輕質(zhì)組合橋面板采用增強(qiáng)混凝土材料提升力學(xué)性能研究

閔 瑞,周宏萍,李 娟,楊廷樹

(1.江蘇省水利建設(shè)工程有限公司,江蘇 揚(yáng)州 225200； 2.中機(jī)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(jié)構(gòu)構(gòu)造復(fù)雜等情況，使得橋梁在使用過(guò)程中出現(xiàn)疲勞破壞、鋪裝層開裂破壞等安全性問(wèn)題[1-2]。

針對(duì)上述問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)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(qiáng)復(fù)合材料等)；二是借助混凝土抗壓強(qiáng)度高的優(yōu)勢(shì)將其與橋面形成組合結(jié)構(gòu)。但是，第1種方式存在造價(jià)高和耐久性差等缺點(diǎn)；第2種方式存在抗開裂性能差和自重高等缺點(diǎn)。為了彌補(bǔ)第2種方式的缺點(diǎn)，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(guò)程會(huì)排放大量的CO2，從而造成較大的環(huán)境污染，不利于國(guó)家倡導(dǎo)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(shí)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(chǔ)性能研究方面，針對(duì)堿激發(fā)混凝土的實(shí)際工程應(yīng)用研究還相對(duì)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(qiáng)正交異性鋼橋面板的力學(xué)性能的同時(shí)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(duì)象，通過(guò)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(yàn)方法

1.1 原材料

本次試驗(yàn)所用的膠凝材料為河南鉑潤(rùn)鑄造材料有限公司生產(chǎn)的S95級(jí)礦渣、硅灰和粉煤灰，3種材料的化學(xué)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?jǐn)?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(guān)參數(shù)如表2所示，本次試驗(yàn)采用的鋼板厚度為12 mm。

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

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

1.2 試驗(yàn)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(jìn)行灑水養(yǎng)護(hù)，28 d后測(cè)其抗壓強(qiáng)度為110 MPa。

表3 混凝土試驗(yàn)配比Tab.3 Concrete test ratio g

1.3 試驗(yàn)方案

參照文獻(xiàn)[11]、文獻(xiàn)[12]的研究結(jié)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(jié)果如圖1所示。為了驗(yàn)證新型輕質(zhì)組合橋面板的工程可行性，對(duì)面板的抗彎性能(四點(diǎn)抗彎試驗(yàn))、抗剪性能(推出試驗(yàn))和抗疲勞性能(應(yīng)力水平0.65、0.70和0.75)進(jìn)行研究，為了驗(yàn)證正負(fù)彎矩、縱向鋼筋數(shù)量和保護(hù)層厚度對(duì)組合面板的性能，共設(shè)計(jì)了12組試件，如表4所示，其中研究栓釘對(duì)組合板性能影響時(shí)，組合板保護(hù)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(jié)構(gòu)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(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.4 Design parameters of flexural and bolt shear tests for composite plates

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 抗彎破壞模式分析

選取保護(hù)層厚度均為25 mm且承受不同彎矩的組合板破壞模式進(jìn)行對(duì)比分析。組合板承受正彎矩作用時(shí)，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(cè)面出現(xiàn)較多的微小裂紋。當(dāng)組合板承受負(fù)彎矩作用時(shí)，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?yàn)榭v向鋼筋布置的原因。由于不同保護(hù)層厚度和配筋率對(duì)組合板的破壞模式?jīng)]有顯著的影響，這里不再單獨(dú)進(jìn)行分析。

2.2 抗彎性能分析

根據(jù)文獻(xiàn)[13]的研究結(jié)果，當(dāng)橋面板的最大裂縫寬度達(dá)到0.05 mm時(shí)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(jié)果如圖2所示。

圖2 組合面板抗彎試驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Bending test results of composite panels

從圖2可以看出，當(dāng)試件承受正彎矩加載作用時(shí)，試件的3種荷載值均大于承受負(fù)彎矩時(shí)的3種荷載值，且隨著保護(hù)層厚度的增加，3種荷載值升高。這是因?yàn)榇藭r(shí)縱向鋼筋接近混凝土的受拉一側(cè)，能更加有效地抑制混凝土的開裂行為，從而增強(qiáng)組合面板的承載能力。

當(dāng)試件承受負(fù)彎矩加載作用時(shí)，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(hù)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(shí)際工程中，應(yīng)該適當(dāng)減小保護(hù)層的厚度。

不同保護(hù)層厚度組合板位移-荷載曲線如圖3所示。

圖3 不同保護(hù)層厚度對(duì)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(hù)層厚度對(duì)輕質(zhì)組合橋面板彈性階段、裂紋擴(kuò)展階段和屈服階段均存在一定的影響，在3個(gè)階段中，保護(hù)層厚度與組合板的剛度、開裂荷載和極限承載力呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系。從圖3中還可以看出，保護(hù)層厚度對(duì)組合板影響最大的是開裂階段，保護(hù)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(hù)層厚度的增加減小幅度值相對(duì)較小。這是因?yàn)樵嚰臉O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(duì)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(duì)輕質(zhì)組合橋面板彈性階段、裂紋擴(kuò)展階段和屈服階段均存在一定的影響，在3個(gè)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(guān)的關(guān)系；與保護(hù)層厚度對(duì)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(shí)際工程中，因適當(dāng)減小保護(hù)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(zhǎng)度和直徑的栓釘進(jìn)行抗剪切試驗(yàn)，栓釘?shù)木唧w參數(shù)如表4所示，通過(guò)初始滑移荷載、單釘承載力和滑移值進(jìn)行抗剪性能表征，結(jié)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(zhǎng)度對(duì)其影響不大；隨著栓釘?shù)闹睆胶烷L(zhǎng)度增加，其滑移值也逐漸增大；栓釘直徑為13 mm且栓釘長(zhǎng)度從55 mm增至95 mm時(shí)，滑移值從0.95 mm增至1.85 mm，增長(zhǎng)了94.74%；栓釘直徑為16 mm且栓釘長(zhǎng)度從55 mm增至75 mm時(shí)，滑移值從0.65 mm增至1.95 mm，增長(zhǎng)了200%；因此，栓釘?shù)拈L(zhǎng)度對(duì)直徑更大的栓釘?shù)幕浦涤绊懜螅撬兴ㄡ數(shù)幕浦稻∮谝?guī)范要求的6 mm。

圖5 栓釘抗剪切試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Shear test results of stud

2.4 抗疲勞性能分析

對(duì)不同保護(hù)層厚度、配筋率、栓釘長(zhǎng)度和直徑的組合面板進(jìn)行抗疲勞測(cè)試試驗(yàn)，試驗(yàn)方案依據(jù)參照文獻(xiàn)擬定[14]；試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 組合板抗疲勞試驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Anti-fatigue test results of composite plates

從圖6可以看出，隨著保護(hù)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(zhǎng)度和直徑的增加，組合板的抗疲勞性能呈增大的趨勢(shì)。其中配筋率和栓釘直徑對(duì)組合板的抗疲勞性能影響較大，這與組合板的抗彎性能測(cè)試結(jié)果相吻合。

3 結(jié)語(yǔ)

分析了保護(hù)層厚度、配筋率和栓釘直徑與長(zhǎng)度等參數(shù)對(duì)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(jié)論。

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

(2)保護(hù)層厚度和配筋率對(duì)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(hù)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(hù)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(zhǎng)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(zhǎng)度影響較小。