彈塑高強混凝土復合料及應力吸收層功效試驗研究

摘要 基于彈塑高強混凝土復合料、鋼板筋和特種樹脂所構成的六角蜂窩網吸收層復合應用技術，在克服普通鋼筋混凝土無伸縮縫連接結構容易發生橋面開裂上，有技術優勢。文章分析了相關材料、技術和其在應力吸收層中的應用，以及所形成的應力吸收層的抗壓抗拉強度、應力應變關系狀態等功效特點。試驗顯示，抗拉強度在20.98 MPa和抗壓強度在26.41 MPa時，吸收層結構應變性能較好。

關鍵詞 彈塑高強混凝土復合料；應力吸收層；應力應變；功效試驗

中圖分類號 U442.55 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2023）05-0099-03

0 引言

普通鋼筋混凝土構成的無伸縮縫橋面連接結構，雖然可以在很大程度上消除雨水對橋墩和支撐座的侵蝕破壞，但因為該結構彈塑性不足，剛度太大，容易發生裂隙甚至斷裂，從而也波及到橋面使其容易發生應變反射開裂甚至斷裂病害。有一種工程技術方法可以解決這一問題，即由鋼板筋和特種樹脂構成六角蜂窩網狀應力吸收層，再與彈塑性高強混凝土復合料層構成復合結構，在保證強度的基礎上，利用較好的彈塑應變性能，吸收抵御橋梁的伸縮形變，既能發揮連接功能，又能在更大程度上抗御橋梁伸縮縫區域的伸縮或反射開裂。這里介紹相關材料與應力吸收層功效試驗成果，以為同類工程應用提供技術參考。

1 組分與配合比

1.1 主要組分

彈塑高強混凝土復合料是以玄武巖為骨料，以普通的硅酸鹽水泥和聚合物為膠結劑，按照一定的配比配制形成。主要組分如下：

（1）水泥。彈塑高強混凝土復合料的黏結功效主要由水泥和聚合物提供。粗骨料與水泥界面間的黏結程度，決定和影響著高強抗裂混凝土的持久性，所以選擇水泥材料尤其重要。案例工程應用普通PO42.5硅酸鹽水泥，其主要性能參數見表1所示，均符合國家標準[1]。

（2）玄武巖骨料。彈塑高強混凝土復合料中，粗骨料是主體組分。骨料在路面應用中，一方面受車輛載荷作用，另一方面受自然環境影響，所以要求粗骨料具有良好的力學功效。玄武巖主要由二氧化硅、氧化鋁、氧化鐵和氧化鈣等組成，有耐磨性好、壓碎值低、抗壓功效好等性能優勢，是一種優良的路面復合料組分材料。案例應用玄武巖作為骨料。玄武巖骨料按粒度分為3種：骨料A的粒度在5～16 mm，骨料B的粒度在3～5 mm，骨料C的粒度在3 mm以下[2-4]。三種玄武巖骨料的主要性能指標具體見表2所示。

（3）聚合物。試驗使用的聚合物是高功效的復合材料，主要由聚醚和聚異氰酸酯組成，還有少量的催化劑、水和硅油。該聚合物有良好的成膜特性性、柔韌性和粘附性。

1.2 配合比

彈塑高強混凝土復合料主要由上述三種骨料、聚合物以及水泥構成。配比設計中，共開展了5組試驗，保持C骨料、水泥和聚合物的比例不變，調節粒度比較大的A骨料和B骨料的比例，分別測定5組試驗所對應的彈塑高強混凝土復合料的密度和抗折強度。在一定比例下，骨料B可以更好地嵌入骨料A的間隙中，彈塑高強混凝土復合料具有更高的密實度、更高的密度和更大的抗彎和抗拉強度。彈塑高強混凝土復合料的最優配合比見表3所示[5]。

2 吸收層與試驗簡介

2.1 應力吸收層及復合應用

應力吸收層是由鋼板環箍和特種樹脂所構成的一種蜂窩網結構。鋼板環箍在縱向會貢獻一定量的支撐和抗壓功效，在應力吸收層平面對特種樹脂材料發揮環箍約束作用。六邊形結構一組對邊受被拉時，相鄰的邊會產生相應的結構反應，分解拉應力又約束其中的填充料，因此鋼板環箍采取六邊形結構，使鋼板環箍的硬度和塑性以及特殊樹脂材料的黏結性和塑性被集成在一個結構層中復合發揮作用，在與彈塑高強混凝土復合料的強度和塑性聯合發揮用，從而可以輸出其中任何一種組分所單獨無法發揮出的功效。

2.2 應力應變試驗與破壞形態

2.2.1 試驗設備

試驗在土木工程試驗室完成，應用的電液伺服全能試驗機最大工作應力5 000 kN。

2.2.2 試驗過程

彈塑高強混凝土復合料應力應變測試制備5組試件，吸收層應力應變測試制備兩組不同配比的六邊形應力吸收層試件，測量相關抗壓強度。測試過程如下：

（1）取出試件擦拭干凈，檢查外觀，測量試件規格。

（2）將試件放在全能試驗機下壓板的中央。

（3）啟動全能試驗機，均勻連續加荷，觀察試件的損壞形式和載荷大小，直到試件損壞，記錄破壞載荷大小[6-7]。

2.2.3 試驗現象與破壞形態

加荷時，壓力讀數不斷增加，達到最大值以后逐漸降低，然后停止加荷。在吸收層試驗過程中，六邊形試件沒有遭受類似普通混凝土試件的破壞。以最大移位作為破壞準則，當填充料與鋼板間分離時即表明應力吸收層已經破壞。試驗觀察顯示，試件無顯著裂紋和損傷，在鋼板環箍的影響下，特種樹脂材料自身沒有破壞，只在六邊形頂點區域個別存在板料脫離，其他位置未發生分離，顯示材料的黏結功效很好。

3 復合料與吸收層應力應變性能試驗分析

3.1 復合料應力應變功效試驗結果

（1）彈塑高強混凝土復合料抗壓強度試驗結果見表4所示。

表4數據顯示，彈塑高強混凝土復合料的達到100 MPa的抗壓強度，高于普通混凝土。這是因為彈塑高強混凝土復合料中的玄武巖粒度級配設計合理，并且加入了高分子材料，吸能能力強，形變功效好，可以有效降低結構中的應力集中，阻礙內部裂隙的發展。

（2）彈塑高強混凝土復合料抗拉強度試驗結果見表5所示[8-9]。

表5數據顯示，彈塑高強混凝土復合料的抗拉強度約在20 MPa。通過破壞狀態觀察發現，裂隙并沒有貫穿試件。由于含有聚合物，一定程度上限制著裂隙的發展，助力該復合料的抗拉強度強于普通混凝土。

（3）彈塑高強混凝土復合料應力應變試驗結果。應力應變曲線顯示，隨著應變增加，復合料應力隨之緩慢增加，當達到0.01峰值后，應變應力趨于平緩[10]。

3.2 應力吸收層的應力應變試驗結果

3.2.1 應力吸收層抗壓強度

試件共2組，每組3個?？箟簭姸仁敲拷M3個試件的抗壓強度算術均值，精確至0.10 MPa，如果3個抗壓強度極值中只有3個與中間值的差值超出15%時，則抗壓強度最終取它們的中間值。不同密度的兩組試件的抗壓強度測量結果見表6所示。

3.2.2 應力吸收層抗拉強度

軸拉試驗可以準確測量材料的單軸應力、軸向抗拉強度、斷裂能和應變關系。伸拉功效與試件的幾何規格和邊界條件有關?？紤]到樹脂材料受到六邊形鋼板的約束作用，在試驗載荷下不會損壞，因此本試驗利用試驗機自帶夾具夾緊六邊形鋼板兩端，直接開展伸拉試驗。應用移位加荷控制，加荷速率為0.50 mm/min。觀測試件的載荷和形變狀態，當樹脂材料從鋼板上脫落時，立即停止加荷。加荷過程中，壓力讀數持續增加，當第1組試件的移位分別是4.01 mm、4.06 mm、4.04 mm，第2組試件的移位分別為4.16 mm、4.17 mm、4.12 mm 時，料與板之間產生脫落，并伴有輕微的響聲，這時認為應力吸收層已經被破壞。通過整理數據，得出抗拉強度具體見表7所示[11]。

3.2.3 應力吸收層應力應變關系

從載荷移位數據可以看出，兩組試件的峰值載荷相差很大。第1組試件加荷時，壓力機的讀數在達到33 kN時停止增加，之后開始降低，第2組試件可以達到80 kN。吸收層結構載荷移位曲線在載荷達到峰值后趨向平緩，試件沒有發生如同素混凝土那樣的脆性斷裂，表明應力吸收層的結構應變功效良好。試件受拉時，載荷隨著移位和形變的增加而增加，當移位和形變達到樹脂材料與鋼板間發生脫落時，達到極限。第2組試件其平均極限形變比第1組試件的該值大3%。當吸收層形變較大時，樹脂料與鋼板分離，發生塑性破壞。

測試結果顯示，第2組試件的強度較大，平均抗壓強度26.42 MPa左右，抗拉強度均值在20.98 MPa左右，兩組試件的應力在加荷初期近似線性增加，第1組試件當應力增加至11 MPa時，第2組試件應力增加至26 MPa時，曲線趨于平緩。拉伸過程中，兩組試樣的應力應變曲線沒有變化臺階，而是線性增加，達到約0.05應變時，達到極限狀態。

由應力應變關系可以得出，六邊形蜂窩狀鋼板約束下，特殊樹脂復合材料構成的應力吸收層其抗拉和抗壓強度均較高，但是試件之間的功效差異較大，不同配合比試件的曲線存在顯著差異。在選定的最優配合比試件中，最大極限應變值可達到5%以上。

4 結論

綜上所述，介紹了彈塑高強混凝土復合料及其應力吸收功效的試驗分析成果。

（1）彈塑高強混凝土復合料的最優配合比為（5～

16 mm）骨料∶（3～5 mm）骨料∶（lt;3 mm）骨料∶聚合物∶水泥=31.10%∶17.60%∶29.60%∶7.20%∶14.50%。其抗拉強度20 MPa，抗壓強度達到100 MPa，均高于普通混凝土，不易發生如同普通混凝土那樣的脆性斷裂。

（2）應力吸收層的抗拉強度20.98 MPa，抗壓強度26.41 MPa，但能夠吸收比較大的形變量，應變功效較好。

（3）彈塑高強混凝土復合料+六角形蜂窩狀鋼板約束下的應力吸收層，材料特性加復合結構功效，是克服普通鋼筋混凝土所構成的無伸縮縫橋面連接結構容易發生裂隙甚至斷裂的一項可選用技術。

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