（岩土工程专业论文）钢纤维混凝土在桥面铺装工程中的应用技术研究.pdf

郑卅i 火学烦f 学位论文摘要 摘要 近年来，随着交通量和重型车辆的增加，桥面铺装损坏较为严重，维修周期也越 来越短。有的甚至通车不久就出现了纵向、横向和斜向裂缝、坑洞、裂纹、起皮等病 害。这不仅妨碍了交通安全，影响了桥面的美观性，也造成了较大的经济损失。钢纤 维混凝土是一种性能优良的建筑材料，由于具有良好的抗裂性、弯曲韧性、耐冲击等 性能而在建筑工程中得到较为广泛的应用。工程实践表明，在建筑结构中采用钢纤维 混凝土材料，不仅能够有效减少各种裂缝，推迟裂缝出现时间，而且能够加强建筑结 构的连接强度，延长结构的使用寿命，从而增强整体结构的安全性和可靠性。本文结 合实际工程，对钢纤维混凝土的材料性能、桥面铺装结构的力学特性和桥面铺装工程 的修筑技术等进行了较为系统的研究，取得的主要研究成果如下： 1 通过资料检索和初步的试验研究，探讨了钢纤维混凝土的增强机理、技术性 能及静载力学特性。在此基础上，通过对两种钢纤维混凝土的抗压、劈拉、抗弯拉及 弯曲韧性等试验研究，分析了不同钢纤维种类、不同纤维掺量对其材料性能的影响， 从而为确定适合桥面铺装结构特性的钢纤维材料配合比提供了可靠的技术依据。 2 通过集中荷载作用下对边简支的足尺钢纤维混凝土及钢筋混凝土单、双向板 的静载试验研究，对其力学性能和破坏模式进行了探讨。通过比较两种混凝土板的受 力性能差异，详细分析了钢纤维对混凝土受弯构件抗裂、阻裂，以及韧性等性能的影 响。通过变换荷载作用位霞、荷载作用面积，研究不同加载方式对钢筋混凝土板和钢 纤维混凝士板受力性能的影响。在此基础上，对在桥面铺装工程中采用钢纤维混凝土 部分取代钢筋混凝土的可能性进行了探讨。 3 结合相关规范，对钢纤维混凝土在桥面铺装工程的施工技术特点进行了分析。 在试验与计算分析的基础上，将钢纤维混凝土用于洛阳槐庄中桥( 装配式空心板桥) 工程。通过实际应用，对钢纤维混凝土材料的实际使用性能及桥面铺装结构设计方法 的合理性进行了分析，取得了较为满意的效果。 钢纤维混凝土作为一种新型的建筑材料，它虽然克服了普通混凝土的许多缺点和 不足，但出于其造价较高，使得其推广应用仍具有较大的局限性。随着我国基础工程 设施建设投资力度的进一步增大，在桥梁、隧道等关键工程领域中探索新材料和新工 艺的开发和应用，对于延长工程结构的使用寿命，提高投资效益，保证交通运输的安 全畅通等将具有重要的意义。本文的研究成果为在桥面铺装工程中推广应用钢纤维混 凝土材料提供了一定的技术依据，不仅具有一定的理论价值，而且对工程实践也具有 重要的指导意义和实用价值。 关键词：钢纤维混凝土；钢纤维混凝土板；破坏模式：力学性能；空心板桥； 桥面铺装；施工工艺 郑州人学硕f j 学位论文 a b s t r a e t a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h ei n c r e a s eo ft r a f f i cv o l u m ea n dh e a v yv e h i c l e t h e d e t e r i o r a t i o no f b r i d g ed e c kp a v e m e n t i s c o m p a r a t i v e l y s e v e r e ra n dt h e m a i n t e n a n c ep e r i o di sb e c o m i n gi n c r e a s i n g l ys h o r t e r d a m a g e so fb r i d g ed e c k p a v e m e n te m e r g es o o na f t e ro p e n i n gt ot r a f f i c ，s u c ha sl o n g i t u d i n a l ，l a t e r a la n d d i a g o n a lc r a c k sa sw e l la sc h u c k h o l e ，c r a c k l ea n dp e e l i n g t h e s ep r o b l e m sn o t o n l yd i s t u r bt r a f f i cs a f e t y , i n f l u e n c ea e s t h e t i c so fb r i d g ed e c k ，b u ta l s ob r i n ga b o u t b i g g i s he c o n o m i cl o s s s t e e lf i b e rr e i n f o r c e dc o n c r e t e ( r e f e r r e da ss f r ct h e r e a f t e r ) i sak i n do fn e wc o n s t r u c t i o n a lm a t e r i a la n dp o s s e s s e s m a n ye x i m i o u s p e r f o r m a n c e s o w i n gt of a v o r a b l ec r a c kr e s i s t a n c e ，f l e x u r a lt o u g h n e s s 。h i g hi m p a c t r e s i s t a n c ep er f o r m a n c e sa n ds oo n ，s f r ci s e x t e n s i v e l yu s e d i nc o n s t r u c t i o n e n g i n e e r i n g e n g i n e e r i n gp r a c t i c e ss h o w t h a tw h e ns f r ci su s e di na r c h i t e c t u r ei t n o to n l ye f f e c t i v e l yr e d u c e sa l lk i n d so fc r a c k s ，d e f e r sc r a c ka p p e a r a n c e ，b u ta l s o e n h a n c e sb o n d i n gs t r e n g t ho fa r c h i t e c t u r es t r u c t u r e ，e l o n g a t e ss e r v i c el i f eo f c o n s t r u c t i o n ，a n dt h e r e f o r es t r e n g t h e n ss t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo fm o n o l i t h i c c o n s t r u c t i o n c o m b i n i n gp r a c t i c a le n g i n e e r i n g m a t e r i a lp r o p e r t i e so fs f r ca n d m e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa n db u i l d i n gt e c h n o l o g yo fb r i d g ed e c kp a v e m e n ta n d s oo na r es y s t e m a t i c a l l ys t u d i e di nt h i st h e s i s a n dp r i n c i p a lr e s e a r c hf i n d i n g s o b t a i n e di sa sf o i l o w s ： 1 t h r o u g hd a t as e a r c h e sa n dp r e l i m i n a r ye x p e r i m e n t a ls t u d y ，s t r e n g t h e n i n g m e c h a n i s m ，t e c h n i c a lp e r f o r m a n c ea n ds t a t i cl o a dm e c h a n i c sc h a r a c t e r i s t i co f s f r ca r ep r o b e di n t o b a s e d0 nw h i c h ，t h r o u g he x p e r i m e n tr e s e a r c ho f c o m p r e s s i v es t r e n g t h ，t e n s i l es p l i t t i n gs t r e n g t h ，b e n d i n gs t r e n g t ha n df l e x u r a l t o u g h n e s so ft w ok i n d so fs f r c ，t h ei n f l u e n c eo fs t e e lf i b e rc o n t e n t sa n dt y p e so n c o n c r e t em e c h a n i c sp e r f o r m a n c ea r ea n a l y z e d ，a n dc o n s e q u e n t l yr e l i a b l e t e c h n i c a lf o u n d a t i o ni ss u p p l i e df o ra s c e r l a i n i n gs f r cm i xr a t i os u i t a b l ef o rb r i d g e d e c kp a v e m e n tc h a r a c t e r i s t i c s 2 t h r o u g hs t a t i ce x p e r i m e n t so ff u l l s c a l eo n e w a ya n dt w o w a ys f r ca n d r e i n f o r c e dc o n c r e t e ( r e f e r r e da sr ct h e r e a f t e r ) s l a b su n d e rc o n c e n t r a t e dl o a d ， s i m p l ys u p p o r t e da l o n gi t st w oo p p o s i t ee d g e s ，t h e i rm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n d f a i l u r em o d e sa r ed i s c u s s e d b yc o m p a r i n gp er f o r m a n c ed i f f e r e n c e so ft h et w ok i n d o fc o n c r e t es l a b s ，p e r f o r m a n c ei n f l u e n c eo fs t e e lf i b e ro nr e s i s t i n ga n db l o c k i n g f i s s u r ea sw e l la st o u g h n e s so fc o n c r e t em e m b e r si nf l e x u r ea r ed e t a i l e d l y a n a l y z e d b yt r a n s f o r m i n gl o a da c t i n gl o c a t i o na n dl o a da c t i n ga r e a ，t h ei n f l u e n c e i i 郑卅1 人学碳i ：学位论文 a b s l r a c t o fl o a da c t i n gm o d eo nm e c h a n i c a ip r o p e r t i e so fr cs l a ba n ds f r cs l a bi ss t u d i e d b a s e do nw h i c h ，t h ef e a s i b i l i t yo fs f r cp a r t l ys u p e r s e d i n gr ci sp r o b e di n t o b r i d g ed e c kp a v e m e n t 3 i n t e g r a t i n gr e l a t i v es p e c i f i c a t i o n s ，c o n s t r u c t i o nt e c h n i q u eo fs f r cb r i d g e d e c kp a v e m e n ti sa n a l y z e d b a s e do ne x p e r i m e n t sa n dc o m p u t a t i o n a la n a l y s i s w e a p p l ys f r ct oi o y a n gh u a iv i l l a g ez h o n gb r i d g e ( a s s e m b l e dh o l l o w - c o r es l a b b r i d g e ) t h r o u g hp r a c t i c a la p p l i c a t i o n ，o p e m t i n gp e r f o r m a n c eo fs f r cm a t e r i a l a n dt h er e a s o n a b i l i t yo fd e s i g nm e t h o do fb r i d g ed e c kp a v e m e n ta r ea n a l y z e d ，a n d c o m p a r a t i v e l ys a t i s f a c t o r ye f f e c t sa r eo b t a i n e d a san e wc o n s t r u c t i o n a l m a t e r i a l ，a l t h o u g h s f r cc a no v e r c o m em a n y d i s a d v a n t a g e s a n di n s u f f i c i e n c i e so f p l a i nc o n c r e t e ，t h ec o s t o fw h i c hi s c o m p a r a t i v e l yh i g h e r a n dt h e r e f o r ei t s a p p l i c a t i o n i sr e s t r a i n e dw i t ht h e d e v e l o p m e n to ff o u n d a t i o n e s t a b l i s h m e n t sa n dt h ei n c r e a s eo fc o n s t r u c t i o n i n v e s t m e n t ，e x p l o r i n gn e wm a t e r i a ia n dt h ee x p l o i t a t i o na n du s eo fn e wt e c h n o l o g y i n k e yp r o j e c t so fb r i d g e ，t u n n e la n ds oo nw i l lp r o l o n g a t et h es e n ，i c el i f eo f e n g i n e e n n gs t r u c t u r e ，a d v a n c ei n v e s t m e n tb e n e f i ta n dg u a r a n t e es a f et r a f f i c p a s s a g e t h er e s e a r c hf i n d i n g si nt h et h e s i ss u p p l yc e r t a i nt e c h n i c a lb a s ef o r e x t e n s i v ea p p l i c a t i o no fs f r ct ob r i d g ed e c kp a v e m e n ta n di tn o to n l yp o s s e s s s i g n i f i c a n tt h e o r e t i c a lv a l u eb u ta l s op o s s e s sa l l i m p o r t a n ti n s t r u c t i o n a ls i g n i f i c a n c e a n dp r a c t i c a lv a l u ef o re n g i n e e r i n gp r a c t i c e k e y w o r d ：s t e e lf i b e rr e i n f o r c e dc o n c r e t e ；s t e e lf i b e rr e i n f o r c e dc o n c r e t es l a b f a i l u r em o d e ；m e c h a n i c a lp r o p e r t y ；h o l l o w c o r es l a bb r i d g e ；b r i d g ed e c kp a v e m e n t c o n s t r u c t i o nt e c h n i q u e ； i l l 郑重声明 本人的学位论文是在导师乐金朝教授、韩菊红教授和王复明教授的 指导下独立撰写并完成的，学位论文没有剽窃、抄袭等违反学术道德、 学术规范的侵权行为，否则，本人愿意承担由此产生的一切法律责任和 法律后果，特此郑重声明。 学位论文作者( 签名) ：王瓠寺 2 0 0 5 年0 5 月0 9 日 郑州大学倾1 学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的提出及研究的目的和意义 近年来，随着高速公路和城市快速路的迅猛发展，造型优美而结构新颖的大中型 桥梁在我国各地屹立如林。我国各相关行业对桥梁结构及路面工程的施工比较重视， 技术也已相当成熟。但相对而言，桥面铺装的设计方法、施工技术的研究却显得薄弱； 对于桥面铺装材料、铺装结构厚度、防水及排水措施以及施工工艺，只是给予指导性 说明。另外，随着交通量和重型车量的增加，桥面铺装损坏较为严重，维修周期也越 来越短，有的甚至通车不久就出现了纵向、横向和斜向裂缝、坑洞、裂纹、起皮等病 害。过度的铺装病害将导致铺装迅速恶化和缩短桥梁寿命，并且使侵蚀性有害物质更 快地渗透到下面的桥面结构，引起梁板体耐久性下降，这不仅妨碍了交通安全，影响 了桥面的美观性，严重时可能会造成难以补救的重大灾害，危及人民的正常生活和生 命安全。例如：苏格兰c l a s g o wk i n g s t o n 大桥建成通车后，1 9 9 0 年出现桥面铺装破 坏症状，但汽车流量大，是全欧洲最繁忙的桥，维修加固时无法关闭交通，修复投资 大约为1 2 7 5 0 万美元，比建桥的2 2 5 0 万美元高出了5 倍多。广东省佛开高速公路， 开通不到两年，全线1 7 座大型桥梁竟有1 4 座被迫返工维修，重新铺装桥面，耗费 3 7 0 0 多万元【”。 桥面铺装不同于道路铺装，通常不具有结构性的目的。其功用是保护属于主梁整 体部分行车道板不受车轮轮胎( 履带) 的直接磨耗，防止主梁遭受雨水侵蚀，并能对 车辆轮重的集中荷载起一定的分布作用；它主要用于满足行车安全舒适和提高桥面的 耐久性和服务寿命。然而，越来越多的桥面铺装病害严重影响着行车舒适性及安全性。 在桥面铺装病害中，裂缝是最常见的破坏形式。桥面铺装层的设计与普通水泥混凝土 路面设计基本相同，但由于其是在刚性预制板上浇筑的混凝土。受力情况发生了很大 的变化，使得裂缝产生原因较为复杂。根据裂缝产生的原因可将裂缝分为干缩裂缝、 温度裂缝和疲劳裂缝【3 】。铺装设计的主要目的是控制裂缝，并将收缩、温度、疲劳等 原因引起的裂缝减至最小1 4 。但是，桥面铺装层的受力特征和厚度较薄的结构特点又 决定了其易破损、难修复的特点1 5 。因此，找出既符合技术要求，又经济合理的桥面 铺装材料，研究其组成设计，并制定相应的施工工艺，对减少桥面铺装病害的发生， 延长其使用寿命，提高桥面的通行质量，减少灾害性事故的发生等均具有非常现实的 意义。 郑卅1 人学颂擘位论文 第一章绪论 1 2 国内外研究概况 钢筋混凝土和预应力混凝土的桥面部分通常包括桥面铺装、防水和排水设备、伸 缩缝、人行道( 或安全带) 、缘石、栏杆和灯柱等构造。其中，桥面铺装也称行车道铺 装，其功用如1 1 节所述；由于经常受到动荷载的冲击、振动、摩擦和反复弯拉的作 用，同时还受到外界温度变化的影响，因此，选择铺装材料时，要注意以下几点1 6 1 0 l ： 具有较高的抗折强度：良好的抗冲击韧性；具有抗裂性； 具有抗冻性； 与桥面板的粘附性良好；不透水； 具有耐久性： 抗滑性好。 钢筋混凝土桥或预应力混凝土梁桥的桥面铺装常见的有沥青混凝土、普通水泥混 凝土、防水混凝土铺装、钢纤维混凝土( s f r c ) 、连续配筋混凝土等。由于桥面铺装 问题是介于桥梁与道路两个专业的交叉领域，因此，多年来一直被两个专业所忽视。 道路与桥梁专业方面分别按各自的要求和认识进行设计，没有形成统一的规范与标 准，至今还是基于以前的经验知识进行设计修筑；到目前为止，该方面仍缺少比较系 统的研究工作。 在混凝土桥面铺装的设计理论、规范方面，“美国公路桥梁设计规范荷载与 抗力系数设计法”中提出：选择或设计一个桥面铺装层，应包括：足够的延伸度、 足够的疲劳强度、足够的耐久性、不渗透性等功能】。美国加州大学s a nd i e g o 分校 的f s e i b l e 和c t l a t h a m 教授 1 2 1 ，在文章“通过在桥面铺装上加铺全厚式混凝土来恢 复和提高旧桥面板的承载力的研究”中，详细地对钢筋混凝土桥面板上的水泥混凝 土铺装的特性进行了研究。研究内容主要集中在交界面上，他们认为铺装层的破坏主 要是因为铺装层的剥离。日本沥青路面规范1 3 1 和日本高等级公路设计规范 1 4 1 中，将桥面铺装作为特殊场所的路面进行处理，具体要求如下：桥面铺装原则上采用 沥青铺装，其设计厚度标准为7 5 c m 。若桥面板为混凝土面板，则沥青混合料采用磨 耗层用混合料( 骨料最大粒径1 3 m m ) ：若是用钢桥面板时，应以浇筑沥青与磨耗层 混合料( 骨料最大粒径1 3 m m ) 组合的路面作为标准。对于水泥混凝土桥面铺装，各 种规范提及较少 1 5 1 ，几乎所有的水泥混凝土桥面铺装均套用标准图上所设计的厚度 8 c m ，内置网格2 0 0 m x 2 0 c m 的西8 的钢筋网，混凝土强度等级为c 3 0 或c 3 5 号。 经过几十年的实践与探索，目前世界上许多国家和地区结合各自的具体情况，在 桥面铺装方面选用的结构类型也不尽相同 1 6 - 1 7 1 ，其几种典型的结构形式见表1 1 。 我国将钢筋混凝土桥桥面铺装的设计归类在公路沥青路面设计规范 ( j t j 0 1 4 9 7 ) 中的其它路面工程中。该规范未给出任何设计或理论方面的指导，仅 郑卅人学倾i 学位论义第一章绪论 根据施工中的一些经验，给出了一些厚度范围 18 1 。北京市政工程设计所的方志禾等 人经过研究认为】水泥混凝土桥面铺装层，实质上是支承在桥梁主体结构、桥面系、 柔性防水层及其保护层上的弹性薄板。西安公路交通大学王虎等人利用梁体结构的线 弹性理沦，对活载作用下钢筋混凝土桥水泥混凝土桥面铺装层内的弯曲正应力进行了 分析。研究结果表明【2 0 】，桥面铺装层直接承受车辆轮载作用，在构造上和桥面板粘 结在一起，既传递活载于桥面板，又参与桥面板的受力。西安公路交通大学公路学院 张占军、曾东伟、胡长顺 2j l 通过对常见防水层材料和层间结合料进行直剪试验，提 出了桥面沥青铺装厚度的计算方法，在此研究基础上，推荐了桥面铺装结构与厚度范 围。1 9 9 9 年3 月3 0 日至3 1 日，交通部公路司在京召开了桥面锚装结构专题研讨会， 与会人员对桥面铺装设计构造及施工技术进行了深入讨论，形成桥面铺装结构专题研 讨会会议纪要】。这一纪要成为当前桥面铺装设计施工的指导性指南。 表1 一l 钢筋混凝士桥铺装结构 t a b 1 1t h eo v e r l a y ss t r u c t u r eo f s t e e pr e i n f o r c e dc o n c r e t e 国 防水层面层 厚度面层的 家 类型结台料方法说明中层厚度( m m )磨合层厚度( ) ( m m )粘台层 摊铺沥青混凝土+ s = 5 0 f = 5 0 b ( a b 7 0 - - 1 5 沥青混凝土( 用于 地沥 完全的独 8 0 ) = 1 6 ，双层 重新整形) 3 0 比 青砂 市层 洳青混凝十+ 用于 利 胶 不定的s = 6 5 ，b = 1 5 可 沥青混凝土3 0 或 能用改性粘结料 1 0 重新整形的沥青 5 0 时 混凝土3 0 于页制 胶粘清漆 沥青层( 可用聚合物改 沥青混凝十+ 用于 层善) ，加强料：各种织物 2 5重新整形的沥青 混凝十3 0 地沥胶粘清漆+ 摊铺沥青混凝土 青砂 部分地独聚合物地沥青4 胶立的一层 2 6 沥青混凝= 十= ，存极 地沥青砂胶8 摊铺沥青混凝土例外情况为特别 法 2 2铺装含有聚酯类 国 树脂( 也町环氧树脂或聚乙烯+ 双1 5 或纤维或摊铺沥 薄膜 青混凝土( 如果中 用)层硬测青上层撒砂3 间层是摊铺的话 带铝表面的沥青层，厚 4沥青混凝土 5 0 1 0 0 ) 1 6 1 0 0 m 胶粘清漆 聚合物沥青层，加强的 4 6 聚酯类 地沥 可能独立 英 青胶 的各层 地沥青砂胶，双层 2 0 热拌地沥青 砂 1 0 0 ( 双层) 或水泥 国 混凝十1 5 0 预制 胶粘清漆 用粘台于沥青的聚酯类 3 5 地沥青砂保护 层纤维加强的捌青 鹭i 郑州夫学碳 学位论文 第一章绪论 续表1 国 防水层 面层 厚度面层的 家 类型结台料 方法说明中层厚度( m m )磨合层厚度( m m ) ( m i l l )粘台层 沥青混凝土3 0水泥混凝士1 6 0奥 预制丙烯酸树1 层沥青一合成橡胶+ i i 0 地 板脂浸泡层澌青一塑料板 利 沥青混凝土8 0沥青混凝士4 0 泐青混凝七3 5沥青混凝七4 0 沥青砂胶3 0洳青胶砂3 0 1 5 0 沥青 沥青胶清沥结构r 的沥青砂 8 沥青混凝土1 0 + 预 砂胶 1 2 拌沥青砂砾沥青混凝土4 0 ( 1 5 0 ) 瑞 典 沥青混凝土5 0 + 泐 沥青混凝十4 0 青混擞十3 5 沥青混凝土3 5洲青混凝十4 0 预制 沥青胶聚丙烯加强沥青2 沥青混凝七1 0 + 预 板 沥青混凝土4 0 拌测青砂砾( 1 5 0 ) 3 层沥青b 8 5 + 2 层矿渣水泥混凝土5 0 + 沥 薄膜沥青膏i 0沥青混凝土4 0 纤维一耐崩纤维 青混凝土3 0 荷乳化沥霞新整形用沥青 沥青混凝士5 0 兰 无 青混凝土3 0 7 0沥青混凝土3 0 7 0 泐青涂 无( 由涂层部分地提供层或硬 防水)沥青 2 l m 2 澳 薄膜 大 乳化沥青+ 石棉粘十 4 5 l 利 m 2 沥青混凝土5 0 亚 用玻璃丝力强橡胶沥青 乳化剂 预制 聚乙烯聚丙烯层 2 层 s ( 7 0 f ) 2 3 沥青 地洳 薄膜+ 完牟 ( 4 0 5 0 + 特遣尼达成沥青混凝土5沥青混凝十5 1 3 一i 6 ) 1 0 乳化沥 青砂 独立的层青 胶 不定的：可能掺入s b c沥青混凝土摊铺沥青混凝十 意 或p p as b c 2 5 + s b c 2 5 大 含有撒砂表面的环氧硬 2 利 薄膜树脂沥青4 i 定的：环氧十含成3 k g 沥青混凝土4沥青混凝士3 橡胶 m 2 用非纺织聚醣类加强的热铺合 预制 薄膜预制层+ 沥青粘结层+ 合 5 成橡胶沥青混凝十6 溉青混凝十3 板 成橡胶洳青 地沥 清漆+ 完全 地沥青砂胶b = 1 4 1 7 沥青混凝士2 0 青胶 的独立层 捷 砂 3 0 或摊铺沥青混沥青混撮士2 0 克预制 以沥青为基材的先成层 4 凝土2 0 3 0 或纸板 5 0 板 层 薄膜 双层乳化沥青 3 5 4 郑州人学倾| j 学位论文 第一章绪论 钢纤维混凝土作为一种新型的建筑材料，目前在许多工程领域得到广泛应用。在 混凝土基体中掺入一定数量的钢纤维时，由于钢纤维的阻裂效应，跨越原始微裂缝和 靠近裂缝尖端的钢纤维将应力传递给裂缝的两侧。随着钢纤维体积率的增大，裂缝尖 端应力集中的程度不仅能得到缓和，而且有消失的可能。钢纤维对混凝土的阻裂效应 贯穿于受力的全过程：在混凝土结构形成过程中，钢纤维阻止原始微裂缝的引发，减 小与缩小裂缝源尺度和数量；在受力过程中，裂缝的不断扩展必将受到跨越裂缝的钢 纤维的约束，必须消耗大量的能量才能使钢纤维从混凝土中被拔出或被拉断，从而抑 l e 了裂缝的引伸和扩展，起到限裂的作用。与传统的水泥混凝土材料相比，钢纤维混 凝土的材料性能得到明显改善和提高。 随着交通事业的发展，传统的桥面铺装材料( 泥结碎石、沥青表面处理、沥青混 凝土和水泥混凝土等) 逐渐不能适应交通发展的需要，经常出现破损和开裂，养护维 修工作量逐年增大，面层的更换周期缩短，还常因维修桥面而引起车辆严重堵塞。近 年来，用钢纤维混凝土铺筑和加固桥面已取得良好效果。由于钢纤维的掺入，改善了 水泥混凝土的力学性能m 】，使钢纤维混凝土桥面铺装层具有良好的抗裂性、抗冲击 疲劳性、韧性、延性及耐磨性。用于桥面铺装时具有缩缝少，行车舒适平稳，使用年 限增长等优点；并且钢纤维混凝土相对容易施工建设 2 4 1 ，因此提供了一个更好的修 复和翻新现存桥面铺装的解决方案，是一种发展前景广阔的新型桥面铺装材料。 目前，钢纤维混凝土桥面铺装层有以下几种l 2 3 。结合式：将钢纤维混凝土直 接铺筑在行车道板或腹拱的填料层上面，厚度薄，重量轻，大部分铺装层还与行车道 板一起参与工作，能充分发挥材料的作用。对桥梁的桥面结构和使用性能无特殊要求 时，可采用此桥面铺装层。隔离式：在防水要求较高，或行车道板位于结构受拉区 而可能出现裂缝的桥梁及拟不设或少设伸缩缝的大跨度桥梁，可采用隔离式钢纤维混 凝土桥面铺装层。隔离式铺装层是在混凝土排水三角垫层上，铺筑柔性贴式防水层， 或在抹面后的行车道板上涂铺一层沥青马蹄脂或沥青砂隔离层。使桥面铺装层与行车 道板分隔开，独立承受车轮荷载的作用，不考虑二者共同工作。配筋钢纤维混凝土 桥面铺装：对于桥面设有较厚防水层或桥面板位于结构受拉区和装配式梁式桥；桥面 过宽的高等级公路桥和城市桥梁；不设或少设置伸缩缝的连续桥面及对桥面有特殊结 构要求的大跨度桥梁，为防止桥面铺装层出现过大变形和因温度变化、结构受力及行 车道板接缝的影响导致桥面铺装层的开裂破坏，宜采用此种桥面铺装。为了进一步增 强钢纤维混凝土桥面铺装层的抗裂能力，控制裂缝宽度，使板依靠断裂面上的集料的 嵌锁作用保证结构的强度和良好的整体性，公路水泥混凝土路面施工技术规范中 提到钢纤维混凝土桥面应使用钢筋网。 郑卅人学坝卜学位论文第一章绪论 钢纤维混凝土材料的力学性能及其应用方面的研究工作目前在国内外有大量文 献报道。其中，在钢纤维混凝土板力学性能的研究方面，同济大学的陈世呜，刘欣1 2 5 进行了6 0 m m 6 0 r a m 小试件材料韧性试验；同济大学的周跃华1 2 6 1 研究了在混凝土中掺 入不同种类、数量的钢纤维对混凝土地基板防裂抗裂性能的影响，研究对象为支承于 弹性地基上的钢纤维混凝土板；意大利布雷西亚大学的m e d a a 1 b e r t o 和p ii z z a r i g i o v a n n ia m 1 对支承于土基上的钢纤维混凝土板进行了非线性有限元分析；b a r r o s j a 0 和f i g u e i r a sj a 2 8 1 进行了钢纤维混凝土的韧性试验和钢筋钢纤维混凝土薄板试 验。有关钢钎维混凝土桥面铺装的试验研究和应用方面，大多是钢筋网钢纤维混凝土 桥面铺装，如：杭州钱塘江大桥公路桥桥面在1 9 9 3 年大修工程 2 9 1 中，清除原桥面铺 装层后在底板上喷浇沥青防水层，铺筑s f r c ，在其上浇筑橡胶沥青混凝土，成为s f r c 和橡胶沥青混凝土的复合双层罩面。大修后的桥面平整、行车舒适、大大提高了车辆 通过能力。三峡工程对外交通专用公路桥桥面，铺装层采用s f r c ，另配二层钢筋， 既可保持复合型铺装层的优良力学性能，又不至于给施工造成太大的困难 3 0 - 3 1 1 。上 海虹桥机场高架车道钢纤维混凝土道面浇筑s f r c6 4 0 0 m 2 ，其工程量在当时国内同类 工程中最大1 3 2 1 。文献f 3 3 3 9 1 对桥面铺装层的材料性能、结构受力机理、施工工艺、质 量控制等进行了研究，其中文献 3 6 - 3 v 1 重点讨论了钢纤维混凝土在桥面板铺装的上半 部面层中的应用，而文献 3 $ - 3 9 对钢纤维混凝土主要在桥梁结构层中的应用方面的问 题进行了探讨。钢纤维混凝土作为桥面铺装层，国内虽进行了一些初步研究，但从设 计理论与方法及施工技术还有许多技术问题需要研究解决【4 0 】。 1 3 本文主要内容 本文在总结国内外现有研究成果的基础上，根据现行的钢纤维混凝土试验方法 f c e c s l 3 ：8 9 ) t6 0 ) 、钢纤维混凝土结构设计与旋工规范( c e c s 3 8 ：9 2 ) 和公路桥涵 施工技术规范( j t j 0 4 1 ：8 9 ) ，并结合实际工程需要，重点开展了以下三个方面的研 究工作： ( 1 ) 钢纤维混凝土的材料性能试验研究 通过资料检索和初步的实验研究，明确各类钢纤维混凝土的增强机理、技术性能 及静载力学特性；在此基础上，进行钢纤维混凝土的抗压、劈拉、抗弯拉及弯曲韧性 等力学试验，分析不同钢纤维种类、不同纤维掺量对其力学性能的影响，得出适合桥 面铺装特性的配合比，从而为桥面铺装结构提供可靠的技术依据。 ( 2 ) 钢纤维混凝土板与钢筋混凝土板的性能试验研究 进行集中荷载作用下对边简支的足尺钢纤维混凝土及钢筋混凝土单、双向板的静 6 郑卅1 人学瑚 。学位沦文第章绪论 载试验，分析研究钢纤维混凝土板的力学性能和破坏模式，比较两者的受力性能差异； 研究钢纤维对混凝土受弯构件抗裂、阻裂以及韧性等性能的影响；通过变换荷载作用 位置、荷载作用面积，研究不同加载方式对钢筋混凝土板和钢纤维混凝土板的受力性 能的影响。在此基础上，探讨在桥面铺装工程中能否用钢纤维部分取代钢筋混凝土。 ( 3 ) 钢纤维混凝土在实际桥面铺装工程中的应用技术研究 在试验与计算分析的基础上，结合实际工程情况，将钢纤维混凝土用于洛阳槐庄 中桥( 装配式空心板桥) 工程，验证设计方法，考察材料的各项性能，探讨钢纤维混 凝土桥面铺装的施工工艺，从而为桥面铺装结构的施工提供技术指导。 7 郑州人学顺1 1 学位论史第二二章钢纤维混凝士的增强机理与试验研究 第二章钢纤维混凝土的增强机理与试验研究 素混凝士桥面铺装在行车的反复作用下容易产生疲劳失效，疲劳强度的降低主要 是由于混凝土的弯曲韧性低造成的 4 q 。适量的钢纤维可以在混凝土中形成乱向分布 的三维网状结构，从而抑制混凝土干缩，而且能够使得混凝土的抗折疲劳性能大幅度 提高，从而有效防止重复荷载作用产生的裂缝 3 1 。钢纤维混凝土( s f r c ) 优良的力学 性能已受到国内外工程界的重视，在世界发达国家和地区已得到广泛使用。我国近年 也在道路桥梁工程、机场跑道、工民建、抗震节点、桥梁伸缩缝等工程中重点应用； 北京、杭州等地已经铺设了s f r c 试验桥面铺装，它在抗汽车冲击韧性 4 2 1 ，减少振动 疲劳及行车舒适等方面均优于普通混凝土，现已取得了一定的经验和研究成果。但是， 钢纤维成本高的特点在一定程度上阻碍了它的推广使用。因此，在保证钢纤维混凝土 性能的前提下，选用效果好、价格低的钢纤维是降低成本、取得更为显著的经济效益 的前提条件。本章在总结钢纤维混凝土材料的增强机理的基础上，通过钢纤维混凝土 劈拉、抗折和弯曲韧性等力学性能的试验研究，分析纤维掺量及种类对混凝土力学性 能的影响，探讨适合于桥面铺装特点的钢纤维混凝土配合比。 2 1 钢纤维混凝土的增强机理 混凝土结构在成型过程中，由于基相和集料的热膨胀系数与弹性模量的不同，以 及失水等原因引起的收缩受到各组分之间的约束，致使水泥石与骨料界面、水泥石内 部不可避免地在受力前就产生了微裂缝，同时由于施工工艺因素在混凝土内部还存在 有毛细孔和气孔等初始缺陷。这些微裂缝和缺陷都是混凝土结构受荷载后产生宏观裂 缝的裂缝源。在外荷载作用下，混凝土内部的微裂缝和缺陷的尖端形成应力集中，并 使微裂缝沿混凝土中的最薄弱区水泥与集料界面扩展，并随着荷载增大而扩展 到水泥石基体中，当荷载达到某一临界状态时，混凝土中的主裂缝发生不稳定扩展， 相互贯通形成破坏面，从而导致混凝土整体失去承载能力。 当在混凝土基体中掺入一定数量的钢纤维时，由于钢纤维的阻裂效应，跨越原始 微裂缝和靠近裂缝尖端的钢纤维将应力传递给裂缝的两侧，使混凝土内部各相之间具 有足够大的吸附力并趋于一个整体；钢纤维在混凝土内部能很好地传递、消耗因各种 原因对混凝土的约束而在混凝土中所产生的拉应力。随着钢纤维体积率的增大，裂缝 尖端应力集中的程度不仅能得到缓和，而且有消失的可能。 8 郑州人学坝j ：学位论文第：帝钢纤维混凝十的增强帆理1 j 试验础f 究 钢纤维混凝土的抗裂机理、增强机理是提高钢纤维对混凝土的增强、增韧和阻裂 效应，从本质上改善其物理、力学、化学性能，并造就材料新性能的理论基础，也是 进行钢纤维混凝土桥面铺装设计的重要依据。关于钢纤维混凝土增强机理的研究，美 国、英国、日本和我国的科研单位对低、中钢纤维含量的钢纤维混凝土进行了深入的 研究，耿得了重要进展。主要有两种理论：一种是复合材料力学理论( 混合率法则) 4 3 1 ， 另一种是建立在断裂力学基础上的纤维间距理。 1 复合材料力学理论( 混合率法则) 复合材料力学理论用于分析纤维增韧、增强和其它复合材料时大多是将复合材料 视为多相体系；对钢纤维混凝土的简化是以纤维为一相，以混凝土为一相的两相复合 材料，如图2 1 所示。复合材料的性能为各相性能的加和值。最先将该理论用于钢纤 维混凝土的有：英国的r n s w a m y 、p s m a n g a t ，美国的a e n a m a n 、d c h a n n a n t 等人。 一 j r j 一一 p f f 7 z 图2 1 单向连续纤维增强复合材料 f i g 2 1u n i l a t e m lc o n t i n u i t yf i b e rr e i n f o r c e dc o m p o s i t em a t e r i a l 复合材料理论的基本假定： 纤维连续均匀平行排列，并且受力方向一致： 纤维与基体粘结完好，即两者产生相同应变，无相对滑移； 纤维与基体均呈弹性变形，与横向变形相等。 根据假定。s f r c 即成为单向连续纤维增强复合材料。 通过受力分析及公式推导可得：当单向连续纤维增强复合材料的破坏主要是由纤 维断裂所引起的时候，抗拉强度可由下式计算： = o ! r p i + ( 1 一所) ( 2 - 1 ) 式中，一，复合材料拉应力；1 7 ，纤维抗拉强度； p ，纤维体积率；一。对应于纤维断裂时基体的拉伸应力； 将式( 2 - 1 ) 应用于钢纤维混凝土的计算时必须考虑钢纤维分布的方向性和钢纤 9 郑州人学硕l 学位论义 筇一章钢纤维混凝土的增强机理与试验研究 维与基体间粘结强度的影响。对于直径为d ，长度为f ，的钢纤维，当钢纤维不平行 于荷载作用方向时，其有效长度在荷载方向的投影长度为r i o l ，( 为钢纤维的方向系 数) 。由于钢纤维拔出长度在o h ，之涮变化，其平均拔出长度为 1 ，若平均 粘结力为r ，则根据平衡关系式耐，7 7 口等f = 剧r 2 口，可得： d ，= r i o r l ，d ， ( 2 - 2 ) 令五，= p rf ，为钢纤维含量特征参数，将上式( 2 2 ) 式带入式( 2 1 ) 得： 口。= 口。( 1 一p ，) + r i 口r 2 ， ( 2 - 3 ) 上式即为钢纤维混凝土复合材料的应力计算的数学模型。 2 纤维间距理论 纤维间距理论又称为纤维阻裂理论，是在1 9 6 3 年由j e r o m u a l d i 和g b b a t s o n 提出来的 4 4 。4 6 。该理论根据线弹性断裂力学理论解释纤维对裂缝发生和发展的约束 作用，认为：欲增强混凝土这种本身带有内部缺陷的脆性材料的抗拉强度，必须尽可 能地减小内部缺陷的尺寸，提高韧性，降低裂缝尖端的应力强度因子。钢纤维的加入 能约束裂缝的产生和发展，起到了降低应力强度因子、减缓裂缝尖端应力集中的作用， 即