短纖維預(yù)制混凝土板式軌道的適用性研究

周 藝,吳家嵐,馬碧波

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,四川 成都 610031)

1 混凝土板式軌道應(yīng)用簡(jiǎn)介

混凝土板式軌道(圖 1)是日本新干線主要的軌道結(jié)構(gòu)形式,約占新干線的 90%,其中最早鋪設(shè)的軌道使用期已經(jīng)達(dá)到 30年以上。但由于動(dòng)態(tài)列車荷載引起預(yù)制混凝土面板損壞的相關(guān)報(bào)道至今沒(méi)有。然而,由環(huán)境條件引起預(yù)制混凝土面板損壞的情況卻成為一大難題。特別是在海底隧道產(chǎn)生的融鹽損壞和寒冷區(qū)隧道產(chǎn)生的凍融破壞極為明顯。融鹽損壞在不同地區(qū)皆有發(fā)生,因而本文將重點(diǎn)放在預(yù)制混凝土面板中混凝土板面的融鹽損壞上。筆者認(rèn)為采用無(wú)鋼筋短纖維混凝土來(lái)預(yù)制混凝土面板可以使得預(yù)制混凝土面板持久耐用。

圖1 混凝土板式軌道

圖2 聚丙烯纖維與聚乙烯醇纖維

2 短纖維混凝土的材料性能

2.1 短纖維

短纖維可以在混凝土裂縫之間傳遞拉力,故在混凝土中摻入短纖維就可使混凝土變得堅(jiān)韌。所以,若用短纖維混凝土制造預(yù)制混凝土面板,混凝土面板中的短纖維將有效地控制由于凍害而引起的裂縫增長(zhǎng),從而融鹽損壞引起的鋼筋銹蝕也就不會(huì)發(fā)生。本次實(shí)驗(yàn)中采用的短纖維是聚丙烯(以下簡(jiǎn)稱 PP)和聚乙烯醇(以下簡(jiǎn)稱 PVA)(見(jiàn)圖 2),每種短纖維的物理性能見(jiàn)表 1。當(dāng)這些短纖維應(yīng)用在混凝土中時(shí),由于PVA短纖維的比重大于水并且具有良好的親水性能,所以它與混凝土有著良好的粘聚性;PP短纖維的密度小于水,并且具有疏水性能,因此需要經(jīng)過(guò)表面處理以提高其與混凝土的粘聚性。

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2.2 短纖維混凝土的流動(dòng)性

因?yàn)槎汤w維的縱橫比要比顆粒狀骨料的縱橫比大得多[1],所以當(dāng)大量短纖維摻入混凝土中時(shí),短纖維混凝土的流動(dòng)性就會(huì)變差,而流動(dòng)性變差就會(huì)導(dǎo)致工程施工更加困難。為了研究流動(dòng)性的變化,首先考察短纖維混入前后混凝土的坍落度(簡(jiǎn)稱 SF)。表 2是測(cè)試混凝土流動(dòng)性的配合比,在混凝土中摻入大量纖維前,先測(cè)定其SF,然后以 55cm為標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)考慮流動(dòng)性的下降,同時(shí)含氣量以 7%為標(biāo)準(zhǔn),以使得短纖維與混凝土更易混合。最終測(cè)得SF的實(shí)際平均值和空氣含量分別為 58.2%和 6.7%,幾乎與目標(biāo)值相同。采用短纖維數(shù)量的單位體積率分別為 0.5%,1.0%,1.5%,2.0%,3.0%

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為了檢測(cè) SF的變化,定義 SF變化率

圖3表示PVA短纖維體積率為 2.0%的短纖維混凝土的 SF,圖 4表示 SF變化率和短纖維體積率之間的關(guān)系。根據(jù)這些圖表,可以得出混凝土的流動(dòng)性隨著短纖維體積率的增加而降低,為了保證混凝土具有足夠的流動(dòng)性,可將SF變化率設(shè)定在 0.5。

圖3 混凝土加入纖維后的坍落度比較

圖4 坍落度變化率與纖維體積率關(guān)系

2.3 短纖維混凝土的強(qiáng)度特性

為了檢測(cè)短纖維增強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度特性,進(jìn)行了壓縮實(shí)驗(yàn),直接拉伸試驗(yàn),彎曲韌性試驗(yàn)。預(yù)制混凝土板重要的性能標(biāo)志就是其彎曲韌性,圖 5為彎曲韌性實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景。梁試件尺寸為 100mm×100mm×400mm,混凝土配合比和短纖維體積率與用于檢測(cè)混凝土流動(dòng)性能試驗(yàn)的比例相同,圖 6表示采用不同體積率的短纖維梁試樣載荷與中心位移之間的關(guān)系。根據(jù)圖 6可以證實(shí)增加短纖維體積率可使位移減少,荷載降低,即增加短纖維體積率可增強(qiáng)混凝土的彎曲韌性。就兩種纖維彎曲韌性比較而言,PVA纖維優(yōu)于PP纖維。

2.4 流動(dòng)性和彎曲韌性的綜合評(píng)價(jià)

為了綜合評(píng)估短纖維混凝土的流動(dòng)性和彎曲韌性的關(guān)系,筆者計(jì)算了曲線下以橫軸為邊界(中心位移為 0～2mm)的四邊形面積,并把計(jì)算值定義為彎曲韌性(圖 7)。圖 8是SF變化率和彎曲韌性之間的關(guān)系。可以看出:當(dāng)短纖維體積率相同時(shí),PVA短纖維混凝土的流動(dòng)性比PP短纖維混凝土的流動(dòng)性差,但它的彎曲韌性比 PP短纖維混凝土的好。

圖5 彎曲韌性實(shí)驗(yàn)

圖6 梁中點(diǎn)位移與荷載之間的關(guān)系

從以上調(diào)查結(jié)果得出,可把以上兩指標(biāo)的評(píng)價(jià)作為一種工具,根據(jù)結(jié)構(gòu)形式和設(shè)計(jì)施工方法來(lái)選擇適當(dāng)?shù)亩汤w維類型和數(shù)量。

3 疲勞研究

一般預(yù)制混凝土板預(yù)計(jì)的使用壽命是 50年,但因使用期間經(jīng)過(guò)板的火車輪軸數(shù)目達(dá) 200萬(wàn)次以上,所以研究預(yù)制混凝土板與短纖維混凝土的疲勞失效是很重要的。所以我們進(jìn)行了短纖維混凝土彎曲疲勞試驗(yàn),得出其實(shí)驗(yàn)結(jié)果,并評(píng)估了疲勞壽命。用于此試驗(yàn)的測(cè)試標(biāo)本,是由體積率為2.0%的 PVA纖維混凝土構(gòu)成的。

圖7 彎曲韌性定義

圖8 坍落度變化率與彎曲韌性之間的關(guān)系

3.1 彎曲疲勞試驗(yàn)

用于彎曲疲勞試驗(yàn)的標(biāo)本尺寸為 100mm×100 mm×400mm,支座間距離為 300mm,彎曲載荷間隔是 100mm(如圖 5所示),使用的四種循環(huán)荷載分別為 15.7,17.2,18.6,20.0 kN,循環(huán)頻率是 3 Hz。混凝土的抗壓強(qiáng)度為 52.5 N/mm2。從直接拉伸試驗(yàn)得到的拉伸強(qiáng)度是 3.37 N/mm2(見(jiàn)圖 9)。圖10為從拉伸試驗(yàn)得出的拉力軟化曲線。測(cè)試結(jié)果表明:裂縫出現(xiàn)后,拉應(yīng)力即刻下降,在拉應(yīng)力約為 2.0 N/mm2時(shí),可以確定短纖維橋梁作用的韌性行為。之后,隨著裂縫寬度的增加拉應(yīng)力逐漸下降。圖 11表示彎曲疲勞壽命和彎曲應(yīng)力之間的關(guān)系,以及下文將提到的彎曲疲勞壽命的計(jì)算值。試驗(yàn)結(jié)果表明:短纖維混凝土彎曲疲勞壽命增加與彎曲應(yīng)力下降在單一對(duì)數(shù)圖里呈現(xiàn)線性關(guān)系。

3.2 彎曲疲勞壽命的評(píng)估方法

諸如混凝土之類的脆性材料,裂紋擴(kuò)展可解釋疲勞性。本文從截面的平衡設(shè)計(jì)出發(fā),將拉力方面的負(fù)載周期考慮在內(nèi),假設(shè)不考慮壓縮循環(huán)荷載的任何影響,提出了一種短纖維增強(qiáng)混凝土彎曲疲勞壽命的計(jì)算方法。

圖9 直接拉伸試驗(yàn)圖示

圖10 混凝土拉力軟化曲線

圖11 彎曲疲勞壽命和彎曲應(yīng)力之間的關(guān)系

圖12為疲勞壽命的計(jì)算流程。在這里,疲勞壽命通過(guò)截面平衡設(shè)計(jì)的疲勞設(shè)計(jì)負(fù)荷彎矩來(lái)計(jì)算,采用壓縮試驗(yàn)得到的抗壓強(qiáng)度,應(yīng)用《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中提出的壓縮應(yīng)力變形關(guān)系來(lái)考慮平衡設(shè)計(jì)的壓縮模型,從而反復(fù)進(jìn)行平衡設(shè)計(jì),直至載荷循環(huán)值達(dá)到穩(wěn)定。此外,由于材料強(qiáng)度變化對(duì)疲勞試驗(yàn)結(jié)果有很大影響,當(dāng)計(jì)算疲勞壽命時(shí),抗壓強(qiáng)度變化可考慮 3倍的標(biāo)準(zhǔn)偏差。平衡設(shè)計(jì)采用的張力模型是根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果(圖 10)確立的三線線型的拉力軟化曲線(圖 13),此模型的拉應(yīng)力隨著負(fù)荷周期數(shù)的增加而減小。以下詳細(xì)解釋拉力模型:在達(dá)到抗拉強(qiáng)度后,當(dāng)裂縫的寬度是 0.01mm時(shí),拉應(yīng)力才下降,從無(wú)筋混凝土的拉伸軟化曲線預(yù)估 0.01mm,并且拉應(yīng)力減小到短纖維作為橋梁作用所引起的應(yīng)力(σt),此應(yīng)力(σt)被分散在開(kāi)裂區(qū)。且由于抗拉強(qiáng)度很容易因各種因素的影響而改變,所以筆者根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得公式(2)計(jì)算出的抗拉強(qiáng)度比率來(lái)修改張力軟化曲線,其中抗拉強(qiáng)度的彈性模量采用混凝土規(guī)范中的所示值。

圖12 疲勞壽命的計(jì)算流程

圖13 三線線型的拉力軟化曲線

由于抗拉強(qiáng)度沒(méi)有不同于抗壓強(qiáng)度的明顯變化,可以用式(2)得出修正了的抗壓強(qiáng)度(±3σ)來(lái)計(jì)算抗拉強(qiáng)度,再利用這個(gè)抗拉強(qiáng)度計(jì)算短纖維混凝土的疲勞壽命。根據(jù)斷裂力學(xué),混凝土構(gòu)件疲勞失效是由循環(huán)負(fù)荷引起的裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致的,因此可以認(rèn)為裂紋擴(kuò)展是由于張力軟化曲線的拉應(yīng)力退化所引發(fā)的,假設(shè)張力軟化曲線隨著載荷循環(huán)的增加而下降。根據(jù)式(3)可以進(jìn)行計(jì)算。

3.3 疲勞壽命的計(jì)算結(jié)果

用來(lái)計(jì)算疲勞壽命的短纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度是 53.1 N/mm2,圖 14表示通過(guò)計(jì)算得到的拉力軟化曲線,其中顯示的“最大值”“最小值”是固定的。通過(guò)壓縮與張力模型估算了疲勞壽命,將其計(jì)算結(jié)果與疲勞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。圖 11即為二者比較結(jié)果。彎曲疲勞試驗(yàn)結(jié)果在“最大值”和“最小值”之間,并且與“平均值”有一定的關(guān)聯(lián)。通過(guò)以上分析,證實(shí)用此方法計(jì)算鋼筋混凝土的疲勞壽命是可行的。

4 使用實(shí)際尺寸的預(yù)制混凝土板測(cè)試

為了檢驗(yàn)彎曲和彎曲疲勞強(qiáng)度性能,本文使用實(shí)際尺寸的預(yù)制混凝土板樣進(jìn)行了靜態(tài)彎曲試驗(yàn)和彎曲疲勞試驗(yàn)。樣板是摻入了 2.0%的PVA短纖維的短纖維混凝土。通過(guò)把 RC預(yù)制混凝土板分成兩個(gè)方向軌道的形式準(zhǔn)備試件(200mm×1170mm×4930 mm)。彎曲試驗(yàn)中,試件的支座距離是 3000mm,彎曲載荷間隔是 1000mm,彎曲疲勞試驗(yàn)的循環(huán)荷載分別是 55.0,60.2,63.0,74.5 kN。假設(shè)試件所有部分都是有效的,試件底部彎拉應(yīng)力分別為 3.5,3.9,4.0,48N／mm2。圖 15表示的彎拉應(yīng)力是由彎拉應(yīng)力與靜態(tài)彎曲試驗(yàn)得出的位移之間的關(guān)系,然后再根據(jù)平衡設(shè)計(jì)計(jì)算得來(lái)。然而,這個(gè)彎曲應(yīng)力值是試樣底部的值,當(dāng)壓縮邊緣應(yīng)力設(shè)置為 0.0035時(shí),彎拉應(yīng)力則由彎矩計(jì)算得來(lái) 。

圖14 拉力軟化曲線

圖15 彎曲應(yīng)力與中點(diǎn)位移關(guān)系

圖16 彎曲疲勞壽命和彎曲應(yīng)力關(guān)系

結(jié)果表明:靜態(tài)彎曲試驗(yàn)的結(jié)果在“最大”與“最小”計(jì)算值之間,說(shuō)明短纖維混凝土制成的預(yù)制混凝土板彎曲斷裂可經(jīng)計(jì)算檢驗(yàn)。圖 16顯示了基于彎曲疲勞試驗(yàn)和通過(guò)計(jì)算兩種方式得出的疲勞壽命結(jié)果。所有情況下的試驗(yàn)結(jié)果都在計(jì)算所得結(jié)果范圍內(nèi),此計(jì)算結(jié)果是將材料強(qiáng)度變化考慮在內(nèi)實(shí)現(xiàn)的。最后證實(shí),短纖維混凝土制成的預(yù)制混凝土板的彎曲疲勞可通過(guò)計(jì)算校核。此外,通過(guò)靜態(tài)彎曲試驗(yàn)得出,實(shí)際大小的預(yù)制混凝土板的彎曲斷裂載荷約是 80 kN,這個(gè)值大于載荷(43.6 kN)相應(yīng)的彎曲斷裂設(shè)計(jì)的彎矩(21.8 kN·m),并且認(rèn)為它對(duì)應(yīng)的彎曲疲勞斷裂設(shè)計(jì)彎矩是 21.2 kN,此載荷低于彎曲裂縫載荷,所以它的重復(fù)不會(huì)引起疲勞斷裂。

5 環(huán)境性能

為了研究混凝土凍害問(wèn)題,筆者對(duì)摻入了 2.0%.PVA纖維的混凝土進(jìn)行了凍融試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)取混凝土的 W/C為47.0%。圖 17顯示了相對(duì)動(dòng)態(tài)彈性模量為 100的凍融測(cè)試結(jié)果。雖然相對(duì)動(dòng)態(tài)模量在早期下降了一點(diǎn),但當(dāng)周期到300時(shí),相對(duì)動(dòng)態(tài)彈性模量都保持在 95%左右,此值大于混凝土標(biāo)準(zhǔn)中顯示的最嚴(yán)重的情況(85%)的標(biāo)準(zhǔn),就冷凍,解凍循環(huán)而言,短纖維混凝土已經(jīng)具有足夠的性能抵抗。雖然融鹽損壞檢測(cè)沒(méi)有進(jìn)行,但由于混凝土中沒(méi)有加入鐵質(zhì)纖維,故可以持久抵抗鹽損壞,即混凝土有足夠的耐久性能。

圖17 凍融測(cè)試結(jié)果

6 結(jié)論

(1)當(dāng)坍落變化率在超過(guò) 0.5的情況下,纖維混凝土的流動(dòng)性能是足夠的。同樣,當(dāng)PVA短纖維體積率與PP短纖維體積率相同的情況下,PVA短纖維在提高彎曲韌性上更有效。

(2)在彎曲破壞和彎曲疲勞失效方面,纖維混凝土完全可以應(yīng)用于預(yù)制混凝土板式軌道。

(3)通過(guò)拉力軟化曲線,重復(fù)平衡計(jì)算以及考慮循環(huán)載荷影響時(shí),可以預(yù)測(cè)纖維混凝土的疲勞壽命。

(4)本文指出了纖維混凝土抵抗融鹽損壞和凍害的可能性。

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