摘要：提出一种橡胶水泥混凝土面层和普通混凝土基层复合式路面，利用有限元软件ANSYS建立计算模型，分析了层面厚度、基层厚度及不同路面组合形式对复合式路面荷载应力的影响。研究结果可为橡胶水泥混凝土复合式路面结构设计提供一定的理论依据。
关键词：橡胶混凝土；复合式路面；有限元；荷载应力
0 引言
废旧橡胶轮胎的处理及再生利用成为当前科技可持续发展研究的热点之一，其中，将废旧橡胶颗粒或橡胶粉作为集料掺入的水泥混凝土中形成一种新型建筑材料被认为是一种有效的方式。橡胶的掺入有助于降低混凝土的弹性模量，起到减振降噪的效果，且提高了混凝土的韧性、耐磨和抗冲击等路用性能，缺点是强度降低较多[1-4]。
按照路面结构设计原理，对混凝土路面抗压强度的要求并不高，如车辆轮压只有0.7MPa[5]，远远低于橡胶混凝土的抗压强度（15MPa以上）[6,7]。本文根据路面结构荷载应力分布规律，提出一种橡胶水泥混凝土面层和普通混凝土基层复合式路面，利用ANSYS软件建立了路面结构的三维有限元模型，进行该复合式路面荷载应力分析并讨论了其设计控制参数。
1 橡胶水泥混凝土复合式路面概念设计
橡胶水泥混凝土与普通混凝土相比，抗压、抗拉、抗折强度和弹性模量均有较大幅度的降低，但其韧性和抗冲击性能显著提高，且具有良好的耐磨抗滑隔热减噪和耐久性能。作为路面面层材料使用，不仅具有传统混凝土路面的优点，且能大幅提高路面的行车舒适性。因此，橡胶水泥混凝土很适宜用于高性能道路结构的面层使用。根据路面结构设计理论，在普通水泥混凝土基层上设置橡胶水泥混凝土面层，形成复合式路面结构，保证路面结构的整体承载力，同时路面平整性和行车舒适性也得到保证。该路面结构形式与材料组合与高等级路面对路面结构和材料的要求相吻合，具有良好的发展前景。
2 复合式路面有限元建模
水泥混凝土路面计算理论可分为弹性地基板理论和弹性层状体系理论两大类[5]。橡胶水泥混凝土复合式路面结构采用小挠度薄板理论进行荷载应力分析，其基本假设如下：
（1）路面结构层为等厚弹性体，其性质由弹性模量和泊松比表征；
（2）橡胶水泥混凝土复合式路面板由上下两层组成，利用薄板理论进行计算分析；
（3）地基和下面层之间为分离式，路面与地基保持竖向位移上的完全连续；
（4）地基为弹性层状半空间地基，按《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTG_D40-2011)，将地基和上下基层的弹性模量进行当量换算，简化多层地基，得到等效的地基弹性模量。
2.2 有限元模型及参数确定
模型边界约束条件：假设地基为弹性半空间体，模型中地基底面竖向位移为零，地基侧面水平方向位移为零。用接触单元来模拟橡胶水泥混凝土和普通混凝土层以及与基层之间的相互作用，并假定各面层可以很好地协同工作。各结构层计算参数见表1。
荷载应力分析采用标准车型BZZ-100，为方便有限元计算分析，按面积等效的原则将双轮荷载接触面理想化为220mm×240mm的矩形，接触面积为52800mm2，荷载作用于临界荷位纵缝边缘中部。
3 计算结果分析
3.1面层厚度对荷载应力的影响
取橡胶混凝土面层厚度为6cm，普通混凝土基层的厚度分别为19cm，21cm，23cm，25cm，计算各层板底纵边中部的最大弯拉应力。取普通混凝土基层的厚度为25cm，改变橡胶混凝土面层的厚度，分别取6cm，8cm，10cm，12cm，计算各层板底纵边中部的最大弯拉应力值。
计算结果表明，上下面层厚度对橡胶水泥混凝土复合式路面荷载应力的影响规律相似：随着面层厚度的增加，普通混凝土基层和橡胶混凝土面层板受到的荷载应力均减小；同时对比普通混凝土基层和橡胶混凝土面层板两者的变化，可发现普通混凝土基层厚度的变化对荷载应力的影响比橡胶混凝土面层厚度变化的影响大，当上面层厚度为6cm时，混凝土基层厚度由19cm增加到25cm，复合式路面板底最大荷载应力减小了约14.1%；而混凝土基层厚度保持25cm不变，橡胶混凝土面层厚度由6cm增加到12cm，则复合式路面板底最大荷载应力减小约4.76%。
3.2 不同路面形式的对比分析
为了比较在车轮荷载作用下不同路面形式的弯拉应力的变化，分别对普通水泥混凝土路面、橡胶水泥混凝土复合路面的荷载应力进行计算。当复合式路面结构总厚度保持不变时，复合路面1（25cm普通混凝土层+8cm橡胶混凝土层）和复合路面2（21cm普通混凝土层+12cm橡胶混凝土层）略大于普通混凝土路面层底弯拉应力；对比复合路面1和复合路面2，当路面总厚度一致时，橡胶混凝土面层由8cm增大到12cm时，普通混凝土下面层的拉弯应力变化不大（增加5.24%），但橡胶混凝土面层应力却显著减小（减小了48.63％）。
4 结论
本文提出一种橡胶水泥混凝土面层和普通混凝土基层复合式路面，利用ANSYS软件分析了各结构层厚度及组合形式对荷载应力的影响规律，主要结论如下：
（1）橡胶混凝土面层厚度和路面总厚度是影响橡胶水泥混凝土复合式路面荷载应力的主要因素；
（2）橡胶水泥混凝土复合式路面荷载应力随柔性混凝土面层厚度及路面总厚度的增大而减小；
（3）当路面层总厚度保持不变，橡胶混凝土面层厚度的增加对普通混凝土板底拉弯应力的影响不大，但却能显著减小橡胶混凝土面层的弯拉应力。
参考文献
[1] N Segre, I Joekes. Use of Tire Rubber Particles as Addition to Cement Paste[J]. Cement and Concrete Research, 2000, 30(9): 1421-1425.
[2] L. Zheng, X. Sharon Huo, Y. Yuan. Experimental Investigation on Dynamic Properties of Rubberized Concrete[J]. Construction and Building Materials, 2008, 22(5): 939-947.
[3] 黄琼念, 贾峰, 杨胜坚等. 橡胶粉水泥混凝土路用性能及机理分析研究[J]. 人民长江, 2009(16): 58-62．
作者简介：
林泽辉 （1995 -），男，浙江绍兴人。
论文作者:林泽辉,严智华,马传奎,蒋庭耀,杨启航
论文发表刊物:《基层建设》2017年5期
论文发表时间:2017/6/20
标签：混凝土论文; 路面论文; 面层论文; 橡胶论文; 应力论文; 荷载论文; 厚度论文; 《基层建设》2017年5期论文;