鋼纖維混凝土橋面鋪裝疲勞性能試驗(yàn)研究＊

牟廷敏 丁慶軍 周孝軍 范碧琨

（四川省交通運(yùn)輸廳公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院1） 成都 610041）

（武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2） 武漢 430070）

目前，水泥混凝土橋面鋪裝在高速公路建設(shè)中應(yīng)用廣泛［1］.由于混凝土材料剛度大、柔韌性較差致使橋面鋪裝層很容易產(chǎn)生裂縫，特別是在T梁、混凝土箱梁加勁肋與隔板頂部等拉應(yīng)力較大部位；在疲勞荷載作用下鋪裝層和橋面板之間也容易喪失粘結(jié)力，出現(xiàn)脫層、裂縫現(xiàn)象［2］.鋪裝層的疲勞開裂不僅會(huì)影響到橋面美觀及使用性能［3－4］，而且開裂嚴(yán)重處橋面板極易被雨水腐蝕，將直接影響到橋梁結(jié)構(gòu)的安全性.研究表明：鋼纖維混凝土強(qiáng)度高，柔韌性好，耐磨抗沖擊性能強(qiáng)，具有阻裂限裂的作用，抗疲勞性能優(yōu)越，在橋面鋪裝中應(yīng)用越來越受歡迎［5－6］.很多學(xué)者對(duì)鋼纖維混凝土橋面鋪裝材料組成設(shè)計(jì)、物理力學(xué)性能等進(jìn)行了較多的研究，但是主要集中在混凝土材料性能方面，很少涉及到整體鋪裝層的結(jié)構(gòu)性能.本文提出鋼纖維混凝土結(jié)合剪力件的鋪裝方案，以鋪裝層和橋梁結(jié)構(gòu)整體為試驗(yàn)對(duì)象，通過結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)，研究“剪力件＋鋼筋網(wǎng)＋普通混凝土”和“剪力件＋鋼纖維混凝土”2種橋面鋪裝方案的疲勞性能，分析鋼纖維、鋼筋網(wǎng)、剪力件等對(duì)混凝土橋面鋪裝疲勞性能的影響程度.

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

研究分析表明車輛荷載作用下鋪裝層表面出現(xiàn)的拉應(yīng)力是引起鋪裝破壞的主要原因.本文主要考察在彎拉荷載作用下鋼纖維、剪力件間距和鋼筋網(wǎng)對(duì)鋪裝層與混凝土橋面板間粘結(jié)力和鋪裝層裂縫出現(xiàn)位置、擴(kuò)展延伸情況、裂縫寬度的影響.疲勞試驗(yàn)以鋪裝層和橋梁結(jié)構(gòu)整體為試驗(yàn)對(duì)象，共制作5個(gè)試件，構(gòu)造見表1.每個(gè)試件由2部分組成：模擬混凝土橋面的底板與混凝土鋪裝層，分兩次澆注成型.先成型底板，澆注混凝土前，在頂層鋼筋上按間距要求焊接剪力件，待混凝土澆注完畢后在其表面刻痕促進(jìn)與面層鋪裝層粘結(jié).待底板澆注7d后澆注面層鋪裝層，定期灑水養(yǎng)護(hù).

同時(shí)，針對(duì)2種鋪裝方案結(jié)構(gòu)模型制作了相應(yīng)的同尺寸鋪裝層模型試件，即鋼纖維混凝土試件與普通混凝土配鋼筋網(wǎng)片試件（厚80mm，每類成型3個(gè)試件），進(jìn)行靜力加載，測(cè)試其極限荷載與極限應(yīng)變，為疲勞試驗(yàn)測(cè)試方案提供參考.

編號(hào) 底 板橋面鋪裝層剪力件間距／cm 鋼筋網(wǎng) 混凝土S20 混凝土： 20×20 無 C40鋼纖維混凝土（厚8cm）S30 C50、厚100mm 30×30 無 C40鋼纖維混凝土（厚8cm）S40 配筋： 40×40 無 C40鋼纖維混凝土（厚8cm）S40－1 底層，直徑16／100mm 40×40 直徑10／100／100mm C40普通混凝土（厚8cm）S100－1 頂層，直徑12／100mm 100×40 直徑10／100／100mm C40普通混凝土（厚8cm）

注：剪力件直徑10mm，高80mm；編號(hào)“S40－1”中“40”指剪力件間距，“－1”指有鋼筋網(wǎng)片；間距“100×40”指沿試件長(zhǎng)方度向?yàn)?00mm、沿試件寬度方向?yàn)?0mm；鋼筋網(wǎng)“直徑10／100／100mm”指鋼筋直徑10mm，網(wǎng)格間距100mm.

2 混凝土配合比與力學(xué)性能

2.1 原材料

水泥（C）：亞東P.O 42.5；砂（S）：岳陽中砂，細(xì)度模數(shù)2.8；石（G）：5～25mm連續(xù)級(jí)配碎石；減水劑（WRG）：武漢蘇博PC100－R聚羧酸系高效減水劑，減水率25%；粉煤灰（FA）：武漢陽邏電廠II級(jí)粉煤灰，需水量比95%；聚丙烯腈纖維（PAF）：深圳海川聚丙烯腈纖維，長(zhǎng)度12mm，抗拉強(qiáng)度大于800MPa，相對(duì)密度1.18；鋼纖維（SF）：武漢新途多錨點(diǎn)鋼纖維，長(zhǎng)30mm，長(zhǎng)徑比為60，抗拉強(qiáng)度大于600MPa.

2.2 混凝土配合比與力學(xué)性能

采用上述原材料，根據(jù)實(shí)際橋面鋪裝混凝土的施工性能要求，進(jìn)行配合比試驗(yàn).試驗(yàn)混凝土配合比及物理力學(xué)性能見表2.

表2 混凝土配合比與物理力學(xué)性能

3 試驗(yàn)過程

3.1 橋面鋪裝層靜載試驗(yàn)

靜力加載主要是測(cè)試鋪裝層的開裂荷載與相應(yīng)應(yīng)變以及極限荷載與相應(yīng)應(yīng)變，為疲勞試驗(yàn)加載方案的確定提供參考依據(jù).鋪裝層靜載試驗(yàn)破壞形式見圖1.

圖1 鋪裝層破壞形式

靜力加載試驗(yàn)結(jié)果見表3，鋼纖維混凝土試件的開裂應(yīng)變、開裂荷載、極限應(yīng)變與極限荷載都比普通混凝土配鋼筋網(wǎng)試件的大，表明鋼纖維混凝土試件的抗裂韌性、極限變形與承載力均優(yōu)于配鋼筋網(wǎng)的普通混凝土試件.鋼纖維混凝土相比普通混凝土有較強(qiáng)的抗裂阻裂性能與變形性能，鋼筋網(wǎng)對(duì)鋪裝層的整體變形能力有一定的影響，但是其阻裂效果不如鋼纖維混凝土明顯.通過試驗(yàn)分析，兩種鋪裝方案鋪裝層極限應(yīng)變可均取200×10－6.

表3 鋪裝層靜載力學(xué)性能

3.2 鋪裝層結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)

3.2.1 試驗(yàn)方案 疲勞試驗(yàn)的控制參數(shù)主要包括加載頻率、波形、應(yīng)力水平、循環(huán)應(yīng)力比等.以鋪裝層靜載試驗(yàn)測(cè)試的極限應(yīng)變作為確定動(dòng)載加載的依據(jù)，根據(jù)應(yīng)力比確定疲勞試驗(yàn)的控制應(yīng)變，疲勞試驗(yàn)應(yīng)力比取0.5，循環(huán)應(yīng)力比取0.2，選用正選波加載，加載頻率4Hz，加載速率2kN／（10s）.

由于車輛荷載作用下鋪裝層表面出現(xiàn)的拉應(yīng)力是引起鋪裝破壞的主要原因，因此試驗(yàn)加載時(shí)鋪裝層處于彎拉受力區(qū)，加載示意見圖2，動(dòng)載試驗(yàn)前，先對(duì)試件以4kN為荷載步進(jìn)行逐級(jí)加載，當(dāng)應(yīng)變達(dá)到控制應(yīng)變時(shí)停止加載，記錄荷載值大小，以此荷載為控制荷載進(jìn)行疲勞試驗(yàn).試驗(yàn)過程中主要觀察記錄鋪裝層模型在加載過程中裂縫出現(xiàn)的位置、裂縫開展趨勢(shì)以及裂縫寬度等.橋面鋪裝疲勞破壞以鋪裝層表面開始開裂為疲勞初裂，以鋪裝層兩側(cè)貫通的裂縫擴(kuò)展至鋪裝層與底板交界面處為極限破壞，終止試驗(yàn).

圖2 加載示意圖

3.2.2 結(jié)果分析與討論 動(dòng)載測(cè)試結(jié)果見表4，試驗(yàn)結(jié)果表明：在高頻動(dòng)載作用下，鋼纖維混凝土鋪裝層試件疲勞初裂時(shí)的加載次數(shù)比普通混凝土配鋼筋網(wǎng)的初裂受荷次數(shù)要大很多，說明鋼纖維混凝土有很好的抗裂、阻裂性.但是鋼纖維混凝土鋪裝層開裂后在高頻荷載作用下裂縫擴(kuò)展較快，而普通混凝土配鋼筋網(wǎng)鋪裝層在開裂后應(yīng)力重新分布，荷載轉(zhuǎn)移到鋼筋網(wǎng)片上，裂縫沒有快速擴(kuò)展.同時(shí)，可以看到，從試件監(jiān)測(cè)到初始裂縫到至最后裂縫擴(kuò)展到鋪裝層與底面層交界處，整個(gè)過程中鋼纖維混凝土鋪裝層試件經(jīng)歷的反復(fù)加載次數(shù)不如普通混凝土配鋼筋網(wǎng)片的試件經(jīng)歷的加載次數(shù)多，因?yàn)槠胀ɑ炷灵_裂后由于應(yīng)力重分布，荷載卸載到鋼筋網(wǎng)片上，鋼筋網(wǎng)片在疲勞加載過程中起到一定的受荷作用.但是，從試件的整體疲勞受荷次數(shù)來看，鋼纖維混凝土試件的疲勞受荷次數(shù)要高于普通混凝土配鋼筋網(wǎng)試件.說明鋼纖維混凝土鋪裝層的整體抗疲勞性能優(yōu)于普通混凝土配鋼筋網(wǎng)片鋪裝層的疲勞性能.

表4 混凝土橋面鋪裝模型試件疲勞測(cè)試結(jié)果

另外，對(duì)比剪力件間距20，30，40cm的試件，可看出剪力件間距對(duì)試件疲勞受力性能影響不明顯，且各試件最終疲勞破壞時(shí)的裂縫寬度都較小.

4 結(jié) 論

1）在高頻動(dòng)載荷載作用下鋼纖維混凝土鋪裝層試件初裂受荷次數(shù)比普通混凝土配鋼筋網(wǎng)試件初裂受荷次數(shù)高，破壞時(shí)總疲勞加載次數(shù)比后者多.而從鋪裝層開裂到結(jié)構(gòu)破壞所經(jīng)歷加載次數(shù)少于后者.

2）剪力件的間距對(duì)鋪裝層模型試件的疲勞受力性能影響不明顯.

3）鋪裝層模型試件疲勞破壞時(shí)的裂縫寬度都較小，區(qū)別不大.

［1］季 節(jié)，徐世法，羅曉輝.橋面鋪裝病害調(diào)查及成因分析［J］.北京建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2000，16（3）：33－38.

［2］吳少鵬，楊 朋，邱 健.新型橋面粘結(jié)材料的制備與性能研究［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)：交通科學(xué)與工程版，2007，31（3）：426－430.

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