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水泥混凝土路面刚度大、扩散荷载能力强、稳定性好,是公路路面的主要结构形式之一,但是,水泥混凝土脆性大、适应变形能力及抗裂性能差、抗疲劳开裂及抑制裂纹快速扩展能力弱,尤其是当层间出现不均匀支承、脱空、路基不均匀沉降等状况后,路面板在重载作用下易发生早期断板破坏,水泥混凝土路面的设计使用寿命难以保证。针对水泥混凝土在抗裂方面存在的不足,本文基于纤维阻裂增韧原理和加筋材料复合结构抗裂原理,从材料与结构两个角度共同出发,探索性提出了一种抗裂混凝土路面结构新构想-低模量强节点加筋网约束纤维混凝土路面结构。本文采用理论分析、试验研究和有限元数值模拟相结合的研究方法,对该新型路面结构的抗裂机理进行了分析,并在对加筋网材料和钢纤维混凝土力学参数测试的基础上,开展了低模量强节点加筋网约束钢纤维混凝土小梁的弯曲抗裂性能试验研究,同时利用ABAQUS有限元软件建立了路面结构模型,探索研究了不同工况下低模量加筋网对已开裂混凝土路面在抗裂性能改善方面的作用效果。主要研究内容和结论如下:
(1)分析了低模量强节点加筋网约束钢纤维混凝土路面的抗裂及增强机理。一方面,利用钢纤维的阻裂增韧作用,增强混凝土的韧性和抗裂能力,使其在开裂后仍能具备一定的带裂纹工作能力;另一方面,利用低模量强节点加筋网的约束作用,对钢纤维混凝土中已有裂纹的后续扩展发挥显著抑制作用,降低裂纹尖端应力强度因子,增强裂纹稳定扩展能力,延缓裂纹贯通速度、抑制断板的同时,提高已开裂钢纤维混凝土路面承受重载的能力。
(2)研究了低模量加筋网对钢纤维混凝土小梁试件弯曲抗裂能力及适应变形能力的影响,并与无加筋网的普通钢纤维混凝土试件进行了对比。试验结果表明:低模量加筋网对钢纤维混凝土试件的开裂荷载影响较小,但当钢纤维混凝土开裂后,低模量加筋网的抗裂增强作用凸显,混凝土适应变形能力显著增强。试件开裂后,普通钢纤维混凝土试件的荷载-挠度曲线随挠度增加呈现明显的快速下降趋势,无法继续承受较高水平荷载的作用,但采用低模量加筋网进行约束后,试件的荷载-挠度曲线在开裂后仅有小幅降低,然后随着挠度增加曲线会继续升高,甚至会超过开裂荷载,抗裂能力大幅提高。且随着挠度的增加,其承载力能够在较长的挠曲变形范围内保持基本稳定,结构延性大幅提升,赋予了混凝土良好的裂后适应变形能力和持荷能力。
(3)研究了低模量加筋网铺设高度不同对钢纤维混凝土小梁试件承载能力和弯曲韧性的影响,并与无加筋网的普通钢纤维混凝土试件进行了对比。试验结果表明:加筋网铺设高度不同,其对混凝土试件承载力和韧性的提升效果不同, 铺设位置越低,总体上效果越好。当加筋网铺设高度距试件底部1cm时,承载力、弯曲韧性指数和弯曲韧性因子都相对于无加筋网的普通钢纤维混凝土试件显著提高:在相同挠度下对比,开裂挠度为1mm~2mm所对应的承载力提高幅度在53%~935%;在相同裂缝张口位移下对比,裂缝张口位移为1mm~2mm时的承载力提高幅度在160%~353%;弯曲韧性指数I5提升了23%~28%,弯曲韧性指数I10提升了114%~142%,弯曲韧性因子提高了21%~28%。
(4)通过ABAQUS有限元软件建立了路面结构模型,探索研究了低模量加筋网的弹性模量和截面面积变化对路面开裂后承载力和裂缝扩展的影响。研究结果表明:混凝土路面板底开裂后,低模量加筋网开始发挥作用,并明显抑制裂缝的后续进一步扩展。且当裂缝发展高度越高、加筋网模量及截面面积越大时,抑制裂缝扩展的效果越明显;低模量加筋网模量为30GPa,加筋网网格尺寸为4cm×4cm、单根筋材截面面积为100mm2(5mm×20mm)时,以路面裂缝已开裂8cm高为例,裂缝再次扩展所需的荷载比无加筋网的钢纤维混凝土路面提高约20%,当裂缝扩展至13cm高时,路面板承载力提高约47%。当裂缝贯穿至无加筋网钢纤维混凝土路面全厚度(24cm)时,低模量加筋网约束钢纤维混凝土路面的裂缝仅扩展到17cm,尚有约30%的板厚并未被裂缝贯穿,体现出低模量加筋网能够对路面裂缝扩展起到显著的抑制作用,从而避免因裂缝贯通后造成的进一步水损坏,提高路面服务品质和使用寿命。
(1)分析了低模量强节点加筋网约束钢纤维混凝土路面的抗裂及增强机理。一方面,利用钢纤维的阻裂增韧作用,增强混凝土的韧性和抗裂能力,使其在开裂后仍能具备一定的带裂纹工作能力;另一方面,利用低模量强节点加筋网的约束作用,对钢纤维混凝土中已有裂纹的后续扩展发挥显著抑制作用,降低裂纹尖端应力强度因子,增强裂纹稳定扩展能力,延缓裂纹贯通速度、抑制断板的同时,提高已开裂钢纤维混凝土路面承受重载的能力。
(2)研究了低模量加筋网对钢纤维混凝土小梁试件弯曲抗裂能力及适应变形能力的影响,并与无加筋网的普通钢纤维混凝土试件进行了对比。试验结果表明:低模量加筋网对钢纤维混凝土试件的开裂荷载影响较小,但当钢纤维混凝土开裂后,低模量加筋网的抗裂增强作用凸显,混凝土适应变形能力显著增强。试件开裂后,普通钢纤维混凝土试件的荷载-挠度曲线随挠度增加呈现明显的快速下降趋势,无法继续承受较高水平荷载的作用,但采用低模量加筋网进行约束后,试件的荷载-挠度曲线在开裂后仅有小幅降低,然后随着挠度增加曲线会继续升高,甚至会超过开裂荷载,抗裂能力大幅提高。且随着挠度的增加,其承载力能够在较长的挠曲变形范围内保持基本稳定,结构延性大幅提升,赋予了混凝土良好的裂后适应变形能力和持荷能力。
(3)研究了低模量加筋网铺设高度不同对钢纤维混凝土小梁试件承载能力和弯曲韧性的影响,并与无加筋网的普通钢纤维混凝土试件进行了对比。试验结果表明:加筋网铺设高度不同,其对混凝土试件承载力和韧性的提升效果不同, 铺设位置越低,总体上效果越好。当加筋网铺设高度距试件底部1cm时,承载力、弯曲韧性指数和弯曲韧性因子都相对于无加筋网的普通钢纤维混凝土试件显著提高:在相同挠度下对比,开裂挠度为1mm~2mm所对应的承载力提高幅度在53%~935%;在相同裂缝张口位移下对比,裂缝张口位移为1mm~2mm时的承载力提高幅度在160%~353%;弯曲韧性指数I5提升了23%~28%,弯曲韧性指数I10提升了114%~142%,弯曲韧性因子提高了21%~28%。
(4)通过ABAQUS有限元软件建立了路面结构模型,探索研究了低模量加筋网的弹性模量和截面面积变化对路面开裂后承载力和裂缝扩展的影响。研究结果表明:混凝土路面板底开裂后,低模量加筋网开始发挥作用,并明显抑制裂缝的后续进一步扩展。且当裂缝发展高度越高、加筋网模量及截面面积越大时,抑制裂缝扩展的效果越明显;低模量加筋网模量为30GPa,加筋网网格尺寸为4cm×4cm、单根筋材截面面积为100mm2(5mm×20mm)时,以路面裂缝已开裂8cm高为例,裂缝再次扩展所需的荷载比无加筋网的钢纤维混凝土路面提高约20%,当裂缝扩展至13cm高时,路面板承载力提高约47%。当裂缝贯穿至无加筋网钢纤维混凝土路面全厚度(24cm)时,低模量加筋网约束钢纤维混凝土路面的裂缝仅扩展到17cm,尚有约30%的板厚并未被裂缝贯穿,体现出低模量加筋网能够对路面裂缝扩展起到显著的抑制作用,从而避免因裂缝贯通后造成的进一步水损坏,提高路面服务品质和使用寿命。