增强型聚合物透水混凝土铺装的研究与应用

林也坚

(漳州城投建工集团有限公司,福建 漳州 363000)

0 引言

聚合物透水混凝土在钢桥面铺装中的应用具有广阔的发展前景[1]。其透水性能优越,能够有效减少雨天积水对交通安全的影响,因此备受关注[2]。然而,传统聚合物透水混凝土的力学性能相对较弱,限制了其在实际工程中的应用范围[3]。

为了克服这一限制,本研究致力于通过引入增强材料来提升聚合物透水混凝土的性能。我们选择了玻璃纤维布、玻璃格栅和聚丙烯纤维等增强材料[4],并通过试验研究探索了它们对聚合物透水混凝土性能的影响[5-6]。在此基础上,使用有限元分析方法建立聚合物透水混凝土钢桥面铺装的模型,以模拟汽车荷载下的应力分布情况,并评估增强材料对结构整体刚度的提升效果[7-8]。

实际工程应用是本研究的重要组成部分。我们将增强型聚合物透水混凝土铺装应用于道路工程,并对其性能和施工过程进行了全面观察和评估[9-12]。通过实践验证,总结了增强型铺装的优点,并提出了改进和施工建议,以进一步优化其应用效果。

本研究的成果对于促进增强型聚合物透水混凝土在钢桥面铺装领域的推广和应用具有重要意义。通过提升聚合物透水混凝土的性能,我们可以为城市交通建设提供更安全、可持续的解决方案,为人们创造更加便利和舒适的出行环境[13]。

1 试验研究

1.1 试验方案

研究聚合物透水混凝土在钢桥面铺装中的应用,通过加强材料(玻璃纤维布、玻璃格栅、聚丙烯纤维)对其性能进行增强。试验将重点测试聚合物透水混凝土的透水系数、弯曲拉伸强度和疲劳性能。

1.2 试验步骤

透水系数测试根据CJJ/T 135透水水泥混凝土路面技术规程,使用标准的透水系数测试装置进行测试。试验设备包括水圆筒、溢流水槽、抽真空装置等,测量器具包括钢直尺、秒表、量筒、温度计等。试验用水应为无气水,温度宜为20 ℃±3 ℃。样品制备为直径100 mm、高度50 mm的圆柱,试验程序包括测量试样直径厚度、密封试样、真空处理试样、测量透水圆筒水位等步骤。数据处理包括计算透水面积和透水系数。试验结果可用于评价材料的透水性能。

弯曲拉伸强度测试根据CJ/T 544—2021聚氨酯透水混凝土,使用抗折试验机进行弯曲拉伸强度测试。制备符合规范要求的混凝土小梁试件,包括标准尺寸和配置适当的加强材料(如玻璃纤维布、玻璃格栅和聚丙烯纤维)。其中,玻纤布及玻璃格栅分别测试1层及2层加强的试件,聚丙烯纤维采用1%,2%及3%三种不同掺量[14]。在试验中,施加适当的加载速率和加载方式,测量并记录加载过程中的应力和应变。通过分析实验数据,计算得到聚合物透水混凝土的弯曲拉伸强度[15]。

疲劳性能测试根据JTG/T 3364-02—2019公路钢桥面铺装设计与施工技术规范,进行聚合物透水混凝土的疲劳性能测试。制备符合规范要求的疲劳试件,采用小梁形状。在试验中,施加适当的载荷和加载频率,进行疲劳循环加载。根据规范要求,设定加载次数或加载时间,并记录试验过程中的应力和应变数据。通过分析疲劳试验结果,评估聚合物透水混凝土的疲劳性能[16]。

1.3 试验结果

1.3.1 玻璃格栅及玻璃纤维布加强

通过玻璃格栅及玻璃纤维布加强的聚合物透水混凝土及未添加任何增强材料的试件试验结果如表1所示,疲劳性能试验如表2所示,透水及弯拉性能试验如图1所示。

表1 透水及弯拉性能试验(玻璃格栅及纤维布)

表2 疲劳性能试验(玻璃格栅及纤维布)

1.3.2 玻璃格栅及玻璃纤维布加强

通过聚丙烯纤维加强的聚合物透水混凝土试验结果如表3所示,疲劳性能试验见表4,透水及弯拉性能试验见图2。

表3 透水及弯拉性能试验(聚丙烯纤维)

表4 疲劳性能试验(聚丙烯纤维)

1.4 试验结果分析

从样本数据中可以看出,随着增强材料的添加,聚合物透水混凝土的透水系数逐渐降低。具体来说,添加1层玻璃格栅和2层玻璃格栅的聚合物透水混凝土相较于普通聚合物透水混凝土,透水系数分别降低了8%和11%。而添加1层玻璃纤维布和2层玻璃纤维布的聚合物透水混凝土透水系数分别降低了58%和63%。此外,掺量为0.1%,0.2%和0.3%的聚丙烯纤维加强的聚合物透水混凝土透水系数分别降低了14%,25%和28%。增强材料的引入均在不同程度上降低了透水系数,其中玻璃纤维布降低最为显著,与聚合物透水混凝土本身的设计理念相悖。但对于玻璃纤维布及玻璃格栅,其并不添加于混合料中,而是设置在铺装结构表面或底面,因此在工程设计中建议将玻璃纤维布设置于混合料下方,一方面不影响桥面排水,另一方面可保护钢桥面板不受水分侵蚀。对于聚丙烯纤维,其低掺量情况下对透水性能的影响作用较小。

对于弯拉强度,通过对比不同样本的数据,我们观察到增强材料的使用对聚合物透水混凝土的弯拉强度产生了正面影响。特别是在添加1层玻璃纤维布的情况下,弯拉强度相较于普通聚合物透水混凝土提高了65%。而添加1层玻璃格栅的聚合物透水混凝土弯拉强度相较于普通聚合物透水混凝土提高了58%。掺量为0.1%,0.2%和0.3%的聚丙烯纤维加强的聚合物透水混凝土弯拉强度相较于普通聚合物透水混凝土分别提高了39%,56%和97%。对于玻璃纤维布及玻璃格栅,多层设置对整体性能的提升效果显著,但在试件成型过程中发现多层设置成型难度较大,平整度难以保证;而对于聚丙烯纤维,增加掺量对整体性能的提升效果较强,但在高掺量下数据不稳定,可靠性待进一步验证。对比不同的增强材料的增强效果可发现,玻璃纤维布能够有效增强聚合物透水混凝土的抗弯能力,使其更具承载能力和耐久性。

对于三点疲劳循环试验,根据提供的数据,可以看出在不同增强材料的使用情况下,聚合物透水混凝土在经受90万次到100万次的疲劳循环试验后,具有较好的稳定性和耐久性。在未破坏的样本中,掺量为0.2%和0.3%的聚丙烯纤维加强的聚合物透水混凝土具有最好的性能,表现出更高的耐久性。

进一步分析试验数据时发现,掺量为3%的聚丙烯纤维加强的聚合物透水混凝土在透水系数和弯拉强度方面显示出较大的偏差。

这种偏差可能是由于掺量过高导致的拌合不均匀所致。聚丙烯纤维作为增强材料,其添加可以改善聚合物透水混凝土的力学性能和耐久性。然而,过高的掺量可能导致纤维在混凝土中的分散不均匀,从而影响了混凝土的性能表现。在本试验中,掺量为3%的聚丙烯纤维的样本在透水系数和弯拉强度方面显示出明显的偏差,表明在掺量过高的情况下,聚丙烯纤维的均匀分散受到了一定的挑战。

2 有限元分析

为了进一步评估聚合物透水混凝土在钢桥面铺装中的性能,本研究使用ANSYS软件进行有限元分析,以建立节段梁模型,并比较使用不同增强材料及未使用增强材料时的钢桥面应力。通过有限元分析,定量研究不同情况下的结构响应,并提供有关增强材料影响的可靠结果。

首先,基于实际桥面结构的几何尺寸和材料特性,在ANSYS中建立了节段梁模型。模型采用了适当的网格划分(见图3),以确保模拟的准确性和计算效率。为了模拟真实的工况,引入汽车荷载作用,并考虑了材料的弹性和非线性行为(见图4)。

在模型建立后,我们分别进行了以下情况的有限元分析:使用玻璃纤维布增强的聚合物透水混凝土钢桥面铺装、使用玻璃格栅增强的聚合物透水混凝土钢桥面铺装、使用聚丙烯纤维增强的聚合物透水混凝土钢桥面铺装,以及未使用任何增强材料的聚合物透水混凝土钢桥面铺装。

有限元数值模拟计算结果如表5所示。应力分布云图见图5—图8。

表5 数值模拟

在钢桥面铺装中,使用玻璃格栅作为增强材料能够显著降低钢桥面的应力值。相比于无增强情况下的应力值(28.4 MPa),使用玻璃格栅后应力值下降到25.9 MPa。

使用玻璃纤维布作为增强材料也能够有效降低钢桥面的应力值。应力值为26.9 MPa,略低于无增强情况。

聚丙烯纤维作为增强材料在钢桥面的应力值为26.2 MPa,与玻璃纤维布相近,表现较好。

3 工程应用

3.1 工程概况

某工程是钢桥面铺装工程,桥面宽度为12 m。为提高钢桥面的耐久性和承载能力,决定采用玻璃纤维布增强的聚合物透水混凝土作为铺装材料。

3.2 现场施工

在施工过程中,首先进行了钢桥面的清洁和表面处理工作,以确保铺装层与桥面的良好黏附。随后设置玻璃纤维布,之后浇筑聚合物透水混凝土,确保其均匀分布和牢固黏附。

3.3 现场检测

完成铺装后,对钢桥面进行现场检测以评估玻璃纤维布增强的聚合物透水混凝土的性能。主要检测指标包括透水系数和弯曲拉伸强度。通过现场检测结果显示,采用玻璃纤维布增强的聚合物透水混凝土在透水性能和弯曲拉伸强度方面表现出色,适用于钢桥面铺装工程的选择。

3.4 应用建议

在采用玻璃纤维布增强的聚合物透水混凝土进行钢桥面铺装工程时,为了确保施工质量和材料性能的最大发挥,以下是一些建议和注意事项:

1)在进行玻璃纤维布的施工前,应对钢桥面进行彻底清洁,确保表面无灰尘、油污和杂物。2)确保玻璃纤维布与钢桥面紧密结合,可采取以下措施:a.使用专用的胶黏剂或环氧树脂黏结剂,确保良好的黏附性能。b.添加硅烷偶联剂,以提高玻璃纤维布与钢桥面的黏附力和耐久性。c.注意施工过程中的压实,确保玻纤布与钢桥面之间无空隙或褶皱。3)在施工过程中,严格控制温度和湿度,避免极端条件对施工质量产生不利影响。

4 结论

本研究通过试验测试、数值模拟及实际工程应用研究、分析并应用了增强型聚合物透水混凝土铺装,得出了以下结论:

1)实验结果表明,通过使用增强材料(如玻璃纤维布、玻璃格栅和聚丙烯纤维)可以显著改善聚合物透水混凝土的性能,在疲劳循环试验中也表现出更好的稳定性和耐久性。这些结果为聚合物透水混凝土在钢桥面铺装中的应用提供了重要的参考,并为工程设计和施工提供了指导。然而,进一步的研究和实践仍然是必要的,以进一步验证和完善这些结论。

2)从有限元计算结果来看,玻璃格栅的应用能够在钢桥面铺装中显著降低应力值,是一种有效的增强方式。玻璃纤维布和聚丙烯纤维也能够略微降低应力值,提升钢桥面的性能。

3)在聚合物透水混凝土中,过高的聚丙烯纤维掺量可能导致拌合不均匀,进而对透水系数和弯拉强度产生较大的偏差。因此,在实际应用中,需要仔细控制聚丙烯纤维的掺量,确保其均匀分散,并根据具体工程要求进行合理的配比设计。