底部槽形预制块构造形式与力学性能研究*

0 引 言

预制块路面的面层是由高强度、高精度的水泥混凝土预制块紧密排列、互相嵌挤形成的，块间填筑接缝砂，预制块面层下铺设有一层砂垫层.预制块一般分为普通型和联锁型两种[1].在农村公路、城市道路、高填方地区、软基路段等场合[2-4]应用时多为普通型预制块路面，在大型港口、码头、堆场等场合[5]应用时多为高强度联锁型预制块路面.

国内外对于预制块路面的研究主要集中在研究预制块路面整体性能.Knapton等[6]进行了刚性基础上的承载板试验和进一步的现场足尺试验；Shackel[7]进行了柔性基础上的室内承载板试验；Sharp等[8]用道路模拟车进行了足尺预制块路面的快速行车试验；Miura等[9]为研究预制块路面的力学性能和能否采用CBR方法设计预制块路面，进行了足尺试验；孙立军[10]进行了两次室内承载试验和两次现场承载试验对混凝土预制块路面的承载特性和结构设计方法进行了研究；王火明[11]进行了相关的室内承载板试验和环道试验研究，提出了永久变形预估模型.

预制块面层在荷载作用下，块体之间相互挤压，会形成“嵌挤”效应，提高了路面结构的承载力.预制块面层下面的砂垫层一般起到调平、扩散荷载的作用，砂垫层还能避免预制块与基层直接接触出现应力集中.因此，研究砂垫层与预制块面层之间的作用关系十分重要.目前国内外预制块路面所使用的预制块底面大多是平的，与砂垫层之间的摩阻力较小，在车辆荷载的反复作用下，容易出现接缝砂流失，块体松散的情况，进而影响到预制块路面的使用性能.底部槽形预制块由于底部开槽的特殊构造，在预制块面层震动压实后，垫层砂能够填进预制块底部的凹槽中，与预制块面层有更好的接触，从而提供更大的水平摩阻力，使这种嵌挤作用更牢固，改善路面性能.

1 试验准备

预制块的力学性能一般用抗压强度和抗折强度来表示，也有用劈裂抗拉强度来表示.文献[12]将预制块分为抗压强度Cc40，Cc50，Cc60三个等级，抗折强度Cf4，Cf5，Cf6三个等级.试验选用抗压强度Cc50等级，抗折强度Cf5等级，底部槽形预制块的抗压强度与抗折强度的试验方法与普通预制块相同.此外，还选用了无垂直加载和有5 kN荷载垂直加载两种工况进行水平摩阻力试验.

1.1 底部槽构造形式的确定

预制块在不同场合下尺寸、形状不一，普通型预制块在等级公路上用作车行道时形状可为矩形、正方形和六角形等，长度宜为400～500 mm、宽度宜为 200～250 mm；联锁型预制块尺寸一般小一些，长为200～250 mm、宽 100～125 mm，也可以比这个尺寸大1～3倍.用作车行道的预制块厚度一般为10～18 cm，具体厚度按公路等级由设计确定.其中，用于极重、特重、重交通过渡路面车行道预制块的最小厚度不应小于15 cm；用于中、轻交通公路车行道预制块的最小厚度不应小于10 cm[13].本次研究所采用的预制块为普通型预制块Common Block(CB)，选用公称尺寸为400 mm×200 mm×120 mm，底部槽形预制块构造形式有三种，见图1，分别是五个矩形槽Trench-5Rectangular Groove(TG-5R)、五个三角形槽Trench-5Triangular Groove(TG-5T)、1个方形槽Shell-Rectangular Groove(Shell-R).试验所用预制块信息见表1.

图1 试验所用预制块构造形式

表1 试验所用预制块信息

1.2 试验材料

预制块所用水泥混凝土采用C50配合比设计，水灰比为0.4，水泥采用P·O42.5等级普通硅酸盐水泥，粗集料为粒径10 mm以内的级配碎石，细集料为最大粒径5 mm的河砂，砂的级配见表2，细度模数为2.6，含泥量小于2%.混凝土各成分组成为：m(水泥)∶m(粗集料)∶m(细集料)∶m(水)=513∶1 077∶606∶205 kg/m3.

表2 砂的级配

1.3 试件制作

预制块试件在实验室制作成型.对于这4种类型的预制块，由于公称尺寸相同，底部槽的构造不同，选用相同的模具和不同形状的底板.粗集料、细集料和水泥应先充分拌合，之后再加入水，拌合时要注意把控时间，避免拌合时间过长出现混凝土品质下降，应在拌合后的30 min内完成试件的浇筑.预制块浇筑后应充分振捣，避免出现预制块空隙过大影响其强度的情况.本次试验用振捣棒振捣密实后再将预制块放置于振动台上进行振动，之后再用刮刀抹平预制块上表面.拆除模具后应对预制块进行养护，养护控制在温度20 ℃，湿度95%的环境中，养护28 d.

2 试验过程

2.1 抗压强度试验

抗压强度试验选用TYE-2000B型压力试验机.预制块试件上部为一钢制垫压板，根据试件厚度120 mm，选用垫压板尺寸为：长240 mm、宽120 mm、厚30 mm，下压板尺寸应大于试件底面尺寸.

试验前应先清除预制块表面粘渣、毛刺，放入室温水中浸泡24 h，之后将试件取出，用拧干的湿毛巾擦去表面附着水，放置在试验机下压板的中心位置.启动试验机，保持匀速连续加荷，加荷速度为0.4～0.6 MPa/s，直至试件破坏，记录破坏荷载.本次试验每种类型的预制块各选取3个试件，预制块的抗压强度计算按式(1)计算，取平均值，精确到0.1 MPa.

(1)

式中：σc为抗压强度，MPa；P为破坏荷载，N；A为试件实际受压面积，或上表面受压面积，mm2.

2.2 抗折强度试验

抗折强度试验时预制块试件底部应有两个钢棒组成的支座，上部有一钢制加压棒.选用钢质圆棒直径为40 mm、长度200 mm，其中一个支撑棒应能够滚动并可以自由调整水平位置，钢棒不与预制块直接接触，之间有一块4 mm厚木质三合板垫层.见图4.

试验前的准备工作与抗压强度一样，然后将预制块顺着长度方向放置于支座上.本次试验选用抗折支距L为24 cm.启动试验机，关闭回油阀，缓慢打开送油阀，匀速连续加荷，加荷速度为0.04～0.06 MPa/s，直至试件破坏，记录破坏荷载.和抗压强度一样，每种类型的预制块各选取3个试件，预制块抗折强度按式(2)计算，取平均值，精确到0.1 MPa.

(2)

式中：σf为弯拉强度，MPa；F为破坏荷载，N；L为两支座间的中心距离，mm；b为试件宽度，mm；he为试件有效厚度，mm.

以上公式只适用于普通型预制块CB、底部矩形槽TG-5R和底部三角形槽TG-5T的预制块，对于底部方形槽Shell-R的预制块，应单独计算.Shell-R的横截面见图2，先计算中性轴离顶面的距离(见式3) ，再根据平行移轴公式(见式4)计算截面惯性矩Iz.底面距中性轴距离为y，中心最大弯矩M=FL/4，最后按公式计算底部方形槽Shell-R预制块的弯拉应力.

图2 Shell-R横截面

(3)

(4)

2.3 水平摩阻力试验

水平加载试验是在一个1 m×1 m的木箱上的，木箱内填充30 cm厚砂性土，15 cm厚级配碎石基层，3 cm厚砂垫层，分别用木锤分层振捣压实.然后，将预制块放置在砂垫层上，用液压千斤顶预压，确保垫层砂充分填进预制块底部的槽中.水平加载见图3，分别是无垂直加载和有5 kN荷载垂直加载两种工况.垂直加载时，预制块上放置有两层钢质垫压板，垫压板之间为3根钢棒.安装好试验设备后，测量各种类型预制块的水平摩阻力f(N)和对应的水平位移s(0.01 mm)，用力传感器(最大量程20 kN)测量f，用两个百分表(取平均值)测量s.现定义，预制块水平位移不超过300(3 mm)时对应的最大水平摩阻力f为临界水平摩阻力.

图3 两种工况加载图

3 结果和讨论

3.1 抗压强度

三种底部槽形(Shell-R,TG-5T,TG-5R)预制块抗压强度(见图4)分别为53.7，62.0，58.0 MPa，相比普通型预制块CB的66.1 MPa分别下降了18.8%，6.2%，12.3%，这三种预制块的抗压强度都大于最低50 MPa的要求.底部槽形的构造形式对预制块的抗压性能有较大的影响，Shell-R的抗压性能最差，TG-5T的抗压性能最好，TG-5T和TG-5R的抗压性能较为接近.从构造上看，Shell-R在实际抗压时容易出现应力集中、局部易破坏是由于边缘厚度e过小，结构形式不合理，而TG-5T和TG-5R底部槽的体积VG和预制块的体积VB都相同，构造较为接近，所以实际抗压性能也较为接近.

图4 各种预制块的抗压强度

3.2 抗折强度

三种底部槽形(Shell-R,TG-5T,TG-5R)预制块抗折强度(见图5)分别为6.1，5.3，5.7 MPa，相比普通型预制块CB的6.5 MPa，分别下降了6.3%，18.5%，12.4%，这三种预制块的抗折强度都大于最低5 MPa的要求.底部槽形预制块中，Shell-R和TG-5R有效厚度he都是105 mm，但Shell-R抗折性能比TG-5R好，这是因为Shell-R底部还有两个厚度为e的肋板承受弯拉应力； TG-5T和TG-5R的体积相同，但TG-5T抗折性能比TG-5R差，这是因为TG-5T的有效厚度he更小.由此可见，预制块横截面形状和有效厚度he对预制块的抗折性能有较大影响.

图5 各种预制块的抗折强度

3.3 临界水平摩阻力

各种类型预制块(Shell-R,TG-5T,TG-5R,CB)在无垂直荷载加载的情况下，产生不超过3 mm位移时，临界水平摩阻力f(见图6)分别为83，102，69，47 N.经过比较，可以发现底部三角形槽TG-5T的预制块临界水平摩阻力f最大，比普通型预制块CB提高了117%，底部方形槽Shell-R和底部矩形槽TG-5R次之，分别提高了76.6%，46.8%.

图6 无垂直加载时各类预制块的水平摩阻力

在5 kN垂直荷载的作用下，再次测量各类预制块(Shell-R,TG-5T,TG-5R,CB)的临界水平摩阻力f(见图7)，分别为2 150，3 190，3 350，3 150 N.这时，底部矩形槽TG-5R的预制块临界水平摩阻力f提升最大，相比普通型预制块CB，提高了6.3%，底部三角形槽TG-5T的预制块的临界水平摩阻力f和普通型预制块CB比较相近，仅提高了1.3%，而底部方形槽Shell-R的预制块的临界水平摩阻力f则出现了下降的现象，达到31.7%，分析原因，是因为这种底部开槽的形式不合理，边缘厚度e太小，当垫层砂填进底部方形槽中时，砂与预制块底面的接触方式和接触面积与普通型预制块相差不大，应当增大边缘厚度或采用多个方形槽.总体而言，底部槽形预制块抵抗水平滑动的性能相比普通型预制块有较大的改善.

图7 加载5 kN垂直荷载时各预制块水平摩阻力

4 结 论

1) 提出了3种新型底部槽形的路面预制块构造形式，分别为底部方形槽Shell-R、三角形槽TG-5T、矩形槽TG-5R.

2) 底部槽形预制块的抗压性能和抗折性能相比普通型预制块有所下降，最多的下降幅度都在18%左右，性能下降的预制块仍然能够满足设计强度的要求.其中，底部方形槽的预制块抗压性能最差，抗折性能最好，三角形槽TG-5T的抗压性能最好，抗折性能最差，矩形槽TG-5R的抗压性能和抗折性能较为均衡.

3) 底部槽形预制块的临界水平摩阻力f相比普通型预制块有较大的提升，这说明底部槽形预制块抵抗水平滑动的性能相比普通型预制块有较大的改善.其中，无垂直荷载加载时三角形槽TG-5T的临界水平摩阻力f提升最大，达到了117%，5 kN荷载垂直加载时矩形槽TG-5R的预制块的临界水平摩阻力f提升最大，达到6.3%.

4) 底部方形槽Shell-R预制块的结构形式不合理，需要改进，而底部矩形槽TG-5R预制块的抗压强度和临界水平阻力都明显优于底部三角形槽TG-5T预制块，故推荐使用底部矩形槽TG-5R预制块用于预制块路面铺筑.