增強(qiáng)型聚合物透水混凝土鋪裝的研究與應(yīng)用

林也堅(jiān)

(漳州城投建工集團(tuán)有限公司,福建 漳州 363000)

0 引言

聚合物透水混凝土在鋼橋面鋪裝中的應(yīng)用具有廣闊的發(fā)展前景[1]。其透水性能優(yōu)越,能夠有效減少雨天積水對(duì)交通安全的影響,因此備受關(guān)注[2]。然而,傳統(tǒng)聚合物透水混凝土的力學(xué)性能相對(duì)較弱,限制了其在實(shí)際工程中的應(yīng)用范圍[3]。

為了克服這一限制,本研究致力于通過(guò)引入增強(qiáng)材料來(lái)提升聚合物透水混凝土的性能。我們選擇了玻璃纖維布、玻璃格柵和聚丙烯纖維等增強(qiáng)材料[4],并通過(guò)試驗(yàn)研究探索了它們對(duì)聚合物透水混凝土性能的影響[5-6]。在此基礎(chǔ)上,使用有限元分析方法建立聚合物透水混凝土鋼橋面鋪裝的模型,以模擬汽車(chē)荷載下的應(yīng)力分布情況,并評(píng)估增強(qiáng)材料對(duì)結(jié)構(gòu)整體剛度的提升效果[7-8]。

實(shí)際工程應(yīng)用是本研究的重要組成部分。我們將增強(qiáng)型聚合物透水混凝土鋪裝應(yīng)用于道路工程,并對(duì)其性能和施工過(guò)程進(jìn)行了全面觀(guān)察和評(píng)估[9-12]。通過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證,總結(jié)了增強(qiáng)型鋪裝的優(yōu)點(diǎn),并提出了改進(jìn)和施工建議,以進(jìn)一步優(yōu)化其應(yīng)用效果。

本研究的成果對(duì)于促進(jìn)增強(qiáng)型聚合物透水混凝土在鋼橋面鋪裝領(lǐng)域的推廣和應(yīng)用具有重要意義。通過(guò)提升聚合物透水混凝土的性能,我們可以為城市交通建設(shè)提供更安全、可持續(xù)的解決方案,為人們創(chuàng)造更加便利和舒適的出行環(huán)境[13]。

1 試驗(yàn)研究

1.1 試驗(yàn)方案

研究聚合物透水混凝土在鋼橋面鋪裝中的應(yīng)用,通過(guò)加強(qiáng)材料(玻璃纖維布、玻璃格柵、聚丙烯纖維)對(duì)其性能進(jìn)行增強(qiáng)。試驗(yàn)將重點(diǎn)測(cè)試聚合物透水混凝土的透水系數(shù)、彎曲拉伸強(qiáng)度和疲勞性能。

1.2 試驗(yàn)步驟

透水系數(shù)測(cè)試根據(jù)CJJ/T 135透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程,使用標(biāo)準(zhǔn)的透水系數(shù)測(cè)試裝置進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)設(shè)備包括水圓筒、溢流水槽、抽真空裝置等,測(cè)量器具包括鋼直尺、秒表、量筒、溫度計(jì)等。試驗(yàn)用水應(yīng)為無(wú)氣水,溫度宜為20 ℃±3 ℃。樣品制備為直徑100 mm、高度50 mm的圓柱,試驗(yàn)程序包括測(cè)量試樣直徑厚度、密封試樣、真空處理試樣、測(cè)量透水圓筒水位等步驟。數(shù)據(jù)處理包括計(jì)算透水面積和透水系數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果可用于評(píng)價(jià)材料的透水性能。

彎曲拉伸強(qiáng)度測(cè)試根據(jù)CJ/T 544—2021聚氨酯透水混凝土,使用抗折試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行彎曲拉伸強(qiáng)度測(cè)試。制備符合規(guī)范要求的混凝土小梁試件,包括標(biāo)準(zhǔn)尺寸和配置適當(dāng)?shù)募訌?qiáng)材料(如玻璃纖維布、玻璃格柵和聚丙烯纖維)。其中,玻纖布及玻璃格柵分別測(cè)試1層及2層加強(qiáng)的試件,聚丙烯纖維采用1%,2%及3%三種不同摻量[14]。在試驗(yàn)中,施加適當(dāng)?shù)募虞d速率和加載方式,測(cè)量并記錄加載過(guò)程中的應(yīng)力和應(yīng)變。通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),計(jì)算得到聚合物透水混凝土的彎曲拉伸強(qiáng)度[15]。

疲勞性能測(cè)試根據(jù)JTG/T 3364-02—2019公路鋼橋面鋪裝設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范,進(jìn)行聚合物透水混凝土的疲勞性能測(cè)試。制備符合規(guī)范要求的疲勞試件,采用小梁形狀。在試驗(yàn)中,施加適當(dāng)?shù)妮d荷和加載頻率,進(jìn)行疲勞循環(huán)加載。根據(jù)規(guī)范要求,設(shè)定加載次數(shù)或加載時(shí)間,并記錄試驗(yàn)過(guò)程中的應(yīng)力和應(yīng)變數(shù)據(jù)。通過(guò)分析疲勞試驗(yàn)結(jié)果,評(píng)估聚合物透水混凝土的疲勞性能[16]。

1.3 試驗(yàn)結(jié)果

1.3.1 玻璃格柵及玻璃纖維布加強(qiáng)

通過(guò)玻璃格柵及玻璃纖維布加強(qiáng)的聚合物透水混凝土及未添加任何增強(qiáng)材料的試件試驗(yàn)結(jié)果如表1所示,疲勞性能試驗(yàn)如表2所示,透水及彎拉性能試驗(yàn)如圖1所示。

表1 透水及彎拉性能試驗(yàn)(玻璃格柵及纖維布)

表2 疲勞性能試驗(yàn)(玻璃格柵及纖維布)

1.3.2 玻璃格柵及玻璃纖維布加強(qiáng)

通過(guò)聚丙烯纖維加強(qiáng)的聚合物透水混凝土試驗(yàn)結(jié)果如表3所示,疲勞性能試驗(yàn)見(jiàn)表4,透水及彎拉性能試驗(yàn)見(jiàn)圖2。

表3 透水及彎拉性能試驗(yàn)(聚丙烯纖維)

表4 疲勞性能試驗(yàn)(聚丙烯纖維)

1.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

從樣本數(shù)據(jù)中可以看出,隨著增強(qiáng)材料的添加,聚合物透水混凝土的透水系數(shù)逐漸降低。具體來(lái)說(shuō),添加1層玻璃格柵和2層玻璃格柵的聚合物透水混凝土相較于普通聚合物透水混凝土,透水系數(shù)分別降低了8%和11%。而添加1層玻璃纖維布和2層玻璃纖維布的聚合物透水混凝土透水系數(shù)分別降低了58%和63%。此外,摻量為0.1%,0.2%和0.3%的聚丙烯纖維加強(qiáng)的聚合物透水混凝土透水系數(shù)分別降低了14%,25%和28%。增強(qiáng)材料的引入均在不同程度上降低了透水系數(shù),其中玻璃纖維布降低最為顯著,與聚合物透水混凝土本身的設(shè)計(jì)理念相悖。但對(duì)于玻璃纖維布及玻璃格柵,其并不添加于混合料中,而是設(shè)置在鋪裝結(jié)構(gòu)表面或底面,因此在工程設(shè)計(jì)中建議將玻璃纖維布設(shè)置于混合料下方,一方面不影響橋面排水,另一方面可保護(hù)鋼橋面板不受水分侵蝕。對(duì)于聚丙烯纖維,其低摻量情況下對(duì)透水性能的影響作用較小。

對(duì)于彎拉強(qiáng)度,通過(guò)對(duì)比不同樣本的數(shù)據(jù),我們觀(guān)察到增強(qiáng)材料的使用對(duì)聚合物透水混凝土的彎拉強(qiáng)度產(chǎn)生了正面影響。特別是在添加1層玻璃纖維布的情況下,彎拉強(qiáng)度相較于普通聚合物透水混凝土提高了65%。而添加1層玻璃格柵的聚合物透水混凝土彎拉強(qiáng)度相較于普通聚合物透水混凝土提高了58%。摻量為0.1%,0.2%和0.3%的聚丙烯纖維加強(qiáng)的聚合物透水混凝土彎拉強(qiáng)度相較于普通聚合物透水混凝土分別提高了39%,56%和97%。對(duì)于玻璃纖維布及玻璃格柵,多層設(shè)置對(duì)整體性能的提升效果顯著,但在試件成型過(guò)程中發(fā)現(xiàn)多層設(shè)置成型難度較大,平整度難以保證;而對(duì)于聚丙烯纖維,增加摻量對(duì)整體性能的提升效果較強(qiáng),但在高摻量下數(shù)據(jù)不穩(wěn)定,可靠性待進(jìn)一步驗(yàn)證。對(duì)比不同的增強(qiáng)材料的增強(qiáng)效果可發(fā)現(xiàn),玻璃纖維布能夠有效增強(qiáng)聚合物透水混凝土的抗彎能力,使其更具承載能力和耐久性。

對(duì)于三點(diǎn)疲勞循環(huán)試驗(yàn),根據(jù)提供的數(shù)據(jù),可以看出在不同增強(qiáng)材料的使用情況下,聚合物透水混凝土在經(jīng)受90萬(wàn)次到100萬(wàn)次的疲勞循環(huán)試驗(yàn)后,具有較好的穩(wěn)定性和耐久性。在未破壞的樣本中,摻量為0.2%和0.3%的聚丙烯纖維加強(qiáng)的聚合物透水混凝土具有最好的性能,表現(xiàn)出更高的耐久性。

進(jìn)一步分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)現(xiàn),摻量為3%的聚丙烯纖維加強(qiáng)的聚合物透水混凝土在透水系數(shù)和彎拉強(qiáng)度方面顯示出較大的偏差。

這種偏差可能是由于摻量過(guò)高導(dǎo)致的拌合不均勻所致。聚丙烯纖維作為增強(qiáng)材料,其添加可以改善聚合物透水混凝土的力學(xué)性能和耐久性。然而,過(guò)高的摻量可能導(dǎo)致纖維在混凝土中的分散不均勻,從而影響了混凝土的性能表現(xiàn)。在本試驗(yàn)中,摻量為3%的聚丙烯纖維的樣本在透水系數(shù)和彎拉強(qiáng)度方面顯示出明顯的偏差,表明在摻量過(guò)高的情況下,聚丙烯纖維的均勻分散受到了一定的挑戰(zhàn)。

2 有限元分析

為了進(jìn)一步評(píng)估聚合物透水混凝土在鋼橋面鋪裝中的性能,本研究使用ANSYS軟件進(jìn)行有限元分析,以建立節(jié)段梁模型,并比較使用不同增強(qiáng)材料及未使用增強(qiáng)材料時(shí)的鋼橋面應(yīng)力。通過(guò)有限元分析,定量研究不同情況下的結(jié)構(gòu)響應(yīng),并提供有關(guān)增強(qiáng)材料影響的可靠結(jié)果。

首先,基于實(shí)際橋面結(jié)構(gòu)的幾何尺寸和材料特性,在ANSYS中建立了節(jié)段梁模型。模型采用了適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格劃分(見(jiàn)圖3),以確保模擬的準(zhǔn)確性和計(jì)算效率。為了模擬真實(shí)的工況,引入汽車(chē)荷載作用,并考慮了材料的彈性和非線(xiàn)性行為(見(jiàn)圖4)。

在模型建立后,我們分別進(jìn)行了以下情況的有限元分析:使用玻璃纖維布增強(qiáng)的聚合物透水混凝土鋼橋面鋪裝、使用玻璃格柵增強(qiáng)的聚合物透水混凝土鋼橋面鋪裝、使用聚丙烯纖維增強(qiáng)的聚合物透水混凝土鋼橋面鋪裝,以及未使用任何增強(qiáng)材料的聚合物透水混凝土鋼橋面鋪裝。

有限元數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果如表5所示。應(yīng)力分布云圖見(jiàn)圖5—圖8。

表5 數(shù)值模擬

在鋼橋面鋪裝中,使用玻璃格柵作為增強(qiáng)材料能夠顯著降低鋼橋面的應(yīng)力值。相比于無(wú)增強(qiáng)情況下的應(yīng)力值(28.4 MPa),使用玻璃格柵后應(yīng)力值下降到25.9 MPa。

使用玻璃纖維布作為增強(qiáng)材料也能夠有效降低鋼橋面的應(yīng)力值。應(yīng)力值為26.9 MPa,略低于無(wú)增強(qiáng)情況。

聚丙烯纖維作為增強(qiáng)材料在鋼橋面的應(yīng)力值為26.2 MPa,與玻璃纖維布相近,表現(xiàn)較好。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

某工程是鋼橋面鋪裝工程,橋面寬度為12 m。為提高鋼橋面的耐久性和承載能力,決定采用玻璃纖維布增強(qiáng)的聚合物透水混凝土作為鋪裝材料。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)施工

在施工過(guò)程中,首先進(jìn)行了鋼橋面的清潔和表面處理工作,以確保鋪裝層與橋面的良好黏附。隨后設(shè)置玻璃纖維布,之后澆筑聚合物透水混凝土,確保其均勻分布和牢固黏附。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

完成鋪裝后,對(duì)鋼橋面進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)以評(píng)估玻璃纖維布增強(qiáng)的聚合物透水混凝土的性能。主要檢測(cè)指標(biāo)包括透水系數(shù)和彎曲拉伸強(qiáng)度。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果顯示,采用玻璃纖維布增強(qiáng)的聚合物透水混凝土在透水性能和彎曲拉伸強(qiáng)度方面表現(xiàn)出色,適用于鋼橋面鋪裝工程的選擇。

3.4 應(yīng)用建議

在采用玻璃纖維布增強(qiáng)的聚合物透水混凝土進(jìn)行鋼橋面鋪裝工程時(shí),為了確保施工質(zhì)量和材料性能的最大發(fā)揮,以下是一些建議和注意事項(xiàng):

1)在進(jìn)行玻璃纖維布的施工前,應(yīng)對(duì)鋼橋面進(jìn)行徹底清潔,確保表面無(wú)灰塵、油污和雜物。2)確保玻璃纖維布與鋼橋面緊密結(jié)合,可采取以下措施:a.使用專(zhuān)用的膠黏劑或環(huán)氧樹(shù)脂黏結(jié)劑,確保良好的黏附性能。b.添加硅烷偶聯(lián)劑,以提高玻璃纖維布與鋼橋面的黏附力和耐久性。c.注意施工過(guò)程中的壓實(shí),確保玻纖布與鋼橋面之間無(wú)空隙或褶皺。3)在施工過(guò)程中,嚴(yán)格控制溫度和濕度,避免極端條件對(duì)施工質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。

4 結(jié)論

本研究通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試、數(shù)值模擬及實(shí)際工程應(yīng)用研究、分析并應(yīng)用了增強(qiáng)型聚合物透水混凝土鋪裝,得出了以下結(jié)論:

1)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,通過(guò)使用增強(qiáng)材料(如玻璃纖維布、玻璃格柵和聚丙烯纖維)可以顯著改善聚合物透水混凝土的性能,在疲勞循環(huán)試驗(yàn)中也表現(xiàn)出更好的穩(wěn)定性和耐久性。這些結(jié)果為聚合物透水混凝土在鋼橋面鋪裝中的應(yīng)用提供了重要的參考,并為工程設(shè)計(jì)和施工提供了指導(dǎo)。然而,進(jìn)一步的研究和實(shí)踐仍然是必要的,以進(jìn)一步驗(yàn)證和完善這些結(jié)論。

2)從有限元計(jì)算結(jié)果來(lái)看,玻璃格柵的應(yīng)用能夠在鋼橋面鋪裝中顯著降低應(yīng)力值,是一種有效的增強(qiáng)方式。玻璃纖維布和聚丙烯纖維也能夠略微降低應(yīng)力值,提升鋼橋面的性能。

3)在聚合物透水混凝土中,過(guò)高的聚丙烯纖維摻量可能導(dǎo)致拌合不均勻,進(jìn)而對(duì)透水系數(shù)和彎拉強(qiáng)度產(chǎn)生較大的偏差。因此,在實(shí)際應(yīng)用中,需要仔細(xì)控制聚丙烯纖維的摻量,確保其均勻分散,并根據(jù)具體工程要求進(jìn)行合理的配比設(shè)計(jì)。