輕質(zhì)組合橋面板采用增強混凝土材料提升力學性能研究

閔 瑞,周宏萍,李 娟,楊廷樹

(1.江蘇省水利建設工程有限公司,江蘇 揚州 225200； 2.中機中聯(lián)工程有限公司, 重慶 400039)

正交異性鋼橋面板存在縱橫向剛度差異較大和結構構造復雜等情況，使得橋梁在使用過程中出現(xiàn)疲勞破壞、鋪裝層開裂破壞等安全性問題[1-2]。

針對上述問題，國內(nèi)外學者開展了大量的研究，目前常用的解決方案主要包括2種[3-4]：一是粘貼剛度較大的材料(如鋼板、鋁板和碳纖維增強復合材料等)；二是借助混凝土抗壓強度高的優(yōu)勢將其與橋面形成組合結構。但是，第1種方式存在造價高和耐久性差等缺點；第2種方式存在抗開裂性能差和自重高等缺點。為了彌補第2種方式的缺點，有研究人員提出，使用超高性能纖維混凝土與鋼橋面板組成輕質(zhì)組合橋面板[5-7]。

眾所周知，水泥的生產(chǎn)過程會排放大量的CO2，從而造成較大的環(huán)境污染，不利于國家倡導的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略[8-9]。已有研究表明，堿激發(fā)混凝土能有效地減少水泥的用量，同時還能保障混凝土的性能[10]；但是，以往的研究大多集中在堿激發(fā)混凝土的基礎性能研究方面，針對堿激發(fā)混凝土的實際工程應用研究還相對較少，尤其是在加固正交異性鋼橋面板上的使用上。因此，為了增強正交異性鋼橋面板的力學性能的同時還能保證混凝土的環(huán)保性，本文以鋼材與堿激發(fā)超高性能混凝土組合形成的輕質(zhì)橋面板為研究對象，通過研究其抗彎性能和抗剪性能，探索其在工程上的可行性。

1 原材料和試驗方法

1.1 原材料

本次試驗所用的膠凝材料為河南鉑潤鑄造材料有限公司生產(chǎn)的S95級礦渣、硅灰和粉煤灰，3種材料的化學成分如表1所示。堿性激發(fā)劑為嘉善縣優(yōu)瑞耐火材料有限公司生產(chǎn)的硅酸鈉和天津市北辰方正試劑廠生產(chǎn)的氫氧化鈉二者與水的混合液體，硅酸鈉的SiO2和Na2O質(zhì)量分數(shù)分別為27.3%和8.54%，模數(shù)為3.30，密度為38.58 Be；氫氧化鈉純度大于96%。輕質(zhì)組合橋面板中的鋼板為Q355鋼板，鋼筋為HRB400，其相關參數(shù)如表2所示，本次試驗采用的鋼板厚度為12 mm。

表1 膠凝材料化學成分質(zhì)量分數(shù)Tab.1 Chemical composition of cementitious materials

表2 鋼板和鋼筋力學參數(shù)Tab.2 Mechanical parameters of steel plate and steel bar

1.2 試驗配比

堿激發(fā)超高性能混凝土的水膠比為0.32、砂膠比為1.38、硅酸鈉調(diào)整后的模數(shù)為1.4、鋼纖維體積摻量為2.5%、礦渣∶硅灰：粉煤灰=80∶15∶5、堿激發(fā)劑的摻量為膠凝材料的20%，具體配比如表3所示。將配制完成的混凝土進行灑水養(yǎng)護，28 d后測其抗壓強度為110 MPa。

表3 混凝土試驗配比Tab.3 Concrete test ratio g

1.3 試驗方案

參照文獻[11]、文獻[12]的研究結果，將制備完成的超高性能混凝土和鋼板、鋼筋等組合形成輕質(zhì)面板，具體結果如圖1所示。為了驗證新型輕質(zhì)組合橋面板的工程可行性，對面板的抗彎性能(四點抗彎試驗)、抗剪性能(推出試驗)和抗疲勞性能(應力水平0.65、0.70和0.75)進行研究，為了驗證正負彎矩、縱向鋼筋數(shù)量和保護層厚度對組合面板的性能，共設計了12組試件，如表4所示，其中研究栓釘對組合板性能影響時，組合板保護層厚度為20 mm，配筋率為3.15，剪切連接度均小于1，剪力連接件為13 mm×35 mm的短栓釘。

圖1 輕質(zhì)組合橋面板結構示意圖[12]Fig.1 Structure diagram of lightweight composite bridge panel[12]

表4 組合板抗彎及栓釘抗剪試驗設計參數(shù)Tab.4 Design parameters of flexural and bolt shear tests for composite plates

2 試驗結果分析

2.1 抗彎破壞模式分析

選取保護層厚度均為25 mm且承受不同彎矩的組合板破壞模式進行對比分析。組合板承受正彎矩作用時，破壞模式主要是板頂部產(chǎn)生擠壓破壞，并且出現(xiàn)一條明顯的裂紋，板側面出現(xiàn)較多的微小裂紋。當組合板承受負彎矩作用時，組合板主要呈現(xiàn)彎曲破壞模式，且組合板表面出現(xiàn)幾乎平行的裂紋，這是因為縱向鋼筋布置的原因。由于不同保護層厚度和配筋率對組合板的破壞模式?jīng)]有顯著的影響，這里不再單獨進行分析。

2.2 抗彎性能分析

根據(jù)文獻[13]的研究結果，當橋面板的最大裂縫寬度達到0.05 mm時的加載力稱為開裂荷載。不同組別試件的彈性極限荷載、開裂荷載和極限荷載結果如圖2所示。

圖2 組合面板抗彎試驗結果Fig.2 Bending test results of composite panels

從圖2可以看出，當試件承受正彎矩加載作用時，試件的3種荷載值均大于承受負彎矩時的3種荷載值，且隨著保護層厚度的增加，3種荷載值升高。這是因為此時縱向鋼筋接近混凝土的受拉一側，能更加有效地抑制混凝土的開裂行為，從而增強組合面板的承載能力。

當試件承受負彎矩加載作用時，隨著配筋率的增加，試件的開裂荷載從17.5 kN增至21.3 kN，提高了21.71%；極限荷載從43.7 kN增至55.1 kN，提高了26.09%，而彈性極限荷載的變化幅度很小。隨著保護層厚度從20 mm增至30 mm，試件的開裂荷載從23.6 kN減至15.0 kN，降低了36.44%；極限荷載從65.8 kN減至52.8 kN，提高了19.76%，而彈性極限荷載的變化幅度依然很小。因此，在實際工程中，應該適當減小保護層的厚度。

不同保護層厚度組合板位移-荷載曲線如圖3所示。

圖3 不同保護層厚度對組合版位移-荷載 曲線的影響Fig.3 Influence of different protective layer thickness on displacement-load curve of composite plate

從圖3可以看出，保護層厚度對輕質(zhì)組合橋面板彈性階段、裂紋擴展階段和屈服階段均存在一定的影響，在3個階段中，保護層厚度與組合板的剛度、開裂荷載和極限承載力呈負相關的關系。從圖3中還可以看出，保護層厚度對組合板影響最大的是開裂階段，保護層厚度越大，試件開裂荷載減小越明顯；但隨著荷載的繼續(xù)增加，最終的極限荷載隨保護層厚度的增加減小幅度值相對較小。這是因為試件的極限承載力主要受試件中的鋼筋和鋼纖維影響。

不同配筋率組合板位移-荷載曲線如圖4所示。

圖4 配筋率對組合版位移-荷載曲線的影響Fig.4 Influence of reinforcement ratio on displacement-load curve of composite plate

從圖4可以看出，配筋率對輕質(zhì)組合橋面板彈性階段、裂紋擴展階段和屈服階段均存在一定的影響，在3個階段中，配筋率與組合板的剛度、開裂荷載和極限承載力呈正相關的關系；與保護層厚度對組合板的影響規(guī)律不同的是，配筋率主要影響組合板的極限承載力，配筋率越大，組合板極限承載力越大。因此，在實際工程中，因適當減小保護層的厚度和增加配筋率。

2.3 栓釘剪切性能分析

選取不同長度和直徑的栓釘進行抗剪切試驗，栓釘?shù)木唧w參數(shù)如表4所示，通過初始滑移荷載、單釘承載力和滑移值進行抗剪性能表征，結果如圖6所示。

從圖5可以看出，栓釘?shù)某跏蓟坪奢d主要受栓釘?shù)闹睆接绊懀ㄡ數(shù)拈L度對其影響不大；隨著栓釘?shù)闹睆胶烷L度增加，其滑移值也逐漸增大；栓釘直徑為13 mm且栓釘長度從55 mm增至95 mm時，滑移值從0.95 mm增至1.85 mm，增長了94.74%；栓釘直徑為16 mm且栓釘長度從55 mm增至75 mm時，滑移值從0.65 mm增至1.95 mm，增長了200%；因此，栓釘?shù)拈L度對直徑更大的栓釘?shù)幕浦涤绊懜?，但是所有栓釘?shù)幕浦稻∮谝?guī)范要求的6 mm。

圖5 栓釘抗剪切試驗結果Fig.5 Shear test results of stud

2.4 抗疲勞性能分析

對不同保護層厚度、配筋率、栓釘長度和直徑的組合面板進行抗疲勞測試試驗，試驗方案依據(jù)參照文獻擬定[14]；試驗結果如圖6所示。

圖6 組合板抗疲勞試驗結果Fig.6 Anti-fatigue test results of composite plates

從圖6可以看出，隨著保護層厚度的增大和配筋率的減小，組合板的抗疲勞性能減弱；但隨著栓釘長度和直徑的增加，組合板的抗疲勞性能呈增大的趨勢。其中配筋率和栓釘直徑對組合板的抗疲勞性能影響較大，這與組合板的抗彎性能測試結果相吻合。

3 結語

分析了保護層厚度、配筋率和栓釘直徑與長度等參數(shù)對新型鋼-堿激發(fā)超高性能混凝土輕質(zhì)組合橋面板的抗彎性能和抗剪性能的影響規(guī)律，得到如下主要結論。

(1)組合橋面板承受負彎矩時主要呈現(xiàn)彎曲破壞模式，裂紋沿縱向鋼筋分布區(qū)域擴展；承受正彎矩時主要呈現(xiàn)擠壓破壞，擠壓處出現(xiàn)一條明顯裂紋；

(2)保護層厚度和配筋率對組合橋面板的開裂荷載、極限承載力和抗疲勞性能均有一定影響，保護層厚度主要影響開裂荷載，配筋率主要影響極限承載力。減小保護層厚度和增加配筋率以提高組合板承載能力和抗疲勞性能；

(3)增加栓釘?shù)闹睆胶烷L度均能提升組合板的抗剪性能和抗疲勞性能，其中栓釘?shù)闹睆接绊戄^大，長度影響較小。