裝配式梁橋橋面板濕接縫鑿毛粗糙度量化研究

鄢穩定 鄔曉光 胡科堅 魏賽東

1.廣西容梧高速公路有限公司，南寧 530012；2.長安大學橋梁與隧道陜西省重點實驗室，西安 710064

裝配式梁橋主要施工工序包括預制構件、吊裝拼接與接縫處理。接縫處理作為橋梁建設中關鍵一步，是梁間形成整體受力體系不可或缺的部分。目前，普遍采用的連接方式為現澆剛接［1］。現澆剛接濕接縫一般先對新舊混凝土黏結面進行鑿毛處理再澆筑，其鑿毛質量對濕接縫的連接強度影響很大。根據裝配式混凝土梁橋病害調查數據［2-4］可知，橋面板濕接縫黏結面的縱向開裂問題仍然存在，均發生在黏結面底緣。由于缺乏混凝土鑿毛方面的規范標準，加之混凝土振搗不足，導致濕接縫黏結面抗拉強度過低從而引起開裂。

新舊混凝土黏結面粗糙度是影響其黏結強度的主要影響因素之一［5-7］，在實際施工中，混凝土鑿毛粗糙度僅憑經驗控制，無法保證濕接縫黏結面施工質量。本文基于高壓水射流鑿毛技術，通過試驗研究新舊混凝土黏結面抗拉強度與粗糙度的關系，并結合40 m 跨徑簡支T 梁橋橋面板濕接縫黏結面的受力狀態，確定合理鑿毛粗糙度。

1 濕接縫黏結面鑿毛處理方法

濕接縫混凝土黏結面鑿毛常采用的方法有劃毛、人工及機械鑿毛。劃毛是采用鋼刷或鐵鉤對混凝土表面進行劃痕粗糙處理，須在混凝土終凝前進行，這種鑿毛方法不能有效去除混凝土表面的水泥乳皮，且作業時會擾動周圍混凝土，導致局部混凝土損傷。人工鑿毛即使用鋼釬、鐵錘對混凝土表面進行敲打，鑿毛效率低，勞動強度高，且鑿毛均勻性差。機械鑿毛是采用電動鑿毛錘或氣動鑿毛錘進行作業，比人工鑿毛效率明顯提高，但在施工過程中不僅會產生噪聲粉塵污染，而且與人工鑿毛一樣，不能有效去除局部已開裂的混凝土，降低了濕接縫新舊混凝土的黏結強度。

近年來，高壓水射流鑿毛技術（簡稱沖毛）在混凝土鑿毛作業方面逐漸被推廣應用。其原理是利用高速水流的沖擊作用去除部分表層混凝土。該技術不僅可以避免老式鑿毛方法的諸多缺點，而且操作簡單便捷，處理面濕潤潔凈，可以提高濕接縫黏結面強度［5］。

2 基于高壓沖毛技術的黏結面抗拉強度試驗

2.1 試驗設計

為了研究濕接縫新舊混凝土黏結面抗拉強度與沖毛粗糙度的關系，選用高壓水射流鑿毛技術對混凝土黏結面進行粗糙化處理；采用灌砂法測量鑿毛面粗糙度，即以灌砂平均深度h來表征粗糙度；通過試塊標準劈裂試驗獲取黏結面抗拉強度。

制備沖毛試塊時，選用150 mm×150 mm×75 mm的C50 混凝土 試塊，同時預 留150 mm × 150 mm ×150 mm立方體對照組試塊，沖毛試塊和對照組試塊均同批澆筑。沖毛試塊在澆筑15 h 后完成脫模，此時混凝土強度較低，適合沖毛。將沖毛壓力30、35、40 MPa和沖毛時間30、60、90、120 s 交叉組合，構成12 組沖毛試塊，且每組包含3個試塊，共計36個試塊，以豐富混凝土沖毛面粗糙度多樣性。試塊沖毛完畢后測量其粗糙度，自然條件下養生28 d 后澆筑另一半混凝土，形成立方體黏結面劈裂試塊。所有試塊自然養生28 d后，進行黏結面劈裂試驗。

試驗采用的混凝土配合比與實際工程預制T梁相同，拌和材料為P·O 42.5普通硅酸鹽水泥、粒徑4.75 mm以下的機制砂、5~20 mm的石灰巖級配碎石、RX?1?320型聚羧酸減水劑、Ⅰ級粉煤灰等，具體配合比見表1。沖毛設備采用最大壓強為50 MPa的高壓射流機，其噴頭為扇形噴嘴。

表1 C50混凝土配合比 kg·m-3

2.2 試驗過程及現象

對試塊進行沖毛時不僅要均勻沖毛，還應保證沖毛施工參數基本一致。噴槍軸線方向距離試塊沖毛面10 cm，并與試塊表面形成50°的夾角。另外通過計時裝置嚴格控制沖毛時間。試塊沖毛完成后不能立刻測量粗糙度，待其自然風干后方可采用灌砂法測量。

試塊沖毛過程中發現表面已有硬化的水泥砂漿，隨著沖毛壓強的加大以及沖毛時間的延長，其逐漸被破壞沖散，骨料碎石顯露面積逐漸變大，試塊表面越來越凹凸不平，見圖1。

圖1 沖毛試塊

將沖毛試塊澆筑形成立方體黏結試塊后，依據JTG E30—2005《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》［8］進行劈裂試驗。試驗采用頂面為半徑75 mm 的弧形鋼墊條，木制三合板墊層的尺寸為20 mm（寬）×3 mm（厚）×180 mm（長），萬能試驗機加載速度控制在0.06 MPa∕s。試驗前用記號筆在試塊中部標注黏結面位置線，加載時保持速率不變直至試件破壞，記錄破壞極限荷載F。混凝土黏結面劈裂抗拉強度fts的計算公式為

式中，A為試塊黏結面面積，mm2。

2.3 試驗結果分析

沖毛試驗與劈裂抗拉試驗結果見表2。表中每個試驗組由3 個試塊組成，組編號第一位數字1、2、3 分別代表沖毛壓力為40、35、30 MPa；第二位數字1、2、3、4分別代表沖毛時間為30、60、90、120 s。

表2 沖毛試驗與劈裂試驗結果

對各組試塊的粗糙度取平均值繪制不同沖毛壓力下粗糙度即灌砂平均深度h隨時間t的變化曲線，見圖2。可知，隨著沖毛壓力及時間的增加，處理面粗糙度不斷增大，但增幅不斷減小，沖毛壓力為40 MPa 時增幅減小尤其明顯。原因是試驗采用的沖毛壓力只能使部分混凝土水泥砂漿被沖散，而粗骨料石灰石未被破壞；前期處理面水泥砂漿較多，但隨著沖毛的不斷進行逐漸變少，粗骨料裸露面積增大，高壓水沖射作用越來越小，造成粗糙度增長幅度逐漸趨于平緩。

圖2 不同沖毛壓力下沖毛時間與粗糙度的關系曲線

粗糙度并不是越大越好，若要獲取更大的粗糙度，就需要提高水壓，必然使得部分粗骨料被擊碎，造成黏結面骨料減少，進而削減新舊混凝土間黏結面的黏結強度。文獻［5］采用噴砂法處理混凝土黏結面，發現粗糙度為4 ~ 5 mm 時黏結強度達到最大；文獻［9］發現采用高壓水槍處理黏結面時，只鑿除細集料的處理方式獲得的黏結抗拉強度更高。因此，本文粗糙度取4.13 mm。

為了更好地研究混凝土黏結面劈裂抗拉強度與粗糙度的關系，根據36個試塊的劈裂試驗結果繪制散點圖，見圖3。

圖3 劈裂抗拉強度與粗糙度的關系曲線

由圖3可知，隨著粗糙度的增大，混凝土立方體黏結面劈裂抗拉強度逐漸增大，且大致呈線性增長趨勢。

采用MATLAB 軟件進行線性回歸，得到擬合曲線為

為了定量檢驗擬合曲線的優劣，采用統計學中的確定系數來度量函數的擬合優度，確定系數的范圍為［0，1］，其值越接近1，說明函數的擬合效果越好，計算式為

式中：R2為確定系數；SSE為擬合數據和原始數據誤差的平方和；SST為原始數據與其均值之差的平方和。

通過MATLAB 軟件計算得到R2= 0.925 5，說明式（2）可作為經驗公式采用，得到不同粗糙度下劈裂抗拉強度實測值與擬合值的差值ft′s，見圖4。可知，實測值與擬合值的差值范圍為［-0.085，0.077］。為了確保應用該經驗公式時計算結果偏安全，取-0.085作為誤差調整值，修正式（2）后得到黏結面劈裂抗拉強度與粗糙度的經驗公式為fts=0.212 3h+1.968-0.085=0.212 3h+1.883。

圖4 不同粗糙度下劈裂抗拉強度實測值與擬合值的差值

由于橋梁工程中多采用混凝土軸心抗拉強度ft進行計算，因此將混凝土黏結面劈裂抗拉強度乘以換算系數0.9［10］可換算成軸心抗拉強度，得到軸心抗拉強度與粗糙度的經驗公式為

采用式（4）計算混凝土黏結面粗糙度或抗拉強度時，因試驗樣本區間有限，建議粗糙度在試驗范圍內（1.75~4.13 mm）取值，以確保計算結果的精確性。

3 裝配式梁橋濕接縫黏結面沖毛粗糙度計算

3.1 工程概況

貴州省某地區裝配式預應力混凝土簡支T梁橋的設計荷載等級為公路?Ⅰ級，按部分預應力A類構件設計。標準跨徑40 m，橋面寬度12.25 m，由5 片T 梁組成，主梁間距2.5 m，橋跨方向共設置7道橫隔板，主梁間通過寬度為0.8 m 的現澆濕接縫連成整體。上部主體結構采用C50 混凝土，其彈性模量為34.5 GPa，泊松比為0.2，重度為25 kN∕m3。沿橋跨方向采用線性變截面設計，跨中橫斷面見圖5。

圖5 跨中橫斷面（單位：mm）

3.2 濕接縫黏結面受力分析

3.2.1 實體有限元分析模型

采用MIDAS Fea軟件按照實際尺寸建立全橋實體模型，不考慮橋面鋪裝參與結構受力。單元網格劃分時，采用六面體為主導的三維實體單元，并通過控制單元縱橫比，提高單元網格劃分質量，確保有限元計算結果的精確性。模型支座通過創建局部剛性連接單元，采用一般支撐進行邊界條件模擬。模型施加的荷載包括自重、橋面鋪裝恒載以及輪載。其中橋面鋪裝恒載為3.88 kN∕m2；輪載參考公路?Ⅰ級車輛荷載，選用前后間距為1.4 m 的70 kN 輪載，并考慮到16 cm橋面鋪裝的擴散作用，以寬為0.92 m、長為0.52 m 的矩形均布面荷載表示輪載。輪載作用位置為圖6陰影部分，圖中虛線分別表示主梁及橫隔板中心線，橫隔板按照從前往后順序依次編號。

圖6 輪載作用位置（單位：mm）

3.2.2 有限元計算結果

1）直接荷載作用計算結果

自重、橋面鋪裝荷載以及輪載作用下，輪載附近局部橫向應力云圖見圖7。由圖7（a）可知，輪載作用的濕接縫黏結面附近區域橫向應力較大，呈橢圓形分布，且前輪與后輪的中間區域出現應力疊加；由圖7（b）可知，濕接縫黏結面頂緣受壓、底緣受拉，且從相鄰橫隔板兩邊至輪載中心處應力逐漸增大，在前后輪載中心處分別達到最大，其中底緣最大拉應力為1.72 MPa。

圖7 局部和輪載附近橫向應力云圖

2）梯度升溫作用計算結果

根據文獻［11-12］可知，日照溫差引起的溫度梯度升溫對橋面板底部橫向拉應力影響較大，因此應考慮豎向日照溫差作用對橋梁濕接縫受力的影響。根據文獻［13］施加梯度升溫荷載，鋪裝層底層為水泥混凝土，頂層為瀝青混凝土，計算采用的豎向溫度梯度曲線可不考慮底層現澆混凝土，見圖8（a）；若考慮10 cm 厚混凝土現澆層層對溫度梯度的削減作用，則橋面板頂面溫度為6.7 ℃，其以下部分線性降溫，豎向溫度梯度曲線見圖8（b）。

圖8 豎向溫度梯度曲線

參考圖6，選取輪載作用附近相鄰橫隔板間的濕接縫650 cm 范圍進行局部受力分析，發現兩類溫度梯度作用下，濕接縫均為頂面受壓、底面受拉。濕接縫黏結面底緣橫向拉應力見圖9，圖中濕接縫縱向位置以③號橫隔板中心線為起始點。可知，濕接縫底緣橫向拉應力從橫隔板兩邊到中央逐漸增大，且在距離橫隔板約150 cm 時增速趨于平緩，此后出現較長的應力持平段。考慮混凝土現澆層對溫度梯度的影響后，梯度升溫作用下濕接縫底緣最大橫向拉應力由1.58 MPa 降低至0.51 MPa，拉應力變化十分明顯，說明在計算濕接縫梯度溫度作用時，應考慮橋面鋪裝混凝土現澆層對溫度梯度的削減作用。

圖9 濕接縫黏結面底緣橫向拉應力

3.3 濕接縫黏結面沖毛粗糙度計算

直接荷載對橋面板濕接縫黏結面底緣產生的最大橫向拉應力為1.72 MPa，溫度梯度升溫對濕接縫黏結面底緣產生的最大拉應力為0.51 MPa，故黏結面最大拉應力總和為2.23 MPa。為避免混凝土黏結面開裂，應保證黏結面抗拉強度高于2.23 MPa，即ft=0.191 07h+1.694 7＞2.23，得到h＞2.80 mm。

這說明當黏結面沖毛粗糙度大于2.80 mm 時，本文裝配式T梁橋橋面板濕接縫黏結面的抗拉強度方能滿足要求，其他裝配式梁橋可參照此方法確定濕接縫合理沖毛粗糙度。

4 結論

1）沖毛粗糙度并不是越大越好，破壞粗骨料會降低新舊混凝土黏結抗拉強度，建議采用只鑿除細集料的沖毛處理方式。

2）新舊混凝土黏結面粗糙度與抗拉強度的變化曲線在試驗范圍內大致呈線性增長趨勢，根據試驗數據擬合出的沖毛粗糙度與黏結面抗拉強度的經驗公式可用于濕接縫黏結面量化鑿毛，防止黏結面開裂。

3）利用經驗公式計算裝配式梁橋橋面板濕接縫黏結面沖毛粗糙度時，除了應計算直接荷載作用產生的橫向拉應力，還應考慮梯度升溫作用對黏結面產生的拉應力，以及橋面鋪裝混凝土現澆層對溫度梯度的削減影響。