摘要 基于彈塑高強(qiáng)混凝土復(fù)合料、鋼板筋和特種樹(shù)脂所構(gòu)成的六角蜂窩網(wǎng)吸收層復(fù)合應(yīng)用技術(shù)，在克服普通鋼筋混凝土無(wú)伸縮縫連接結(jié)構(gòu)容易發(fā)生橋面開(kāi)裂上，有技術(shù)優(yōu)勢(shì)。文章分析了相關(guān)材料、技術(shù)和其在應(yīng)力吸收層中的應(yīng)用，以及所形成的應(yīng)力吸收層的抗壓抗拉強(qiáng)度、應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系狀態(tài)等功效特點(diǎn)。試驗(yàn)顯示，抗拉強(qiáng)度在20.98 MPa和抗壓強(qiáng)度在26.41 MPa時(shí)，吸收層結(jié)構(gòu)應(yīng)變性能較好。

關(guān)鍵詞 彈塑高強(qiáng)混凝土復(fù)合料；應(yīng)力吸收層；應(yīng)力應(yīng)變；功效試驗(yàn)

中圖分類(lèi)號(hào) U442.55 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2023）05-0099-03

0 引言

普通鋼筋混凝土構(gòu)成的無(wú)伸縮縫橋面連接結(jié)構(gòu)，雖然可以在很大程度上消除雨水對(duì)橋墩和支撐座的侵蝕破壞，但因?yàn)樵摻Y(jié)構(gòu)彈塑性不足，剛度太大，容易發(fā)生裂隙甚至斷裂，從而也波及到橋面使其容易發(fā)生應(yīng)變反射開(kāi)裂甚至斷裂病害。有一種工程技術(shù)方法可以解決這一問(wèn)題，即由鋼板筋和特種樹(shù)脂構(gòu)成六角蜂窩網(wǎng)狀應(yīng)力吸收層，再與彈塑性高強(qiáng)混凝土復(fù)合料層構(gòu)成復(fù)合結(jié)構(gòu)，在保證強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，利用較好的彈塑應(yīng)變性能，吸收抵御橋梁的伸縮形變，既能發(fā)揮連接功能，又能在更大程度上抗御橋梁伸縮縫區(qū)域的伸縮或反射開(kāi)裂。這里介紹相關(guān)材料與應(yīng)力吸收層功效試驗(yàn)成果，以為同類(lèi)工程應(yīng)用提供技術(shù)參考。

1 組分與配合比

1.1 主要組分

彈塑高強(qiáng)混凝土復(fù)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(jié)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(qiáng)混凝土復(fù)合料的黏結(jié)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(jié)程度，決定和影響著高強(qiáng)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(yīng)用普通PO42.5硅酸鹽水泥，其主要性能參數(shù)見(jiàn)表1所示，均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[1]。

（2）玄武巖骨料。彈塑高強(qiáng)混凝土復(fù)合料中，粗骨料是主體組分。骨料在路面應(yīng)用中，一方面受車(chē)輛載荷作用，另一方面受自然環(huán)境影響，所以要求粗骨料具有良好的力學(xué)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(yōu)勢(shì)，是一種優(yōu)良的路面復(fù)合料組分材料。案例應(yīng)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(biāo)具體見(jiàn)表2所示。

（3）聚合物。試驗(yàn)使用的聚合物是高功效的復(fù)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(qiáng)混凝土復(fù)合料主要由上述三種骨料、聚合物以及水泥構(gòu)成。配比設(shè)計(jì)中，共開(kāi)展了5組試驗(yàn)，保持C骨料、水泥和聚合物的比例不變，調(diào)節(jié)粒度比較大的A骨料和B骨料的比例，分別測(cè)定5組試驗(yàn)所對(duì)應(yīng)的彈塑高強(qiáng)混凝土復(fù)合料的密度和抗折強(qiáng)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(qiáng)混凝土復(fù)合料具有更高的密實(shí)度、更高的密度和更大的抗彎和抗拉強(qiáng)度。彈塑高強(qiáng)混凝土復(fù)合料的最優(yōu)配合比見(jiàn)表3所示[5]。

2 吸收層與試驗(yàn)簡(jiǎn)介

2.1 應(yīng)力吸收層及復(fù)合應(yīng)用

應(yīng)力吸收層是由鋼板環(huán)箍和特種樹(shù)脂所構(gòu)成的一種蜂窩網(wǎng)結(jié)構(gòu)。鋼板環(huán)箍在縱向會(huì)貢獻(xiàn)一定量的支撐和抗壓功效，在應(yīng)力吸收層平面對(duì)特種樹(shù)脂材料發(fā)揮環(huán)箍約束作用。六邊形結(jié)構(gòu)一組對(duì)邊受被拉時(shí)，相鄰的邊會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的結(jié)構(gòu)反應(yīng)，分解拉應(yīng)力又約束其中的填充料，因此鋼板環(huán)箍采取六邊形結(jié)構(gòu)，使鋼板環(huán)箍的硬度和塑性以及特殊樹(shù)脂材料的黏結(jié)性和塑性被集成在一個(gè)結(jié)構(gòu)層中復(fù)合發(fā)揮作用，在與彈塑高強(qiáng)混凝土復(fù)合料的強(qiáng)度和塑性聯(lián)合發(fā)揮用，從而可以輸出其中任何一種組分所單獨(dú)無(wú)法發(fā)揮出的功效。

2.2 應(yīng)力應(yīng)變?cè)囼?yàn)與破壞形態(tài)

2.2.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)在土木工程試驗(yàn)室完成，應(yīng)用的電液伺服全能試驗(yàn)機(jī)最大工作應(yīng)力5 000 kN。

2.2.2 試驗(yàn)過(guò)程

彈塑高強(qiáng)混凝土復(fù)合料應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試制備5組試件，吸收層應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試制備兩組不同配比的六邊形應(yīng)力吸收層試件，測(cè)量相關(guān)抗壓強(qiáng)度。測(cè)試過(guò)程如下：

（1）取出試件擦拭干凈，檢查外觀，測(cè)量試件規(guī)格。

（2）將試件放在全能試驗(yàn)機(jī)下壓板的中央。

（3）啟動(dòng)全能試驗(yàn)機(jī)，均勻連續(xù)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(yàn)現(xiàn)象與破壞形態(tài)

加荷時(shí)，壓力讀數(shù)不斷增加，達(dá)到最大值以后逐漸降低，然后停止加荷。在吸收層試驗(yàn)過(guò)程中，六邊形試件沒(méi)有遭受類(lèi)似普通混凝土試件的破壞。以最大移位作為破壞準(zhǔn)則，當(dāng)填充料與鋼板間分離時(shí)即表明應(yīng)力吸收層已經(jīng)破壞。試驗(yàn)觀察顯示，試件無(wú)顯著裂紋和損傷，在鋼板環(huán)箍的影響下，特種樹(shù)脂材料自身沒(méi)有破壞，只在六邊形頂點(diǎn)區(qū)域個(gè)別存在板料脫離，其他位置未發(fā)生分離，顯示材料的黏結(jié)功效很好。

3 復(fù)合料與吸收層應(yīng)力應(yīng)變性能試驗(yàn)分析

3.1 復(fù)合料應(yīng)力應(yīng)變功效試驗(yàn)結(jié)果

（1）彈塑高強(qiáng)混凝土復(fù)合料抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4所示。

表4數(shù)據(jù)顯示，彈塑高強(qiáng)混凝土復(fù)合料的達(dá)到100 MPa的抗壓強(qiáng)度，高于普通混凝土。這是因?yàn)閺椝芨邚?qiáng)混凝土復(fù)合料中的玄武巖粒度級(jí)配設(shè)計(jì)合理，并且加入了高分子材料，吸能能力強(qiáng)，形變功效好，可以有效降低結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力集中，阻礙內(nèi)部裂隙的發(fā)展。

（2）彈塑高強(qiáng)混凝土復(fù)合料抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5所示[8-9]。

表5數(shù)據(jù)顯示，彈塑高強(qiáng)混凝土復(fù)合料的抗拉強(qiáng)度約在20 MPa。通過(guò)破壞狀態(tài)觀察發(fā)現(xiàn)，裂隙并沒(méi)有貫穿試件。由于含有聚合物，一定程度上限制著裂隙的發(fā)展，助力該復(fù)合料的抗拉強(qiáng)度強(qiáng)于普通混凝土。

（3）彈塑高強(qiáng)混凝土復(fù)合料應(yīng)力應(yīng)變?cè)囼?yàn)結(jié)果。應(yīng)力應(yīng)變曲線顯示，隨著應(yīng)變?cè)黾樱瑥?fù)合料應(yīng)力隨之緩慢增加，當(dāng)達(dá)到0.01峰值后，應(yīng)變應(yīng)力趨于平緩[10]。

3.2 應(yīng)力吸收層的應(yīng)力應(yīng)變?cè)囼?yàn)結(jié)果

3.2.1 應(yīng)力吸收層抗壓強(qiáng)度

試件共2組，每組3個(gè)?？箟簭?qiáng)度是每組3個(gè)試件的抗壓強(qiáng)度算術(shù)均值，精確至0.10 MPa，如果3個(gè)抗壓強(qiáng)度極值中只有3個(gè)與中間值的差值超出15%時(shí)，則抗壓強(qiáng)度最終取它們的中間值。不同密度的兩組試件的抗壓強(qiáng)度測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表6所示。

3.2.2 應(yīng)力吸收層抗拉強(qiáng)度

軸拉試驗(yàn)可以準(zhǔn)確測(cè)量材料的單軸應(yīng)力、軸向抗拉強(qiáng)度、斷裂能和應(yīng)變關(guān)系。伸拉功效與試件的幾何規(guī)格和邊界條件有關(guān)?？紤]到樹(shù)脂材料受到六邊形鋼板的約束作用，在試驗(yàn)載荷下不會(huì)損壞，因此本試驗(yàn)利用試驗(yàn)機(jī)自帶夾具夾緊六邊形鋼板兩端，直接開(kāi)展伸拉試驗(yàn)。應(yīng)用移位加荷控制，加荷速率為0.50 mm/min。觀測(cè)試件的載荷和形變狀態(tài)，當(dāng)樹(shù)脂材料從鋼板上脫落時(shí)，立即停止加荷。加荷過(guò)程中，壓力讀數(shù)持續(xù)增加，當(dāng)?shù)?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(shí)，料與板之間產(chǎn)生脫落，并伴有輕微的響聲，這時(shí)認(rèn)為應(yīng)力吸收層已經(jīng)被破壞。通過(guò)整理數(shù)據(jù)，得出抗拉強(qiáng)度具體見(jiàn)表7所示[11]。

3.2.3 應(yīng)力吸收層應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

從載荷移位數(shù)據(jù)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(shí)，壓力機(jī)的讀數(shù)在達(dá)到33 kN時(shí)停止增加，之后開(kāi)始降低，第2組試件可以達(dá)到80 kN。吸收層結(jié)構(gòu)載荷移位曲線在載荷達(dá)到峰值后趨向平緩，試件沒(méi)有發(fā)生如同素混凝土那樣的脆性斷裂，表明應(yīng)力吸收層的結(jié)構(gòu)應(yīng)變功效良好。試件受拉時(shí)，載荷隨著移位和形變的增加而增加，當(dāng)移位和形變達(dá)到樹(shù)脂材料與鋼板間發(fā)生脫落時(shí)，達(dá)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(dāng)吸收層形變較大時(shí)，樹(shù)脂料與鋼板分離，發(fā)生塑性破壞。

測(cè)試結(jié)果顯示，第2組試件的強(qiáng)度較大，平均抗壓強(qiáng)度26.42 MPa左右，抗拉強(qiáng)度均值在20.98 MPa左右，兩組試件的應(yīng)力在加荷初期近似線性增加，第1組試件當(dāng)應(yīng)力增加至11 MPa時(shí)，第2組試件應(yīng)力增加至26 MPa時(shí)，曲線趨于平緩。拉伸過(guò)程中，兩組試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線沒(méi)有變化臺(tái)階，而是線性增加，達(dá)到約0.05應(yīng)變時(shí)，達(dá)到極限狀態(tài)。

由應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系可以得出，六邊形蜂窩狀鋼板約束下，特殊樹(shù)脂復(fù)合材料構(gòu)成的應(yīng)力吸收層其抗拉和抗壓強(qiáng)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(yōu)配合比試件中，最大極限應(yīng)變值可達(dá)到5%以上。

4 結(jié)論

綜上所述，介紹了彈塑高強(qiáng)混凝土復(fù)合料及其應(yīng)力吸收功效的試驗(yàn)分析成果。

（1）彈塑高強(qiáng)混凝土復(fù)合料的最優(yōu)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(qiáng)度20 MPa，抗壓強(qiáng)度達(dá)到100 MPa，均高于普通混凝土，不易發(fā)生如同普通混凝土那樣的脆性斷裂。

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

（3）彈塑高強(qiáng)混凝土復(fù)合料+六角形蜂窩狀鋼板約束下的應(yīng)力吸收層，材料特性加復(fù)合結(jié)構(gòu)功效，是克服普通鋼筋混凝土所構(gòu)成的無(wú)伸縮縫橋面連接結(jié)構(gòu)容易發(fā)生裂隙甚至斷裂的一項(xiàng)可選用技術(shù)。

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