玄武巖纖維格柵加筋水泥穩(wěn)定碎石基層溫縮應(yīng)變分析

倪武杰,邵景干,李文凱,黃運(yùn)軍,王俊超

(1.河南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司,河南 鄭州 450046;2.河南交院工程技術(shù)集團(tuán)有限公司,河南 鄭州 450046;3.綠色高性能材料應(yīng)用技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心,河南 鄭州 450046)

近年來(lái)關(guān)于水泥穩(wěn)定碎石半剛性基層的研究中也發(fā)現(xiàn)了其耐久性差、早期裂縫多等諸多問(wèn)題,裂縫的出現(xiàn)會(huì)增加后期反射裂縫病害產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn),反射裂縫不僅降低了整個(gè)路面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和完整性,造成結(jié)構(gòu)層不連續(xù),影響瀝青路面的整體使用功能,降低瀝青路面的使用年限。針對(duì)現(xiàn)有文獻(xiàn)研究成果進(jìn)行了分析發(fā)現(xiàn),反射裂縫主要由車(chē)輛軸載作用、溫縮應(yīng)力作用以及兩者組合作用3種原因形成[1]?？紤]水泥穩(wěn)定碎石基層施工邊界條件及應(yīng)力作用情況通過(guò)數(shù)學(xué)模型分析路面結(jié)構(gòu)層的應(yīng)力、應(yīng)變特性,形成的理論體系已廣泛應(yīng)用到了工程實(shí)體當(dāng)中[2]?；谟邢拊Ｐ屠碚?采用Paris公式及配套軟件對(duì)反射裂縫形成的機(jī)理與過(guò)程進(jìn)行模擬,發(fā)現(xiàn)當(dāng)瀝青面層厚度越大,基層彈性模量越小,瀝青路面的耐疲勞性能越好,裂縫反射到路表需要更長(zhǎng)的時(shí)間及更多的車(chē)輛軸載作用[3]。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)水泥穩(wěn)定碎石基層的裂縫最早會(huì)反射到瀝青膠漿與集料的界面處,且車(chē)輛軸載的損失率能夠作為抗反射裂縫出現(xiàn)的重要指標(biāo)[4]?；谟邢拊Ｐ屠碚?采用軟件對(duì)瀝青面層的厚度、模量、面層底部拉應(yīng)力開(kāi)展研究,發(fā)現(xiàn)增加瀝青面層與封層的厚度能夠有效減小結(jié)構(gòu)層之間的應(yīng)力集中,延緩反射裂縫的出現(xiàn)[5]。

為抑制水泥穩(wěn)定碎石基層反射裂縫的出現(xiàn),道路工作者從原材料質(zhì)量控制、配合比優(yōu)化、鋪筑玻璃纖維格柵、設(shè)置層間應(yīng)力吸收層等已進(jìn)行了大量研究。本研究選用礦物玄武巖纖維格柵對(duì)水泥穩(wěn)定碎石基層進(jìn)行加筋,并以“三門(mén)峽黃河公鐵兩用橋公路南引橋及南引線(xiàn)工程”玄武巖纖維水泥穩(wěn)定碎石半剛性基層施工項(xiàng)目為依托展開(kāi)研究,開(kāi)展玄武巖纖維格柵加筋路面水穩(wěn)基層應(yīng)變分析,為礦物玄武巖纖維格柵加筋半剛性基層技術(shù)在道路工程中的應(yīng)用提供理論支撐。

1 玄武巖纖維格柵加筋設(shè)計(jì)

1.1 計(jì)算模型

本研究在半剛性水泥穩(wěn)定碎石結(jié)構(gòu)層間鋪筑玄武巖纖維格柵,參照“鋼筋混凝土”加筋理論進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算[6-7]。模型在溫縮應(yīng)力的作用下會(huì)產(chǎn)生收縮,玄武巖纖維格柵的鋪筑會(huì)限制結(jié)構(gòu)層的開(kāi)裂,假設(shè)模型的長(zhǎng)度為S,玄武巖纖維格柵網(wǎng)孔尺寸為bG,格柵的厚度為hG。溫縮應(yīng)力作用下玄武巖纖維格柵縱橫向受拉,因格柵網(wǎng)孔尺寸相同,可選取任意一根格柵作為基體進(jìn)行模型理論分析,模型如圖1所示。

圖1 單根玄武巖纖維格柵模型

1.2 溫縮應(yīng)變計(jì)算

1.2.1條件假設(shè)

相關(guān)文獻(xiàn)表明,水泥穩(wěn)定碎石基層在溫縮應(yīng)力作用下的尺寸可以忽略不計(jì)[8-9]。為簡(jiǎn)化模型受力計(jì)算做出以下約定:不考慮玄武巖纖維格柵與水泥穩(wěn)定碎石間的摩阻力,只考慮加筋作用;②溫縮應(yīng)力在任何一斷面處的變化均勻一致;③不考慮材料的自重;④玄武巖纖維格柵與水泥穩(wěn)定碎石之間緊密接觸,各向受力均勻。

1.2.2溫縮應(yīng)變計(jì)算模型的建立

在圖2的模型中截取長(zhǎng)度為dx作為微分單元體,如圖3所示。單元體體積VC,高度hC,截面積AC,寬度bC,模量EC;格柵體積VG,高度hG,截面積AG,寬度為bG,模量EG,玄武巖纖維格柵與水泥穩(wěn)定碎石基層間的摩阻力τS。

圖2 微分單元體受力模型

圖3 上基層頂面溫度采集結(jié)果

1.3 溫縮應(yīng)變分析

由玄武巖纖維格柵加筋水泥穩(wěn)定碎石基層在X方向上的受力平衡ΣFx=0得:

AC(σC+dσc-σc)-bGdxτs=0

(1)

整理后:

(2)

同理,由玄武巖纖維格柵在X方向上的受力平衡ΣFx=0得:

(3)

溫度變化時(shí),玄武巖纖維格柵加筋水泥穩(wěn)定碎石基層的位移u是由自由位移及約束位移構(gòu)成,即:

u=uc+αcΔTdx

(4)

式中:u為水泥穩(wěn)定碎石基層的位移;uc為水泥穩(wěn)定碎石基層的約束位移;αc為溫縮系數(shù);ΔT為水泥穩(wěn)定碎石基層頂面降溫值。

(5)

同理,

二是在命題時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)知識(shí)廣度和貫通度的考查，增加考試的靈活度.舉例來(lái)說(shuō)，可以考慮初等數(shù)學(xué)中的數(shù)系、方程和不等式、函數(shù)等相關(guān)內(nèi)容在高等代數(shù)、數(shù)學(xué)分析中的延伸；初等幾何中歐氏幾何體系在高等數(shù)學(xué)，如解析幾何、微分幾何、拓?fù)涞葍?nèi)容的拓展[7]等，適當(dāng)調(diào)整一些知識(shí)點(diǎn)所占比例，規(guī)避相似，如此選拔出高素養(yǎng)的人才，而非某種程度上記憶或者背誦的“高手”.

(6)

代入式(2)、式(3),得:

(7)

(8)

玄武巖纖維格柵被完全拔出前,玄武巖纖維格柵與水泥穩(wěn)定碎石基層之間的界面摩擦強(qiáng)度-拉拔位移呈線(xiàn)性變化,即玄武巖纖維格柵與水泥穩(wěn)定碎石基層的摩阻力τs與位移s成正比:

τs=kss

(9)

根據(jù)式(9)可知τs=ks(uc-uG),故,

(10)

(11)

由模型邊界條件,代入該方程組,即可計(jì)算出玄武巖纖維格柵加筋水泥穩(wěn)定碎石基層的應(yīng)變。

2 玄武巖纖維格柵加筋路面水穩(wěn)基層應(yīng)變分析

本文依托“三門(mén)峽黃河公鐵兩用橋公路南引橋及南引線(xiàn)工程”來(lái)設(shè)計(jì)及鋪筑試驗(yàn)路段,在相同溫度條件下對(duì)不同玄武巖纖維格柵鋪設(shè)層位的路段進(jìn)行結(jié)構(gòu)層內(nèi)部應(yīng)變數(shù)據(jù)的采集及分析,建議玄武巖纖維格柵鋪設(shè)層位、環(huán)境溫度與應(yīng)變變化的關(guān)系,從而優(yōu)選出玄武巖纖維最佳的鋪設(shè)層位。

2.1 玄武巖纖維格柵的鋪設(shè)方案

2.1.1項(xiàng)目背景

項(xiàng)目試驗(yàn)路段位于豫晉陜?nèi)〗唤绲貐^(qū),地形以丘陵、山地及黃土塬為主,屬于溫帶半干旱性氣候。這里四季分明,日照時(shí)間達(dá)2051.6 h,年均無(wú)霜期215 d,年平均氣溫14.2 ℃,年降雨量在400～700 mm。試驗(yàn)段位于工程E匝道,與主線(xiàn)段相連接,且為直線(xiàn)路段,設(shè)計(jì)時(shí)速為60 km/h,該路段路基條件基本相同、縱坡較小,可有效控制其他因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。

2.1.2試驗(yàn)段路面結(jié)構(gòu)組成

試驗(yàn)路段屬于挖方路段,路基已完成施工且工程質(zhì)量通過(guò)驗(yàn)收,通過(guò)長(zhǎng)期觀(guān)測(cè)路基沉降量已滿(mǎn)足要求,且路基材料及質(zhì)量一致。試驗(yàn)路段結(jié)構(gòu)層從上至下依次為4 cm厚的短切玄武巖纖維AC-13C瀝青混合料+8 cm厚的短切玄武巖纖維AC-20C瀝青混合料+短切玄武巖纖維同步碎石封層+18 cm厚的水泥穩(wěn)定碎石上基層+18 cm厚的水泥穩(wěn)定碎石下基層+18 cm厚的水泥穩(wěn)定碎石底基層,其中短切玄武巖纖維的規(guī)格型號(hào)為BF(6 mm～17 μm)。

玄武巖纖維格柵在半剛性基層中因受到溫度的變化而產(chǎn)生溫縮應(yīng)力,為探究玄武巖纖維格柵在不同層位中的受力特性,在E匝道上選取A、B、C3個(gè)路段,長(zhǎng)度均為50 m,A路段玄武巖纖維格柵鋪筑于基層頂部,B路段玄武巖纖維格柵鋪筑于上基層與下基層層間、C路段為對(duì)照組不鋪筑玄武巖纖維格柵。為準(zhǔn)確采集溫度與應(yīng)變數(shù)據(jù),將溫度、應(yīng)變光纖傳感器分別布設(shè)于3個(gè)試驗(yàn)段基層的頂部及上基層的底部。

2.1.4數(shù)據(jù)采集設(shè)備及玄武巖纖維格柵

為保證采集數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性及可靠性,需選擇適用的應(yīng)變光纖傳感器、應(yīng)變采集儀、溫度傳感器及溫度采集儀,且在埋設(shè)過(guò)程中需對(duì)傳感器加以保護(hù),避免后期施工及運(yùn)營(yíng)階段的車(chē)輛軸載對(duì)傳感器造成損害,影響數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性。選用的應(yīng)變光纖傳感器、應(yīng)變采集儀由北京希卓信息技術(shù)有限公司生產(chǎn),其型號(hào)為6419 光纖應(yīng)變分布測(cè)試儀;溫度傳感器、溫度采集儀由深圳市浩興林電子有限公司生產(chǎn),其型號(hào)為L(zhǎng)M-X型多路溫度測(cè)試儀。

玄武巖纖維是將天然玄武巖單一礦石在1 450～1 500 ℃高溫下熔融,并通過(guò)鉑銠合金漏板高速拉絲和表面處理,制備而成的連續(xù)纖維,因在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中能夠達(dá)到零污染而成為21世紀(jì)名副其實(shí)的新型環(huán)保材料。而玄武巖纖維格柵是由纖維束通過(guò)紡織工藝制得。玄武巖纖維格柵能像鋼筋一樣承擔(dān)某些方向上的荷載作用,同時(shí)有效抑制結(jié)構(gòu)層裂縫向下或向上反射、延伸,能較大程度地提高結(jié)構(gòu)的整體受拉、抗彎性能,減少路面結(jié)構(gòu)裂縫出現(xiàn),改善瀝青路面整體路用性能。本文選用的玄武巖纖維格柵由鄭州登電玄武石纖有限公司生產(chǎn),主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 玄武巖纖維格柵主要技術(shù)指標(biāo)要求

2.2 傳感器的埋設(shè)及玄武巖纖維格柵的鋪筑

2.2.1傳感器的埋設(shè)

A、B、C3個(gè)試驗(yàn)路段均埋設(shè)應(yīng)變傳感器,僅在A試驗(yàn)路段埋設(shè)溫度傳感器,溫度數(shù)據(jù)采集結(jié)果供A、B、C3個(gè)試驗(yàn)路段使用,水穩(wěn)基層下基層及上基層施工碾壓成型后分別埋設(shè)應(yīng)變傳感器及溫度傳感器。埋設(shè)應(yīng)變傳感器的要求:分別在上下基層頂面中線(xiàn)位置對(duì)稱(chēng)埋設(shè)6個(gè)傳感器,傳感器的間距為20 cm,埋設(shè)時(shí)的開(kāi)槽寬度為5 cm,深度為3 cm,清除槽內(nèi)殘?jiān)?傳感器埋設(shè)后用水泥凈漿回填;埋設(shè)溫度傳感器的要求:在A試驗(yàn)段上下基層頂面中線(xiàn)斷面處各埋設(shè)一個(gè)溫度傳感器,然后延中線(xiàn)對(duì)稱(chēng)埋設(shè)另外兩個(gè)溫度傳感器,間距為60 cm,上基層頂面3個(gè)溫度傳感器斷面分別為P1、P2、P3,下基層頂面3個(gè)溫度傳感器斷面分別為F1、F2、F3,埋設(shè)時(shí)的開(kāi)槽寬度為5 cm,深度為3 cm,清除槽內(nèi)殘?jiān)?傳感器埋設(shè)后用水泥凈漿回填。埋設(shè)后的應(yīng)變傳感器和溫度傳感器分別與應(yīng)變采集儀及溫度采集儀相連接。

2.2.2玄武巖纖維格柵的鋪筑

水泥穩(wěn)定碎石碾壓成型及應(yīng)變傳感器、溫度傳感器埋設(shè)完成后立即分別在A試驗(yàn)路段的上基層頂面及B試驗(yàn)路段的下基層頂面鋪筑玄武巖纖維格柵。玄武巖纖維格柵鋪筑過(guò)程中應(yīng)注意以下細(xì)節(jié):①鋪筑前應(yīng)保證鋪筑面平整、清潔;②格柵應(yīng)避免起皺,單卷鋪設(shè)寬度10 m,嚴(yán)禁在同一橫斷面上橫向搭接,縱橫向搭接寬度不易小于10 cm;③選用人工鋪筑的方法來(lái)保證鋪筑質(zhì)量,鋪筑后的格柵用鋼釘固定在路表,從而保證格柵緊貼下承層;④鋪筑完成后盡快攤鋪上承層以防止格柵受到污染和破壞。

2.3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)變?cè)囼?yàn)結(jié)果分析

2.3.1A試驗(yàn)段溫度數(shù)據(jù)采集結(jié)果

溫縮是水泥穩(wěn)定碎石基層產(chǎn)生裂縫的主要原因之一。在A試驗(yàn)段上基層的頂部及下基層頂部開(kāi)展為期一年的溫度數(shù)據(jù)采集,采集時(shí)間為2022年2、4、6、8、10和12月,為消除溫差帶來(lái)的影響,數(shù)據(jù)采集集中在12:00～15:00。溫度數(shù)據(jù)采集結(jié)果分別如圖3、圖4所示。

圖4 下基層頂面溫度采集結(jié)果

由圖3、圖4可知,2月～8月上下基層頂面及大氣溫度均逐漸升高,且整體表現(xiàn)出“大氣溫度>上基層頂面溫度>下基層頂面溫度”的趨勢(shì);8月～12月上下基層頂面及大氣溫度均逐漸降低,11月之前整體表現(xiàn)出“大氣溫度>上基層頂面溫度>下基層頂面溫度”的趨勢(shì),12月份整體表現(xiàn)出下“基層頂面溫度>上基層頂面溫度>大氣溫度的趨勢(shì)”。

2.3.2應(yīng)變數(shù)據(jù)采集及分析

在A試驗(yàn)路段溫度數(shù)據(jù)采集的同時(shí)進(jìn)行A、B、C試驗(yàn)段上下基層頂面應(yīng)變數(shù)據(jù)的采集,不同月份應(yīng)變數(shù)據(jù)采集結(jié)果分別如圖5～圖10所示。

圖5 A試驗(yàn)段上基層頂面應(yīng)變采集結(jié)果

圖6 A試驗(yàn)段下基層頂面應(yīng)變采集結(jié)果

圖7 B試驗(yàn)段上基層頂面應(yīng)變采集結(jié)果

圖8 B試驗(yàn)段下基層頂面應(yīng)變采集結(jié)果

圖9 C試驗(yàn)段上基層頂面應(yīng)變采集結(jié)果

圖10 C試驗(yàn)段下基層頂面應(yīng)變采集結(jié)果

由圖5～圖10可知,隨著溫度的升高,A、B、C 3個(gè)試驗(yàn)路段的應(yīng)變均呈現(xiàn)增大的趨勢(shì),8月溫度最高的月份應(yīng)變最大,12月溫度最低的月份應(yīng)變最小;相同采集月份時(shí),A、B2個(gè)鋪筑玄武巖纖維格柵的試驗(yàn)路段的上下基層頂面應(yīng)變均顯著小于未鋪筑玄武巖纖維格柵的C試驗(yàn)路段,表明玄武巖纖維格柵的鋪筑能夠有效降低水穩(wěn)基層的溫縮應(yīng)變,減少基層的開(kāi)裂。玄武巖纖維格柵的鋪筑能夠有效降低水穩(wěn)基層內(nèi)部的應(yīng)力,降低結(jié)構(gòu)層開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn),這主要因?yàn)樾鋷r纖維格柵鋪筑于結(jié)構(gòu)層中能夠起到加緊的效果,提高了水穩(wěn)基層的整體性。12月溫度最低的月份,未鋪筑玄武巖纖維格柵的C試驗(yàn)路段上基層應(yīng)變高達(dá)10 200 με左右,下基層應(yīng)變高達(dá)9 500 με左右,此時(shí)半剛性水穩(wěn)基層處于收縮狀態(tài),水穩(wěn)基層結(jié)構(gòu)層內(nèi)部存在較大的拉應(yīng)力,水穩(wěn)基層因溫縮應(yīng)力存在較大的開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn);A試驗(yàn)路段玄武巖纖維格柵鋪筑于上基層頂面,B試驗(yàn)路段玄武巖纖維格柵鋪筑于下基層頂面,而A試驗(yàn)路段上基層頂面的應(yīng)變略高于B試驗(yàn)路段下基層頂面的應(yīng)變,A試驗(yàn)路段下基層頂面的應(yīng)變略高于B試驗(yàn)路段上基層頂面的應(yīng)變,表明玄武巖纖維格柵鋪筑于上下基層之間更有助于抵消結(jié)構(gòu)層內(nèi)部的拉應(yīng)力,從而降低結(jié)構(gòu)層內(nèi)部的拉應(yīng)變。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)隨著溫度的升高,A、B、C3個(gè)試驗(yàn)路段的應(yīng)變均呈現(xiàn)增大的趨勢(shì),8月溫度最高的月份應(yīng)變最大,12月溫度最低的月份應(yīng)變最小;相同采集月份時(shí),A、B2個(gè)鋪筑玄武巖纖維格柵的試驗(yàn)路段的上下基層頂面應(yīng)變均顯著小于未鋪筑玄武巖纖維格柵的C試驗(yàn)路段;

(2)溫度較低的季節(jié)未鋪筑玄武巖纖維格柵的C試驗(yàn)路段基層內(nèi)部存在較大的拉應(yīng)力,水泥穩(wěn)定碎石基層因溫縮應(yīng)力存在較大的開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn);

(3)A試驗(yàn)路段上基層頂面的應(yīng)變略高于B試驗(yàn)路段下基層頂面的應(yīng)變,A試驗(yàn)路段下基層頂面的應(yīng)變略高于B試驗(yàn)路段上基層頂面的應(yīng)變,表明玄武巖纖維格柵鋪筑于上下基層之間對(duì)水泥穩(wěn)定碎石基層的加筋效果最佳。