超強韌性混凝土鋼橋面鋪裝研究

于明鑫 田 悅 王 飛

（沈陽城市建設(shè)學(xué)院，遼寧沈陽 110167）

超強韌性混凝土鋼橋面鋪裝研究

于明鑫 田 悅 王 飛

（沈陽城市建設(shè)學(xué)院，遼寧沈陽 110167）

鋼橋面鋪裝技術(shù)一直是工程難題之一，本文在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上，針對鋼橋面板特點，提出應(yīng)用超強韌性混凝土（PP ECC）作為鋼橋橋面鋪裝層材料的“分層鋪裝、栓釘連接”復(fù)合鋪裝結(jié)構(gòu)，對PP ECC材料應(yīng)用于鋼橋面過渡層的可行性進行了理論分析。

鋼橋面鋪裝 超強韌性混凝土 復(fù)合鋪裝結(jié)構(gòu)

1. 引言

目前，工程中常見鋼橋面都采用瀝青混凝土用作整體鋪裝層，但是鋼橋面的特點對其鋪裝層的性能提出了更高的要求。首先鋼橋橋面板剛度小，并受到行車動載與風(fēng)載、地震、溫度變化、橋梁結(jié)構(gòu)的變形等因素的共同影響，這些因素造成鋪裝層受力復(fù)雜。再加上瀝青混凝土鋪裝層本身剛度小，其與鋼橋橋面板兩種材料間性能差異大，僅靠粘結(jié)劑提供鋼橋面板與瀝青混凝土鋪裝層結(jié)合力的傳統(tǒng)方案存在較大弊端，工程中破壞非常普遍。因此，鋼橋橋面鋪裝仍是世界尚需解決的一個技術(shù)難題。若設(shè)計不合理，在通車后不久便易產(chǎn)生各種破壞，導(dǎo)致雨水滲入，引發(fā)鋼橋面板銹蝕，使得橋梁結(jié)構(gòu)整體性能下降、使用年限縮短［1］。

超強韌性混凝土（PP ECC），具有良好的彎曲韌性和抗沖擊等力學(xué)性能，同時，PP ECC在改善結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的延性［2］、耗能能力、抗侵蝕性、抗沖擊性［3］和耐磨性等方面具有顯著的效果，是混凝土材料理想的替代產(chǎn)品，可與鋼筋協(xié)調(diào)工作，適合用于土木工程領(lǐng)域，可解決混凝土結(jié)構(gòu)耗能低的缺點，是高耗能部位混凝土理想的替代品。基于以上材料特性，本文提出應(yīng)用超強韌性混凝土（PP ECC）作為鋼橋橋面鋪裝層材料的“分層鋪裝、栓釘連接”復(fù)合鋪裝結(jié)構(gòu)，并對該結(jié)構(gòu)進行初步研究。

2. 新型復(fù)合鋪裝結(jié)構(gòu)提出

本文參考建筑結(jié)構(gòu)中的鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的優(yōu)點［4］，提出采用超強韌性混凝土（PP ECC）作為過渡層的“分層鋪裝、栓釘連接”的鋼橋面復(fù)合鋪裝結(jié)構(gòu)（如圖1所示），在鋼橋面板與瀝青混凝土鋪裝層之間設(shè)置超強韌性混凝土（PP ECC）過渡層，PP ECC直接澆筑在焊接栓釘?shù)匿摌蛎姘迳希佈b表層采用瀝青混凝土鋪裝層。

圖1 新型復(fù)合鋪裝結(jié)構(gòu)

3. PP ECC過渡層力學(xué)性能

PP ECC基于ECC的生產(chǎn)工藝，將水泥、砂子、PP纖維等原材料通過滾筒攪拌機攪拌均勻，使用前加入適量的水?dāng)嚢杓s2min，無明顯結(jié)團后，澆注成型。其4小時標(biāo)準(zhǔn)立方體抗壓強度為25Mpa，抗折強度在4MPa；6小時抗壓強度為30Mpa，抗折強度在5MPa；1天抗壓強度為35MPa，抗折強度在5.9MPa；7天抗壓強度為60MPa左右，抗折強度為6.5Mpa；7天后趨于穩(wěn)定,最終極限壓應(yīng)變在1.5%左右。PP ECC極限壓應(yīng)變?yōu)?.015，約為混凝土的3倍；極限拉應(yīng)變?yōu)?.03，為混凝土的60倍。

PP ECC無粗骨料，密度在1600kg/m3，為混凝土的2/3。其內(nèi)部纖維分布均勻，為各向同性材料，離散性小，性能穩(wěn)定，與原有面層材料粘結(jié)性好。PP ECC造價能夠控制在900元/立方米。

4. PP ECC過渡層的工作性能

4.1 PP ECC過渡層的抗車轍能力

鋼橋面鋪裝層在高溫季節(jié)或長時間承受車輛荷載包括交通量成倍增長、重載、超載、慢速行駛、渠化交通作用下，鋪裝層瀝青混凝土抵抗永久變形能力不足，經(jīng)常會引起橋面車轍。尤其在高溫季節(jié)，鋪裝材料本身體現(xiàn)較強的粘塑性而表現(xiàn)出更大的抵抗永久變形能力不足的現(xiàn)象。

根據(jù) PP ECC力學(xué)性能我們可以得出，在變形協(xié)調(diào)方面，復(fù)合鋪裝結(jié)構(gòu)中PP ECC過渡層的模量數(shù)值界于瀝青混凝土與鋼板之間，能緩解各結(jié)構(gòu)層間的剛度突變問題、有效改善鋪裝結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)。在永久變形方面，PP ECC過渡層在該復(fù)合式鋪裝結(jié)構(gòu)中，幾乎不發(fā)生局部永久變形，只有瀝青混凝土層可能發(fā)生，而鋪裝結(jié)構(gòu)中瀝青混凝土鋪裝層厚度又比純?yōu)r青混凝土鋪裝橋面的小，即這種鋪裝結(jié)構(gòu)可能發(fā)生車轍破壞的范圍變小。

4.2 PP ECC過渡層的自修復(fù)性能

鋼橋面瀝青混凝土鋪裝層在重復(fù)高應(yīng)力或較高應(yīng)力作用下，會由于疲勞而產(chǎn)生裂縫，這些疲勞開裂通常出現(xiàn)在低溫或常溫季節(jié)。但如果在交通荷載作用下或長時間暴露在陽光、氣溫、雨水下，鋪裝層的工作條件超過了材料的彈性極限，瀝青混凝土的本身特性不能實現(xiàn)裂縫的自我修復(fù)功能或者鋪裝混合料發(fā)生了不可逆轉(zhuǎn)的變化，則鋪裝層的疲勞開裂也會出現(xiàn)在高溫季節(jié)。疲勞開裂不僅直接影響到鋪裝層的路用性能，而且對于鋼橋面板也有不利一影響，裂縫為雨水、濕氣侵蝕鋼橋面板提供了途徑，鋼橋面板的銹蝕會直接影響鋼結(jié)構(gòu)橋梁功能。因此，必須控制鋼橋面鋪裝層的疲勞開裂，當(dāng)發(fā)生疲勞開裂時應(yīng)及時進行修復(fù)。

PP ECC材料即使在較大變形的情況下，其裂紋寬度也很小，可以控制為60

m之內(nèi)。而材料在水灰比較小，粉煤灰較多的情況下，未水化的水泥及未參加反應(yīng)的粉煤灰將產(chǎn)生水化和凝結(jié)硬化作用，從而促進材料裂紋的自修復(fù)過程并使其持續(xù)進行。其中自由鈣離子會向裂紋表面流動，使得自修復(fù)所需要的化學(xué)物質(zhì)逐漸增加。PP ECC由于其具有自修復(fù)性能，就能保證在瀝青混凝土產(chǎn)生疲勞裂縫后，雨水、濕氣沿縫隙侵入，過渡層內(nèi)部進行自修復(fù)，修復(fù)內(nèi)部裂縫，阻隔外界對鋼橋面的侵蝕。

4.3 PP ECC過渡層的溫度穩(wěn)定性

瀝青混凝土鋼橋面鋪裝采用的粘結(jié)層材料一般為改性瀝青、乳化瀝青等高分子聚合物，這些材料的性質(zhì)隨溫度的改變而變化很大。在高溫季節(jié)，粘結(jié)層材料的抗剪強度較低，很容易發(fā)生剪切滑移破壞。相對瀝青混凝土而言，PP ECC溫度敏感度小得多。PP ECC可以有效地減少瀝青混凝土攤鋪碾壓時傳遞到鋼板的熱量，提高攤鋪碾壓質(zhì)量，即PP ECC還有一附加功能一一對其上層的瀝青混凝土鋪裝層起到隔熱作用。而且PP ECC熱穩(wěn)定性好，溫度變形協(xié)調(diào)，這些都使其能有效的作為過渡層工作。

凍融現(xiàn)象為北方地區(qū)公路的主要病害之一，也是限制北方地區(qū)水泥混凝土路面材料發(fā)展的主要因素之一。PP ECC不同于普通水泥混凝土，由于其PP纖維的超強橋聯(lián)力，抗凍融效果明顯。材料抗凍指數(shù)為90，滿足《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計及施工指南》中規(guī)定的大于60的標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)論

本文通過對傳統(tǒng)鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)與功能特點的分析，針對其經(jīng)常出現(xiàn)的工程破壞，結(jié)合超強韌性混凝土（PP ECC）的工程特性，進行了鋪裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計與研究，得出了以下結(jié)論：

（1）提出了采用PP ECC作為過渡層的復(fù)合鋪裝結(jié)構(gòu)；

（2）對PP ECC材料性能進行介紹，提出使其力學(xué)性能達到過渡層的要求；

（3）針對橋面常見病害，分別從變形性能、自修復(fù)性能、傳熱性能三方面論述了PP ECC過渡層的工作性能。

[1]李雪蓮.正交異性鋼橋面復(fù)合鋪裝結(jié)構(gòu)研究.[D]長沙：長沙理工大學(xué).2008

[2]俞家歡.工程水泥基復(fù)合材料的性能與應(yīng)用[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2010.

[3]Yu J H, Dai Y and Song B. Design, Production and Mechanical Property of White Engineered Cementitious Composites[J]. Advanced Materials Research, 2010 (97-101)：1673-1676

[4]王連廣.鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)理論與計算[M].北京：科學(xué)出版社,2005:1-45.

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1007-6344（2015）12-0332-01