倪武杰,邵景干,李文凯,黄运军,王俊超

(1.河南省交通规划设计研究院股份有限公司,河南 郑州 450046;2.河南交院工程技术集团有限公司,河南 郑州 450046;3.绿色高性能材料应用技术交通运输行业研发中心,河南 郑州 450046)

近年来关于水泥稳定碎石半刚性基层的研究中也发现了其耐久性差、早期裂缝多等诸多问题,裂缝的出现会增加后期反射裂缝病害产生的风险,反射裂缝不仅降低了整个路面结构的稳定性和完整性,造成结构层不连续,影响沥青路面的整体使用功能,降低沥青路面的使用年限。针对现有文献研究成果进行了分析发现,反射裂缝主要由车辆轴载作用、温缩应力作用以及两者组合作用3种原因形成[1]。考虑水泥稳定碎石基层施工边界条件及应力作用情况通过数学模型分析路面结构层的应力、应变特性,形成的理论体系已广泛应用到了工程实体当中[2]。基于有限元模型理论,采用Paris公式及配套软件对反射裂缝形成的机理与过程进行模拟,发现当沥青面层厚度越大,基层弹性模量越小,沥青路面的耐疲劳性能越好,裂缝反射到路表需要更长的时间及更多的车辆轴载作用[3]。通过研究发现水泥稳定碎石基层的裂缝最早会反射到沥青胶浆与集料的界面处,且车辆轴载的损失率能够作为抗反射裂缝出现的重要指标[4]。基于有限元模型理论,采用软件对沥青面层的厚度、模量、面层底部拉应力开展研究,发现增加沥青面层与封层的厚度能够有效减小结构层之间的应力集中,延缓反射裂缝的出现[5]。

为抑制水泥稳定碎石基层反射裂缝的出现,道路工作者从原材料质量控制、配合比优化、铺筑玻璃纤维格栅、设置层间应力吸收层等已进行了大量研究。本研究选用矿物玄武岩纤维格栅对水泥稳定碎石基层进行加筋,并以“三门峡黄河公铁两用桥公路南引桥及南引线工程”玄武岩纤维水泥稳定碎石半刚性基层施工项目为依托展开研究,开展玄武岩纤维格栅加筋路面水稳基层应变分析,为矿物玄武岩纤维格栅加筋半刚性基层技术在道路工程中的应用提供理论支撑。

1 玄武岩纤维格栅加筋设计

1.1 计算模型

本研究在半刚性水泥稳定碎石结构层间铺筑玄武岩纤维格栅,参照“钢筋混凝土”加筋理论进行应力计算[6-7]。模型在温缩应力的作用下会产生收缩,玄武岩纤维格栅的铺筑会限制结构层的开裂,假设模型的长度为S,玄武岩纤维格栅网孔尺寸为bG,格栅的厚度为hG。温缩应力作用下玄武岩纤维格栅纵横向受拉,因格栅网孔尺寸相同,可选取任意一根格栅作为基体进行模型理论分析,模型如图1所示。

图1 单根玄武岩纤维格栅模型

1.2 温缩应变计算

1.2.1条件假设

相关文献表明,水泥稳定碎石基层在温缩应力作用下的尺寸可以忽略不计[8-9]。为简化模型受力计算做出以下约定:不考虑玄武岩纤维格栅与水泥稳定碎石间的摩阻力,只考虑加筋作用;②温缩应力在任何一断面处的变化均匀一致;③不考虑材料的自重;④玄武岩纤维格栅与水泥稳定碎石之间紧密接触,各向受力均匀。

1.2.2温缩应变计算模型的建立

在图2的模型中截取长度为dx作为微分单元体,如图3所示。单元体体积VC,高度hC,截面积AC,宽度bC,模量EC;格栅体积VG,高度hG,截面积AG,宽度为bG,模量EG,玄武岩纤维格栅与水泥稳定碎石基层间的摩阻力τS。

图2 微分单元体受力模型

图3 上基层顶面温度采集结果

1.3 温缩应变分析

由玄武岩纤维格栅加筋水泥稳定碎石基层在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,由玄武岩纤维格栅在X方向上的受力平衡ΣFx=0得:

(3)

温度变化时,玄武岩纤维格栅加筋水泥稳定碎石基层的位移u是由自由位移及约束位移构成,即:

u=uc+αcΔTdx

(4)

式中:u为水泥稳定碎石基层的位移;uc为水泥稳定碎石基层的约束位移;αc为温缩系数;ΔT为水泥稳定碎石基层顶面降温值。

(5)

同理,

二是在命题时，应加强对知识广度和贯通度的考查，增加考试的灵活度.举例来说，可以考虑初等数学中的数系、方程和不等式、函数等相关内容在高等代数、数学分析中的延伸；初等几何中欧氏几何体系在高等数学，如解析几何、微分几何、拓扑等内容的拓展[7]等，适当调整一些知识点所占比例，规避相似，如此选拔出高素养的人才，而非某种程度上记忆或者背诵的“高手”.

(6)

代入式(2)、式(3),得:

(7)

(8)

玄武岩纤维格栅被完全拔出前,玄武岩纤维格栅与水泥稳定碎石基层之间的界面摩擦强度-拉拔位移呈线性变化,即玄武岩纤维格栅与水泥稳定碎石基层的摩阻力τs与位移s成正比:

τs=kss

(9)

根据式(9)可知τs=ks(uc-uG),故,

(10)

(11)

由模型边界条件,代入该方程组,即可计算出玄武岩纤维格栅加筋水泥稳定碎石基层的应变。

2 玄武岩纤维格栅加筋路面水稳基层应变分析

本文依托“三门峡黄河公铁两用桥公路南引桥及南引线工程”来设计及铺筑试验路段,在相同温度条件下对不同玄武岩纤维格栅铺设层位的路段进行结构层内部应变数据的采集及分析,建议玄武岩纤维格栅铺设层位、环境温度与应变变化的关系,从而优选出玄武岩纤维最佳的铺设层位。

2.1 玄武岩纤维格栅的铺设方案

2.1.1项目背景

项目试验路段位于豫晋陕三省交界地区,地形以丘陵、山地及黄土塬为主,属于温带半干旱性气候。这里四季分明,日照时间达2051.6 h,年均无霜期215 d,年平均气温14.2 ℃,年降雨量在400～700 mm。试验段位于工程E匝道,与主线段相连接,且为直线路段,设计时速为60 km/h,该路段路基条件基本相同、纵坡较小,可有效控制其他因素对试验结果的影响。

2.1.2试验段路面结构组成

试验路段属于挖方路段,路基已完成施工且工程质量通过验收,通过长期观测路基沉降量已满足要求,且路基材料及质量一致。试验路段结构层从上至下依次为4 cm厚的短切玄武岩纤维AC-13C沥青混合料+8 cm厚的短切玄武岩纤维AC-20C沥青混合料+短切玄武岩纤维同步碎石封层+18 cm厚的水泥稳定碎石上基层+18 cm厚的水泥稳定碎石下基层+18 cm厚的水泥稳定碎石底基层,其中短切玄武岩纤维的规格型号为BF(6 mm～17 μm)。

玄武岩纤维格栅在半刚性基层中因受到温度的变化而产生温缩应力,为探究玄武岩纤维格栅在不同层位中的受力特性,在E匝道上选取A、B、C3个路段,长度均为50 m,A路段玄武岩纤维格栅铺筑于基层顶部,B路段玄武岩纤维格栅铺筑于上基层与下基层层间、C路段为对照组不铺筑玄武岩纤维格栅。为准确采集温度与应变数据,将温度、应变光纤传感器分别布设于3个试验段基层的顶部及上基层的底部。

2.1.4数据采集设备及玄武岩纤维格栅

为保证采集数据的稳定性及可靠性,需选择适用的应变光纤传感器、应变采集仪、温度传感器及温度采集仪,且在埋设过程中需对传感器加以保护,避免后期施工及运营阶段的车辆轴载对传感器造成损害,影响数据采集的准确性。选用的应变光纤传感器、应变采集仪由北京希卓信息技术有限公司生产,其型号为6419 光纤应变分布测试仪;温度传感器、温度采集仪由深圳市浩兴林电子有限公司生产,其型号为LM-X型多路温度测试仪。

玄武岩纤维是将天然玄武岩单一矿石在1 450～1 500 ℃高温下熔融,并通过铂铑合金漏板高速拉丝和表面处理,制备而成的连续纤维,因在整个生产过程中能够达到零污染而成为21世纪名副其实的新型环保材料。而玄武岩纤维格栅是由纤维束通过纺织工艺制得。玄武岩纤维格栅能像钢筋一样承担某些方向上的荷载作用,同时有效抑制结构层裂缝向下或向上反射、延伸,能较大程度地提高结构的整体受拉、抗弯性能,减少路面结构裂缝出现,改善沥青路面整体路用性能。本文选用的玄武岩纤维格栅由郑州登电玄武石纤有限公司生产,主要技术指标如表1所示。

表1 玄武岩纤维格栅主要技术指标要求

2.2 传感器的埋设及玄武岩纤维格栅的铺筑

2.2.1传感器的埋设

A、B、C3个试验路段均埋设应变传感器,仅在A试验路段埋设温度传感器,温度数据采集结果供A、B、C3个试验路段使用,水稳基层下基层及上基层施工碾压成型后分别埋设应变传感器及温度传感器。埋设应变传感器的要求:分别在上下基层顶面中线位置对称埋设6个传感器,传感器的间距为20 cm,埋设时的开槽宽度为5 cm,深度为3 cm,清除槽内残渣,传感器埋设后用水泥净浆回填;埋设温度传感器的要求:在A试验段上下基层顶面中线断面处各埋设一个温度传感器,然后延中线对称埋设另外两个温度传感器,间距为60 cm,上基层顶面3个温度传感器断面分别为P1、P2、P3,下基层顶面3个温度传感器断面分别为F1、F2、F3,埋设时的开槽宽度为5 cm,深度为3 cm,清除槽内残渣,传感器埋设后用水泥净浆回填。埋设后的应变传感器和温度传感器分别与应变采集仪及温度采集仪相连接。

2.2.2玄武岩纤维格栅的铺筑

水泥稳定碎石碾压成型及应变传感器、温度传感器埋设完成后立即分别在A试验路段的上基层顶面及B试验路段的下基层顶面铺筑玄武岩纤维格栅。玄武岩纤维格栅铺筑过程中应注意以下细节:①铺筑前应保证铺筑面平整、清洁;②格栅应避免起皱,单卷铺设宽度10 m,严禁在同一横断面上横向搭接,纵横向搭接宽度不易小于10 cm;③选用人工铺筑的方法来保证铺筑质量,铺筑后的格栅用钢钉固定在路表,从而保证格栅紧贴下承层;④铺筑完成后尽快摊铺上承层以防止格栅受到污染和破坏。

2.3 现场应变试验结果分析

2.3.1A试验段温度数据采集结果

温缩是水泥稳定碎石基层产生裂缝的主要原因之一。在A试验段上基层的顶部及下基层顶部开展为期一年的温度数据采集,采集时间为2022年2、4、6、8、10和12月,为消除温差带来的影响,数据采集集中在12:00～15:00。温度数据采集结果分别如图3、图4所示。

图4 下基层顶面温度采集结果

由图3、图4可知,2月～8月上下基层顶面及大气温度均逐渐升高,且整体表现出“大气温度>上基层顶面温度>下基层顶面温度”的趋势;8月～12月上下基层顶面及大气温度均逐渐降低,11月之前整体表现出“大气温度>上基层顶面温度>下基层顶面温度”的趋势,12月份整体表现出下“基层顶面温度>上基层顶面温度>大气温度的趋势”。

2.3.2应变数据采集及分析

在A试验路段温度数据采集的同时进行A、B、C试验段上下基层顶面应变数据的采集,不同月份应变数据采集结果分别如图5～图10所示。

图5 A试验段上基层顶面应变采集结果

图6 A试验段下基层顶面应变采集结果

图7 B试验段上基层顶面应变采集结果

图8 B试验段下基层顶面应变采集结果

图9 C试验段上基层顶面应变采集结果

图10 C试验段下基层顶面应变采集结果

由图5～图10可知,随着温度的升高,A、B、C 3个试验路段的应变均呈现增大的趋势,8月温度最高的月份应变最大,12月温度最低的月份应变最小;相同采集月份时,A、B2个铺筑玄武岩纤维格栅的试验路段的上下基层顶面应变均显著小于未铺筑玄武岩纤维格栅的C试验路段,表明玄武岩纤维格栅的铺筑能够有效降低水稳基层的温缩应变,减少基层的开裂。玄武岩纤维格栅的铺筑能够有效降低水稳基层内部的应力,降低结构层开裂的风险,这主要因为玄武岩纤维格栅铺筑于结构层中能够起到加紧的效果,提高了水稳基层的整体性。12月温度最低的月份,未铺筑玄武岩纤维格栅的C试验路段上基层应变高达10 200 με左右,下基层应变高达9 500 με左右,此时半刚性水稳基层处于收缩状态,水稳基层结构层内部存在较大的拉应力,水稳基层因温缩应力存在较大的开裂风险;A试验路段玄武岩纤维格栅铺筑于上基层顶面,B试验路段玄武岩纤维格栅铺筑于下基层顶面,而A试验路段上基层顶面的应变略高于B试验路段下基层顶面的应变,A试验路段下基层顶面的应变略高于B试验路段上基层顶面的应变,表明玄武岩纤维格栅铺筑于上下基层之间更有助于抵消结构层内部的拉应力,从而降低结构层内部的拉应变。

3 结语

(1)随着温度的升高,A、B、C3个试验路段的应变均呈现增大的趋势,8月温度最高的月份应变最大,12月温度最低的月份应变最小;相同采集月份时,A、B2个铺筑玄武岩纤维格栅的试验路段的上下基层顶面应变均显著小于未铺筑玄武岩纤维格栅的C试验路段;

(2)温度较低的季节未铺筑玄武岩纤维格栅的C试验路段基层内部存在较大的拉应力,水泥稳定碎石基层因温缩应力存在较大的开裂风险;

(3)A试验路段上基层顶面的应变略高于B试验路段下基层顶面的应变,A试验路段下基层顶面的应变略高于B试验路段上基层顶面的应变,表明玄武岩纤维格栅铺筑于上下基层之间对水泥稳定碎石基层的加筋效果最佳。