短纖維預制混凝土板式軌道的適用性研究

周 藝,吳家嵐,馬碧波

(西南交通大學土木工程學院,四川 成都 610031)

1 混凝土板式軌道應用簡介

混凝土板式軌道(圖 1)是日本新干線主要的軌道結(jié)構(gòu)形式,約占新干線的 90%,其中最早鋪設(shè)的軌道使用期已經(jīng)達到 30年以上。但由于動態(tài)列車荷載引起預制混凝土面板損壞的相關(guān)報道至今沒有。然而,由環(huán)境條件引起預制混凝土面板損壞的情況卻成為一大難題。特別是在海底隧道產(chǎn)生的融鹽損壞和寒冷區(qū)隧道產(chǎn)生的凍融破壞極為明顯。融鹽損壞在不同地區(qū)皆有發(fā)生,因而本文將重點放在預制混凝土面板中混凝土板面的融鹽損壞上。筆者認為采用無鋼筋短纖維混凝土來預制混凝土面板可以使得預制混凝土面板持久耐用。

圖1 混凝土板式軌道

圖2 聚丙烯纖維與聚乙烯醇纖維

2 短纖維混凝土的材料性能

2.1 短纖維

短纖維可以在混凝土裂縫之間傳遞拉力,故在混凝土中摻入短纖維就可使混凝土變得堅韌。所以,若用短纖維混凝土制造預制混凝土面板,混凝土面板中的短纖維將有效地控制由于凍害而引起的裂縫增長,從而融鹽損壞引起的鋼筋銹蝕也就不會發(fā)生。本次實驗中采用的短纖維是聚丙烯(以下簡稱 PP)和聚乙烯醇(以下簡稱 PVA)(見圖 2),每種短纖維的物理性能見表 1。當這些短纖維應用在混凝土中時,由于PVA短纖維的比重大于水并且具有良好的親水性能,所以它與混凝土有著良好的粘聚性;PP短纖維的密度小于水,并且具有疏水性能,因此需要經(jīng)過表面處理以提高其與混凝土的粘聚性。

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2.2 短纖維混凝土的流動性

因為短纖維的縱橫比要比顆粒狀骨料的縱橫比大得多[1],所以當大量短纖維摻入混凝土中時,短纖維混凝土的流動性就會變差,而流動性變差就會導致工程施工更加困難。為了研究流動性的變化,首先考察短纖維混入前后混凝土的坍落度(簡稱 SF)。表 2是測試混凝土流動性的配合比,在混凝土中摻入大量纖維前,先測定其SF,然后以 55cm為標準點考慮流動性的下降,同時含氣量以 7%為標準,以使得短纖維與混凝土更易混合。最終測得SF的實際平均值和空氣含量分別為 58.2%和 6.7%,幾乎與目標值相同。采用短纖維數(shù)量的單位體積率分別為 0.5%,1.0%,1.5%,2.0%,3.0%

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為了檢測 SF的變化,定義 SF變化率

圖3表示PVA短纖維體積率為 2.0%的短纖維混凝土的 SF,圖 4表示 SF變化率和短纖維體積率之間的關(guān)系。根據(jù)這些圖表,可以得出混凝土的流動性隨著短纖維體積率的增加而降低,為了保證混凝土具有足夠的流動性,可將SF變化率設(shè)定在 0.5。

圖3 混凝土加入纖維后的坍落度比較

圖4 坍落度變化率與纖維體積率關(guān)系

2.3 短纖維混凝土的強度特性

為了檢測短纖維增強混凝土的強度特性,進行了壓縮實驗,直接拉伸試驗,彎曲韌性試驗。預制混凝土板重要的性能標志就是其彎曲韌性,圖 5為彎曲韌性實驗場景。梁試件尺寸為 100mm×100mm×400mm,混凝土配合比和短纖維體積率與用于檢測混凝土流動性能試驗的比例相同,圖 6表示采用不同體積率的短纖維梁試樣載荷與中心位移之間的關(guān)系。根據(jù)圖 6可以證實增加短纖維體積率可使位移減少,荷載降低,即增加短纖維體積率可增強混凝土的彎曲韌性。就兩種纖維彎曲韌性比較而言,PVA纖維優(yōu)于PP纖維。

2.4 流動性和彎曲韌性的綜合評價

為了綜合評估短纖維混凝土的流動性和彎曲韌性的關(guān)系,筆者計算了曲線下以橫軸為邊界(中心位移為 0～2mm)的四邊形面積,并把計算值定義為彎曲韌性(圖 7)。圖 8是SF變化率和彎曲韌性之間的關(guān)系?？梢钥闯?當短纖維體積率相同時,PVA短纖維混凝土的流動性比PP短纖維混凝土的流動性差,但它的彎曲韌性比 PP短纖維混凝土的好。

圖5 彎曲韌性實驗

圖6 梁中點位移與荷載之間的關(guān)系

從以上調(diào)查結(jié)果得出,可把以上兩指標的評價作為一種工具,根據(jù)結(jié)構(gòu)形式和設(shè)計施工方法來選擇適當?shù)亩汤w維類型和數(shù)量。

3 疲勞研究

一般預制混凝土板預計的使用壽命是 50年,但因使用期間經(jīng)過板的火車輪軸數(shù)目達 200萬次以上,所以研究預制混凝土板與短纖維混凝土的疲勞失效是很重要的。所以我們進行了短纖維混凝土彎曲疲勞試驗,得出其實驗結(jié)果,并評估了疲勞壽命。用于此試驗的測試標本,是由體積率為2.0%的 PVA纖維混凝土構(gòu)成的。

圖7 彎曲韌性定義

圖8 坍落度變化率與彎曲韌性之間的關(guān)系

3.1 彎曲疲勞試驗

用于彎曲疲勞試驗的標本尺寸為 100mm×100 mm×400mm,支座間距離為 300mm,彎曲載荷間隔是 100mm(如圖 5所示),使用的四種循環(huán)荷載分別為 15.7,17.2,18.6,20.0 kN,循環(huán)頻率是 3 Hz?；炷恋目箟簭姸葹?52.5 N/mm2。從直接拉伸試驗得到的拉伸強度是 3.37 N/mm2(見圖 9)。圖10為從拉伸試驗得出的拉力軟化曲線。測試結(jié)果表明:裂縫出現(xiàn)后,拉應力即刻下降,在拉應力約為 2.0 N/mm2時,可以確定短纖維橋梁作用的韌性行為。之后,隨著裂縫寬度的增加拉應力逐漸下降。圖 11表示彎曲疲勞壽命和彎曲應力之間的關(guān)系,以及下文將提到的彎曲疲勞壽命的計算值。試驗結(jié)果表明:短纖維混凝土彎曲疲勞壽命增加與彎曲應力下降在單一對數(shù)圖里呈現(xiàn)線性關(guān)系。

3.2 彎曲疲勞壽命的評估方法

諸如混凝土之類的脆性材料,裂紋擴展可解釋疲勞性。本文從截面的平衡設(shè)計出發(fā),將拉力方面的負載周期考慮在內(nèi),假設(shè)不考慮壓縮循環(huán)荷載的任何影響,提出了一種短纖維增強混凝土彎曲疲勞壽命的計算方法。

圖9 直接拉伸試驗圖示

圖10 混凝土拉力軟化曲線

圖11 彎曲疲勞壽命和彎曲應力之間的關(guān)系

圖12為疲勞壽命的計算流程。在這里,疲勞壽命通過截面平衡設(shè)計的疲勞設(shè)計負荷彎矩來計算,采用壓縮試驗得到的抗壓強度,應用《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中提出的壓縮應力變形關(guān)系來考慮平衡設(shè)計的壓縮模型,從而反復進行平衡設(shè)計,直至載荷循環(huán)值達到穩(wěn)定。此外,由于材料強度變化對疲勞試驗結(jié)果有很大影響,當計算疲勞壽命時,抗壓強度變化可考慮 3倍的標準偏差。平衡設(shè)計采用的張力模型是根據(jù)實驗結(jié)果(圖 10)確立的三線線型的拉力軟化曲線(圖 13),此模型的拉應力隨著負荷周期數(shù)的增加而減小。以下詳細解釋拉力模型:在達到抗拉強度后,當裂縫的寬度是 0.01mm時,拉應力才下降,從無筋混凝土的拉伸軟化曲線預估 0.01mm,并且拉應力減小到短纖維作為橋梁作用所引起的應力(σt),此應力(σt)被分散在開裂區(qū)。且由于抗拉強度很容易因各種因素的影響而改變,所以筆者根據(jù)實驗所得公式(2)計算出的抗拉強度比率來修改張力軟化曲線,其中抗拉強度的彈性模量采用混凝土規(guī)范中的所示值。

圖12 疲勞壽命的計算流程

圖13 三線線型的拉力軟化曲線

由于抗拉強度沒有不同于抗壓強度的明顯變化,可以用式(2)得出修正了的抗壓強度(±3σ)來計算抗拉強度,再利用這個抗拉強度計算短纖維混凝土的疲勞壽命。根據(jù)斷裂力學,混凝土構(gòu)件疲勞失效是由循環(huán)負荷引起的裂紋擴展導致的,因此可以認為裂紋擴展是由于張力軟化曲線的拉應力退化所引發(fā)的,假設(shè)張力軟化曲線隨著載荷循環(huán)的增加而下降。根據(jù)式(3)可以進行計算。

3.3 疲勞壽命的計算結(jié)果

用來計算疲勞壽命的短纖維混凝土的抗壓強度是 53.1 N/mm2,圖 14表示通過計算得到的拉力軟化曲線,其中顯示的“最大值”“最小值”是固定的。通過壓縮與張力模型估算了疲勞壽命,將其計算結(jié)果與疲勞試驗結(jié)果進行比較。圖 11即為二者比較結(jié)果。彎曲疲勞試驗結(jié)果在“最大值”和“最小值”之間,并且與“平均值”有一定的關(guān)聯(lián)。通過以上分析,證實用此方法計算鋼筋混凝土的疲勞壽命是可行的。

4 使用實際尺寸的預制混凝土板測試

為了檢驗彎曲和彎曲疲勞強度性能,本文使用實際尺寸的預制混凝土板樣進行了靜態(tài)彎曲試驗和彎曲疲勞試驗。樣板是摻入了 2.0%的PVA短纖維的短纖維混凝土。通過把 RC預制混凝土板分成兩個方向軌道的形式準備試件(200mm×1170mm×4930 mm)。彎曲試驗中,試件的支座距離是 3000mm,彎曲載荷間隔是 1000mm,彎曲疲勞試驗的循環(huán)荷載分別是 55.0,60.2,63.0,74.5 kN。假設(shè)試件所有部分都是有效的,試件底部彎拉應力分別為 3.5,3.9,4.0,48N／mm2。圖 15表示的彎拉應力是由彎拉應力與靜態(tài)彎曲試驗得出的位移之間的關(guān)系,然后再根據(jù)平衡設(shè)計計算得來。然而,這個彎曲應力值是試樣底部的值,當壓縮邊緣應力設(shè)置為 0.0035時,彎拉應力則由彎矩計算得來 。

圖14 拉力軟化曲線

圖15 彎曲應力與中點位移關(guān)系

圖16 彎曲疲勞壽命和彎曲應力關(guān)系

結(jié)果表明:靜態(tài)彎曲試驗的結(jié)果在“最大”與“最小”計算值之間,說明短纖維混凝土制成的預制混凝土板彎曲斷裂可經(jīng)計算檢驗。圖 16顯示了基于彎曲疲勞試驗和通過計算兩種方式得出的疲勞壽命結(jié)果。所有情況下的試驗結(jié)果都在計算所得結(jié)果范圍內(nèi),此計算結(jié)果是將材料強度變化考慮在內(nèi)實現(xiàn)的。最后證實,短纖維混凝土制成的預制混凝土板的彎曲疲勞可通過計算校核。此外,通過靜態(tài)彎曲試驗得出,實際大小的預制混凝土板的彎曲斷裂載荷約是 80 kN,這個值大于載荷(43.6 kN)相應的彎曲斷裂設(shè)計的彎矩(21.8 kN·m),并且認為它對應的彎曲疲勞斷裂設(shè)計彎矩是 21.2 kN,此載荷低于彎曲裂縫載荷,所以它的重復不會引起疲勞斷裂。

5 環(huán)境性能

為了研究混凝土凍害問題,筆者對摻入了 2.0%.PVA纖維的混凝土進行了凍融試驗。試驗時取混凝土的 W/C為47.0%。圖 17顯示了相對動態(tài)彈性模量為 100的凍融測試結(jié)果。雖然相對動態(tài)模量在早期下降了一點,但當周期到300時,相對動態(tài)彈性模量都保持在 95%左右,此值大于混凝土標準中顯示的最嚴重的情況(85%)的標準,就冷凍,解凍循環(huán)而言,短纖維混凝土已經(jīng)具有足夠的性能抵抗。雖然融鹽損壞檢測沒有進行,但由于混凝土中沒有加入鐵質(zhì)纖維,故可以持久抵抗鹽損壞,即混凝土有足夠的耐久性能。

圖17 凍融測試結(jié)果

6 結(jié)論

(1)當坍落變化率在超過 0.5的情況下,纖維混凝土的流動性能是足夠的。同樣,當PVA短纖維體積率與PP短纖維體積率相同的情況下,PVA短纖維在提高彎曲韌性上更有效。

(2)在彎曲破壞和彎曲疲勞失效方面,纖維混凝土完全可以應用于預制混凝土板式軌道。

(3)通過拉力軟化曲線,重復平衡計算以及考慮循環(huán)載荷影響時,可以預測纖維混凝土的疲勞壽命。

(4)本文指出了纖維混凝土抵抗融鹽損壞和凍害的可能性。

[1]楊更社.寒區(qū)凍融環(huán)境條件下巖石損傷擴展研究探討[J].試驗力學,2002,17(2):220-226

[2]羅昕.凍融條件下混凝土損傷演變與強度相關(guān)性研究[J].華中科技大學學報(自然科學版),2006,34(1):98-100

[3]李敏.聚丙烯纖維混凝土在樂灘水電站的應用[J].紅水河,2006(3):18-20

[4]孫林.建筑材料的未來發(fā)展趨勢[J].山西建筑,2005,31(12):129-130

[5]關(guān)寶樹.隧道工程設(shè)計要點集 [M].北京:人民交通出版社,2003

[6]JTJ 053-94公路工程水泥混凝土試驗規(guī)程[S]

[7]Japan concrete institute:standard about the testmethod of fiber reinforcement concrere-bending strength and benging toughness test method of fiber reinforced concrete,1984

[8]Railway technical research institute,“design standards for railway structures-concrete structures,”Maruzen,2004