超强韧性混凝土钢桥面铺装研究

于明鑫 田 悦 王 飞

（沈阳城市建设学院，辽宁沈阳 110167）

超强韧性混凝土钢桥面铺装研究

于明鑫 田 悦 王 飞

（沈阳城市建设学院，辽宁沈阳 110167）

钢桥面铺装技术一直是工程难题之一，本文在现有研究基础上，针对钢桥面板特点，提出应用超强韧性混凝土（PP ECC）作为钢桥桥面铺装层材料的“分层铺装、栓钉连接”复合铺装结构，对PP ECC材料应用于钢桥面过渡层的可行性进行了理论分析。

钢桥面铺装 超强韧性混凝土 复合铺装结构

1. 引言

目前，工程中常见钢桥面都采用沥青混凝土用作整体铺装层，但是钢桥面的特点对其铺装层的性能提出了更高的要求。首先钢桥桥面板刚度小，并受到行车动载与风载、地震、温度变化、桥梁结构的变形等因素的共同影响，这些因素造成铺装层受力复杂。再加上沥青混凝土铺装层本身刚度小，其与钢桥桥面板两种材料间性能差异大，仅靠粘结剂提供钢桥面板与沥青混凝土铺装层结合力的传统方案存在较大弊端，工程中破坏非常普遍。因此，钢桥桥面铺装仍是世界尚需解决的一个技术难题。若设计不合理，在通车后不久便易产生各种破坏，导致雨水渗入，引发钢桥面板锈蚀，使得桥梁结构整体性能下降、使用年限缩短［1］。

超强韧性混凝土（PP ECC），具有良好的弯曲韧性和抗冲击等力学性能，同时，PP ECC在改善结构和构件的延性［2］、耗能能力、抗侵蚀性、抗冲击性［3］和耐磨性等方面具有显著的效果，是混凝土材料理想的替代产品，可与钢筋协调工作，适合用于土木工程领域，可解决混凝土结构耗能低的缺点，是高耗能部位混凝土理想的替代品。基于以上材料特性，本文提出应用超强韧性混凝土（PP ECC）作为钢桥桥面铺装层材料的“分层铺装、栓钉连接”复合铺装结构，并对该结构进行初步研究。

2. 新型复合铺装结构提出

本文参考建筑结构中的钢-混凝土组合结构的优点［4］，提出采用超强韧性混凝土（PP ECC）作为过渡层的“分层铺装、栓钉连接”的钢桥面复合铺装结构（如图1所示），在钢桥面板与沥青混凝土铺装层之间设置超强韧性混凝土（PP ECC）过渡层，PP ECC直接浇筑在焊接栓钉的钢桥面板上，铺装表层采用沥青混凝土铺装层。

图1 新型复合铺装结构

3. PP ECC过渡层力学性能

PP ECC基于ECC的生产工艺，将水泥、砂子、PP纤维等原材料通过滚筒搅拌机搅拌均匀，使用前加入适量的水搅拌约2min，无明显结团后，浇注成型。其4小时标准立方体抗压强度为25Mpa，抗折强度在4MPa；6小时抗压强度为30Mpa，抗折强度在5MPa；1天抗压强度为35MPa，抗折强度在5.9MPa；7天抗压强度为60MPa左右，抗折强度为6.5Mpa；7天后趋于稳定,最终极限压应变在1.5%左右。PP ECC极限压应变为0.015，约为混凝土的3倍；极限拉应变为0.03，为混凝土的60倍。

PP ECC无粗骨料，密度在1600kg/m3，为混凝土的2/3。其内部纤维分布均匀，为各向同性材料，离散性小，性能稳定，与原有面层材料粘结性好。PP ECC造价能够控制在900元/立方米。

4. PP ECC过渡层的工作性能

4.1 PP ECC过渡层的抗车辙能力

钢桥面铺装层在高温季节或长时间承受车辆荷载包括交通量成倍增长、重载、超载、慢速行驶、渠化交通作用下，铺装层沥青混凝土抵抗永久变形能力不足，经常会引起桥面车辙。尤其在高温季节，铺装材料本身体现较强的粘塑性而表现出更大的抵抗永久变形能力不足的现象。

根据 PP ECC力学性能我们可以得出，在变形协调方面，复合铺装结构中PP ECC过渡层的模量数值界于沥青混凝土与钢板之间，能缓解各结构层间的刚度突变问题、有效改善铺装结构受力状态。在永久变形方面，PP ECC过渡层在该复合式铺装结构中，几乎不发生局部永久变形，只有沥青混凝土层可能发生，而铺装结构中沥青混凝土铺装层厚度又比纯沥青混凝土铺装桥面的小，即这种铺装结构可能发生车辙破坏的范围变小。

4.2 PP ECC过渡层的自修复性能

钢桥面沥青混凝土铺装层在重复高应力或较高应力作用下，会由于疲劳而产生裂缝，这些疲劳开裂通常出现在低温或常温季节。但如果在交通荷载作用下或长时间暴露在阳光、气温、雨水下，铺装层的工作条件超过了材料的弹性极限，沥青混凝土的本身特性不能实现裂缝的自我修复功能或者铺装混合料发生了不可逆转的变化，则铺装层的疲劳开裂也会出现在高温季节。疲劳开裂不仅直接影响到铺装层的路用性能，而且对于钢桥面板也有不利一影响，裂缝为雨水、湿气侵蚀钢桥面板提供了途径，钢桥面板的锈蚀会直接影响钢结构桥梁功能。因此，必须控制钢桥面铺装层的疲劳开裂，当发生疲劳开裂时应及时进行修复。

PP ECC材料即使在较大变形的情况下，其裂纹宽度也很小，可以控制为60

m之内。而材料在水灰比较小，粉煤灰较多的情况下，未水化的水泥及未参加反应的粉煤灰将产生水化和凝结硬化作用，从而促进材料裂纹的自修复过程并使其持续进行。其中自由钙离子会向裂纹表面流动，使得自修复所需要的化学物质逐渐增加。PP ECC由于其具有自修复性能，就能保证在沥青混凝土产生疲劳裂缝后，雨水、湿气沿缝隙侵入，过渡层内部进行自修复，修复内部裂缝，阻隔外界对钢桥面的侵蚀。

4.3 PP ECC过渡层的温度稳定性

沥青混凝土钢桥面铺装采用的粘结层材料一般为改性沥青、乳化沥青等高分子聚合物，这些材料的性质随温度的改变而变化很大。在高温季节，粘结层材料的抗剪强度较低，很容易发生剪切滑移破坏。相对沥青混凝土而言，PP ECC温度敏感度小得多。PP ECC可以有效地减少沥青混凝土摊铺碾压时传递到钢板的热量，提高摊铺碾压质量，即PP ECC还有一附加功能一一对其上层的沥青混凝土铺装层起到隔热作用。而且PP ECC热稳定性好，温度变形协调，这些都使其能有效的作为过渡层工作。

冻融现象为北方地区公路的主要病害之一，也是限制北方地区水泥混凝土路面材料发展的主要因素之一。PP ECC不同于普通水泥混凝土，由于其PP纤维的超强桥联力，抗冻融效果明显。材料抗冻指数为90，满足《混凝土结构耐久性设计及施工指南》中规定的大于60的标准。

5 结论

本文通过对传统钢桥面铺装结构与功能特点的分析，针对其经常出现的工程破坏，结合超强韧性混凝土（PP ECC）的工程特性，进行了铺装结构的设计与研究，得出了以下结论：

（1）提出了采用PP ECC作为过渡层的复合铺装结构；

（2）对PP ECC材料性能进行介绍，提出使其力学性能达到过渡层的要求；

（3）针对桥面常见病害，分别从变形性能、自修复性能、传热性能三方面论述了PP ECC过渡层的工作性能。

[1]李雪莲.正交异性钢桥面复合铺装结构研究.[D]长沙：长沙理工大学.2008

[2]俞家欢.工程水泥基复合材料的性能与应用[M].北京:中国建筑工业出版社,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]王连广.钢与混凝土组合结构理论与计算[M].北京：科学出版社,2005:1-45.

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1007-6344（2015）12-0332-01