接縫素混凝土路面預(yù)測(cè)性能的參數(shù)影響分析

謝頌劼

(中鐵十八局集團(tuán)建筑安裝工程有限公司，天津 300008)

混凝土路面的設(shè)計(jì)和性能受多種因素影響，包括材料特性、氣候因素、預(yù)期交通條件、設(shè)計(jì)壽命、預(yù)期性能參數(shù)和路基土壤條件等[1-3]。其中，熱膨脹系數(shù)、彈性模量和斷裂模量是幾個(gè)重要的參數(shù)。各種路面特征，如橫截面、設(shè)計(jì)壽命、使用性能和裂縫，部分取決于這些因素。隨著最近十年機(jī)力學(xué)驗(yàn)路面設(shè)計(jì)指南(MEPDG)的發(fā)展，這些材料性能的準(zhǔn)確測(cè)定成為設(shè)計(jì)過(guò)程的一部分。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)上述參數(shù)開(kāi)展了廣泛的研究。Tanesi等[4]通過(guò)改變單一接縫素混凝土路面設(shè)計(jì)的熱膨脹系數(shù)進(jìn)行敏感性分析，結(jié)果表明，隨著熱膨脹系數(shù)的增加，板的橫向裂縫比值增加。Selezneva等[5]將混凝土的材料特性(包括強(qiáng)度、熱膨脹系數(shù)和極限收縮)確定為影響連續(xù)配筋混凝土路面結(jié)構(gòu)性能的關(guān)鍵設(shè)計(jì)因素。趙倩倩等[6]基于MEPDG構(gòu)建季凍區(qū)水泥路面國(guó)際平整度指數(shù)(IRI)預(yù)測(cè)修正模型，該模型充分考慮了交通狀況、氣候條件和道路各層材料的特性如熱膨脹系數(shù)和彈性模量；利用交通量、降水和路面材料性能等參數(shù)可對(duì)季凍區(qū)水泥路面國(guó)際平整度指數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，提出的預(yù)測(cè)修正模型精確度高，具有良好的實(shí)用性和較高的預(yù)測(cè)性能。

為探究熱膨脹系數(shù)、彈性模量和斷裂模量對(duì)接縫素混凝土路面(JPCP)性能的影響，本文通過(guò)數(shù)值模擬的方式進(jìn)行靈敏度分析，開(kāi)展上述材料特性對(duì)最終的路面性能參數(shù)和JPCP設(shè)計(jì)壽命期間性能的影響研究。

1 MEPDG設(shè)計(jì)軟件

MEPDG即力學(xué)-經(jīng)驗(yàn)法路面設(shè)計(jì)指南，其指導(dǎo)思想：采用力學(xué)-經(jīng)驗(yàn)法，在路面設(shè)計(jì)中引入多種力學(xué)-經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚7]。設(shè)計(jì)流程圖如圖1所示。MEPDG軟件的設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

圖1 MEPDG設(shè)計(jì)流程圖

表1 用于模擬MEPDG的設(shè)計(jì)參數(shù)

2 熱膨脹系數(shù)對(duì)路面性能的影響

2.1 熱膨脹系數(shù)在JPCP設(shè)計(jì)中的重要性

所有材料隨著溫度的升高或降低都會(huì)有一定程度的膨脹和收縮。熱膨脹系數(shù)(CTE)是材料隨溫度膨脹或收縮的量度。因?yàn)榕c熱膨脹相關(guān)的長(zhǎng)度變化非常小，所以CTE通常用單位溫度變化的微應(yīng)變來(lái)表示。波特蘭水泥混凝土的CTE范圍通常在7.2～14.4微應(yīng)變/℃之間，CTE平均值9.9微應(yīng)變/℃常被用于路面設(shè)計(jì)。不同混凝土的CTE值范圍反映了混凝土組成材料在CTE的差異。研究表明，骨料品種對(duì)混凝土熱膨脹系數(shù)的影響非常明顯[8]。

CTE是混凝土路面分析中非常重要的參數(shù)，因?yàn)榕c溫度相關(guān)的路面變形量和早期(即攤鋪后72 h內(nèi))以及路面設(shè)計(jì)壽命期間的CTE值成正比。此外，這些變形與基層和板重提供的約束相結(jié)合，會(huì)在早期并長(zhǎng)期影響硬化板中產(chǎn)生的卷曲應(yīng)力和軸向應(yīng)力。因此，使用平均值可能會(huì)導(dǎo)致對(duì)路面熱響應(yīng)和可能損壞的錯(cuò)誤假設(shè)。預(yù)測(cè)混凝土路面潛在的熱誘導(dǎo)運(yùn)動(dòng)需要精確的CTE值。廣泛的研究表明，CTE對(duì)路面性能的影響主要有：①如果由高CTE混凝土引起的過(guò)度縱向板移動(dòng)(即在交通方向上的移動(dòng))受到約束力(例如板-基底摩擦)的抵抗，會(huì)導(dǎo)致早期或過(guò)早隨機(jī)開(kāi)裂；②較高的彎曲應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致較高的中間面板產(chǎn)生橫向和縱向疲勞裂紋；③施工時(shí)樓板支撐損失較大，不利季節(jié)時(shí)的接縫開(kāi)口較大，以及彎曲造成的轉(zhuǎn)角偏移較大，會(huì)導(dǎo)致斷層的數(shù)量增多。

2.2 結(jié)果與討論

2.2.1 不同CTE對(duì)預(yù)測(cè)的最終性能的影響

通過(guò)對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行評(píng)估，可以分析CTE可變性對(duì)路面性能參數(shù)的影響。圖2、圖3和圖4分別展示了橫向斷裂、IRI和節(jié)理斷層最終預(yù)測(cè)值隨CTE的變化趨勢(shì)。從結(jié)果可以看出，隨著混凝土CTE的增加，JPCP的性能受到不利影響。隨著CTE值的增加，橫向開(kāi)裂、IRI和節(jié)理斷層不斷增加。主要是由于混凝土CTE增加而導(dǎo)致卷曲應(yīng)力增加。當(dāng)CTE值超過(guò)11微應(yīng)變/℃后，隨著CTE值的進(jìn)一步增加，路面將不能滿足設(shè)計(jì)性能標(biāo)準(zhǔn)。CTE與最終節(jié)理斷層的關(guān)系幾乎呈一條直線，節(jié)理斷層隨著混凝土CTE的增加而線性增加。

圖2 CTE對(duì)橫向裂紋的影響

圖3 CTE對(duì)IRI的影響

圖4 CTE對(duì)節(jié)理斷層的影響

2.2.2 CTE可變性對(duì)路面設(shè)計(jì)壽命的影響

通過(guò)對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行評(píng)估，分析CTE的變化對(duì)路面設(shè)計(jì)壽命期間性能參數(shù)的影響。結(jié)果如圖5、圖6和圖7所示。橫向開(kāi)裂的閾值為15%，當(dāng)CTE值達(dá)到10.8微應(yīng)變/℃，路面在設(shè)計(jì)壽命結(jié)束時(shí)剛好超過(guò)橫向開(kāi)裂的閾值；隨著CTE值的進(jìn)一步增加，路面的橫向開(kāi)裂在早期壽命中就會(huì)達(dá)到閾值。在CTE對(duì)路面IRI的影響上也可以觀察到類似趨勢(shì)，當(dāng)CTE值為11.7微應(yīng)變/℃時(shí)，路面在接近設(shè)計(jì)壽命結(jié)束時(shí)剛好超過(guò)IRI的閾值(2.72 m/km)，如果CTE進(jìn)一步增加，路面會(huì)更早損壞。CTE對(duì)路面節(jié)理斷層也有相同的影響，當(dāng)CTE值為11.7微應(yīng)變/℃時(shí)，路面在設(shè)計(jì)壽命結(jié)束時(shí)剛好超過(guò)節(jié)理斷層的閾值，如果CTE進(jìn)一步增加，路面會(huì)更早超過(guò)節(jié)理斷層的閾值。從這些結(jié)果可以看出，隨著CTE的增加，JPCP的預(yù)計(jì)破壞程度也會(huì)增加，從而導(dǎo)致路面壽命縮短。

圖5 CTE對(duì)路面使用壽命期間路面橫向開(kāi)裂的影響

圖6 CTE對(duì)路面使用壽命期間IRI的影響

3 彈性模量對(duì)路面性能的影響

3.1 彈性模量

彈性模量表示材料剛度，是施加應(yīng)力與測(cè)量應(yīng)變的比值。彈性模量通過(guò)混凝土圓柱體以相對(duì)較慢的恒定速率承受縱向壓縮載荷的方式測(cè)量，這種類型的試驗(yàn)非常昂貴。國(guó)內(nèi)外的廣泛研究探索了混凝土的彈性模量和抗壓強(qiáng)度間的關(guān)系，得到了比較精準(zhǔn)的混凝土彈性模量結(jié)果。

3.2 結(jié)果與討論

3.2.1彈性模量變化對(duì)預(yù)測(cè)的最終性能的影響

模擬結(jié)果如圖8、圖9所示。通過(guò)對(duì)模擬結(jié)果的分析可以看出，隨著混凝土彈性模量的增加，IRI終值減小，橫向開(kāi)裂的比例也相應(yīng)減小，因此彈性模量與路面性能有直接關(guān)系。實(shí)際上，彈性模量與混凝土的抗壓強(qiáng)度成正比，這也是彈性模量越高的混凝土性能越好的原因。然而，彈性模量的變化對(duì)節(jié)理斷層的終值沒(méi)有影響，無(wú)論彈性模量取何值，節(jié)理斷層始終為2.01 mm。

圖8 彈性模量對(duì)橫向開(kāi)裂的影響

圖9 彈性模量對(duì)IRI的影響

3.2.2 彈性模量變化對(duì)路面設(shè)計(jì)壽命的影響

分析在路面設(shè)計(jì)壽命期間不同彈性模量對(duì)路面性能影響，結(jié)果如圖10和圖11所示。從結(jié)果可以看出，彈性模量越低，IRI和橫向開(kāi)裂的值越小。具有不同彈性模量值的混凝土的IRI值在使用壽命期間均不會(huì)超過(guò)其閾值，大部分彈性模量值對(duì)應(yīng)的混凝土的橫向開(kāi)裂在使用壽命期間也不會(huì)超過(guò)其閾值；而當(dāng)彈性模量為24.13 GPa時(shí)，且使用的時(shí)間超過(guò)26年，混凝土的橫向開(kāi)裂會(huì)超過(guò)閾值，混凝土?xí)谠O(shè)計(jì)壽命內(nèi)提前破壞。

圖10 彈性模量對(duì)路面使用壽命期間IRI的影響

圖11 彈性模量對(duì)路面使用壽命期間橫向開(kāi)裂的影響

4 斷裂模量對(duì)路面性能的影響

4.1 斷裂模量

混凝土的抗彎強(qiáng)度(MOR)定義了混凝土的抗拉能力。通常情況下，混凝土不會(huì)在直接拉伸的情況下進(jìn)行測(cè)試，因?yàn)闇y(cè)試設(shè)備和加載機(jī)制會(huì)引入次應(yīng)力，而這些次應(yīng)力在測(cè)試結(jié)果中不易補(bǔ)償。根據(jù)混凝土力學(xué)測(cè)試試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，斷裂模量可確定為在第三點(diǎn)加載的彎曲試驗(yàn)中，簡(jiǎn)支混凝土梁底部斷裂時(shí)的最大抗拉強(qiáng)度，該試驗(yàn)測(cè)量的是混凝土彎曲或彎曲的抗拉能力。斷裂模量受混合料設(shè)計(jì)參數(shù)的影響，包括水灰比、水泥類型、水泥含量和骨料性能(骨料類型、最大尺寸、級(jí)配和表面紋理)等。

4.2 結(jié)果與討論

4.2.1 彈性模量變化對(duì)預(yù)測(cè)的最終性能的影響

斷裂模量對(duì)性能指標(biāo)預(yù)測(cè)終端值的影響結(jié)果如圖12、圖13所示。通過(guò)對(duì)模擬結(jié)果的分析可以看出，隨著混凝土的破裂模量的增加，IRI減小，橫向開(kāi)裂的百分比也以同樣的趨勢(shì)減小。事實(shí)上，較高的斷裂模量會(huì)帶來(lái)更好的性能。然而，斷裂模量的變化對(duì)節(jié)理斷層沒(méi)有影響，無(wú)論斷裂模量取何值，節(jié)理斷層始終為2.01 mm。

圖12 斷裂模量對(duì)IRI的影響

圖13 斷裂模量對(duì)橫向開(kāi)裂的影響

4.2.2 斷裂模量變化對(duì)路面設(shè)計(jì)壽命的影響

分析在路面設(shè)計(jì)壽命期間不同斷裂模量對(duì)路面性能影響，結(jié)果如圖14和圖15所示。從結(jié)果可以明顯看出，斷裂模量越低，IRI和橫向開(kāi)裂的值越小。具有不同斷裂模量值的混凝土的IRI值在使用壽命期間均不會(huì)超過(guò)其閾值，大部分?jǐn)嗔涯Ａ恐祵?duì)應(yīng)的混凝土的橫向開(kāi)裂在使用壽命期間也不會(huì)超過(guò)其閾值；而當(dāng)斷裂模量為4.02 MPa，且使用的時(shí)間超過(guò)26年時(shí)，混凝土的橫向開(kāi)裂會(huì)超過(guò)閾值，混凝土?xí)谠O(shè)計(jì)壽命內(nèi)被提前破壞。

圖14 斷裂模量對(duì)路面使用壽命期間IRI的影響

圖15 斷裂模量對(duì)路面使用壽命期間橫向開(kāi)裂的影響

5 結(jié)論

本研究從模擬中獲得的結(jié)果證實(shí)了文獻(xiàn)綜述中關(guān)于混凝土的機(jī)械和熱性能對(duì)JPCP性能和使用壽命的影響的發(fā)現(xiàn)。隨著CTE值的增加，JPCP的性能逐漸劣化，這是較高的卷曲應(yīng)力導(dǎo)致的。具體來(lái)說(shuō)，應(yīng)避免CTE值超過(guò)10微應(yīng)變/℃，否則可能導(dǎo)致路面早期損壞?；炷翉?qiáng)度隨著彈性模量和斷裂模量的增加而增加，從而提高了混凝土路面的性能。從模擬結(jié)果可以看出，這些材料特性對(duì)橫向裂縫有顯著影響，對(duì)IRI有輕微影響，對(duì)節(jié)理斷層基本沒(méi)有影響。