水泥混凝土路面沥青缓冲封层的力学分析

新修订的《公路水泥混凝土路面施工技术规范》(JTG F30)版本中提到了关于水泥混凝土路面设置沥青缓冲封层的技术,但是目前国内外关于水泥混凝土设置沥青缓冲封层的力学分析仍未完善,本文利用三维有限元方法计算静力荷载下路面力学响应情况。通过设置沥青缓冲封层的水泥混凝土路面与普通水泥混凝土路面对比,同时改变沥青封层厚度找出与路面力学响应的规律以及影响程度。从而得出了沥青缓冲封层对提高路面结构力学性能的依据。通过不同厚度沥青封层力学分析,再综合造价以及工程实际情况,提出了将沥青封层厚度控制在3-5cm的建议,分析结果对水泥路面沥青缓冲封层的设计以及施工应用提供一定的参考。     

长寿命路面结构设计与寿命预估

为解决现有路面设计寿命不足、实际使用寿命短等问题,从长寿命路面设计思想出发,对PCC AC复合式路面(下面层为普通水泥混凝土,上面层为沥青混凝土)的荷载应力与温度应力进行分析,应用ANSYS分析软件,采用三维等参元法和弹性层状体系理论,分析确定PCC AC复合式路面的力学模型,同时结合依托工程的PCC AC长寿命路面结构进行试验验证.结果表明:影响PCC板底荷载应力和温度应力的主要因素为水泥混凝土板厚度、水泥混凝土弹性模量及AC层厚度,而AC层弹性模量对PCC板底温度应力影响较小;设计的复合路面使用寿命达到40 a以上.     

刚性路面柔性联接层有限元分析

基于中国半刚性基层水泥混凝土路面的使用经验,通过增加柔性联接层对现有路面结构进行改良,从而改善半刚性基层水泥混凝土路面的受力状态.利用有限元方法,建立加铺柔性联接层的水泥混凝土路面结构的3D有限元模型,对不同联接层材料模量和厚度情况下的路面各结构层进行力学分析.研究结果表明:半刚性基层自身变形随联接层厚度增加而递减,面层变形基本不受影响;水泥混凝土面板板底最大拉应力随联接层模量的增大逐渐减小,而半刚性基层和联接层层底拉应力逐渐增加;以上各结构层的变形能力和力学性能随联接层厚度和模量变化而变化的规律,为确定联接层合理的层厚和材料参数提供了一定的理论基础.     

水泥路面沥青加罩不同计算参数的有限元分析

针对传统的多层弹性体系理论的路面力学计算方法难以全面分析水泥路面沥青加罩结构的荷载作用效应的问题，采用三维有限元计算模型，分析了水泥混凝土路面上不同加罩形式以及各自不同的结构计算参数，在临界荷位作用下的力学反应，得出了一些很有意义结论，对实际工程应用中合理选取加罩方案有一定的指导作用．     

半柔性复合路面的力学响应与结构优化

半柔性复合路面材料因其优越的抗车辙和水稳定性,成为近年来一种新兴的高性能路面材料,但对其路面结构方面的研究却鲜有涉及。基于层状弹性体系理论构建水泥稳定碎石半柔性路面结构模型,利用正交实验方法研究了表面层、下面层、基层、底基层的模量和厚度的不同参数组合对水泥稳定碎石层层底拉应力和沥青混凝土层永久变形量的影响,提出了影响各路面结构层力学响应的关键指标。结合现行规范,以力学性能最优为原则,综合考虑经济性,提出了优选的路面结构组合体系。     

路面结构极限承载能力分析

针对某公路路面的早期损坏,进行了超载车辆的轴重及其轮胎接地面积和压力的调查.基于实际轴载的作用图式,分别应用弹性层状体系理论和弹性薄板理论有限元法分析了重荷载作用下,该公路沥青路面和水泥混凝土路面结构的力学响应.按照起决定作用的各结构层材料抗拉强度确定两种路面结构类型的极限承载能力,初步建立了分析路面结构极限承载能力的方法.分析结果表明,沥青路面早期损坏的根本原因是过大轴载对路面结构的一次性加载破坏,而不是轴载重复作用的疲劳破坏,按现行规范设计确定的水泥混凝土路面结构的极限承载能力明显高于沥青路面结构的极限承载能力.     

弹性地基上复合路面的受力分析

为探讨水泥混凝土路面上覆沥青层复合结构(PCC-AC)的设计计算方法,通过建立层状弹性地基上多层复合路面的统一计算模型,采用弹性地基上的多层薄板理论,得出了分离式路面和结合式路面的求解方法.并应用该方法对圆形均布荷载作用下双层地基上的沥青-混凝土复合路面进行了分析,其混凝土板底弯沉值及应力值与ANSYS有限元分析结果及规范方法吻合较好,表明用该方法计算PCC-AC结构水泥混凝土板荷载应力具有足够精度.     

再生混凝土粗骨料增强水泥材料力学性能简析

针对水泥混凝土路面设计规范中对基层材料的要求,对再生骨料混凝土的抗压强度及弯拉强度的试验结果做了基本分析,并分析了用细观力学方法计算再生骨料增强混凝土材料有效力学性能的基本方法。     

水泥混凝土路面板废弃料作为半刚性基层材料的研究

为了解水泥混凝土面板破碎料作为半刚性基层材料的力学性能,在室内完成了水泥混凝土路面板破碎料与石灰岩的压碎值、击实、无侧限抗压强度及劈裂强度等物理力学指标的对比试验,结果表明:水泥混凝土路面板破碎料的针片状、压碎值等指标均满足规范要求;水泥混凝土路面板破碎料的最佳含水率较大,同时无侧限抗压强度及劈裂强度均较石灰岩高;水泥混凝土路面板破碎料可作为基层材料,后期使用阶段具有良好的服役状态,力学指标可满足高速及一级公路重载交通的规范要求。     

特重荷载下水泥混凝土路面承载能力有限元仿真分析

通过借助动力触探、自动落锤等检测手段,采用小挠度弹性薄板理论构建有限元模型进行承载力数值仿真分析.结果表明:相同特重荷载,不同厚度、不同强度等级的水泥混凝土路面在车轮作用处的最大变形量为0.375 4~0.657 9mm;水泥混凝土道板厚度为10~25cm、强度等级为C30~C50时,车轮作用处路面最大变形量显著减小;根据路面的全寿命设计周期,采用C40、25cm厚的水泥混凝土道板.研究成果可为特重荷载下的水泥混凝土路面结构设计提供理论支撑.     

桥面构造及铺装层对正交异性钢桥面板力学性能的影响

为研究桥面细部构造和桥面铺装对正交异性钢桥面板力学性能的影响,确定合理的构造,以梯形及矩形截面形状的纵向加劲肋与多种缺口形式的横隔板相组合形成正交异性钢桥面板结构体系,并铺设不同厚度、不同弹性模量的沥青混凝土铺装层,建立相应的有限元实体模型进行加载,分析纵向加劲肋截面形状、横隔板缺口形式及铺装层弹性模量和厚度对正交异性钢桥面板力学性能的影响规律。结果表明:加劲肋上口间距越小,改善桥面板受力性能越明显,其中加劲肋B(梯形加劲肋侧板与底板采用圆弧连接)受力性能较好,且用料少;缺口Ⅰ、缺口Ⅲ的应力集中情况好于缺口Ⅱ,因此应合理选用缺口Ⅰ和缺口Ⅲ,但缺口Ⅲ需要优化;顶板与纵向加劲肋连接处应力高,为力学性能敏感区域;铺装层弹性模量增加,钢桥面板最大主应力减小,铺装层厚度增加,钢桥面板和沥青表面最大主应力均减小,因此铺装层弹性模量与厚度要综合设计,以使钢桥面板受力性能最优。     

水泥改性乳化沥青混凝土力学性能与微观机理

研究了不同水泥用量对乳化沥青混凝土的抗压强度和抗压回弹模量、抗折强度和抗折回弹模量等力学参数的影响.使用红外光谱、X衍射和扫描电子显微镜,研究了水泥乳化沥青胶浆以及混凝土界面的微观结构特征.结果表明,加入水泥后,乳化混凝土力学参数有较大提高,并随着水泥用量增加而增大;水泥与乳化沥青之间没有发生明显的化学反应;水泥与乳化沥青中的水相发生了水化反应,水化产物与水泥在水中的水化产物相同;呈网状的水化产物与沥青通过物理复合形成的水泥沥青胶浆,增大了沥青胶浆的粘度,改善了胶浆与集料界面的粘结,提高了混凝土的力学性能.     

水泥混凝土路面脱空状态下的荷载应力

探讨了板底脱空的形成机理及一般图式，应用有限元方法，详细分析了不同地基模型（文克勒地基和弹性半空间地基）、不同车辆荷载（单轴、双轴和三轴）作用下无限大板和有限尺寸板在脱空状态下的荷载应力，研究发现，脱空状态下板的荷载应力是未脱空时的1．0～4．6倍不等．通过引入板尺寸修正系数、脱空应力修正系数，给出了考虑脱空影响的路面板荷载应力一般计算式，回归了未脱空无限大板荷载应力，分析了板平面尺寸的影响，提供了脱空应力修正系数诺模图，结果可用于水泥混凝土路面快速评定与断板防治．     

模型再生混凝土单轴受压性能细观数值模拟

提出了模型再生混凝土的概念,根据各相介质细微观力学参数和本构关系建立了数值模型,对再生混凝土的破坏机理进行了仿真分析.通过变化再生粗骨料取代率、新硬化水泥砂浆强度、老硬化水泥砂浆强度、老硬化水泥砂浆厚度以及界面过渡区(ITZ)强度等参数,对模型再生混凝土单向受压性能进行了对比分析.结果表明:新硬化水泥砂浆和老硬化水泥砂浆强度对混凝土的初始弹性模量和峰值应力有较大影响,老硬化水泥砂浆厚度对模型再生混凝土的初始弹性模量和峰值应变有一定影响,界面过渡区的强度对再生混凝土的初始弹性模量、峰值应力和峰值应变的影响不显著.     

纤维混凝土的力学模型分析

由短纤维石子砂子水和水泥等物质复合而成的纤维混凝土材料,其宏观机械性能是诸多细观要素的综合作用结果.根据纤维混凝土宏观拉伸压缩力学性能表现,着重考虑纤维的作用,通过一系列力学模型,对短纤维混凝土增强增韧或降低强度的机理进行了细观研究分析.     

页岩气水平井油井水泥的原位增韧技术研究

针对页岩气水平井开发过程中油井水泥作为一种非均质多孔脆性复合材料，难以承受大型水力压裂带来的非均质载荷，导致水泥环的力学完整性失效破坏问题，开展了油井水泥原位增韧技术研究。研究中采用了固相烧结法和球形重淬技术，获得了微晶铁铝酸钙（MB）作为原位增韧材料。研究结果表明，制备的原位增韧材料在提升力学性能的基础上降低了水泥石的弹性模量，养护7 d后的抗压强度可达24 MPa，抗拉强度提升50%，弹性模量降至5.55 GPa。微晶铁铝酸钙的增韧机制为：“裂纹偏转”、“裂纹终止”、“消耗断裂能”。该研究的开展对满足以页岩气开采条件下的油井水泥服役要求，延长页岩气井寿命，增加页岩气产能具有重要意义。     

橡胶集料风积沙混凝土力学性能试验与微观分析

为研究不同橡胶集料取代率对风积沙混凝土力学性能的影响规律,设计、制作10组不同配合比的混凝土试件,通过对各试件进行基本力学性能试验、SEM和EDS测试,对比分析了橡胶集料和风积沙对混凝土力学性能的作用机理,并研究了橡胶集料风积沙混凝土和橡胶集料混凝土2种试件水泥石砂浆界面过渡区的微观结构。研究结果表明,橡胶集料风积沙混凝土和橡胶集料混凝土试件的抗压、抗折、劈裂抗拉强度均随着橡胶集料取代率的增加而降低;折压比随橡胶集料取代率的增加而增加;橡胶的掺入使混凝土的界面过渡区更为薄弱,试件内部呈现出较多微小孔隙,导致混凝土强度的降低。     

复合纤维对混凝土抗裂性能的影响

由于复合纤维具有良好的力学性能,通过掺入一定比例的多壁碳纳米管/聚丙烯腈复合纤维制备具有抗裂性能的混凝土,使用WA-1000B型液压式万能试验机和PTS-E0系统分别对试件的力学性能和抗裂性能进行测试,并结合混凝土综合抗裂模型,对掺加量为1.2~2.1 kg/m3的4组混凝土的力学性能和抗裂性能进行研究.实验结果表明:复合纤维的掺入可以提高水泥混凝土强度40%左右,同时减少了表面裂缝的出现,混凝土的力学性能和抗裂性能随着复合纤维掺加量的增加呈现增强趋势,但复合纤维的工程用量需要综合考虑.     

饱和混凝土的弹性模量预测

为了研究饱和混凝土中的孔隙水压力对混凝土力学性能的影响,根据饱和混凝土的微观结构建立了研究饱和混凝土力学性能的理论模型,利用夹杂、等效弹性模量的思想和Mori-Tanaka方法研究了饱和状态时孔隙水对混凝土弹性模量的影响。该模型考虑了水影响下的水泥后期水化和孔隙水的粘滞力对饱和混凝土弹性模量的影响。将该模型与Yaman等人的试验结果进行了对比,结果表明该模型可以预测孔隙水含量对混凝土弹性模量的影响,且该模型对饱和混凝土的弹性模量的预测也较为准确。     

冻融循环作用下超高延性纤维增强水泥基复合材料加固力学性能试验研究

为研究冻融循环作用下聚乙烯纤维增强复合基体材料(Polyethylene Fiber-Engineered Cementitious Composite，PE-ECC)与不同FRP的力学性能及微观结构演化规律，对PE-ECC、PE-ECC-BFRP和PE-ECC-CFRP三种试件进行快速冻融试验。研究试件在不同冻融循环次数下的质量损失率、相对动弹性模量、三点抗弯试验及扫描电镜。试验结果表明：在冻循环150次PE-ECC和普通砂浆混凝土的质量损失率分别为1.67%和13.5%，PE纤维的阻裂作用可以很好约束水泥砂浆的剥落；在PE-ECC水泥纤维基体材料中添加CFRP网格布或BFRP网格布可以提高试件的强度和降低水泥纤维基体材料内部微裂缝的扩展，提高了水泥纤维基体材料的抗冻性能；PE-ECC-BFRP试件和PE-ECC-CFRP试件比PE-ECC试件的最大承载能力分别增大了22.5%、67.3%，最大挠度分别增大了28.2%、76.7%，在冻融循环作用下FRP网格布可以提高PE-ECC的抗弯能力和最大挠曲能力。