橡膠改性纖維增強水泥基復(fù)合材料橋面連接板受拉性能研究

翁日華 方成峰 劉興博 謝美婷 禹智濤

（1 江門市銀洲湖高速公路有限公司；2 廣東工業(yè)大學(xué)土木與交通工程學(xué)院）

伸縮縫因其構(gòu)造簡單、使用方便等特點，廣泛應(yīng)用于公路橋梁建設(shè)中。但伸縮縫不可避免地存在各種病害問題，如傳統(tǒng)橡膠伸縮縫可能存在橡膠老化、模數(shù)式伸縮裝置剛度不高，部件容易斷裂破壞等[1]?，F(xiàn)今越來越繁重的車輛荷載極易造成伸縮裝置的損壞，導(dǎo)致橋梁維修成本增加。據(jù)統(tǒng)計，伸縮縫相關(guān)的維護費用占了全球橋梁總維護費用的7%～8%[2]。為此，近年來學(xué)者們對伸縮裝置展開了大量的研究，如屈曲約束形狀記憶金屬的智能伸縮縫[3]等新型伸縮裝置。而另外一些學(xué)者則開始轉(zhuǎn)向整體或半整體式橋梁、橋面連續(xù)簡支梁橋等無縫橋梁的研究，其中橋面連接板即是實現(xiàn)橋面無縫的較理想方式。

已有許多試驗研究關(guān)注于使用ECC 橋面連接板代替?zhèn)鹘y(tǒng)伸縮縫，纖維增強水泥基復(fù)合材料（Engineered Cementitious Composite, ECC）是一種具有超高韌性、應(yīng)變硬化及多縫開裂特性的新型建筑材料。ECC 橋面板能夠通過自身變形吸收橋面的收縮和膨脹效應(yīng)，能夠大幅提升結(jié)構(gòu)的疲勞和耐久性能，延長使用壽命。此外ECC 制備過程中常使用粉煤灰等工業(yè)副產(chǎn)品部分代替水泥，并可以根據(jù)結(jié)構(gòu)性能要求添加對應(yīng)材料[4]，進一步地提高了經(jīng)濟優(yōu)勢并有較高的社會效益和環(huán)保價值。

在溫度升高的情況下，橋面連接板將受到極大的沿橋向壓縮荷載，這可能導(dǎo)致橋面連接板的壓碎破壞。因此，可通過降低橋面連接板剛度，使其變得更“軟”來提高吸收變形的能力。將高延性、低彈模得橡膠粉摻入傳統(tǒng)ECC 中，能達到這個目的。學(xué)者們本著合理利用廢舊橡膠和改善混凝土性能的目的，將橡膠粉摻入混凝土中制成高性能混凝土，并研究橡膠粉對混凝土力學(xué)性能的影響。Yu[5]等證實了，橡膠粉加入ECC中，會降低基體斷裂韌性，激活更多微裂縫，限制裂縫寬度，提升ECC 的自愈合能力。Adesina[6]等發(fā)現(xiàn)，含橡膠粉的ECC擁有更低的孔隙率、吸水率和氯離子滲透率，并且良好的延性和耐久性，非常適合使用于橋面連接板。Zhang[7]等試驗表明，橡膠改性ECC 有很好的抗沖擊性能，這對于頻繁承受車輛沖擊的橋面連接板尤為重要。在大量橡膠改性ECC 的應(yīng)用研究中，將其應(yīng)用于橋面連接板的研究很少，而研究橡膠改性ECC 橋面連接板的抗拉性能更是罕見。

綜合考慮材料性能特點和實際應(yīng)用情況，采用粒徑為0.30mm（與石英砂粒徑一致）的橡膠粉等體積（體積分數(shù)為10%）替代細骨料，分別制成一個橡膠改性ECC和普通ECC 橋面連接板試件研究它們在軸向荷載下的受拉性能，并評估其應(yīng)用價值。

1 橡膠改性ECC材料制備與材料性能

1.1材料制備

配制ECC 和橡膠改性ECC 所用的材料：P·O52.5 級普通硅酸鹽水泥；高爐礦渣粉S105 級；F 類I 級粉煤灰；粒徑為0.3mm 左右的石英砂；高強高模聚乙烯（PE）纖維，成品為束狀；粒徑為0.3mm 的橡膠粉，廢舊輪胎回收、破碎并篩選所得；濃度40%聚羧酸高效減水劑。PE纖維及橡膠如圖1 所示，橡膠改性ECC 和普通ECC 配合比如表1所示。

圖1 試驗材料：PE纖維及橡膠

試驗采用的玻璃纖維增強塑料GFRP 筋材料性能如下：直徑10mm，彈性模量5.0×104MPa，極限張拉強度1200MPa，極限拉應(yīng)變2.1%。選用GFRP 筋與ECC 制成橋面連接板的原因有：①GFRP 筋的具有較低的彈性模量，而普通鋼筋（HRB335 鋼筋的彈性模量約為206GPa）的彈性模量約為所制備ECC 的7.4 倍，GFRP 筋更接近的彈性模量有利于筋材與基體的協(xié)同變形；②剛度較大的筋材會使得連接板截面應(yīng)力較高，不利于ECC 多縫開裂性能的有效發(fā)揮；③ECC 多縫開裂的裂縫寬度均非常微小，但裂縫增多仍會帶來水汽滲透侵蝕的風(fēng)險，GFRP 筋有著普通鋼筋所不具備的抗銹蝕能力。綜合考慮各種因素，GFRP是非常合適用于ECC的筋材。

1.2材料性能

參照規(guī)范JGJ/T 70-2009[8]，立方體抗壓強度試驗采用邊長為100mm的立方體試件，通過DYE-3000型壓力試驗機進行加載。軸心抗壓強度試驗采用直徑100mm、高200mm的圓柱體試件，通過MATSET材料壓縮試驗機進行加載。彈性模量和泊松比按ASTM-C469 規(guī)范計算[9]?？估瓘姸仍囼灢捎肑SCE CES82[10]推薦的330mm×60mm×13mm 狗骨頭試件，其中部受拉區(qū)尺寸為80mm×30mm×13mm，通過STS-100 微機控制電子萬能試驗機測試其拉伸性能。材料性能結(jié)果見表2。

表2 材料性能

從表2 中可以看出，與普通ECC 相比，橡膠改性ECC的基體強度稍有削弱，而壓縮彈性模量也隨之降低。在保證足夠的強度下，橡膠改性ECC 其低彈模的特點能夠更好的滿足橋面連接板壓縮變形的需要。隨著橡膠的加入，其狗骨頭試件的初裂強度也隨之下降。但在實際ECC橋面連接板應(yīng)用中，通常會配合FRP筋使用，初裂強度降低并不一定是缺點，它可以使FRP 筋增強的ECC 橋面連接板基體更早的開裂。最終裂縫數(shù)量可能會增多，但是平均裂縫寬度將會更小，這能更好的發(fā)揮ECC 的多縫開裂特性，帶來更好的使用耐久性。

2 ECC橋面連接板受拉性能試驗

2.1試驗設(shè)計

為了模擬實際使用情況中，ECC 橋面連接板的受溫度荷載時的軸向受力情況。試驗各制作了一個橡膠改性ECC 和普通ECC 橋面連接板試件，尺寸和加載形式如圖2 所示。其中每塊連接板內(nèi)置三根FRP，每根FRP 筋之間間隔100mm。連接板每側(cè)通過4個螺栓固定于工字鋼上，千斤頂模擬溫度荷載產(chǎn)生的軸向應(yīng)力，工字鋼與千斤頂之間各墊著一塊鋼板。試件放于滾軸之上，ECC板兩側(cè)頂端裝有線性位移計用于測試連接板軸向拉伸位移。加載前，先施加10kN 的力消除系統(tǒng)誤差并頂緊千斤頂兩端的鋼板。然后以每級10kN 的速度加載，每級加載過程之間，采用裂縫觀測儀記錄裂縫產(chǎn)生的情況，直至試件破壞。

圖2 試驗布置圖 （單位:mm）

2.2試驗現(xiàn)象及結(jié)果分析

ECC橋面連接板的拉應(yīng)力主要由FRP筋和基體纖維橋接作用共同承擔(dān)，當(dāng)其任意截面的拉應(yīng)力超過初裂強度時，該截面便會出現(xiàn)裂縫。由于纖維的作用，裂縫寬度開展到一定數(shù)值時，便不再增大。隨著荷載繼續(xù)增大，裂縫數(shù)量不斷增加，裂縫之間的間距不斷減少。當(dāng)拉應(yīng)力達到極限應(yīng)力時，最弱截面處的纖維被拉斷，裂縫形成通縫，拉應(yīng)力轉(zhuǎn)移到FRP 筋上。加載過程的具體現(xiàn)象如下：

⑴加載初期，試件受力和變形較小，連接板裂縫發(fā)展主要由ECC材料控制。此時采用橡膠改性ECC試件和采用普通ECC 試件裂縫發(fā)展均沒有明顯區(qū)別，初始裂縫出現(xiàn)的時間也幾乎一樣。

⑵加載中期，基體開裂后，纖維發(fā)生橋聯(lián)作用，限制裂縫寬度進一步增大，最大裂縫寬度保持在較低的水平，試件裂縫數(shù)目穩(wěn)定增長，此階段為裂縫穩(wěn)定發(fā)展階段，兩個試件裂縫發(fā)展形態(tài)相似。隨著試件變形增大，F(xiàn)RP 筋對連接板受力的影響開始顯現(xiàn)，隨著拉力增加，位移增速減小、裂縫發(fā)展變慢。

⑶加載后期，能聽到大量纖維斷裂的聲音，裂縫寬度變大。從裂縫中能看到部分纖維斷裂的現(xiàn)象，但未觀察到纖維抽出，這能說明PE纖維在普通ECC和橡膠改性ECC 中與基體結(jié)合較好，能夠充分發(fā)揮纖維的抗拉能力。當(dāng)荷載達到極限值，最弱斷面處的裂縫瞬間擴大，F(xiàn)RP筋拉斷，試件斷裂。

此時，普通ECC 和橡膠改性ECC 試件的其它微裂縫寬度都有稍微縮小，這是因為ECC 特有的自愈性能，在纖維的橋接作用下，被拉伸的纖維將斷裂的基體“拉”到了一起。這是ECC 橋面連接板一個顯著的優(yōu)點，當(dāng)連接板發(fā)生破壞時，裂縫寬度會收縮，降低因裂縫變寬產(chǎn)生的滲透侵蝕風(fēng)險。

圖3 為試件的荷載-位移曲線。由于試件最終破壞承載力主要取決于內(nèi)部FRP 筋的極限承載力，結(jié)合試驗結(jié)果可知兩個試件所能承受的最大拉力相近。然而，在連接板使用過程中，應(yīng)該更關(guān)注其變形能力及耐久性。ECC 橋面連接板在受拉變形時，會出現(xiàn)多而細的裂縫，而裂縫寬度是影響橋面連接板耐久性的重要因素。已有研究表明[11-12]，裂縫寬度在0.1mm 以下時，ECC 材料滲透系數(shù)較低，隨著裂縫寬度增加滲透系數(shù)增長緩慢，抗?jié)B性能優(yōu)異。

圖3 荷載-位移曲線

結(jié)合表3 試驗結(jié)果，橡膠改性ECC 橋面連接板有更多的裂縫數(shù)量、更小的平均裂縫寬度、更小的最大裂縫寬度，這意味著其有更好的吸收變形能力。這是因為橡膠粉的加入，降低了基體的抗拉強度和過大的板內(nèi)力，使其有利于將拉應(yīng)力轉(zhuǎn)移到纖維承擔(dān)，進而更好發(fā)揮多縫開裂的特性。雖然看起來基體更“弱”不利于承受拉應(yīng)力，但是更好的延性才是發(fā)揮ECC特性的關(guān)鍵。

表3 試驗結(jié)果

3 有限元模擬與分析

3.1有限元模型建立

本章將以配筋類型為參數(shù)，探討在橡膠改性ECC 中配置鋼筋與FRP 筋的受力變形特點。本章有限元使用通用有限元分析軟件ABAQUS 建立試驗?zāi)Ｐ?，并通過有限元模擬結(jié)果與試驗結(jié)果進行比較，驗證所建立模型的有效性，然后在此基礎(chǔ)上進行參數(shù)調(diào)整。

3.1.1本構(gòu)關(guān)系

ECC 受拉應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，參考袁方[13]等人提出的ECC受拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線簡化方法，利用表4的參數(shù)簡化為雙斜線模型，計算公式如圖4 所示。其中σtc、εtc、σtu、εtu分別為受拉初裂應(yīng)力、初裂應(yīng)變、極限應(yīng)力和極限極限應(yīng)變。ECC 受拉時，纖維的橋連作用使得材料能繼續(xù)承受荷載，材料進行強化階段，微裂縫發(fā)展，應(yīng)力隨應(yīng)變增大持續(xù)上升。

表4 筋材參數(shù)

圖4 各材料本構(gòu)模型示意圖

鋼筋采用完全彈塑性的雙直線模型，F(xiàn)RP 筋采用線彈性模型。各材料的本構(gòu)模型如圖4所示。

3.1.2模型建立

如圖5 所示，模型建立時，工字鋼和連接板采用實體單元，本模型中工字鋼和螺栓并不是研究對象，故螺栓直接建立在工字鋼上，而內(nèi)置的FRP 筋和鋼筋則采用線單元。由于模型形狀比較規(guī)則，所有實體單元均采用六面體單元，單元類型為C3D8R，鋼筋和FRP筋單元類型為T3D2。鋼筋和FRP 與ECC 連接板之間的約束關(guān)系為Embedded，加載方案與原結(jié)構(gòu)保持一致。

圖5 有限元分析模型

3.1.3計算結(jié)果對比

根據(jù)計算結(jié)果畫出板兩端的荷載-位移曲線，利用有限元計算與試驗的荷載位移曲線對比，如圖6 所示。從圖中可以看出，雖然實際材料參數(shù)與試驗會有差別，但最大計算誤差在13%以內(nèi)，曲線擬合度較好。有限元計算的到的荷載-位移曲線與試驗曲線基本相同，所建立的有限元模型存在一定的合理性和可靠性，模擬結(jié)果具備參考意義。

圖6 整體荷載-位移曲線對比

3.2參數(shù)分析

在現(xiàn)有的FRP-ECC 連接板試件有限元模型中，將FRP 替換為剛度更大的鋼筋進行參數(shù)分析。拉伸試驗中連接板的應(yīng)變測量并不容易，而通過提取有限元應(yīng)力云圖，能直觀地反映結(jié)構(gòu)應(yīng)力。

結(jié)合圖7 可知，F(xiàn)RP 連接板的跨中Von-Mises 應(yīng)力要明顯低于鋼筋連接板。FRP 連接板跨中的Von-Mises應(yīng)力為6.08MPa，而鋼筋連接板為8.72MPa，兩者差異較大。由于鋼筋剛度與ECC 差異較大，而抗拉強度比FRP筋低，鋼筋在加載中屈服較快，不能與ECC 較好的協(xié)同破壞。這一系列因素也導(dǎo)致了配置鋼筋ECC 的連接板比配置FRP 的連接板應(yīng)力要大的多，這對ECC 板的受拉變形和多縫開裂特性是不利的。有限元模型分析證明，在相同配筋率和形式下，F(xiàn)RP 相比鋼筋更適用于ECC 連接板。

圖7 有限元模擬連接板最大主應(yīng)力云圖

4 結(jié)論

⑴橡膠改性ECC 橋面板即使降低了一定的基體強度，但在配筋的作用下，最大抗拉承載力并無影響。反而因為橡膠的摻入，ECC 橋面連接板受拉時多縫開裂的現(xiàn)象更加明顯，初始裂縫更早出現(xiàn)、裂縫數(shù)量更多、裂縫寬度更小。這證明橡膠改性ECC 橋面連接板有更好的使用耐久性。

⑵試驗結(jié)果和有限元模擬的結(jié)果吻合較好，能夠較好地反映連接板受力狀態(tài)

⑶FRP 筋比鋼筋更能配合橡膠改性ECC 抗拉。FRP筋能有效降低ECC 連接板內(nèi)應(yīng)力，發(fā)揮其多縫開裂的特性。