全 文 ：　文章编号:1671-2579(2009)03-0222-04
轻质泡桐木复合材料道面垫板的制备与受力性能
方　海 , 刘伟庆 , 万　里
(南京工业大学 土木工程学院 , 江苏 南京　210009)
摘　要:选用泡桐木 、玻璃纤维布以及乙烯基酯树脂 , 采用先进的真空导入成型工艺制
备出轻质高强的复合材料道面垫板 ,其重量约为 20 kg/m2 。可用于紧急情况下快速建设临
时道路或用于快速修补遭大范围破坏的道路 、机场 ,适用于救灾抢险 、军事应急等。野外现场
车载试验表明了该复合材料道面垫板可适用于淤泥等各种恶劣场地土条件;文中同时建立了
道面垫板在复杂车载环境下的精细化有限元模型 , 有限元解与理论解及实测值具有较好的可
比性。
关键词:真空导入成型工艺;复合材料夹层结构;道面垫板;受力性能
收稿日期:2008-10-25
基金项目:江苏省属高校自然科学重大基础研究项目(编号:06KJA56002);南京工业大学博士学位论文创新基金(编号:BSCX200719)
作者简介:方　海 , 男 ,博士 , 讲师.E-mail:fanghainjut@163.com
　　抢建抢修用复合材料道面垫板是指用于快速建设
临时道路 、临时机场 、临时场地或用于快速修补遭爆炸
等大规模破坏的机场与道路等工程的一种轻质高强的
复合材料夹层结构垫板。复合材料道面垫板可事先按
一定模数制备 ,紧急情况发生时 ,即可在淤泥 、沼泽等
恶劣的场地条件下将其快速拼装 ,形成可供通车的道
路 、可供飞机起飞降落的机场道面等 ,同时该垫板可多
次重复使用 ,不破坏场地环境 。另外 ,该复合材料道面
垫板也可用于民用工程 ,如:在大型基坑工程中 ,运土
车需要合适的垫板进出基坑;在地震 、洪水等灾害发生
时 ,现有道面工程遭到破坏 ,则需要紧急抢修便道 ,将
物资与人员快速运送转移 。
纤维复合材料具有较高的比强度 、比刚度 、良好的
疲劳性能 、耐化学腐蚀性能等特点 ,并易于维修 、清理 ,
目前正引起美国空军部门的高度重视 ,近期已开发出
泡沫夹芯轻质复合材料道面垫板 ,自重约 20 kg/m2 ,
但在疲劳荷载作用下 ,相邻垫板连接节点部位易产生
应力集中 ,从而导致其成为薄弱环节。目前这种复合
材料垫板正在不断优化设计中 ,以期成为美国全球军
事部署机动性的关键力量 。而我国在工程中常采用高
强钢板作为道面垫板 ,往往自重较大 ,强度满足时 ,刚
度不够 ,且较易变形;近期我国国防部门也出现了采用
玻璃钢道面垫板快速建设临时性飞机跑道 ,但自重较
大 ,需要机械配合施工 ,不能充分发挥其强度优势 ,且
　　在对不同面层对层间作用力的影响研究时 ,分别
对AC13 、AR-AC-13作为面层的组合试件在 25 ℃
条件下层间作用力进行了研究可知 ,当面层是 AR-
AC-13时 ,层间剪切强度和拉拔强度值均较大 。
3　结语
橡胶沥青混合料在桥面铺装中作为应力吸收层特
别是在旧桥面的改造维修中的应用研究 ,为延长桥面
铺装的使用年限 、减少光线的反射和路面裂缝 、抑制路
面结冰 、降低车辆的行驶噪声 、提高行车安全和舒适性
等均有良好的效果 ,同时为节约资源和减少污染提供
了一条全新的途径。
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　 中　外　公　路 第29卷　第3期2 0 0 9 年 6 月
DOI :10.14048/j.issn.1671-2579.2009.03.046
刚度较低 。
本文提出了采用国产泡桐木为芯材 ,高强玻纤增
强复合材料夹层结构制备抢建抢修用轻质道面垫板的
研究思路 ,开展具体制备工艺 、现场实测与受力分析等
方面的研究。
1　制备工艺
1.1　试验材料
本文采用先进的真空导入工艺制备轻质高强的抢
建抢修用复合材料道面垫板。试验中 ,主要用到的原
材料包括:乙烯基酯树脂 ,经测试 25 ℃时 ,粘度为 350
cp · s ,需要 1.2%过氧化甲乙酮(MEKP)作为固化
剂;增强材料为 800 g/m2 四轴向[ 0/45/90/-45]准正
交玻璃纤维布;国产泡桐木 ,烘干后密度为 260 kg/m3 。
真空导入工艺主要用到的试验耗材有:真空袋 、脱
模布 、导流布 、密封胶带 、树脂管 、螺旋管 。
1.2　制备过程
本试验所采用的真空导入成型工艺基本原理参见
图 1。在模具上依次铺放 3层干的 800 g/m 2 四轴向
[ 0/45/90/ -45]准正交玻璃纤维布;放置表面开有树
脂导流齿槽 ,且沿厚度方向穿孔的泡桐木芯材 ,木材纹
理方向垂直于面板方向 ,参见图 1(a);在泡桐木芯材
上表面再放置 3层玻璃纤维布 ,参见图 1(b);依次铺
放脱模布 、导流布 ,并采用真空袋将其密封;型腔内抽
真空时 ,树脂即可在大气压作用下沿树脂管注入真空
袋内 ,并沿导流布分布 、流动而浸滞纤维束 ,浸滞到泡
桐木芯材时即沿芯材表面的齿槽分布 ,然后树脂沿芯
材厚度方向的圆孔 ,流动至芯材下表面的纤维布 ,参见
图 1(c)。由于所采用的乙烯基树脂粘度较低(25 ℃粘
度350 cp· s),因此浸滞性较好 。同时该树脂可在室
温下固化 ,因此无需加热加压处理 ,这也保证了该工艺
对大型建筑结构件的适用性 ,充模速度快 ,成型效益
高。另外制品玻纤含量高 ,且为闭模工艺 ,较为绿色
环保 。
图 1　复合材料道面垫板制备过程
待树脂固化后 ,即可将脱模布剥离 ,取出制品 ,可
以发现靠玻璃模具一侧较光滑平整 ,而上表面与脱模
布接触一侧略显粗糙 ,可作为垫板行车表面 ,提供足够
的抗滑性能;同时芯材上 、下表面尖槽内固化后的树
脂 ,将面板与芯材“钉”在一起 ,沿芯材厚度方向的圆孔
内灌满树脂 ,形成树脂圆柱 ,将起到螺栓的作用 ,将上 、
下面板与芯材“拎”在一起 ,可提高面板与芯材的抗剥
离能力 ,使复合材料道面垫板形成受力协调的有机整
体;制备完成的垫板平面尺寸为 3 m ×1 m ,高度约为
42.5 mm ,且厚度分布较为均匀 ,四周较为齐整 ,达到
了较高的制备质量;泡桐木芯材复合材料道面垫板的
重量约为 60 kg ,两人能轻易搬动一块垫板 ,具有机动
性好的特点。根据材性试验 ,树脂基纤维面板与泡桐
木的物理力学性能参见表 1 ,表中基础数据可用于垫
板受力分析。
表 1　泡桐木芯材与纤维面板的物理力学性能
材料 密度/ kg·m -3
弹性模量/MPa
面内 面外
剪切模量/MPa
面内 面外
剪切强
度/MPa
压缩强
度/MPa
拉伸强
度/MPa 泊松比
芯材(泡桐木) 260 1 469 4 319 209 294 3.34 26.53 — 0.23
面板(乙烯基树脂/E-玻纤) 1 760 8 730 — — — 223.7 0.3
2　受力性能研究
2.1 　现场车载实测
本文研究的复合材料道面垫板的基本构造参见图
2(a),采用 ZL50型轮式装载机对其进行野外现场车
载试验 ,整机重 18 t ,按最大单轴重 10 t 考虑;首先在
一般砂土地基上进行测试 ,可观察到随车轮的碾压 ,垫
板紧贴地基产生一定的挠度变化 ,可将荷载尽可能转
移至地基 ,说明道面垫板需适当具有一定的柔性;由于
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砂土地基情况较好 ,因此车载引起的垫板挠度变化不
大。本文所设计的复合材料道面垫板一般用于软粘土
场地条件下阵地的快速抢建抢修 ,紧急情况发生时;软
粘土场地条件较难满足车辆的行驶要求 ,当车轮荷载
作用于复合材料道面垫板的板中和板边时 ,道面垫板
的挠度变化 2 ～ 3 cm 。
图 2　淤泥场地试验
若遇到沼泽 、淤泥等极端恶劣的场地土条件时 ,本
文设计的复合材料道面垫板也应能满足使用要求 ,可
通过淤泥场地试验对此设计目标进行验证。当车辆前
轴行驶至道面垫板中心位置时 ,可观察到垫板产生了
明显的挠度变形 ,约为 5 cm[图 2(b)] ;当车辆后轴行
驶至垫板端部时 ,此时车辆前后轴的两个车轮同时作
用于同一块垫板上 ,垫板依然表现良好 ,垫板端部产生
了较大的挠度变化 ,约为 15 cm[图 2(c)] ;当车轮荷载
撤销后 ,产生较大变形的垫板迅速恢复原状 ,这是其他
混凝土垫板以及钢板所不具有的特点。
2.2　理论分析
本文采用经典的 Westerg aard方法与俄罗斯机场
设计规范相互对比验证 ,求出了复合材料道面垫板在
车轮荷载作用下的理论解 ,见表 2。在进行理论分析
前 ,需将夹层结构板等效成刚度相当的单层板 ,设复合
材料道面垫板的上 、下纤维面板厚度为 h f ,弹模为 E f ,
泊松比为 μf ;中间芯材的厚度为hc ,弹模为Ec ,泊松比
为μc ,其应力分布见图 3。
(1)刚度等效
根据板的刚度求解公式 ,其等效弯曲刚度为:
D e=E fh f(h f +hc)2
2(1-μ2f) + Ech
3
c
12(1-μ2c) (1)
图 3　夹层板应力分布图示
若将其等效成纤维面板材质的单层板 ,则其等效
高度为:
he =
3
6h f(h f +hc)2 +6Ech3c(1-μ2f)(1-μ2c)E f (2)
(2)应力等效
对于单层板 ,其最大弯曲正应力为:
σe= E f
he
2(1-μ2f)D eM (3)
而复合材料夹层结构受弯时 ,其面板承担的最大
弯曲正应力可表示为:
σf =E f(
hc
2
+h f)
(1-μ2f)D e M (4)
则有:
σf = hc +2h f
he
σe (5)
单位宽度上夹层结构中芯材所受剪应力为:
τc= Q
2h f +hc (6)
而单层板单位宽度上所受的最大剪应力为:
τe=3Q
2he
(7)
则有:
τc= 2he
3(2h f +hc)τe (8)
2.3　有限元模拟
本文首先建立地基-复合材料道面垫板-轮载相
互作用的有限元模型 ,分析单轮荷载作用于板中 、纵缝
板边 、横缝板边 、板角 4种工况下的力学响应 ,主要考
察其挠度 、面板正应力与芯材剪应力。
复合材料道面垫板的面板与芯材模型均采用三维
实体单元构建(图 4)。其平面尺寸采用长×宽=3 m
×1 m ,上 、下两层面板厚 2.4 mm(3 层 800 g 准正交
玻璃纤维布),泡桐木芯材厚 38 mm 。2.4 mm 厚度的
面板划分成2 400个实体单元 ,芯材划分成 6 000个实
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体单元 ,面板与芯材单元相邻处共用节点 。芯材与面
板材料的物理力学性能参数参见表 1 ,面板按各向同
性材料输入 ,芯材按正交各向异性材料输入 。车轮荷
载作为上面板实体单元的压力荷载输入 。
图 4　复合材料道面垫板有限元模型
以淤泥场地土条件为例 , 地基反应模量取 1
MN/m3进行计算 ,将其作为下面板的面弹性支承输
入 ,并同时转化为作用于底面各节点 、与地面相连的节
点弹性支承。
对比分析野外现场车载试验现象 ,则可求得单轮
荷载 P=50 kN(轴重100 kN)、胎压 0.61 MPa的荷载
作用于板中 、板边和板角时 ,垫板所受的面板正应力 、
芯材剪应力及最大挠度(表 2)。将理论解和有限元解
与实测值对比 ,可以发现:面板正应力的安全富余度较
大 ,且有限元解略低于理论解;板角加载工况下芯材剪
应力有限元解略大于极限强度测试值 ,但不超过 5%,
有限元解大于理论解 17%;板角加载工况下最大挠度
有限元解为 181 mm ,而淤泥场地车载实测可观察出
板端产生的较大挠度变化约为 15 cm ,实测值小于有
限元解 17%左右 ,但与理论解150.20 mm 接近 ,表明
了理论解与有限元方法的精确性。
表 2　道面垫板在各加载工况下的分析结果对比
垫板芯材 加载工况
淤泥 k=1 MN/ m3
理论解
面板正应力
/MPa
芯材剪应力
/MPa
最大挠度
/ mm
有限元解
面板正应力
/MPa
芯材剪应力
/MPa
最大挠度
/ mm
泡桐木
板中 52.42 — 25.41 52.04 1.35 42.19
纵缝板边 53.32 —
横缝板边 85.08 — 71.53
69.13 2.82 101.61
67.09 2.32 123.08
板角 -93.27 2.88 150.20 -37.25 3.01 181.00
3　结论
本文针对国防与民用工程急需 ,设计开发了抢建
抢修用轻质复合材料道面垫板 ,并对其进行了受力性
能研究 ,可得出如下主要结论:
(1)真空导入成型工艺充模速度快 、成型效益高 ,
适合制备大型/异型复合材料夹层结构件 ,可用于复合
材料道面垫板的快速成型 。
(2)本文设计的道面垫板平面尺寸为 3 m×1 m ,
高度约为 42.5 mm ,重量约为 60 kg ,两人能轻易搬动
一块垫板 ,具有机动性好的特点。
(3)野外现场车载试验表明 ,本复合材料道面垫
板可适应各种恶劣场地土条件 。有限元解 、理论解与
实测值吻合较好 。
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