大孔隙聚合物改性水泥混凝土路面基层结构受力分析

大孔隙聚合物改性水泥混凝土路面基层结构受力分析

□文 /丁良跃

作为一种新型路面基层，大孔隙聚合物改性水泥混凝土基层能够降低沥青路面厚度，延长路面使用寿命，降低公路建设和养护成本，提高路面的使用质量，但其力学作用机理尚不明确。文章基于弹性层状体系理论的BISAR程序对以该结构为基层的沥青路面基面层进行力学分析，研究在不同车辆荷载、不同的PCPB厚度、不同荷载作用位置等因素下，路面各结构层的应力应变情况并与以往半刚性基层做出比较，从而得出该结构在减少裂缝、延长路面使用寿命和质量方面的作用机理;应用ANSYS有限元分析方法，验证车辆荷载作用下PCPB作为路面基层对沥青面层的力学响应;最后通过正交试验，确定PCPB的最佳结构组合形式。

大孔隙；聚合物；改性水泥混凝土；基层；结构；受力

大孔隙聚合物改性水泥混凝土路面基层（以下简称“PCPB”），是由单一粒径、均匀颗粒的集料与聚合物改性水泥结合后形成的一种具有稳定结构的排水式（透水性好）混凝土结构体系。作为路面基层，该结构可以有效减少由于干缩和温缩等导致的沥青路面裂缝，同时该结构较以往其他路面基层结构具有强度高，荷载作用下应力、应变小等特点。

大孔隙水泥混凝土基层具有良好的力学性能并已在一些工程实践中得到了很好的应用，但其力学作用机理还不是很明确。本文是以PCPB在HB-LZ高速公路工程中的实际应用为背景，研究其力学性能与结构组成变化之间的对应关系，从而确定PCPB在优化路面结构组合、延长路面使用寿命、提高路面使用质量方面的优越性。

1 结构模型

对比普通半刚性基层路面与PCPB路面的结构受力情况，在HB-LZ高速公路工程中，原设计采用的普通路面结构与对比试验采用的PCPB路面结构，见图1和图2。

对比图1和图2可以发现，PCPB路面的厚度要小于普通半刚性路面，这就节省了建设成本并简化了施工程序。

2 力学分析

2.1 PCPB模量变化下的应力应变

在混凝土中加入改性聚合物，会对混凝土的模量值有很大影响，所以研究模量变化下路面结构的应力应变情况也间接地反映了聚合物的加入对路面强度的影响。

计算发现，改变PCPB模量对基层的层底弯拉应力和剪应力有一定的影响，见图3。但对面层影响不大，只是对面层层底的弯拉应变有一定的影响，见图4。

由图3可以发现，在基层弹性模量从8000～12000 MPa变化的过程中，弯拉应力最小为0.647MPa，最大为0.676MPa，增加了4.4%，可见随着聚合物改性剂的掺入对水泥混凝土的强度有很大影响的同时，对荷载作用下弯拉应力的变化影响不大，所以增加聚合物改性剂可以有效地增加混凝土的强度模量而不会造成路面内过大的应力。而由图4可见，面层和基层的应变值随着模量的增加都呈减小的趋势，面层表现为压应变，基层表现为拉应变。面层的压应变减小了69%，基层的拉应变和剪应变分别减小了30.5%和30.4%，可见模量的改变对应变的影响还是相当明显的。综合考虑图3和图4可以得出结论：PCPB弹性模量的变化对应力影响不大，而对于应变的减小却表现出很大的影响。通过基层模量的改变可以消除过大的应变，同时又不会造成应力增加过大，有很好的效果。

2.2 聚合物对强度的影响

为更好地说明聚合物对强度的影响，选取3种不同粒径的混凝土进行力学分析，研究在不同的W/(C+P)下，水泥混凝土的强度变化趋势，从而得出改性剂在改善结构力学性能方面的作用。

2.3 PCPB与普通路面基层厚度变化下的应力应变

基层厚度的增加可以有效地分散荷载应力的作用范围和密度，因此，基层厚度会对路面各结构层受力产生一定的影响。图7和图8给出了PCPB和半刚性基层路面应力随基层厚度的变化曲线。

面层层底的弯拉应力反映了车辆荷载作用下基层对于面层的力学响应。由图7可知，在基层厚度变化的情况下，PCPB与普通混凝土的面层层底弯拉应力都会减小，但PCPB减小的趋势更加明显，在厚度由20cm增加到40cm的过程中，PCPB的面层层底弯拉应力减少了23%，而普通混凝土的面层层底弯拉应力减少了12%。由图8可知，随着基层厚度的增加，普通混凝土基层的剪应力减小了42%，而PCPB的基层剪应力减小了60%；可见对于PCPB路面结构，适当的增加基层的厚度可以对剪应力的增大起到很好地抑制作用。

2.4 PCPB和普通路面结构的应力应变与行车荷载的关系

路面在使用过程中，主要是承受车辆荷载的作用。因此，要分析路面结构的力学路用性能，主要是分析车辆荷载作用下路面内的应力应变随荷载的变化情况,见表1。

表1 荷载作用下路面基面层层底的应力应变

由表1可知，对于PCPB结构，随着车辆荷载的增加，面层层底和基层层底的弯拉应力和剪应力都呈较大的增长趋势。由于此次计算对应的PCPB的厚度为30cm，随着基层厚度的增加，面层层底的弯拉应力会减小，所以可以适当的增加基层的厚度。随着荷载的增加，PCPB的面层层底弯拉应力较小且变化不明显，但面层的剪应变变化比较大。对于基层层底，PCPB较普通混凝土的路面结构具有较小的应变值和变化趋势。比较基层和面层的应变应力比可以发现，对于PCPB类路面，面层的拉应力/拉应变值为0.178，基层的拉应力/拉应变值为0.108，而对于普通混凝土基层的路面面层的拉应力/拉应变值为0.0158，基层的拉应力/拉应变值为0.012。可见，在满足层底容许弯拉应力的前提下，PCPB类路面具有更好的应力应变比，即在同等应力值下具有更小的应变。

3 结论

1）大孔隙结构面层厚度小于以往结构组合，这样不仅可以有效利用资源、做到保护环境、可持续发展，而且可以大大减少工程造价、节省开支。

2）对于PCPB基层的合理厚度为45cm。

3）通过对PCPB进行力学分析发现，PCPB较以往传统的普通混凝土基层具有良好的力学性能。

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U416.214

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1008-3197（2012）03-44-03

2011-11-25

丁良跃/男，1981年出生，工程师，学士，上海市城市建设设计研究院天津分院，从事道路设计工作。