鋼纖維混凝土橋面鋪裝疲勞性能試驗研究＊

牟廷敏 丁慶軍 周孝軍 范碧琨

（四川省交通運輸廳公路規劃勘察設計研究院1） 成都 610041）

（武漢理工大學硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室2） 武漢 430070）

目前，水泥混凝土橋面鋪裝在高速公路建設中應用廣泛［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力，出現脫層、裂縫現象［2］.鋪裝層的疲勞開裂不僅會影響到橋面美觀及使用性能［3－4］，而且開裂嚴重處橋面板極易被雨水腐蝕，將直接影響到橋梁結構的安全性.研究表明：鋼纖維混凝土強度高，柔韌性好，耐磨抗沖擊性能強，具有阻裂限裂的作用，抗疲勞性能優越，在橋面鋪裝中應用越來越受歡迎［5－6］.很多學者對鋼纖維混凝土橋面鋪裝材料組成設計、物理力學性能等進行了較多的研究，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構性能.本文提出鋼纖維混凝土結合剪力件的鋪裝方案，以鋪裝層和橋梁結構整體為試驗對象，通過結構疲勞試驗，研究“剪力件＋鋼筋網＋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、剪力件等對混凝土橋面鋪裝疲勞性能的影響程度.

1 試驗設計

研究分析表明車輛荷載作用下鋪裝層表面出現的拉應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對鋪裝層與混凝土橋面板間粘結力和鋪裝層裂縫出現位置、擴展延伸情況、裂縫寬度的影響.疲勞試驗以鋪裝層和橋梁結構整體為試驗對象，共制作5個試件，構造見表1.每個試件由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與面層鋪裝層粘結.待底板澆注7d后澆注面層鋪裝層，定期灑水養護.

同時，針對2種鋪裝方案結構模型制作了相應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片試件（厚80mm，每類成型3個試件），進行靜力加載，測試其極限荷載與極限應變，為疲勞試驗測試方案提供參考.

編號 底 板橋面鋪裝層剪力件間距／cm 鋼筋網 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“S40－1”中“40”指剪力件間距，“－1”指有鋼筋網片；間距“100×40”指沿試件長方度向為100mm、沿試件寬度方向為40mm；鋼筋網“直徑10／100／100mm”指鋼筋直徑10mm，網格間距100mm.

2 混凝土配合比與力學性能

2.1 原材料

水泥（C）：亞東P.O 42.5；砂（S）：岳陽中砂，細度模數2.8；石（G）：5～25mm連續級配碎石；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，長度12mm，抗拉強度大于800MPa，相對密度1.18；鋼纖維（SF）：武漢新途多錨點鋼纖維，長30mm，長徑比為60，抗拉強度大于600MPa.

2.2 混凝土配合比與力學性能

采用上述原材料，根據實際橋面鋪裝混凝土的施工性能要求，進行配合比試驗.試驗混凝土配合比及物理力學性能見表2.

表2 混凝土配合比與物理力學性能

3 試驗過程

3.1 橋面鋪裝層靜載試驗

靜力加載主要是測試鋪裝層的開裂荷載與相應應變以及極限荷載與相應應變，為疲勞試驗加載方案的確定提供參考依據.鋪裝層靜載試驗破壞形式見圖1.

圖1 鋪裝層破壞形式

靜力加載試驗結果見表3，鋼纖維混凝土試件的開裂應變、開裂荷載、極限應變與極限荷載都比普通混凝土配鋼筋網試件的大，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于配鋼筋網的普通混凝土試件.鋼纖維混凝土相比普通混凝土有較強的抗裂阻裂性能與變形性能，鋼筋網對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.通過試驗分析，兩種鋪裝方案鋪裝層極限應變可均取200×10－6.

表3 鋪裝層靜載力學性能

3.2 鋪裝層結構疲勞試驗

3.2.1 試驗方案 疲勞試驗的控制參數主要包括加載頻率、波形、應力水平、循環應力比等.以鋪裝層靜載試驗測試的極限應變作為確定動載加載的依據，根據應力比確定疲勞試驗的控制應變，疲勞試驗應力比取0.5，循環應力比取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的拉應力是引起鋪裝破壞的主要原因，因此試驗加載時鋪裝層處于彎拉受力區，加載示意見圖2，動載試驗前，先對試件以4kN為荷載步進行逐級加載，當應變達到控制應變時停止加載，記錄荷載值大小，以此荷載為控制荷載進行疲勞試驗.試驗過程中主要觀察記錄鋪裝層模型在加載過程中裂縫出現的位置、裂縫開展趨勢以及裂縫寬度等.橋面鋪裝疲勞破壞以鋪裝層表面開始開裂為疲勞初裂，以鋪裝層兩側貫通的裂縫擴展至鋪裝層與底板交界面處為極限破壞，終止試驗.

圖2 加載示意圖

3.2.2 結果分析與討論 動載測試結果見表4，試驗結果表明：在高頻動載作用下，鋼纖維混凝土鋪裝層試件疲勞初裂時的加載次數比普通混凝土配鋼筋網的初裂受荷次數要大很多，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展較快，而普通混凝土配鋼筋網鋪裝層在開裂后應力重新分布，荷載轉移到鋼筋網片上，裂縫沒有快速擴展.同時，可以看到，從試件監測到初始裂縫到至最后裂縫擴展到鋪裝層與底面層交界處，整個過程中鋼纖維混凝土鋪裝層試件經歷的反復加載次數不如普通混凝土配鋼筋網片的試件經歷的加載次數多，因為普通混凝土開裂后由于應力重分布，荷載卸載到鋼筋網片上，鋼筋網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來看，鋼纖維混凝土試件的疲勞受荷次數要高于普通混凝土配鋼筋網試件.說明鋼纖維混凝土鋪裝層的整體抗疲勞性能優于普通混凝土配鋼筋網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試結果

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

4 結 論

1）在高頻動載荷載作用下鋼纖維混凝土鋪裝層試件初裂受荷次數比普通混凝土配鋼筋網試件初裂受荷次數高，破壞時總疲勞加載次數比后者多.而從鋪裝層開裂到結構破壞所經歷加載次數少于后者.

2）剪力件的間距對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的裂縫寬度都較小，區別不大.

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

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

［3］羅立峰.鋼纖維增強聚合物混凝土橋面鋪裝層修筑技術的研究［D］.廣州：華南理工大學，2002.

［4］王鈞利.鋼纖維混凝土橋面抗裂性能及設計和施工技術［J］.公路，2006（4）：124－128.

［5］NVEN Krstulovic－Opara，HAGHAYEGHI A R，Haidar M，et al.Use of conventional and high－performance steel－fiber reinforced concrete for bridge deck overlay［J］.Materials Journal.1995（92）：669－677.

［6］LOK Tatseng，PEI Jinsong.Flexural behavior of steel fiber reinforced concrete［J］.Journal of Materials in Civil Engineering.1998，10（2）：86－97.