)間為10 cm～18 cm。

3 有限元分析

3.1 有限元模型建立

為厘清不同厚度時(shí)荷載作用下臨時(shí)路面板受力情況，本文基于有限元分析軟件Midas FEA建立施工便道裝配式路面板及其下基層的三維實(shí)體有限元模型，對(duì)普通水泥混凝土路面板和UHPC路面板在荷載作用下板件應(yīng)力進(jìn)行數(shù)值模分析。

車輪荷載簡(jiǎn)化為D=30 cm當(dāng)量圓形均布荷載，荷載當(dāng)量圓與裝配式路面板長(zhǎng)邊接縫相切，最大接觸壓力P=1.4 MPa。項(xiàng)目所處位置自然區(qū)劃Ⅱ區(qū)，最大溫度梯度標(biāo)準(zhǔn)值T=88℃/m。路面板與地基節(jié)點(diǎn)采用土彈簧進(jìn)行連接。

3.2 計(jì)算結(jié)果

由圖2～圖3的路面剖面圖可以看出，路面板受最大力位置為板底的板邊中部。其中普通混凝土和18 cm厚的UHPC路面板所受彎拉應(yīng)力區(qū)域更大。板厚的減小，有利于減小板底最大彎拉應(yīng)力區(qū)域。

由圖2～圖3路面板應(yīng)力剖分圖可知，24 cm普通水泥混凝土路面板底彎拉應(yīng)力最大值為4.22 MPa，小于普通混凝土彎拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值5.0 MPa;10 cm、14 cm和18 cmUHPC路面板底彎拉應(yīng)力最大值分別為10.15 MPa、8.84 MPa和7.95 MPa，均小于UHPC彎拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值12 MPa，滿足規(guī)范要求。14 cm厚UHPC裝配式路面板的最大彎應(yīng)力為設(shè)計(jì)強(qiáng)度值的73.67%，小于24 cm厚的C40混凝土84.40%。由上可知，裝配式路面板在等效車輪荷載作用下，路面板板底彎拉應(yīng)力最大，且呈現(xiàn)出板厚越小彎拉應(yīng)力越大的趨勢(shì)。

3.3 疲勞壽命預(yù)測(cè)

裝配式施工臨時(shí)道路混凝土路面板在施工車輛作用下其底存在較大的彎拉應(yīng)力，雖然其小于路面板混凝土的靜力抗彎拉強(qiáng)度，但在反復(fù)荷載的作用下，可能會(huì)在發(fā)生低于靜載強(qiáng)度的疲勞破壞，因此對(duì)混凝土路面板進(jìn)行疲勞壽命預(yù)測(cè)成為評(píng)估板件優(yōu)劣的重要指標(biāo)。C40混凝土和UHPC疲勞方程分別為lgS=0.036 9-0.032 4lgN和S=0.996 2-0.046 8lgN。對(duì)C40混凝土和不同厚度UHPC構(gòu)件的疲勞壽命N進(jìn)行預(yù)測(cè)，計(jì)算結(jié)果如表9所示。

Fatigue life factor= N（UHPC）/N（C40）`由表9可知，與普通水泥混凝土路面板相比，UHPC混凝土路面板具有更高疲勞壽命次數(shù)，10 cm、14 cm和18 cm厚UHPC混凝土路面板疲勞壽命系數(shù)分別為0.63、136和5 220，而UHPC體積分別為0.225 m3、0.315 m3和0.405 m3，吊裝重量分別僅為0.574 t、0.804 t和1.033 t，均小于24 cm普通水泥混凝土路面板吊裝重量1.323 t。綜合考慮裝配式路面板混凝土用量、運(yùn)輸?shù)跹b重量、周轉(zhuǎn)使用次數(shù)以及綜合經(jīng)濟(jì)性能，推薦使用14 cm厚UHPC混凝土路面板，相比24 cm普通水泥混凝土路面板減小體積41.7%，減小自重39.2%，同時(shí)疲勞壽命提高至136倍。

UHPC混凝土路面板與普通水泥混凝土路面板相比具有明顯的高強(qiáng)、高壽命的特性，減少了混凝土用量和運(yùn)輸?shù)跹b重量，提高了施工現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)化的程度，降低了建筑垃圾環(huán)境污染和二氧化碳排放量，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

4 結(jié)論

本文將UHPC材料作為臨時(shí)施工道路的路面板材料，采用數(shù)值模擬的方式，明確得到UHPC的高強(qiáng)、高壽命的結(jié)果，其主要結(jié)論如下：

（1）本文設(shè)計(jì)的UHPC抗壓強(qiáng)度、抗彎拉強(qiáng)度、彈性模量相較于普通混凝土分別提至約206%、240%和120%。

（2）本文設(shè)計(jì)的普通水泥混凝土路面和UHPC路面板底彎拉應(yīng)力最大值均小于彎拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，滿足規(guī)范要求。

（3）與24 cm普通水泥混凝土路面板相比，14 cm和18 cm UHPC混凝土路面板疲勞壽命分別達(dá)到136倍和5 220倍，具有明顯的輕質(zhì)、高強(qiáng)、高壽命的特性。本文最終以14 cm作為裝配式UHPC混凝土路面板推薦厚度。

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