用于施工临时道路的UHPC装配式路面板应用研究

李苗 刘虎 谭荐中

摘 要：为提高装配式路面板的力学性能，同时增大其使用寿命，本文开发了一种超高性能混凝土（UHPC）材料，并设计了施工临时道路的装配式路面板。通过计算得到适合的板厚区间，采用有限元计算分析，研究分析荷载作用下不同厚度的UHPC装配式路面板的板底应力。同时采用普通混凝土和UHPC典型S-N曲线计算两种材料板件疲劳寿命。结果表明：本文制备的UHPC材料抗压强度为82.5 MPa，抗折强度为12 MPa，是普通C40混凝土的2倍和2.4倍。14 cm为UHPC装配式路面板的最佳板厚。其板底最大弯应力为设计强度值的73.67%，小于24 cm厚的C40混凝土84.40%，且减小体积41.7%，减重39.2%，疲劳寿命是C40混凝土136倍。

关键词：UHPC;施工临时道路;装配式路面板;有限元分析;疲劳寿命

中图分类号：U416.2 文献标识码：A

0 引言

与传统现浇路面板相比，装配式混凝土路面板在构件预制厂生产、养护，一定龄期后可直接铺设于施工道路，能够快速拼接完成通车通行，具有环境友好、固废排放量小、资源浪费少、质量统一、可循环使用等诸多优点。

装配式预制混凝土路面板也存在某些问题。路面板在预制构件厂完成生产，需运输至施工工地进行吊装。装配式预制混凝土路面板采用传统钢筋混凝土，其自重大，在吊装过程中的弯拉作用容易造成早期裂缝的形成。大尺寸的路面板其自身重量大，其运输和吊装的成本必然增加。而路面板尺寸过小，路面的接缝数量势必会增加，导致路面的整体性变差，更容易增加后期病害的风险，如错台、路面板边缘损坏等。因此，高强度、轻质量、高耐久的装配式预制混凝土路面板成为目前研究的重点[4]。超高性能混凝土（UHPC）是一种具有高强度、高韧性、高耐久性能的水泥基复合材料。其抗压强度一般在普通混凝土的3～12倍，抗弯拉强度可达普通混凝土的6倍，并且具有极低的渗透性。与普通混凝土相比，UHPC能够大幅提高混凝土构件寿命，减少后期维护费用的增加。因此，具有优异性能的UHPC材料将是装配式预制混凝土路面板变得更薄、更轻、更耐久的最佳材料之一。

1 UHPC路面板配合比设计及结构参数

1.1 原材料

本文试验用水泥为P·I型基准水泥，其矿物组成、化学组成及物理性能分别见表1～表3;石英砂粒径范围为0.16 mm～1.25 mm;减水剂为聚羧酸系高性能减水剂;钢纤维采用镀铜光面平直钢纤维，长度为12 mm，体积分数为2%。

试验用配合比如表4所示：

1.2 成型、养护方法

试块浇筑成型后在温度为20℃，湿度为60%环境下养护1天，拆模后移入标准养护室养护至28天时，测试力学性能。

1.3 试验方法

（1）抗压强度和泊松比测试依据《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T 50081-2019），试件尺寸分别为150 mm×150 mm×150 mm和150 mm×150 mm×300 mm。

（2）抗弯拉强度及模量测试依据《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》（JTG E30-2005），试件尺寸150 mm×150 mm×550 mm。

（3）线膨胀系数测试依据《Standard Method of Test for Coefficient of Thermal Expansion of Hydraulic Cement Concrete》（AASHTO T 336-11），试件为直径100 mm的圆柱体。

1.4 试验结构参数

通过试验，装配式预制UHPC路面板的性能参数如表5：

由表5和表6可以得知，本文设计的UHPC材料的抗压强度、抗弯拉强度、弹性模量相较于普通C40混凝土均有提高。其中，UHPC材料的抗压强度约为普通混凝土2倍，抗弯拉强度和弹性模量分别提升了140%和20%。

2 临时路面板设计

本文以北京市通怀路（京承高速—河防口）怀柔段道路工程第六标段为项目依托。根据项目地理位置及现场具体情况，临时便道基本情况如下：

（1）路面宽度：6 m。（2）自然区划：Ⅱ区。（3）交通分析：标准轴载100 kN（单轴重10 t）;最大轴载200 kN（单轴重20 t）。（4）路面结构。根据施工便道交通荷载等级和中等变异水平等级，路面结构采用：N cm钢筋混凝土/UHPC面层+20 cm级配碎石基层+20 cm级配碎石底基层形式。

施工车辆同轴轮距1.8 m，为保证施工现场临时便道预制构件最大程度地发挥构件自身的强度，在构件设计上尽量保证施工车辆同轴车轮作用在不同板件，且尽量避免作用在板件边缘接缝位置，同时为了便于运输、吊装及拆卸，临时路面板板件长度取为1.5 m×1.5 m矩形板，施工便道横向四块拼装铺设。

项目中用到的UHPC材料、普通混凝土材料和道路路基力学性能分别见表5、表6及表7所示。

根据《公路水泥混凝土路面设计规范》（JTG D40-2011），对普通水泥混凝土、UHPC两种装配式路面板应力进行计算，结果表明厚度为24 cm的普通水泥混凝土路面板最大弯拉强度为4.926 MPa，小于普通水泥混凝土弯拉强度5 MPa，满足规范要求;对不同厚度UHPC装配式路面板计算结果如表8及圖1所示。

由表8及图1可知，UHPC装配式路面板厚度取为8 cm时，其最大弯拉应力为12.694 MPa，超过UHPC材料弯拉强度12 MPa，不满足规范要求;UHPC装配式路面板厚度取10 cm～18 cm时，最大弯拉应力在6.225 MPa～10.082 MPa范围内，与UHPC材料弯拉强度相比该应力范围较为合理;当UHPC装配式路面板厚度取为20 cm及其以上，最大弯拉强度小于5.779 MPa，应力储备过大，容易造成资源浪费，因而最佳厚度区间为10 cm～18 cm。

3 有限元分析

3.1 有限元模型建立

为厘清不同厚度时荷载作用下临时路面板受力情况，本文基于有限元分析软件Midas FEA建立施工便道装配式路面板及其下基层的三维实体有限元模型，对普通水泥混凝土路面板和UHPC路面板在荷载作用下板件应力进行数值模分析。

车轮荷载简化为D=30 cm当量圆形均布荷载，荷载当量圆与装配式路面板长边接缝相切，最大接觸压力P=1.4 MPa。项目所处位置自然区划Ⅱ区，最大温度梯度标准值T=88℃/m。路面板与地基节点采用土弹簧进行连接。

3.2 计算结果

由图2～图3的路面剖面图可以看出，路面板受最大力位置为板底的板边中部。其中普通混凝土和18 cm厚的UHPC路面板所受弯拉应力区域更大。板厚的减小，有利于减小板底最大弯拉应力区域。

由图2～图3路面板应力剖分图可知，24 cm普通水泥混凝土路面板底弯拉应力最大值为4.22 MPa，小于普通混凝土弯拉强度设计值5.0 MPa;10 cm、14 cm和18 cmUHPC路面板底弯拉应力最大值分别为10.15 MPa、8.84 MPa和7.95 MPa，均小于UHPC弯拉强度设计值12 MPa，满足规范要求。14 cm厚UHPC装配式路面板的最大弯应力为设计强度值的73.67%，小于24 cm厚的C40混凝土84.40%。由上可知，装配式路面板在等效车轮荷载作用下，路面板板底弯拉应力最大，且呈现出板厚越小弯拉应力越大的趋势。

3.3 疲劳寿命预测

装配式施工临时道路混凝土路面板在施工车辆作用下其底存在较大的弯拉应力，虽然其小于路面板混凝土的静力抗弯拉强度，但在反复荷载的作用下，可能会在发生低于静载强度的疲劳破坏，因此对混凝土路面板进行疲劳寿命预测成为评估板件优劣的重要指标。C40混凝土和UHPC疲劳方程分别为lgS=0.036 9-0.032 4lgN和S=0.996 2-0.046 8lgN。对C40混凝土和不同厚度UHPC构件的疲劳寿命N进行预测，计算结果如表9所示。

Fatigue life factor= N（UHPC）/N（C40）`由表9可知，与普通水泥混凝土路面板相比，UHPC混凝土路面板具有更高疲劳寿命次数，10 cm、14 cm和18 cm厚UHPC混凝土路面板疲劳寿命系数分别为0.63、136和5 220，而UHPC体积分别为0.225 m3、0.315 m3和0.405 m3，吊装重量分别仅为0.574 t、0.804 t和1.033 t，均小于24 cm普通水泥混凝土路面板吊装重量1.323 t。综合考虑装配式路面板混凝土用量、运输吊装重量、周转使用次数以及综合经济性能，推荐使用14 cm厚UHPC混凝土路面板，相比24 cm普通水泥混凝土路面板减小体积41.7%，减小自重39.2%，同时疲劳寿命提高至136倍。

UHPC混凝土路面板与普通水泥混凝土路面板相比具有明显的高强、高寿命的特性，减少了混凝土用量和运输吊装重量，提高了施工现场标准化的程度，降低了建筑垃圾环境污染和二氧化碳排放量，具有明显的经济效益和社会效益。

4 结论

本文将UHPC材料作为临时施工道路的路面板材料，采用数值模拟的方式，明确得到UHPC的高强、高寿命的结果，其主要结论如下：

（1）本文设计的UHPC抗压强度、抗弯拉强度、弹性模量相较于普通混凝土分别提至约206%、240%和120%。

（2）本文设计的普通水泥混凝土路面和UHPC路面板底弯拉应力最大值均小于弯拉强度设计值，满足规范要求。

（3）与24 cm普通水泥混凝土路面板相比，14 cm和18 cm UHPC混凝土路面板疲劳寿命分别达到136倍和5 220倍，具有明显的轻质、高强、高寿命的特性。本文最终以14 cm作为装配式UHPC混凝土路面板推荐厚度。

参考文献：

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