鋼纖維混凝土路面接縫傳荷性能衰減規(guī)律的試驗研究

王建寧，竇遠明，孫吉書，魏 明，翟玉璽

(1.河北工業(yè)大學(xué) 土木與交通學(xué)院，天津 300401； 2.河北省土木工程技術(shù)研究中心，天津 300401； 3.南通大學(xué) 交通學(xué)院，江蘇 南通 226019)

鋼纖維混凝土路面接縫傳荷性能衰減規(guī)律的試驗研究

王建寧1,2，竇遠明1,2，孫吉書1,2，魏 明3，翟玉璽1

(1.河北工業(yè)大學(xué) 土木與交通學(xué)院，天津 300401； 2.河北省土木工程技術(shù)研究中心，天津 300401； 3.南通大學(xué) 交通學(xué)院，江蘇 南通 226019)

為研究不同因素對鋼纖維混凝土(SFRC)路面接縫傳荷性能衰減規(guī)律的影響，進行了20個不同傳力桿長度、直徑、混凝土板厚度及鋼纖維摻量的路面板試件疲勞試驗．簡單介紹了試驗的方案設(shè)計，包括原料選擇、因素水平選取、試件制作和加載方案確定等．結(jié)果表明：摻加鋼纖維能夠有效提高路面板接縫的傳荷性能，降低傳荷系數(shù)衰減速率；不同因素下的SFRC試件接縫傳荷系數(shù)衰減曲線特征相似，分為快速衰減和平穩(wěn)下降兩個階段，當(dāng)鋼纖維體積摻量≤0.6%時曲線表現(xiàn)為三階段衰退；傳力桿直徑、長度及鋼纖維摻量的增加均能提高接縫傳荷性能，但提高幅度十分有限，其中鋼纖維摻量影響最大；接縫傳荷系數(shù)衰退速率隨鋼纖維摻量的增加而減小，與傳力桿直徑、長度及混凝土板厚度因素?zé)o關(guān)；試驗條件下，荷載作用100萬次后的SFRC試件傳荷系數(shù)仍保持在90%以上，具有優(yōu)良的傳荷能力．試驗結(jié)果為SFRC路面結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了參考．

道路工程；鋼纖維混凝土路面；接縫；傳荷能力；衰減曲線

0 引言

鋼纖維混凝土(SFRC)是在混凝土中均勻摻加鋼纖維得到的增強型復(fù)合材料，具有抗拉、抗折強度高、斷裂韌性好、抗疲勞性能好等優(yōu)點，目前主要應(yīng)用于要求較高的公路路面、橋面鋪裝、機場跑道及鐵路軌枕等部位．與普通混凝土路面相比，SFRC可以減薄路面鋪裝厚度，實現(xiàn)無縱縫整幅施工，提高路面性能，擴大橫縫間距，節(jié)約施工成本，延長路面使用壽命[1-2]．

SFRC材料雖表現(xiàn)出較素混凝土更優(yōu)異的路面性能，但接縫始終是路面結(jié)構(gòu)中的最薄弱部位，其傳荷能力的高低直接影響路面結(jié)構(gòu)設(shè)計和使用性能[3]．我國新修訂的規(guī)范[4-5]明確指出：在極重、特重和重交通荷載的普通混凝土面層橫縫中必須布設(shè)傳力桿，而對于SFRC路面并未做強制性規(guī)定．目前，國內(nèi)外早期服役的SFRC路面大多沒有設(shè)置傳力桿，也沒有考慮接縫傳荷能力的衰減，關(guān)于路面接縫傳荷能力的研究成果大多集中在素混凝土材料[6-11]．然而，隨著交通運輸業(yè)的迅速發(fā)展，車輛軸載劇增，重載車輛比例升高，特重及重載條件下，SFRC路面接縫也出現(xiàn)了不同程度的道路病害[12-13]．

近年來，有關(guān)SFRC路面接縫傳力特性及機理方面的研究取得了一些成果．文獻[14]通過計算接縫承載能力討論了路面結(jié)構(gòu)中縱向假縮縫取消拉桿的可能性，指出在特重及重載交通條件下SFRC路面橫縫中設(shè)置傳力桿的必要性,并對傳力桿的布置形式進行了探討；文獻[15]建立了層布式鋼纖維混凝土的有限元模型，研究了路面板長度、厚度和混凝土彈模在行車荷載、溫度作用下的變化規(guī)律；文獻[16]通過有限元分析，總結(jié)了不同橫縫間距、板厚和不同交通等級對荷載應(yīng)力、溫度應(yīng)力的影響；文獻[17]基于SFRC路面板的工作性能，提出了一種新的復(fù)合式SFRC路面形式，并對此進行了雙輪軸載試驗研究和成本分析．但是，大部分文獻并未涉及傳力桿、板厚、鋼纖維摻量等因素對SFRC試件橫縫傳荷性能衰減規(guī)律的影響.為了彌補這方面研究的不足，筆者通過對10塊普通砼路面板和10塊SFRC路面板進行室內(nèi)疲勞試驗，以傳力桿直徑、長度、混凝土板厚和鋼纖維摻量為因素，以彎沉值來評定接縫傳荷能力，分析了兩種材料在不同因素條件下的接縫傳荷能力，探討了各因素對SFRC路面接縫傳荷性能衰減趨勢的影響規(guī)律及特征．

1 試驗方案

1.1 試件設(shè)計

鋼纖維種類繁多，按不同方法可分數(shù)十種．路用拌合鋼纖維對平整度、纖維分布均勻性及安全性要求較高，不宜采用鋼絲切斷形、長波浪形、大彎鉤形及兩端直角形等易抱團纖維．本次試驗中的SFRC試件選用600 MPa級啞鈴形鋼纖維，該纖維不僅能夠提高與混凝土材料間的粘結(jié)錨固作用，還可以保證纖維露出后不扎傷車胎，鋼纖維性能參數(shù)如表1所示．

表1 鋼纖維參數(shù)

鋼纖維長度應(yīng)與混凝土最大粒徑相匹配，混凝土最大粒徑宜為鋼纖維長度的1/2～2/3，保證鋼纖維在骨料中的錨固長度．同時，為保證混凝土的增強補韌作用，避免體積摻量過高造成鋼纖維成團，將鋼纖維體積摻量控制在0.6%～1.2%范圍內(nèi)，選取0.6%、0.8%、1.0%、1.2% 4個水平．早期路面設(shè)計規(guī)范[18]規(guī)定在特重或重交通下SFRC面層厚度設(shè)計值不得小于160 mm，而現(xiàn)行路面設(shè)計規(guī)范[5]建議SFRC面層厚度取普通砼路面的0.65～0.75倍，并將最小值提高至180 mm，這說明早期設(shè)計的SFRC路面厚度偏?。敬卧囼瀸FRC試件厚度統(tǒng)一設(shè)置為200 mm，是普通砼試件厚度的0.67～0.83倍．

本次試驗設(shè)計了10塊普通砼試件(1#～10#)和10塊SFRC路面板試件(11#～20#)，分別考慮傳力桿長度、傳力桿直徑、混凝土板厚度和鋼纖維摻量4種因素．所有試件平面尺寸均為l×b=1 m×0.4 m，傳力桿采用HPB300鋼筋，用支架法固定．試件編號及參數(shù)設(shè)定見表2，試驗試件如圖1所示．

表2 試件參數(shù)

圖1 試驗試件Fig.1 Specimens of test

1.2 加載方案

圖2為試驗裝置.如圖2所示，采用層狀彈性體系模擬路面結(jié)構(gòu)，以一定厚度的橡膠支座模擬路面基層、墊層及土基層．采用MTS電液伺服疲勞加載裝置對試件進行單側(cè)加載，在接縫兩側(cè)上方布置激光位移計，以試件彎沉值來評定接縫處的傳荷能力．

圖2 試驗支座及加載裝置Fig.2 Loading system of test

試驗開始后，以位移方式控制作動頭緩慢降低至與試件接觸并對試件施加2 kN的初始壓力(確保每次試驗開始前初始壓力相等，避免試驗機加載產(chǎn)生的誤差)，加載開始后以0.05 kN/s的速率控制動頭加載至10 kN，之后控制疲勞試驗機以4 Hz的頻率按指定荷載幅值進行加載，當(dāng)荷載循壞次數(shù)分別達到1萬、2萬、5萬、10萬、20萬、50萬、100萬時進行靜載，100萬次時的靜載完畢后試驗結(jié)束．

2 試驗結(jié)果分析

2.1 傳力桿直徑

普通砼試件1#～4#及SFRC試件11#～14#傳力桿長度一致、直徑不同，桿長均為450 mm，直徑范圍25～32 mm，圖3為不同桿徑試件的接縫傳荷系數(shù)隨加載次數(shù)變化的衰減曲線，圖中實線為SFRC試件，虛線為普通砼試件．

圖3 不同傳力桿直徑試件的傳荷系數(shù)衰減曲線Fig.3 Attenuation curves of load transfer coefficient with different diameters of dowel bar specimens

由圖3可知，同等直徑SFRC試件的傳荷性能明顯優(yōu)于普通砼試件，在混凝土中摻加鋼纖維能夠有效的提高基體整體性和接縫處傳荷能力.兩種試件傳荷系數(shù)均隨傳力桿直徑的增大而增大，但傳荷能力衰減速率與直徑無關(guān)．普通砼試件桿徑每增大2 mm，加載各階段平均傳荷系數(shù)約增大0.21%～0.52%.直徑32 mm的試件比直徑25 mm的試件傳荷系數(shù)大0.63%～1.58%，SFRC試件漲幅較小.加載各階段平均傳荷系數(shù)增長率為0.14%～0.57%/(2 mm)，直徑32 mm的試件比直徑25 mm的試件傳荷系數(shù)大0.43%～1.39%，說明在普通砼試件中增加桿徑效果更好．這是由于桿徑增大提高了普通砼試件的剛度和抗剪強度，而SFRC試件本身就具有很高的整體性．

試件傳荷系數(shù)早期衰退明顯，后期衰退緩慢，普通砼試件的傳荷能力在最初加載的7萬次中顯著下降，當(dāng)荷載循環(huán)次數(shù)超過7萬次后，各試件傳荷系數(shù)降低速率開始變緩且曲線基本呈線性衰退.當(dāng)疲勞加載次數(shù)超過50萬次時，不同桿徑試件的傳荷能力下降速率進一步變小，加載50萬次時的傳荷系數(shù)較7萬次時降低了0.42%～0.97%.加載100萬次時的傳荷系數(shù)計算值較50萬次時僅降低了0.35%～0.84%，在此過程中桿徑為25 mm的試件降低最大．說明普通砼試件在受荷早期桿件與混凝土的應(yīng)力集中及包裹作用消退較快，二者間形成的孔隙使粘結(jié)力下降的同時也降低了接縫處的傳荷能力，所以此時曲線斜率較大而試驗后期曲線較為平緩．該衰退曲線可分為3個階段：快速衰減階段、平穩(wěn)下降階段、保持階段．

對于SFRC試件，在整個加載過程中傳荷能力下降均比較緩慢，初期加載的10萬次有1%左右的降幅，加載10萬次后衰減速率基本保持不變.增大桿徑可以有限提高試件傳荷性能，在加載50萬次時傳荷系數(shù)的最大增幅僅為1.36%，加載100萬次時的最大增幅為2.51%．

2.2 傳力桿長度

普通砼試件3#、5#～7#及SFRC試件13#、15#～17#傳力桿直徑均為30 mm，桿長范圍350～500 mm，圖4為不同桿長試件接縫傳荷系數(shù)隨加載次數(shù)變化的衰減曲線，圖中實線為SFRC試件，虛線為普通砼試件．

圖4 不同傳力桿長度試件的傳荷系數(shù)衰減曲線Fig.4 Attenuation curves of load transfer coefficient with different lengths of dowel bar specimens

由圖4可知，同等桿長SFRC試件的傳荷性能優(yōu)于普通砼試件，兩種試件傳荷系數(shù)均隨傳力桿長度的增大而增大，但增幅十分有限，曲線衰減速率不受桿長因素影響．普通砼試件桿長每增大50 mm，平均傳荷系數(shù)約增大0.16%～0.29%，桿長500 mm的試件比桿長350 mm的試件傳荷系數(shù)約大0.31%～0.58%.SFRC試件漲幅較大，桿長每增大50 mm平均傳荷系數(shù)增幅0.21%～0.54%，說明在SFRC試件中增加桿長效果更好．

在疲勞加載初期，兩種試件傳荷系數(shù)衰退明顯，當(dāng)荷載循環(huán)次數(shù)超過3萬次后，各試件傳荷系數(shù)降低速率開始變緩，且SFRC試件曲線基本呈線性衰退.普通砼試件在50萬次后衰減速率進一步減緩，整個曲線可分為快速衰減階段和平穩(wěn)下降階段．單純提高傳力桿的長度對提高接縫傳荷能力有限，尤其是對于普通砼路面結(jié)構(gòu)．

2.3 混凝土路面板厚度

普通砼試件3#、8#～10#及SFRC試件13#傳力桿直徑均為30 mm，桿長均為450 mm，普通砼板厚240～300 mm，SFRC試件板厚200 mm，圖5為上述編號試件的接縫傳荷系數(shù)衰減曲線．

圖5 不同混凝土板厚試件的傳荷系數(shù)衰減曲線Fig.5 Attenuation curves of load transfer coefficient with different thickness of concrete slab specimens

由圖5可知，板厚200 mm的SFRC試件傳荷性能仍優(yōu)于普通砼試件，普通砼衰減速率較SFRC試件更大，摻加鋼纖維要比增加板厚效果明顯，兩者差異隨循環(huán)次數(shù)的增加而逐步增大．普通砼試件不同板厚試件的傳荷能力差別微小，板厚300 mm與240 mm各階段的最大差值0.54%～2.18%，而SFRC試件的傳荷系數(shù)在加載50萬次后仍比普通試件高2.42%～2.97%．因此，混凝土板厚對接縫傳荷能力影響有限，SFRC能有效減小路面板的鋪筑厚度．

2.4 SFRC試件鋼纖維摻量

SFRC試件13#、18#～20#傳力桿直徑均為30 mm，桿長均為450 mm，鋼纖維體積摻量0.6%～1.2%，圖6為各試件接縫傳荷系數(shù)隨加載次數(shù)變化的曲線．

圖6 不同鋼纖維摻量SFRC試件的傳荷系數(shù)衰減曲線Fig.6 Attenuation curves of load transfer coefficient with different steel fibers of SFRC specimens

由圖6可知，鋼纖維摻量對試件傳荷性能的影響十分明顯，增加鋼纖維摻量能夠有效提高接縫處的傳荷能力．各試件初始傳遞值為97.4%～97.95%，加載50萬次后保持在93.02%～95.46%，衰減幅度2.49%～4.38%，加載100萬次后傳荷系數(shù)仍保持在92%以上.試件鋼纖維體積摻量每增加0.2%,傳荷系數(shù)增幅為0.56%～2.64%，摻量由0.6%提高到0.8%時效果最為明顯，加載50萬次時增幅2.64%．

在疲勞荷載最初循環(huán)的5萬次中，SFRC試件的傳荷系數(shù)降幅約為0.88%～1.04%，在循環(huán)加載的5～50萬次之間，曲線降低速率變緩且呈線性衰退；當(dāng)疲勞加載次數(shù)超過50萬次后，曲線降幅進一步減緩，整個加載過程中以鋼纖維體積摻量0.6%的試件曲線降幅最大．當(dāng)鋼纖維體積摻量較小時(≤0.6%)，材料性能接近于普通混凝土，鋼纖維的增強作用減弱，傳荷系數(shù)的降低趨勢接近于三階段曲線；當(dāng)鋼纖維體積摻量較大時，傳荷系數(shù)曲線則表現(xiàn)為SFRC材料的兩階段衰退模式．

3 結(jié)論

(1)普通水泥混凝土路面板接縫傳荷能力衰退曲線可分為快速衰退、平穩(wěn)下降和保持3個階段；SFRC試件在整個加載過程中傳荷能力下降較為緩慢，可分為快速衰退和平穩(wěn)下降2個階段．

(2)接縫傳荷系數(shù)的衰減速率隨著鋼纖維摻量的增加而減小，與傳力桿直徑、長度及混凝土板厚度等因素?zé)o關(guān)．

(3)傳力桿直徑、長度及鋼纖維摻量的增加，均能提高SFRC試件接縫的傳荷性能，但提高幅度十分有限，其中以鋼纖維摻量影響最大．

(4)不同SFRC試件接縫傳荷系數(shù)衰減曲線特征相似，分為快速衰減階段和平穩(wěn)下降2個階段，但當(dāng)鋼纖維體積摻量≤0.6%時，曲線表現(xiàn)為三階段衰退，傳力桿直徑及長度對曲線衰退形式無影響．

(5)配有傳力桿的SFRC路面板能有效提高接縫傳荷能力，降低其衰減速率；在加載100萬次后，其傳荷系數(shù)仍保持在90%以上，傳荷性能優(yōu)異．

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Abstract: In order to study the impact of various parameters on attenuation law of joint load transfer efficiency of steel fiber reinforced concrete (SFRC) pavement, 20 pavement specimens with different dowel bar diameter, length, thickness of concrete slab and content of steel fibers were tested in fatigue experiments. The paper briefly introduced the test arrangement including the raw materials of specimens, the parameters and production of specimens, as well as the loading system. It was shown that the steel fiber added in concrete pavement could effectively improve the load transfer efficiency and reduce the attenuation rate of load transfer coefficient. The attenuation curves of joint load transfer coefficient of SFRC specimens under different factors had similar characteristics, which could be divided into two stages: rapid attenuation and steady decline. However, the curve showd three-stage decay when the content of steel fiber was less than or equal to 0.6%. Although the increase of dowel bar diameter, length and content steel fiber could improve the joint loading performance, the increase range was extremely limited, and the impact of steel fiber content was the largest. The decline rate of load transfer coefficient, which had no relations with dowel bar diameter, length and concrete slab thickness, decreased with the increase of steel fiber content. After the load was applied 100 million times in the experiment conditions, the load transfer coefficient of SFRC specimens was remained above 90%, which showed a good load transfer capacity. The test results could provide a reference for SFRC structural design.

Keywords: road engineering; steel fiber reinforced concrete pavement; joint; load transfer efficiency; attenuation curves

TestStudyonAttenuationLawofJointLoadTransferEfficiencyofSteelFiberReinforcedConcretePavement

WANG Jianning1,2, DOU Yuanming1,2, SUN Jishu1,2, WEI Ming3, ZHAI Yuxi1

(1.School of Civil and Transportation, Hebei University of Technology, Tianjin 300401, China; 2.Civil Engineering Technology Research Center of Hebei Province, Tianjin 300401, China; 3.School of Transportation, Nantong University, Nantong 226019, China)

王建寧(1992— )，男，河北邢臺人，河北工業(yè)大學(xué)博士生，主要從事道路工程及施工技術(shù)等方面的研究,E-mail：wangjianninghebut@163.com.

2017-01-14；

2017-04-13

國家自然科學(xué)基金資助項目(61503201)

1671-6833(2017)05-0050-05

U416.2；U418

A

10.13705/j.issn.1671-6833.2017.05.004