轻质组合桥面板采用增强混凝土材料提升力学性能研究_闵瑞.pdf

材料科技应用2023 年 2 月第 50 卷第 2 期doi:10.3969/j.issn.1001-5922.2023.02.024Vol.50 No.02，Feb.2023收稿日期:2022-08-01;修回日期:2023-01-31作者简介:闵瑞(1980-)，男，工程师，主要从事水利、桥梁工程方面研究;E-mail:czldgw163 com。通讯作者:杨廷树(1986-)，男，硕士，高级工程师，研究方向:桥梁与隧道;E-mail:wskvds163 com。引文格式:闵瑞，周宏萍，李娟，等 轻质组合桥面板采用增强混凝土材料提升力学性能研究 J 粘接，2023，50(1):100-103轻质组合桥面板采用增强混凝土材料提升力学性能研究闵瑞1，周宏萍1，李娟1，杨廷树2(1 江苏省水利建设工程有限公司，江苏 扬州225200;2 中机中联工程有限公司，重庆400039)摘要:钢桥面板的刚度不足常常会导致其产生疲劳破坏和铺装层开裂破坏，从而严重影响结构和行车安全。为了增强钢桥面板的刚度和减少水泥用量，采用碱激发超高性能混凝土作为加铺层，研究了保护层厚度和配筋率等参数对组合板的破坏模式、抗弯性能、抗剪性能和抗疲劳性能影响规律。结果表明:正弯矩和负弯矩作用下组合桥面板分别呈现挤压破坏和弯曲破坏模式，保护层厚度主要影响组合板的开裂荷载，配筋率主要影响组合板的极限承载力，工程上可适当减小保护层厚度和增加配筋率以提升组合板的承载能力和抗疲劳性能，增加栓钉的直径能显著提升组合板的抗剪性能和抗疲劳性能。关键词:桥面板;碱激发混凝土;抗弯性能;抗剪性能;破坏模式中图分类号:TU528 57文献标志码:A文章编号:1001-5922(2023)02-0100-04Study on mechanical properties of ultra-high performanceconcrete for lightweight composite bridge deckMIN Rui1，ZHOU Hongping1，LI Juan1，YANG Tingshu2(1 Jiangsu Water Conservancy Construction Engineering Co，Ltd，Yangzhou 225200，Jiangsu China;2 Zhonglian Engineering Co，Ltd，Chongqing 400039，China)Abstract:The insufficient stiffness of steel bridge deck often leads to fatigue failure and pavement cracking failure，which seriously affects the structure and driving safety In order to enhance the rigidity of steel bridge deck and reducethe cement consumption，alkali excited ultra high performance concrete(UHPC)was used as overlay layer，and theeffects of protective layer thickness and reinforcement ratio on failure mode，flexural，shear and fatigue resistance ofcomposite plates were studied The results show that the composite bridge panels exhibit extrusion failure mode andbending failure mode under positive bending moment and negative bending moment respectively The thickness of pro-tective layer mainly affects the cracking load of composite slabs，and the ratio of reinforcement mainly affects the ulti-mate bearing capacity of composite slabs In engineering，the bearing capacity and fatigue resistance of composite platecan be improved by reducing the thickness of protective layer and increasing the ratio of reinforcement The shear re-sistance and fatigue resistance of composite plates can be significantly improved by increasing the diameter of boltsKey words:bridge panel;alkali excited concrete;bending resistance;shear performance;failure mode001材料科技应用正交异性钢桥面板存在纵横向刚度差异较大和结构构造复杂等情况，使得桥梁在使用过程中出现疲劳破坏、铺装层开裂破坏等安全性问题1-2。针对上述问题，国内外学者开展了大量的研究，目前常用的解决方案主要包括 2 种3-4:一是粘贴刚度较大的材料(如钢板、铝板和碳纤维增强复合材料等);二是借助混凝土抗压强度高的优势将其与桥面形成组合结构。但是，第 1 种方式存在造价高和耐久性差等缺点;第 2 种方式存在抗开裂性能差和自重高等缺点。为了弥补第 2 种方式的缺点，有研究人员提出，使用超高性能纤维混凝土与钢桥面板组成轻质组合桥面板5-7。众所周知，水泥的生产过程会排放大量的 CO2，从而造成较大的环境污染，不利于国家倡导的可持续发展战略8-9。已有研究表明，碱激发混凝土能有效地减少水泥的用量，同时还能保障混凝土的性能10;但是，以往的研究大多集中在碱激发混凝土的基础性能研究方面，针对碱激发混凝土的实际工程应用研究还相对较少，尤其是在加固正交异性钢桥面板上的使用上。因此，为了增强正交异性钢桥面板的力学性能的同时还能保证混凝土的环保性，本文以钢材与碱激发超高性能混凝土组合形成的轻质桥面板为研究对象，通过研究其抗弯性能和抗剪性能，探索其在工程上的可行性。1原材料和试验方法1 1原材料本次试验所用的胶凝材料为河南铂润铸造材料有限公司生产的 S95 级矿渣、硅灰和粉煤灰，3 种材料的化学成分如表 1 所示。碱性激发剂为嘉善县优瑞耐火材料有限公司生产的硅酸钠和天津市北辰方正试剂厂生产的氢氧化钠二者与水的混合液体，硅酸钠的 SiO2和 Na2O 质量分数分别为 27 3%和8 54%，模数为 3 30，密度为 38 58 Be;氢氧化钠纯度大于 96%。轻质组合桥面板中的钢板为 Q355 钢板，钢筋为 HRB400，其相关参数如表 2 所示，本次试验采用的钢板厚度为 12 mm。表 1胶凝材料化学成分质量分数Tab 1Chemical composition of cementitious materials项目CaOSiO2Al2O3MgOTiO2K2ONa2OMnO2Fe2O3其他矿渣/%36 6530 2013 706 651 310 980 750 550 598 62硅灰/%1 3093 211 531 330 110 220 201 910 19粉煤灰/%2 1954 1832 290 680 850 613 433 57表 2钢板和钢筋力学参数Tab 2Mechanical parameters of steel plate and steel bar材料屈服强度/MPa抗拉强度/MPa屈服应变/106屈服平台长度/mm8 mm 钢板3754901 8805 312 mm 钢板4405652 3107 010 mm 钢筋5687162 7801 2试验配比碱激发超高性能混凝土的水胶比为 0 32、砂胶比为 1 38、硅酸钠调整后的模数为 1 4、钢纤维体积掺量为 2 5%、矿渣 硅灰:粉煤灰=80 15 5、碱激发剂的掺量为胶凝材料的 20%，具体配比如表 3 所示。将配制完成的混凝土进行洒水养护，28 d 后测其抗压强度为 110 MPa。表 3混凝土试验配比Tab 3Concrete test ratiog矿渣 硅灰 粉煤灰 砂硅酸钠 氢氧化钠水钢纤维640120401 10416031 5142 4581 3试验方案参照文献11、文献12 的研究结果，将制备完成的超高性能混凝土和钢板、钢筋等组合形成轻质面板，具体结果如图 1 所示。为了验证新型轻质组合桥面板的工程可行性，对面板的抗弯性能(四点抗弯试验)、抗剪性能(推出试验)和抗疲劳性能(应力水平 0 65、0 70 和 0 75)进行研究，为了验证正负弯矩、纵向钢筋数量和保护层厚度对组合面板的性能，共设计了 12 组试件，如表 4 所示，其中研究栓钉对组合板性能影响时，组合板保护层厚度为 20 mm，配筋率为 3 15，剪切连接度均小于 1，剪力连接件为13 mm 35 mm 的短栓钉。图 1轻质组合桥面板结构示意图12 Fig 1Structure diagram of lightweightcomposite bridge panel12 101材料科技应用表 4组合板抗弯及栓钉抗剪试验设计参数Tab 4Design parameters of flexural and bolt shear tests for composite plates编号保护层厚度/mm配筋率/%加载制度编号直径/mm长度/mm1253 15正弯矩713352303 15正弯矩813553203 15负弯矩913754253 15负弯矩1013955251 58负弯矩1116556303 15负弯矩1216752试验结果分析2 1抗弯破坏模式分析选取保护层厚度均为 25 mm 且承受不同弯矩的组合板破坏模式进行对比分析。组合板承受正弯矩作用时，破坏模式主要是板顶部产生挤压破坏，并且出现一条明显的裂纹，板侧面出现较多的微小裂纹。当组合板承受负弯矩作用时，组合板主要呈现弯曲破坏模式，且组合板表面出现几乎平行的裂纹，这是因为纵向钢筋布置的原因。由于不同保护层厚度和配筋率对组合板的破坏模式没有显著的影响，这里不再单独进行分析。2 2抗弯性能分析根据文献 13 的研究结果，当桥面板的最大裂缝宽度达到 0 05 mm 时的加载力称为开裂荷载。不同组别试件的弹性极限荷载、开裂荷载和极限荷载结果如图 2 所示。图 2组合面板抗弯试验结果Fig 2Bending test results of composite panels从图 2 可以看出，当试件承受正弯矩加载作用时，试件的 3 种荷载值均大于承受负弯矩时的 3 种荷载值，且随着保护层厚度的增加，3 种荷载值升高。这是因为此时纵向钢筋接近混凝土的受拉一侧，能更加有效地抑制混凝土的开裂行为，从而增强组合面板的承载能力。当试件承受负弯矩加载作用时，随着配筋率的增加，试件的开裂荷载从 17 5 kN 增至 21 3 kN，提高了 21 71%;极限荷载从 43 7 kN 增至 55 1 kN，提高了 26 09%，而弹性极限荷载的变化幅度很小。随着保护层厚度从 20 mm 增至 30 mm，试件的开裂荷载从 23 6 kN 减至 15 0 kN，降低了 36 44%;极限荷载从 65 8 kN 减至 52 8 kN，提高了 19 76%，而弹性极限