新型抗沖擊纖維混凝土橋梁伸縮縫健康監(jiān)測研究

王德山，張 濤，陶勇根，劉啟惠

（1. 江西贛粵高速公路股份有限公司，南昌 330029；2. 南京大地建設(shè)集團有限責(zé)任公司，南京 210029）

新型抗沖擊纖維混凝土橋梁伸縮縫健康監(jiān)測研究

王德山1，張 濤2，陶勇根1，劉啟惠1

（1. 江西贛粵高速公路股份有限公司，南昌 330029；2. 南京大地建設(shè)集團有限責(zé)任公司，南京 210029）

以贛粵高速公路新建橋梁伸縮縫為對象，采用新型抗沖擊纖維混凝土作為灌縫材料替代原設(shè)計采用的素混凝土，并通過在灌縫材料中埋設(shè)長標(biāo)距光纖傳感器的健康監(jiān)測手段，定量評價新型抗沖擊纖維混凝土對橋梁伸縮縫長期性能的改善效果。結(jié)果表明，通過在灌縫混凝土中埋設(shè)長標(biāo)距光纖傳感器，可以實現(xiàn)對伸縮縫灌縫混凝土損傷的長期跟蹤監(jiān)測；從監(jiān)測數(shù)據(jù)分析可知，采用不同配比的新型抗沖擊纖維混凝土，對伸縮縫長期性能均有明顯提升，采用新型抗沖擊纖維混凝土的灌封區(qū)混凝土開裂應(yīng)變較素混凝土平均增加約100 με。

高速公路橋梁伸縮縫；抗沖擊纖維混凝土；健康監(jiān)測

0 引言

橋梁伸縮結(jié)構(gòu)常設(shè)置于橋梁間的間隙處，其主要用途在于協(xié)調(diào)梁間的變形，到達(dá)車輛平穩(wěn)通過的目的，以滿足舒適性要求。同時，隨著溫度變化、橋梁基礎(chǔ)的不均勻沉降等情況，伸縮縫結(jié)構(gòu)的受力、工作狀態(tài)常發(fā)生較大變動，降低其耐久性。此外，上部車輛在行駛過程中也會對其產(chǎn)生一個長期的沖擊荷載作用，隨著時間的增加，也會對其造成損傷[1～2]。

通過大量實驗研究表明，纖維作為混凝土常用的增強材料，摻入混合料中后可有效改善傳統(tǒng)混凝土材料的性質(zhì)，在力學(xué)性能方面尤其突出，但應(yīng)用推廣受制于經(jīng)濟性方面的困擾。但自從1980年代以來，隨著大量合成纖維的出現(xiàn)，摻入纖維混凝土的經(jīng)濟性、可操作性、耐久性等問題也得到了解決，在此種環(huán)境下，使得其可以應(yīng)用于長期處在外部惡劣環(huán)境下的狀況，例如長期暴露在外反復(fù)收到?jīng)_擊荷載的路面、橋梁中[3～8]。

此外，近年來土木工程領(lǐng)域的研究重點已逐步由傳統(tǒng)的人工結(jié)構(gòu)檢查和診斷的檢測技術(shù)研究，轉(zhuǎn)向到實時監(jiān)測和損傷自動評價的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域研究（structure health monitoring）。在此背景下，對于病害多發(fā)而人工巡檢困難的橋梁伸縮縫結(jié)構(gòu)，健康監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展為橋梁伸縮縫實時狀態(tài)監(jiān)測和評估提供了很好的平臺[9～10]。

以贛粵高速公路新建橋梁伸縮裝置為對象，采用新型抗沖擊纖維混凝土作為灌縫材料替代原設(shè)計采用的素混凝土，并通過在灌縫材料中埋設(shè)長標(biāo)距光纖傳感器的健康監(jiān)測手段，定量評價新型抗沖擊纖維混凝土對橋梁伸縮縫長期性能的改善效果。

表1 新型抗沖擊纖維混凝土配方設(shè)計

表2 C60纖維混凝土試驗結(jié)果

1 新型抗沖擊纖維混凝土材料制作及力學(xué)性能

1.1 新型抗沖擊纖維混凝土材料制作

新型抗沖擊纖維混凝土采用C60商品混凝土基料外加一定數(shù)量的鋼纖維與FERRO纖維混合而成。C60商品混凝土基料配合比為：水泥∶粉煤灰∶砂∶石∶水=408∶72∶780∶1 036∶154，其中，水泥為P.0.52.5R的普通硅酸鹽水泥，石為粒徑5～20 mm級配良好的玄武巖碎石，砂為級配良好中砂；鋼纖維為波浪型鋼纖維，長度為30 mm，其抗拉強度為600～650 MPa；FERRO纖維為美國FORTA公司生產(chǎn)的一種增強纖維，其主要成分為短切聚丙烯纖維和有仿鋼絲作用的純共聚物纖維，其長度54 mm，密度為0.91 g/cm3，抗拉強度為620～758 MPa。試驗按照纖維參量的不同，設(shè)計了3 種配方（見表1），以研究新型抗沖擊纖維混凝土的力學(xué)性能及其與素混凝土的優(yōu)劣關(guān)系。

1.2 新型抗沖擊纖維混凝土材料力學(xué)性能

對以上3 種配方的混凝土按《纖維混凝土試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》[11]要求進行了抗壓、抗折與抗沖擊試驗。抗壓和抗折試驗中，分別采用了尺寸為150×150×150 mm的立方體及100 ×100×400 mm的長方體標(biāo)準(zhǔn)試件，對7 d與28 d兩種齡期下的混凝土進行了試驗研究；抗沖擊試件中，采用了直徑為150 mm，高度為50 mm的圓形試件，每組6個試件，每組試件對應(yīng)一個材料配比，試驗方法依據(jù)美國混凝土協(xié)會推薦的規(guī)范進行[12]，試驗結(jié)果見表2。

由試驗結(jié)果可知，纖維混凝土抗壓強度和抗折強度較素混凝土均有明顯提高。配方一28 d抗壓強度較素混凝土提高14.7%， 28 d抗折強度較素混凝土提高67.3%，初裂耗能能力（以N1值作參考）較素混凝土提高64%，最終破壞耗能能力（以N2值作參考）較素混凝土提高693%；配方二28 d抗壓強度較素混凝土提高14.7%，28天抗折強度較素混凝土提高42.2%，初裂耗能能力較素混凝土提高61%，最終破壞耗能能力較為素混凝土提高646%。其原因主要歸納如下：①纖維與混凝土粘結(jié)作用良好，減少了材料的孔隙率，使密實度提升，最終使得強度有所提高；②混凝土界面上的拉應(yīng)力，通過纖維沿其軸向傳遞，加之纖維自身相比混凝土更大的抗拉承載力，這些都使得開裂后，混凝土的韌性表現(xiàn)更加良好；③FERRO纖維柔韌性較好，較長的纖維也更易在混凝土中形成“橋接”作用，因此可大幅提高纖維混凝土抗沖擊性能。

2 光纖Bragg光柵(FBG)傳感原理與的長標(biāo)距光纖傳感器

光纖Bragg光柵（Fiber Bragg Grating，F(xiàn)BG）是在光纖的一段范圍內(nèi)，一般是利用紫外線刻蝕，使得沿光纖軸向纖芯折射率發(fā)生周期性變化，而最終形成的芯內(nèi)體光柵，是一種波長調(diào)制型傳感器。通常一般波長的光在通過Bragg光柵時，不會受到影響繼續(xù)傳輸，只有特定某一波長的光（波長為λB）在遇到Bragg光柵時，會發(fā)生反射，返回到入射的方向。當(dāng)在Bragg光柵處施加外力，引起光柵處應(yīng)變變化，從而改變了光柵的間隔，使反射光波長也會發(fā)生相應(yīng)變化。Bragg波長λB同時受Bragg光柵周期和纖芯有效折射率振動的影響，因而通過測量布拉格波長的變化即可測出應(yīng)變變化[9～10]。

Bragg光柵傳感如圖1所示，應(yīng)變可以引起B(yǎng)ragg光柵的波長變化外，溫度的變化同樣也可以引起光柵波長的漂移。由于熱脹效應(yīng)，光柵的周期發(fā)生變化，可由熱脹系數(shù)體現(xiàn)；另一方面，熱光效應(yīng)使得纖芯有效折射率發(fā)生變化，可由熱光系數(shù)體現(xiàn)。綜合上述情況，當(dāng)外界應(yīng)力作用下或所處環(huán)境溫度變化時，Bragg光柵的周期和有效折射率都會發(fā)生改變，導(dǎo)致光柵的反射光中心波長值發(fā)生變化，其關(guān)系式如下：

ΔλB= (1- Pe)˙ Δε˙ λB+ (αf+ ξ)˙ ΔT ⑴式中：Pe為光纖材料的彈光系數(shù)；λB為光柵中心波長；αf為光纖的熱脹系數(shù)；ξ為光纖的熱光系數(shù)。

根據(jù)光纖光柵的傳感原理，開發(fā)的基于應(yīng)變、溫度、壓力等參量的光纖光柵傳感器（簡稱FBG傳感器），目前已成功應(yīng)用于大型土木結(jié)構(gòu)如橋梁、隧道、高層結(jié)構(gòu)等應(yīng)變監(jiān)測中[9～10]。FBG傳感器除具有光纖傳感器的所有優(yōu)點外，還具有其獨特的優(yōu)點：①可在一根光柵中寫入多個光柵，構(gòu)成傳感陣列，實現(xiàn)分布式監(jiān)測；②測量信息是波長編碼的，F(xiàn)BG傳感器不受光源的光強波動、光纖連接、耦合損耗及光波偏振態(tài)的變化等因素的影響；③高靈敏度，高分辨率，美國Micron Optics公司生產(chǎn)的用于應(yīng)變測量的FBG產(chǎn)品最大量程可達(dá)5 000 με，測量穩(wěn)定性1～2 με，可重復(fù)性＜1 με。

圖1 Bragg光柵傳感示意圖

圖2 伸縮縫施工圖

3 傳感器現(xiàn)場布置

圖2為新建的奉銅高速某橋梁伸縮縫傳感器布置現(xiàn)場，伸縮縫長度為7.6 m，按長度方向分成4個單元，每個單元采用一根標(biāo)距為190 cm的FBG傳感器，傳感器位置見圖2所示（圖中白線即為傳感器位置）。采用外貼方式固定傳感器。傳感器內(nèi)部光纖在生產(chǎn)過程中經(jīng)過一定的預(yù)張拉，因此可以保證其受壓時也有應(yīng)變變化。

4 監(jiān)測結(jié)果

4.1 裂縫分布

經(jīng)過6 個月的運行之后，通過對伸縮縫灌縫混凝土目視觀測發(fā)現(xiàn)，素混凝土的裂縫數(shù)量較多，其開裂往往貫通伸縮縫表面，即從梁端一直延伸到型鋼附近（如圖3所示）。而纖維混凝土裂縫肉眼幾乎是看不清楚，少數(shù)的裂縫開裂縫后發(fā)展并不迅速，見圖4。由此可見，纖維混凝土的使用有效的限制了裂縫生成，且能有效控制裂縫的進一步發(fā)展。

4.2 傳感器應(yīng)變分布

對新建的奉銅高速橋梁8 條伸縮縫安裝的FBG傳感器進行了為期6 個月的跟蹤監(jiān)測，所得最終應(yīng)變?nèi)鐖D5所示。其中伸縮縫1～3號，均為配方一的纖維混凝土，而伸縮縫4～6號均為配方二的纖維混凝土，而伸縮縫7～8號為素混凝土澆筑。伸縮縫1～3號，其最小應(yīng)變?yōu)?36.8 με，最大應(yīng)變?yōu)?81.9 με，3 條伸縮縫平均應(yīng)變?nèi)鐖D6所示，其變化范圍193.6～237.7 με。伸縮縫4～6號，其最小應(yīng)變?yōu)?07.3 με，最大應(yīng)變?yōu)?20.9 με，3 條伸縮縫平均應(yīng)變變化范圍250.71～317.7 με。對素混凝土澆筑的7號和8號兩條伸縮縫監(jiān)測結(jié)果，應(yīng)變范圍331.06～400.84 με，4 個傳感器的平均應(yīng)變?yōu)?70.29和379.2με?？梢娎w維混凝土的使用有效控制了混凝土裂縫開展，限制了裂縫的惡化，這對伸縮縫保護起到了至關(guān)重要的作用。此外，對不同配方的纖維混凝土，裂縫發(fā)展區(qū)別明顯，而配方一限制裂縫發(fā)展效果更好，其原因：F纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，纖維和混凝土的粘結(jié)力增強，較明顯的提高了抗沖擊強度。而材料試驗數(shù)據(jù)也間接證明這一點。需要說明的是，盡管纖維混凝土對裂縫擴展有明顯優(yōu)勢，但是由于監(jiān)測時間較短，纖維混凝土抗沖擊性能還未能完全表現(xiàn)出來，監(jiān)測時間越長，與素混凝土相比，有望更大幅度提高混凝土的抗裂性能。

圖3 素混凝土伸縮縫裂縫

圖4 纖維混凝土伸縮縫裂縫

圖5 傳感器應(yīng)變分布

圖6 各伸縮縫平均應(yīng)變

4.3 裂縫寬度

由測試平均應(yīng)變得混凝土伸縮縫平均裂縫寬度見式⑵

式中：w為裂縫寬度，ε為FBG所測試平均應(yīng)變，ΔL為FBG的標(biāo)距。

圖7為8 條伸縮縫的平均裂縫寬度計算值。由圖可知1～3號伸縮縫混凝土采用了配方一纖維混凝土，平均裂縫寬度分別為0.045，0.037和0.04 mm，相對較小。而4～6號伸縮縫混凝土采用了配方二的纖維混凝土，其平均裂縫寬度分別為0.048、0.051和0.06 mm。比較配方一和配方二的纖維混凝土，由于F纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，其抗沖擊性能隨之提高從而限制了裂縫寬度的發(fā)展，其混凝土的粘結(jié)明顯提高。而素混凝土的裂縫寬度最大，其裂縫寬度分別為0.07和0.072 mm。由此可見，裂縫發(fā)展區(qū)別明顯，而配方一限制裂縫發(fā)展效果更好。需要說明的是，盡管配方一優(yōu)勢明顯，但是在澆筑混凝土?xí)r會給施工造成不便，具體在振搗和抹面操作時對施工人員有相應(yīng)的技術(shù)要求。因此，合理使用FERRO纖維對工程應(yīng)用也是需要考慮的問題。

圖7 各伸縮縫平均裂縫寬度

5 結(jié)論

對贛粵高速新建的橋梁伸縮縫采用了不同配方的纖維混凝土，并且利用健康監(jiān)測平臺觀察纖維混凝土限制裂縫產(chǎn)生和發(fā)展的作用，結(jié)果表明：

⑴ 采用纖維混凝土能有效改善橋梁伸縮縫的裂縫形成和發(fā)展，其裂縫數(shù)量明顯減少，裂縫發(fā)展明顯緩慢。

⑵ FBG傳感器監(jiān)測的伸縮縫應(yīng)變，較好的揭示了纖維混凝土裂縫開展的程度，與素混凝土相比，伸縮縫縫應(yīng)變發(fā)展緩慢。

⑶ 采用不同配方的纖維混凝土性能明顯不同。如配方中增加F纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)，其抗沖擊性能的提高能有效抑制裂縫的發(fā)展。而對于后期裂縫觀察還需進一步監(jiān)測。

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Health monitoring study of bridge expansion joint with new type shock resistance f ber reinforced concrete

WANG De-shan1, ZHANG Tao2, TAO Yong-gen1, LIU Qi-hui1
( 1. Jiangxi Ganyue Expressway Co., Ltd., Nanchang 330029 China; 2. Nanjing Dadi Construction Group LLC, Nanjing 210029 China )

Treated as research object, the bridge expansion joints in GanYue expressway are studied through utilizing new type shock resistance fiber reinforced concrete as embedment material to replace ordinary concrete in former design,in the meantime, through health monitoring method which is fulfilled by burying long gauge fiber optical sensors in embedment material, the new type shock resistance fiber reinforced concrete’s long time affect to bridge joints structure’s longtime property is evaluated quantitatively. The results show that burying long gauge fiber optic sensors in embedment concrete can realize the long time monitoring of damage in expansion joints; By analyzing the statistics of monitoring, new type shock resistance fiber reinforced concrete with different material ratio greatly increased the long time property of expansion joints and the cracking strain of embedment concrete using new type shock resistance fiber reinforced concrete increased by around 100 micro strain than those of normal concrete.

highway bridges expansion joints; shock resistance fiber reinforced concrete; health monitoring

U446.2; U443.31

A

1007-9815（2016）01-0072-05

定稿日期:2016-02-28

王德山（1960-），男，江西上饒人，教授級高工，主要從事道路管養(yǎng)方面的研究，(電子信箱)1360806009 @qq.com。