底部槽形預(yù)制塊構(gòu)造形式與力學(xué)性能研究*

魏勝國 李月光 周冰清 王 恒 徐 文 張 愷

(中交二公局第三工程有限公司1) 西安 710046) (武漢理工大學(xué)交通學(xué)院2) 武漢 430063) (江西省交通科學(xué)研究院3) 南昌 330200)

0 引 言

預(yù)制塊路面的面層是由高強(qiáng)度、高精度的水泥混凝土預(yù)制塊緊密排列、互相嵌擠形成的，塊間填筑接縫砂，預(yù)制塊面層下鋪設(shè)有一層砂墊層.預(yù)制塊一般分為普通型和聯(lián)鎖型兩種[1].在農(nóng)村公路、城市道路、高填方地區(qū)、軟基路段等場合[2-4]應(yīng)用時(shí)多為普通型預(yù)制塊路面，在大型港口、碼頭、堆場等場合[5]應(yīng)用時(shí)多為高強(qiáng)度聯(lián)鎖型預(yù)制塊路面.

國內(nèi)外對于預(yù)制塊路面的研究主要集中在研究預(yù)制塊路面整體性能.Knapton等[6]進(jìn)行了剛性基礎(chǔ)上的承載板試驗(yàn)和進(jìn)一步的現(xiàn)場足尺試驗(yàn)；Shackel[7]進(jìn)行了柔性基礎(chǔ)上的室內(nèi)承載板試驗(yàn)；Sharp等[8]用道路模擬車進(jìn)行了足尺預(yù)制塊路面的快速行車試驗(yàn)；Miura等[9]為研究預(yù)制塊路面的力學(xué)性能和能否采用CBR方法設(shè)計(jì)預(yù)制塊路面，進(jìn)行了足尺試驗(yàn)；孫立軍[10]進(jìn)行了兩次室內(nèi)承載試驗(yàn)和兩次現(xiàn)場承載試驗(yàn)對混凝土預(yù)制塊路面的承載特性和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了研究；王火明[11]進(jìn)行了相關(guān)的室內(nèi)承載板試驗(yàn)和環(huán)道試驗(yàn)研究，提出了永久變形預(yù)估模型.

預(yù)制塊面層在荷載作用下，塊體之間相互擠壓，會形成“嵌擠”效應(yīng)，提高了路面結(jié)構(gòu)的承載力.預(yù)制塊面層下面的砂墊層一般起到調(diào)平、擴(kuò)散荷載的作用，砂墊層還能避免預(yù)制塊與基層直接接觸出現(xiàn)應(yīng)力集中.因此，研究砂墊層與預(yù)制塊面層之間的作用關(guān)系十分重要.目前國內(nèi)外預(yù)制塊路面所使用的預(yù)制塊底面大多是平的，與砂墊層之間的摩阻力較小，在車輛荷載的反復(fù)作用下，容易出現(xiàn)接縫砂流失，塊體松散的情況，進(jìn)而影響到預(yù)制塊路面的使用性能.底部槽形預(yù)制塊由于底部開槽的特殊構(gòu)造，在預(yù)制塊面層震動壓實(shí)后，墊層砂能夠填進(jìn)預(yù)制塊底部的凹槽中，與預(yù)制塊面層有更好的接觸，從而提供更大的水平摩阻力，使這種嵌擠作用更牢固，改善路面性能.

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

預(yù)制塊的力學(xué)性能一般用抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度來表示，也有用劈裂抗拉強(qiáng)度來表示.文獻(xiàn)[12]將預(yù)制塊分為抗壓強(qiáng)度Cc40，Cc50，Cc60三個(gè)等級，抗折強(qiáng)度Cf4，Cf5，Cf6三個(gè)等級.試驗(yàn)選用抗壓強(qiáng)度Cc50等級，抗折強(qiáng)度Cf5等級，底部槽形預(yù)制塊的抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度的試驗(yàn)方法與普通預(yù)制塊相同.此外，還選用了無垂直加載和有5 kN荷載垂直加載兩種工況進(jìn)行水平摩阻力試驗(yàn).

1.1 底部槽構(gòu)造形式的確定

預(yù)制塊在不同場合下尺寸、形狀不一，普通型預(yù)制塊在等級公路上用作車行道時(shí)形狀可為矩形、正方形和六角形等，長度宜為400～500 mm、寬度宜為 200～250 mm；聯(lián)鎖型預(yù)制塊尺寸一般小一些，長為200～250 mm、寬 100～125 mm，也可以比這個(gè)尺寸大1～3倍.用作車行道的預(yù)制塊厚度一般為10～18 cm，具體厚度按公路等級由設(shè)計(jì)確定.其中，用于極重、特重、重交通過渡路面車行道預(yù)制塊的最小厚度不應(yīng)小于15 cm；用于中、輕交通公路車行道預(yù)制塊的最小厚度不應(yīng)小于10 cm[13].本次研究所采用的預(yù)制塊為普通型預(yù)制塊Common Block(CB)，選用公稱尺寸為400 mm×200 mm×120 mm，底部槽形預(yù)制塊構(gòu)造形式有三種，見圖1，分別是五個(gè)矩形槽Trench-5Rectangular Groove(TG-5R)、五個(gè)三角形槽Trench-5Triangular Groove(TG-5T)、1個(gè)方形槽Shell-Rectangular Groove(Shell-R).試驗(yàn)所用預(yù)制塊信息見表1.

圖1 試驗(yàn)所用預(yù)制塊構(gòu)造形式

表1 試驗(yàn)所用預(yù)制塊信息

1.2 試驗(yàn)材料

預(yù)制塊所用水泥混凝土采用C50配合比設(shè)計(jì)，水灰比為0.4，水泥采用P·O42.5等級普通硅酸鹽水泥，粗集料為粒徑10 mm以內(nèi)的級配碎石，細(xì)集料為最大粒徑5 mm的河砂，砂的級配見表2，細(xì)度模數(shù)為2.6，含泥量小于2%.混凝土各成分組成為：m(水泥)∶m(粗集料)∶m(細(xì)集料)∶m(水)=513∶1 077∶606∶205 kg/m3.

表2 砂的級配

1.3 試件制作

預(yù)制塊試件在實(shí)驗(yàn)室制作成型.對于這4種類型的預(yù)制塊，由于公稱尺寸相同，底部槽的構(gòu)造不同，選用相同的模具和不同形狀的底板.粗集料、細(xì)集料和水泥應(yīng)先充分拌合，之后再加入水，拌合時(shí)要注意把控時(shí)間，避免拌合時(shí)間過長出現(xiàn)混凝土品質(zhì)下降，應(yīng)在拌合后的30 min內(nèi)完成試件的澆筑.預(yù)制塊澆筑后應(yīng)充分振搗，避免出現(xiàn)預(yù)制塊空隙過大影響其強(qiáng)度的情況.本次試驗(yàn)用振搗棒振搗密實(shí)后再將預(yù)制塊放置于振動臺上進(jìn)行振動，之后再用刮刀抹平預(yù)制塊上表面.拆除模具后應(yīng)對預(yù)制塊進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)控制在溫度20 ℃，濕度95%的環(huán)境中，養(yǎng)護(hù)28 d.

2 試驗(yàn)過程

2.1 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)選用TYE-2000B型壓力試驗(yàn)機(jī).預(yù)制塊試件上部為一鋼制墊壓板，根據(jù)試件厚度120 mm，選用墊壓板尺寸為：長240 mm、寬120 mm、厚30 mm，下壓板尺寸應(yīng)大于試件底面尺寸.

試驗(yàn)前應(yīng)先清除預(yù)制塊表面粘渣、毛刺，放入室溫水中浸泡24 h，之后將試件取出，用擰干的濕毛巾擦去表面附著水，放置在試驗(yàn)機(jī)下壓板的中心位置.啟動試驗(yàn)機(jī)，保持勻速連續(xù)加荷，加荷速度為0.4～0.6 MPa/s，直至試件破壞，記錄破壞荷載.本次試驗(yàn)每種類型的預(yù)制塊各選取3個(gè)試件，預(yù)制塊的抗壓強(qiáng)度計(jì)算按式(1)計(jì)算，取平均值，精確到0.1 MPa.

(1)

式中：σc為抗壓強(qiáng)度，MPa；P為破壞荷載，N；A為試件實(shí)際受壓面積，或上表面受壓面積，mm2.

2.2 抗折強(qiáng)度試驗(yàn)

抗折強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)預(yù)制塊試件底部應(yīng)有兩個(gè)鋼棒組成的支座，上部有一鋼制加壓棒.選用鋼質(zhì)圓棒直徑為40 mm、長度200 mm，其中一個(gè)支撐棒應(yīng)能夠滾動并可以自由調(diào)整水平位置，鋼棒不與預(yù)制塊直接接觸，之間有一塊4 mm厚木質(zhì)三合板墊層.見圖4.

試驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作與抗壓強(qiáng)度一樣，然后將預(yù)制塊順著長度方向放置于支座上.本次試驗(yàn)選用抗折支距L為24 cm.啟動試驗(yàn)機(jī)，關(guān)閉回油閥，緩慢打開送油閥，勻速連續(xù)加荷，加荷速度為0.04～0.06 MPa/s，直至試件破壞，記錄破壞荷載.和抗壓強(qiáng)度一樣，每種類型的預(yù)制塊各選取3個(gè)試件，預(yù)制塊抗折強(qiáng)度按式(2)計(jì)算，取平均值，精確到0.1 MPa.

(2)

式中：σf為彎拉強(qiáng)度，MPa；F為破壞荷載，N；L為兩支座間的中心距離，mm；b為試件寬度，mm；he為試件有效厚度，mm.

圖2 Shell-R橫截面

(3)

(4)

2.3 水平摩阻力試驗(yàn)

水平加載試驗(yàn)是在一個(gè)1 m×1 m的木箱上的，木箱內(nèi)填充30 cm厚砂性土，15 cm厚級配碎石基層，3 cm厚砂墊層，分別用木錘分層振搗壓實(shí).然后，將預(yù)制塊放置在砂墊層上，用液壓千斤頂預(yù)壓，確保墊層砂充分填進(jìn)預(yù)制塊底部的槽中.水平加載見圖3，分別是無垂直加載和有5 kN荷載垂直加載兩種工況.垂直加載時(shí)，預(yù)制塊上放置有兩層鋼質(zhì)墊壓板，墊壓板之間為3根鋼棒.安裝好試驗(yàn)設(shè)備后，測量各種類型預(yù)制塊的水平摩阻力f(N)和對應(yīng)的水平位移s(0.01 mm)，用力傳感器(最大量程20 kN)測量f，用兩個(gè)百分表(取平均值)測量s.現(xiàn)定義，預(yù)制塊水平位移不超過300(3 mm)時(shí)對應(yīng)的最大水平摩阻力f為臨界水平摩阻力.

圖3 兩種工況加載圖

3 結(jié)果和討論

3.1 抗壓強(qiáng)度

三種底部槽形(Shell-R,TG-5T,TG-5R)預(yù)制塊抗壓強(qiáng)度(見圖4)分別為53.7，62.0，58.0 MPa，相比普通型預(yù)制塊CB的66.1 MPa分別下降了18.8%，6.2%，12.3%，這三種預(yù)制塊的抗壓強(qiáng)度都大于最低50 MPa的要求.底部槽形的構(gòu)造形式對預(yù)制塊的抗壓性能有較大的影響，Shell-R的抗壓性能最差，TG-5T的抗壓性能最好，TG-5T和TG-5R的抗壓性能較為接近.從構(gòu)造上看，Shell-R在實(shí)際抗壓時(shí)容易出現(xiàn)應(yīng)力集中、局部易破壞是由于邊緣厚度e過小，結(jié)構(gòu)形式不合理，而TG-5T和TG-5R底部槽的體積VG和預(yù)制塊的體積VB都相同，構(gòu)造較為接近，所以實(shí)際抗壓性能也較為接近.

圖4 各種預(yù)制塊的抗壓強(qiáng)度

3.2 抗折強(qiáng)度

三種底部槽形(Shell-R,TG-5T,TG-5R)預(yù)制塊抗折強(qiáng)度(見圖5)分別為6.1，5.3，5.7 MPa，相比普通型預(yù)制塊CB的6.5 MPa，分別下降了6.3%，18.5%，12.4%，這三種預(yù)制塊的抗折強(qiáng)度都大于最低5 MPa的要求.底部槽形預(yù)制塊中，Shell-R和TG-5R有效厚度he都是105 mm，但Shell-R抗折性能比TG-5R好，這是因?yàn)镾hell-R底部還有兩個(gè)厚度為e的肋板承受彎拉應(yīng)力； TG-5T和TG-5R的體積相同，但TG-5T抗折性能比TG-5R差，這是因?yàn)門G-5T的有效厚度he更小.由此可見，預(yù)制塊橫截面形狀和有效厚度he對預(yù)制塊的抗折性能有較大影響.

圖5 各種預(yù)制塊的抗折強(qiáng)度

3.3 臨界水平摩阻力

各種類型預(yù)制塊(Shell-R,TG-5T,TG-5R,CB)在無垂直荷載加載的情況下，產(chǎn)生不超過3 mm位移時(shí)，臨界水平摩阻力f(見圖6)分別為83，102，69，47 N.經(jīng)過比較，可以發(fā)現(xiàn)底部三角形槽TG-5T的預(yù)制塊臨界水平摩阻力f最大，比普通型預(yù)制塊CB提高了117%，底部方形槽Shell-R和底部矩形槽TG-5R次之，分別提高了76.6%，46.8%.

圖6 無垂直加載時(shí)各類預(yù)制塊的水平摩阻力

在5 kN垂直荷載的作用下，再次測量各類預(yù)制塊(Shell-R,TG-5T,TG-5R,CB)的臨界水平摩阻力f(見圖7)，分別為2 150，3 190，3 350，3 150 N.這時(shí)，底部矩形槽TG-5R的預(yù)制塊臨界水平摩阻力f提升最大，相比普通型預(yù)制塊CB，提高了6.3%，底部三角形槽TG-5T的預(yù)制塊的臨界水平摩阻力f和普通型預(yù)制塊CB比較相近，僅提高了1.3%，而底部方形槽Shell-R的預(yù)制塊的臨界水平摩阻力f則出現(xiàn)了下降的現(xiàn)象，達(dá)到31.7%，分析原因，是因?yàn)檫@種底部開槽的形式不合理，邊緣厚度e太小，當(dāng)墊層砂填進(jìn)底部方形槽中時(shí)，砂與預(yù)制塊底面的接觸方式和接觸面積與普通型預(yù)制塊相差不大，應(yīng)當(dāng)增大邊緣厚度或采用多個(gè)方形槽.總體而言，底部槽形預(yù)制塊抵抗水平滑動的性能相比普通型預(yù)制塊有較大的改善.

圖7 加載5 kN垂直荷載時(shí)各預(yù)制塊水平摩阻力

4 結(jié) 論

1) 提出了3種新型底部槽形的路面預(yù)制塊構(gòu)造形式，分別為底部方形槽Shell-R、三角形槽TG-5T、矩形槽TG-5R.

2) 底部槽形預(yù)制塊的抗壓性能和抗折性能相比普通型預(yù)制塊有所下降，最多的下降幅度都在18%左右，性能下降的預(yù)制塊仍然能夠滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度的要求.其中，底部方形槽的預(yù)制塊抗壓性能最差，抗折性能最好，三角形槽TG-5T的抗壓性能最好，抗折性能最差，矩形槽TG-5R的抗壓性能和抗折性能較為均衡.

3) 底部槽形預(yù)制塊的臨界水平摩阻力f相比普通型預(yù)制塊有較大的提升，這說明底部槽形預(yù)制塊抵抗水平滑動的性能相比普通型預(yù)制塊有較大的改善.其中，無垂直荷載加載時(shí)三角形槽TG-5T的臨界水平摩阻力f提升最大，達(dá)到了117%，5 kN荷載垂直加載時(shí)矩形槽TG-5R的預(yù)制塊的臨界水平摩阻力f提升最大，達(dá)到6.3%.

4) 底部方形槽Shell-R預(yù)制塊的結(jié)構(gòu)形式不合理，需要改進(jìn)，而底部矩形槽TG-5R預(yù)制塊的抗壓強(qiáng)度和臨界水平阻力都明顯優(yōu)于底部三角形槽TG-5T預(yù)制塊，故推薦使用底部矩形槽TG-5R預(yù)制塊用于預(yù)制塊路面鋪筑.