玄武巖纖維格柵加筋水泥穩定碎石基層溫縮應變分析

倪武杰,邵景干,李文凱,黃運軍,王俊超

(1.河南省交通規劃設計研究院股份有限公司,河南 鄭州 450046;2.河南交院工程技術集團有限公司,河南 鄭州 450046;3.綠色高性能材料應用技術交通運輸行業研發中心,河南 鄭州 450046)

近年來關于水泥穩定碎石半剛性基層的研究中也發現了其耐久性差、早期裂縫多等諸多問題,裂縫的出現會增加后期反射裂縫病害產生的風險,反射裂縫不僅降低了整個路面結構的穩定性和完整性,造成結構層不連續,影響瀝青路面的整體使用功能,降低瀝青路面的使用年限。針對現有文獻研究成果進行了分析發現,反射裂縫主要由車輛軸載作用、溫縮應力作用以及兩者組合作用3種原因形成[1]?？紤]水泥穩定碎石基層施工邊界條件及應力作用情況通過數學模型分析路面結構層的應力、應變特性,形成的理論體系已廣泛應用到了工程實體當中[2]?；谟邢拊Ｐ屠碚?采用Paris公式及配套軟件對反射裂縫形成的機理與過程進行模擬,發現當瀝青面層厚度越大,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的時間及更多的車輛軸載作用[3]。通過研究發現水泥穩定碎石基層的裂縫最早會反射到瀝青膠漿與集料的界面處,且車輛軸載的損失率能夠作為抗反射裂縫出現的重要指標[4]?；谟邢拊Ｐ屠碚?采用軟件對瀝青面層的厚度、模量、面層底部拉應力開展研究,發現增加瀝青面層與封層的厚度能夠有效減小結構層之間的應力集中,延緩反射裂縫的出現[5]。

為抑制水泥穩定碎石基層反射裂縫的出現,道路工作者從原材料質量控制、配合比優化、鋪筑玻璃纖維格柵、設置層間應力吸收層等已進行了大量研究。本研究選用礦物玄武巖纖維格柵對水泥穩定碎石基層進行加筋,并以“三門峽黃河公鐵兩用橋公路南引橋及南引線工程”玄武巖纖維水泥穩定碎石半剛性基層施工項目為依托展開研究,開展玄武巖纖維格柵加筋路面水穩基層應變分析,為礦物玄武巖纖維格柵加筋半剛性基層技術在道路工程中的應用提供理論支撐。

1 玄武巖纖維格柵加筋設計

1.1 計算模型

本研究在半剛性水泥穩定碎石結構層間鋪筑玄武巖纖維格柵,參照“鋼筋混凝土”加筋理論進行應力計算[6-7]。模型在溫縮應力的作用下會產生收縮,玄武巖纖維格柵的鋪筑會限制結構層的開裂,假設模型的長度為S,玄武巖纖維格柵網孔尺寸為bG,格柵的厚度為hG。溫縮應力作用下玄武巖纖維格柵縱橫向受拉,因格柵網孔尺寸相同,可選取任意一根格柵作為基體進行模型理論分析,模型如圖1所示。

圖1 單根玄武巖纖維格柵模型

1.2 溫縮應變計算

1.2.1條件假設

相關文獻表明,水泥穩定碎石基層在溫縮應力作用下的尺寸可以忽略不計[8-9]。為簡化模型受力計算做出以下約定:不考慮玄武巖纖維格柵與水泥穩定碎石間的摩阻力,只考慮加筋作用;②溫縮應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定碎石之間緊密接觸,各向受力均勻。

1.2.2溫縮應變計算模型的建立

在圖2的模型中截取長度為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果

1.3 溫縮應變分析

由玄武巖纖維格柵加筋水泥穩定碎石基層在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,玄武巖纖維格柵加筋水泥穩定碎石基層的位移u是由自由位移及約束位移構成,即:

u=uc+αcΔTdx

(4)

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

(5)

同理,

二是在命題時，應加強對知識廣度和貫通度的考查，增加考試的靈活度.舉例來說，可以考慮初等數學中的數系、方程和不等式、函數等相關內容在高等代數、數學分析中的延伸；初等幾何中歐氏幾何體系在高等數學，如解析幾何、微分幾何、拓撲等內容的拓展[7]等，適當調整一些知識點所占比例，規避相似，如此選拔出高素養的人才，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定碎石基層之間的界面摩擦強度-拉拔位移呈線性變化,即玄武巖纖維格柵與水泥穩定碎石基層的摩阻力τs與位移s成正比:

τs=kss

(9)

根據式(9)可知τs=ks(uc-uG),故,

(10)

(11)

由模型邊界條件,代入該方程組,即可計算出玄武巖纖維格柵加筋水泥穩定碎石基層的應變。

2 玄武巖纖維格柵加筋路面水穩基層應變分析

本文依托“三門峽黃河公鐵兩用橋公路南引橋及南引線工程”來設計及鋪筑試驗路段,在相同溫度條件下對不同玄武巖纖維格柵鋪設層位的路段進行結構層內部應變數據的采集及分析,建議玄武巖纖維格柵鋪設層位、環境溫度與應變變化的關系,從而優選出玄武巖纖維最佳的鋪設層位。

2.1 玄武巖纖維格柵的鋪設方案

2.1.1項目背景

項目試驗路段位于豫晉陜三省交界地區,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,日照時間達2051.6 h,年均無霜期215 d,年平均氣溫14.2 ℃,年降雨量在400～700 mm。試驗段位于工程E匝道,與主線段相連接,且為直線路段,設計時速為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試驗結果的影響。

2.1.2試驗段路面結構組成

試驗路段屬于挖方路段,路基已完成施工且工程質量通過驗收,通過長期觀測路基沉降量已滿足要求,且路基材料及質量一致。試驗路段結構層從上至下依次為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厚的水泥穩定碎石上基層+18 cm厚的水泥穩定碎石下基層+18 cm厚的水泥穩定碎石底基層,其中短切玄武巖纖維的規格型號為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生溫縮應力,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個路段,長度均為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路段為對照組不鋪筑玄武巖纖維格柵。為準確采集溫度與應變數據,將溫度、應變光纖傳感器分別布設于3個試驗段基層的頂部及上基層的底部。

2.1.4數據采集設備及玄武巖纖維格柵

為保證采集數據的穩定性及可靠性,需選擇適用的應變光纖傳感器、應變采集儀、溫度傳感器及溫度采集儀,且在埋設過程中需對傳感器加以保護,避免后期施工及運營階段的車輛軸載對傳感器造成損害,影響數據采集的準確性。選用的應變光纖傳感器、應變采集儀由北京希卓信息技術有限公司生產,其型號為6419 光纖應變分布測試儀;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,其型號為LM-X型多路溫度測試儀。

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,并通過鉑銠合金漏板高速拉絲和表面處理,制備而成的連續纖維,因在整個生產過程中能夠達到零污染而成為21世紀名副其實的新型環保材料。而玄武巖纖維格柵是由纖維束通過紡織工藝制得。玄武巖纖維格柵能像鋼筋一樣承擔某些方向上的荷載作用,同時有效抑制結構層裂縫向下或向上反射、延伸,能較大程度地提高結構的整體受拉、抗彎性能,減少路面結構裂縫出現,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,主要技術指標如表1所示。

表1 玄武巖纖維格柵主要技術指標要求

2.2 傳感器的埋設及玄武巖纖維格柵的鋪筑

2.2.1傳感器的埋設

A、B、C3個試驗路段均埋設應變傳感器,僅在A試驗路段埋設溫度傳感器,溫度數據采集結果供A、B、C3個試驗路段使用,水穩基層下基層及上基層施工碾壓成型后分別埋設應變傳感器及溫度傳感器。埋設應變傳感器的要求:分別在上下基層頂面中線位置對稱埋設6個傳感器,傳感器的間距為20 cm,埋設時的開槽寬度為5 cm,深度為3 cm,清除槽內殘渣,傳感器埋設后用水泥凈漿回填;埋設溫度傳感器的要求:在A試驗段上下基層頂面中線斷面處各埋設一個溫度傳感器,然后延中線對稱埋設另外兩個溫度傳感器,間距為60 cm,上基層頂面3個溫度傳感器斷面分別為P1、P2、P3,下基層頂面3個溫度傳感器斷面分別為F1、F2、F3,埋設時的開槽寬度為5 cm,深度為3 cm,清除槽內殘渣,傳感器埋設后用水泥凈漿回填。埋設后的應變傳感器和溫度傳感器分別與應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

水泥穩定碎石碾壓成型及應變傳感器、溫度傳感器埋設完成后立即分別在A試驗路段的上基層頂面及B試驗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程中應注意以下細節:①鋪筑前應保證鋪筑面平整、清潔;②格柵應避免起皺,單卷鋪設寬度10 m,嚴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保證鋪筑質量,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 現場應變試驗結果分析

2.3.1A試驗段溫度數據采集結果

溫縮是水泥穩定碎石基層產生裂縫的主要原因之一。在A試驗段上基層的頂部及下基層頂部開展為期一年的溫度數據采集,采集時間為2022年2、4、6、8、10和12月,為消除溫差帶來的影響,數據采集集中在12:00～15:00。溫度數據采集結果分別如圖3、圖4所示。

圖4 下基層頂面溫度采集結果

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,且整體表現出“大氣溫度>上基層頂面溫度>下基層頂面溫度”的趨勢;8月～12月上下基層頂面及大氣溫度均逐漸降低,11月之前整體表現出“大氣溫度>上基層頂面溫度>下基層頂面溫度”的趨勢,12月份整體表現出下“基層頂面溫度>上基層頂面溫度>大氣溫度的趨勢”。

2.3.2應變數據采集及分析

在A試驗路段溫度數據采集的同時進行A、B、C試驗段上下基層頂面應變數據的采集,不同月份應變數據采集結果分別如圖5～圖10所示。

圖5 A試驗段上基層頂面應變采集結果

圖6 A試驗段下基層頂面應變采集結果

圖7 B試驗段上基層頂面應變采集結果

圖8 B試驗段下基層頂面應變采集結果

圖9 C試驗段上基層頂面應變采集結果

圖10 C試驗段下基層頂面應變采集結果

由圖5～圖10可知,隨著溫度的升高,A、B、C 3個試驗路段的應變均呈現增大的趨勢,8月溫度最高的月份應變最大,12月溫度最低的月份應變最小;相同采集月份時,A、B2個鋪筑玄武巖纖維格柵的試驗路段的上下基層頂面應變均顯著小于未鋪筑玄武巖纖維格柵的C試驗路段,表明玄武巖纖維格柵的鋪筑能夠有效降低水穩基層的溫縮應變,減少基層的開裂。玄武巖纖維格柵的鋪筑能夠有效降低水穩基層內部的應力,降低結構層開裂的風險,這主要因為玄武巖纖維格柵鋪筑于結構層中能夠起到加緊的效果,提高了水穩基層的整體性。12月溫度最低的月份,未鋪筑玄武巖纖維格柵的C試驗路段上基層應變高達10 200 με左右,下基層應變高達9 500 με左右,此時半剛性水穩基層處于收縮狀態,水穩基層結構層內部存在較大的拉應力,水穩基層因溫縮應力存在較大的開裂風險;A試驗路段玄武巖纖維格柵鋪筑于上基層頂面,B試驗路段玄武巖纖維格柵鋪筑于下基層頂面,而A試驗路段上基層頂面的應變略高于B試驗路段下基層頂面的應變,A試驗路段下基層頂面的應變略高于B試驗路段上基層頂面的應變,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構層內部的拉應力,從而降低結構層內部的拉應變。

3 結語

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

(2)溫度較低的季節未鋪筑玄武巖纖維格柵的C試驗路段基層內部存在較大的拉應力,水泥穩定碎石基層因溫縮應力存在較大的開裂風險;

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