CA砂浆功能层水泥混凝土路面结构层应力分析

2017-04-26赵艳玲张兴梅刘永超

浙江交通职业技术学院学报 2017年4期

赵艳玲,张兴梅, 刘永超

(1.辽宁省交通规划设计院有限责任公司?公路养护技术研发中心，沈阳110111；2.重庆广播电视大学，重庆400052)

0 引言

水泥混凝土路面具有承载力高、温度稳定性好、扩散荷载能力强、养护费用低、抗滑性能好、设计使用年限长等优点[1]。然而，由于长期的重载车辆作用，层间过渡层的坏破，路面结构排水不良等原因，我国早期修建的水泥混凝土路面，使用寿命往往达不到设计使用年限就已严重破坏。研究认为混凝土面板的脱空、唧泥、断板等损坏，主要是由于基层未能提供可靠地支撑引起的。因此改善水泥混凝土面层与基层之间的不良支撑状况，对延长其使用寿命具有非常重要的意义。在面层与基层间设置中间层是一种行之有效的方法[2]。中间层可以防止水泥浆渗入到基层而形成薄弱的过渡层，使面层与基层的接触状态更接近连续接触，从而有效降低面板和基层的拉应力，防止水泥混凝土面板过早断裂破坏。此外，中间层还可以保护基层免受下渗雨水的冲刷。在我国常用的做法是，在基层表面做5～10 mm厚的沥青封层作为中间层[2]。而在德国、日本、比利时等国家常采用4～8 cm厚的沥青混凝土作为中间层，虽然设置沥青功能层增加了前期投入，但可有效保护基层免受侵蚀，可有效提高水泥混凝土路面的长期使用性能。在欧洲，比利时是铺设水泥混凝土路面最多的国家，其高速公路的50%左右是水泥混凝土路面，在面层和基层之间普遍设置了沥青混凝土中间层。但现有的层间功能层材料在工程实践应用中并未达到理想的效果。为此，做出一种新的尝试，在水泥混凝土面板和基层间设置一层水泥乳化沥青砂浆薄层，以构成一种新型的水泥混凝土路面结构。

水泥乳化沥青砂浆(以下简称CA砂浆)是一种由乳化沥青、水泥、细骨料、掺和料、水、铝粉及功能外加剂等多种原材料组成，经水泥水化硬化与沥青破乳胶结共同作用而形成的一种新型复合材料[3]。CA砂浆结合了水泥砂浆和沥青的特性，因而它既具有一定的强度，又具有一定的弹性，且自流平性好，可以对一些混凝土结构的变形损伤起到一定限度的修补作用[4]。本研究以期借助CA砂浆刚柔并济的材料特性，改善面层和基层的不良受力状况，同时防止层间过渡层的产生及破坏，保护基层免受冲刷，从而延缓水泥混凝土路面结构早期破坏。本文从力学角度出发，利用ABAQUS有限元软件建立静荷载作用下的路面结构三维有限元模型，对比分析设置CA砂浆功能层前后路面结构层所受荷载应力的变化，探讨CA砂浆功能层的作用。

1 水泥混凝土路面结构有限元计算模型

1.1 基本假设

采用ABAQUS有限元软件建立路面结构的三维有限元模型，对路面结构进行分析，对计算模型做了如下假设：

① 各结构层为均匀、连续和各向同性的弹性体；

② 采用弹性半空间地基，但在有限元分析中取有限尺寸；

③ 不考虑相邻板块间的相互作用；

④ 各层间竖向、水平位移均连续；

⑤ 不计结构自重影响。

利用有限元法研究路面结构的受力特点，要合理建立实体模型，表1给出了各结构层的具体物理参数，表2给出了CA砂浆功能层粘弹性参数。

表1 路面各结构层基本参数

表2 CA砂浆功能层粘弹性参数

1.2 模型尺寸

根据水泥混凝土路面设计规范对路面板尺寸的划分要求，本研究中取混凝土面板的平面尺寸为5m×4m，基础模型中板厚为26cm，功能层和基层平面不设超宽和面层尺寸相同，在基础模型中功能层厚度初步拟定为2cm，基层厚度为20cm。为反映无限大空间地基的特性，基础采用扩大尺寸来模拟，通过取基础不同尺寸进行收敛性分析，最后确定地基基础平面尺寸为7m×6m，基础深度为6m。模型如图1所示。

图1 路面结构模型图

1.3 荷载及边界条件

在水泥混凝土路面结构设计时，路面板产生最大应力时，所对应的荷载所在的作用位置称为临界荷位[2]。本文参考《公路水泥混凝土路面设计规范(JTG D40-2002)》，选取混凝土板的纵向边缘中部作为加载位置。并依照水泥混凝土路面设计规范，采用标准轴载(BZZ-100)进行加载。

为了便于分析，将规范中的圆形轮胎接触面等效转换成长方形接触面，转换后单个轮胎作用面积近似为0.213cm×0.167cm，两轮中心间距调整为0.3195m，两侧轮隙间距为1.8m[5]，并将转换后的荷载施加在路面纵向边缘中部，荷载的加载位置如图2所示，图中的A点表示轮迹中心点，B点表示轮系中心点。

图2 荷载的施加位置

本文对路基底面施加固定约束，即施加x、y、z方向的约束；对CA砂浆功能层、基层、路基的四个侧面施加水平方向的约束，即施加x、z方向的约束；水泥混凝土面板四边自由[6]。

1.4 单元类型及网格划分

路面各结构层均采用了C3D8R实体单元，单元网格划分时在面层施加荷载位置处一定范围内采取局部加密，基层、功能层和地基的网格划分在平面上与面层相同，使节点相互对应提高计算精度。

2 功能层对路面结构的受力影响分析

2.1 竖向位移对比分析

增设与不设CA砂浆功能层时路面结构的竖向变形云图，如图3、图4所示。从图3、图4可以看出，设了CA砂浆功能层后，路表最大弯沉值有所下降，对于半刚性基层路面最大弯沉值由0.4407mm下降为0.3715mm,下降了15.7%。由于水泥混凝土面板的刚度要远大于基层及土基的刚度，所以路表的弯沉主要来自于基层和土基的变形。设CA砂浆功能层后路表最大弯沉值降低，证明了CA砂浆功能层具有吸收和传递荷载，减小路面结构基层及基层以下部分所受荷载应力的作用，从而可以有效抑制基层塑性变形的发展。

图3 无功能层时路面弯沉云图

图4 增设功能层时路面弯沉云图

2.2 面层应力对比分析

增设与不设CA砂浆功能层时路面结构面层底最大主应力云图，如图5、图6所示，面层最大主应力值变化情况见表3。

图5 无功能层时面板底应力云图

图6 设功能层时面板底应力云图

荷载应力面层层底最大拉应力(MPa)面层最大压应力(MPa)不设功能层0.7150.3157设功能层0.14520.2564变化幅度-79.7%-22.2%

由图5、图6及表3可知，对于半刚性基层水泥混凝土路面结构，不设CA砂浆功能层时，面板底部在轮载作用位置、轮迹中心、轮系中心附近及非荷载作用侧的板边缘上均受拉应力的作用，且在板边缘轮载作用位置下受到的拉应力最大，其值为0.7154MPa，其它位置以受压为主，整个面板所受压应力的最大值为0.3157MPa；设CA砂浆功能层后面板底面应力重分布，轮载作用位置、轮迹中心附近转为受压，而包括轮系中心附近在内的板的其它位置都受拉，但拉应力却整体变小，在板边缘轮载作用位置的前后两侧拉应力最大，其值为0.1452MPa，而整个面板所受压应力的最大值为0.2654MPa，较不设CA砂浆功能层的路面结构最大拉应力、压应力分别降低了79.7%、22.2%。这是因为CA砂浆是由水泥砂浆和乳化沥青拌制而成的，其弹性模量在200～600MPa范围内(本文为465MPa)，远远小于水泥混凝土的弹性模量(约为31000MPa)，其模量比约为1∶66.67，明显起到了吸收荷载，分散受力的效果，同时对面层的约束减小，板底应力集中现象也得到改善。

2.3 基层应力对比分析

增设与不增设CA砂浆功能层时路面结构基层底最大主应力云图，如图7、图8所示，基层最大主应力值变化情况见表4。

图7 无功能层时基层底应力云图

图8 设功能层时基层底应力云图

荷载应力基层底最大拉应力(MPa)基层最大压应力(MPa)不设功能层0.18330.04430设功能层0.13090.005125变化幅度-28.6%-88.4%

由图7、图8及表4可知，对于半刚性基层水泥混凝土路面结构，不设CA砂浆功能层时基层底部在轮载作用位置，轮迹中心、轮系中心附近的区域受拉应力的作用，其中边缘荷载作用位置处所受拉应力最大，其值为0.1833MPa；设CA砂浆功能层后基层底部在轮载作用位置，轮迹中心、轮系中心附近的区域同样受拉应力的作用，但拉应力值整体降低，边缘荷载作用位置处所受拉应力同样最大，其却值下降为0.1309MPa，下降了28.6%，基层受到的压应力也下降，压应力的最大值由不设CA砂浆功能层时的0.04430MPa下降为0.005125MPa

下降了近88.4%。

设CA砂浆功能层后基层的受力状况明显得到改善，拉应力、压应力均下降，且压应力的降低幅度明显大于拉应力。可见，设置在基层与水泥混凝土面板之间的CA砂浆功能层具有应力吸收层功能，这是因为CA砂浆是刚柔复合型材料，其耗散荷载的能力强，荷载传到CA砂浆功能层后大部分被耗散掉了，使传到基层的荷载变小，由于基层所受压应力大大降低，基层塑性累积变形降低，层底脱空现象得到控制；加之柔性材料对基层的约束变小，所以基层受到的拉应力自然也变小，效果是延缓了基层裂缝的生成、抑制了反射裂缝的向上延伸。