超強韌性混凝土鋼橋面鋪裝研究

于明鑫 田 悅 王 飛

（沈陽城市建設學院，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

（沈陽城市建設學院，遼寧沈陽 110167）

鋼橋面鋪裝技術一直是工程難題之一，本文在現有研究基礎上，針對鋼橋面板特點，提出應用超強韌性混凝土（PP ECC）作為鋼橋橋面鋪裝層材料的“分層鋪裝、栓釘連接”復合鋪裝結構，對PP ECC材料應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 復合鋪裝結構

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載、地震、溫度變化、橋梁結構的變形等因素的共同影響，這些因素造成鋪裝層受力復雜。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，僅靠粘結劑提供鋼橋面板與瀝青混凝土鋪裝層結合力的傳統方案存在較大弊端，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難題。若設計不合理，在通車后不久便易產生各種破壞，導致雨水滲入，引發鋼橋面板銹蝕，使得橋梁結構整體性能下降、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性能，同時，PP ECC在改善結構和構件的延性［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品，可與鋼筋協調工作，適合用于土木工程領域，可解決混凝土結構耗能低的缺點，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”復合鋪裝結構，并對該結構進行初步研究。

2. 新型復合鋪裝結構提出

本文參考建筑結構中的鋼-混凝土組合結構的優點［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”的鋼橋面復合鋪裝結構（如圖1所示），在鋼橋面板與瀝青混凝土鋪裝層之間設置超強韌性混凝土（PP ECC）過渡層，PP ECC直接澆筑在焊接栓釘的鋼橋面板上，鋪裝表層采用瀝青混凝土鋪裝層。

圖1 新型復合鋪裝結構

3. PP ECC過渡層力學性能

PP ECC基于ECC的生產工藝，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攪拌約2min，無明顯結團后，澆注成型。其4小時標準立方體抗壓強度為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天后趨于穩定,最終極限壓應變在1.5%左右。PP ECC極限壓應變為0.015，約為混凝土的3倍；極限拉應變為0.03，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。其內部纖維分布均勻，為各向同性材料，離散性小，性能穩定，與原有面層材料粘結性好。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，經常會引起橋面車轍。尤其在高溫季節，鋪裝材料本身體現較強的粘塑性而表現出更大的抵抗永久變形能力不足的現象。

根據 PP ECC力學性能我們可以得出，在變形協調方面，復合鋪裝結構中PP ECC過渡層的模量數值界于瀝青混凝土與鋼板之間，能緩解各結構層間的剛度突變問題、有效改善鋪裝結構受力狀態。在永久變形方面，PP ECC過渡層在該復合式鋪裝結構中，幾乎不發生局部永久變形，只有瀝青混凝土層可能發生，而鋪裝結構中瀝青混凝土鋪裝層厚度又比純瀝青混凝土鋪裝橋面的小，即這種鋪裝結構可能發生車轍破壞的范圍變小。

4.2 PP ECC過渡層的自修復性能

鋼橋面瀝青混凝土鋪裝層在重復高應力或較高應力作用下，會由于疲勞而產生裂縫，這些疲勞開裂通常出現在低溫或常溫季節。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裂縫的自我修復功能或者鋪裝混合料發生了不可逆轉的變化，則鋪裝層的疲勞開裂也會出現在高溫季節。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構橋梁功能。因此，必須控制鋼橋面鋪裝層的疲勞開裂，當發生疲勞開裂時應及時進行修復。

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。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的粉煤灰將產生水化和凝結硬化作用，從而促進材料裂紋的自修復過程并使其持續進行。其中自由鈣離子會向裂紋表面流動，使得自修復所需要的化學物質逐漸增加。PP ECC由于其具有自修復性能，就能保證在瀝青混凝土產生疲勞裂縫后，雨水、濕氣沿縫隙侵入，過渡層內部進行自修復，修復內部裂縫，阻隔外界對鋼橋面的侵蝕。

4.3 PP ECC過渡層的溫度穩定性

瀝青混凝土鋼橋面鋪裝采用的粘結層材料一般為改性瀝青、乳化瀝青等高分子聚合物，這些材料的性質隨溫度的改變而變化很大。在高溫季節，粘結層材料的抗剪強度較低，很容易發生剪切滑移破壞。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熱穩定性好，溫度變形協調，這些都使其能有效的作為過渡層工作。

凍融現象為北方地區公路的主要病害之一，也是限制北方地區水泥混凝土路面材料發展的主要因素之一。PP ECC不同于普通水泥混凝土，由于其PP纖維的超強橋聯力，抗凍融效果明顯。材料抗凍指數為90，滿足《混凝土結構耐久性設計及施工指南》中規定的大于60的標準。

5 結論

本文通過對傳統鋼橋面鋪裝結構與功能特點的分析，針對其經常出現的工程破壞，結合超強韌性混凝土（PP ECC）的工程特性，進行了鋪裝結構的設計與研究，得出了以下結論：

（1）提出了采用PP ECC作為過渡層的復合鋪裝結構；

（2）對PP ECC材料性能進行介紹，提出使其力學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.正交異性鋼橋面復合鋪裝結構研究.[D]長沙：長沙理工大學.2008

[2]俞家歡.工程水泥基復合材料的性能與應用[M].北京:中國建筑工業出版社,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.鋼與混凝土組合結構理論與計算[M].北京：科學出版社,2005:1-45.

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1007-6344（2015）12-0332-01