基于不同快速修補材料的鋪裝層對混凝土梁抗彎承載力的影響

郭金波

(遼寧省交通規(guī)劃設計院有限責任公司 沈陽市 110166)

0 引言

橋面鋪裝是橋梁承受汽車荷載作用的結構。良好的橋面鋪裝可用于改善橋梁的行車條件，提高舒適性和積極性，滿足交通運輸需求。此外，橋面鋪裝可以一定程度改善橋梁的荷載分布情況從而提高橋梁的承載能力[1-3]。在行車荷載、凍融環(huán)境、除冰鹽環(huán)境的共同影響下，加速了高速公路橋梁水泥混凝土橋面鋪裝結構的破壞[4]。高速公路為了快速保通，需使用混凝土快速修補材料對水泥混凝土橋面鋪裝進行維修，并要求材料性能在修補后不超過8h達到開放交通條件。近幾年京哈高速公路橋面鋪裝快速修補施工中應用了快速修補砂漿、快硬混凝土、混凝土早強劑等不同類型的快速修補材料。國內針對快速修補砂漿和快硬混凝土材料性能研究較多，但針對6h齡期和28d齡期不同快速修補材料的鋪裝層對混凝土梁承載力影響的結構性能研究少見[5]。采用靜載破壞試驗研究討論不同快速修補材料的鋪裝層對混凝土梁的抗彎承載力的影響，觀測不同快速修補材料的鋪裝層是否與預制梁混凝土發(fā)生界面滑移，以此評估不同快速修補材料與原有混凝土之間的粘結程度。針對以上問題進行試驗研究，得出相關結論，供設計和施工人員參考。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

本次試驗鋪裝層材料選用了C40混凝土、C40快硬混凝土、快速修補砂漿三種，工況1鋪裝層材料為C40混凝土，工況2～工況5的鋪裝層分別選用了不同齡期的快硬混凝土和快速修補砂漿。其中快硬混凝土、快速修補砂漿為遼寧省交通規(guī)劃設計院自研，不同齡期鋪裝層材料性能參數(shù)見表1。

表1 試驗用材料性能

1.2 試驗方案

本試驗模型根據(jù)8m混凝土矩形梁(預制梁)進行縮尺建立，試驗共預制5組矩形梁，采用C40混凝土材料，其尺寸為l×b×h=4000mm×460mm×230mm，凈跨徑L0=3.7m。在預制的縮尺矩形板梁上澆筑不同快速修補材料的鋪裝層，其中混凝土鋪裝層厚度為80mm。

按照《混凝土結構試驗方法標準》(GB/T 50152—2012)對試驗梁進行加載。對5片試驗梁應對其預加載。正式加載時，應根據(jù)各試驗梁的抗彎承載力估算值進行分級加載。

預加載：將試驗梁的預加載保證為其彈性受力，避免發(fā)生開裂以及任何形式殘余加載值。時間間隔均持續(xù)5min的外力依次為10kN、20kN以及最后減小至10kN。試驗開始進行預加載前，檢驗支座是否平穩(wěn)，儀表及加載設備是否正常，并對儀表設備進行調零。

分級加載：采用單調、靜態(tài)加力，以加鋪材料為鋪裝層C40混凝土(28d)為例，以5kN為一級荷載，加至接近受彎開裂荷載，然后以1mm為一級加載，至梁發(fā)生抗彎破壞(當裂縫達到2mm則停止加載)。每級加載結束后持荷10min，等待相關讀數(shù)平穩(wěn)后再進行數(shù)據(jù)采集和裂縫的觀察。

測試工作主要包括加載點位置試驗梁撓度、受壓區(qū)混凝土應變、受拉區(qū)混凝土應變、界面滑移性能以及荷載作用下裂縫的發(fā)生及發(fā)展。

1.3 有限元模型建立

建立有限元模型，如圖1所示，采用計算軟件MIDAS/FEA進行計算分析。模型中實體單元共18240個、鋼筋單元共15698個、節(jié)點共37827個，加載圖示見圖2。

圖1 試驗梁有限元模型

圖2 試驗梁邊界條件及荷載

2 結果與討論

2.1 試驗結果

對所有試驗梁破壞模式進行歸納，見表2。

表2 試驗梁主要試驗結果

由表2可知，6h齡期的快硬混凝土鋪裝層與快速修補砂漿鋪裝層的混凝土梁的極限承載能力分別達到普通C40混凝土梁28d極限承載力的100%和 89.5%。28d齡期的快硬混凝土鋪裝層與快速修補砂漿鋪裝層的混凝土梁極限承載能力較普通C40混凝土梁分別提高了3%和16.9%。

工況1～工況5在試驗梁達到極限破壞狀態(tài)的過程中，先是受拉區(qū)縱筋發(fā)生屈服，裂縫擴展得較為明顯，最終以受壓區(qū)混凝土的壓潰而破壞，屬典型適筋梁彎曲破壞狀態(tài)。破壞面發(fā)生在跨中截面，主要在純彎段出現(xiàn)較多的豎向裂縫。

2.2 試驗與有限元荷載位移曲線對比分析

圖3為各試驗梁的荷載-位移關系的試驗值與有限元模擬值的對比曲線圖，其中工況2試驗梁的荷載位移曲線采用修正值。表3為有限元模擬值與試驗值的誤差表。

圖3 試驗梁荷載位移曲線圖

表3 有限元模擬值與試驗值的對比分析

由圖3(a)、圖3(d)、圖3(e)可以看出，鋪裝層材料為鋪裝層C40混凝土(28d)、鋪裝層快硬C40混凝土(6h)與鋪裝層快速修補砂漿(6h)的混凝土梁加載全過程非線性有限元分析能較好地模擬出試驗梁的受力情況，試驗梁的荷載-位移曲線與有限元模擬所得曲線基本保持一致。由圖3(b)可以看出，工況2的混凝土梁可能由于支座或者墊塊所導致梁的非彈性變形，從而導致試驗數(shù)據(jù)的整體偏移，將試驗數(shù)據(jù)進行修正的荷載-位移曲線與有限元模擬所得荷載-位移曲線重合，說明了修正之后數(shù)據(jù)的準確性。由圖3(c)可以看出，工況3的混凝土梁的試驗所得荷載-位移曲線與有限元模擬曲線存在較大的誤差，有限元模擬中梁的剛度存在整體偏小的情況，承載力也存在偏小的情況?？赡苡捎谠囼灹旱幕炷敛牧吓c鋼筋粘結良好，在鋼筋屈服后，荷載持續(xù)增加至受壓區(qū)混凝土達到極限壓應變，混凝土被壓碎后達到最大承載力。而有限元模擬中不能考慮粘結滑移所帶來的影響，因此試驗值與模擬值有一定的偏差。

由表2與表3可知工況2～工況5混凝土梁的承載力的試驗值均與有限元模擬值相近。與對比梁有限元模擬值相比，使用不同快速修補材料的鋪裝層的混凝土梁的實際極限承載力大約提升27.3%～66.1%。

2.3 試驗混凝土梁裂縫發(fā)展對比

工況1的混凝土梁的試驗裂縫如圖4(a)所示。隨著荷載的不斷增加，混凝土梁跨中(純彎段)不斷出現(xiàn)豎向裂縫。當鋼筋屈服后，裂縫的寬度與高度進一步發(fā)展，受壓區(qū)混凝土被壓碎，梁不繼續(xù)承擔荷載，符合適筋梁破壞原則，同時預制梁與鋪裝層也未發(fā)生明顯的剪切破壞。

圖4 荷載試驗模型梁裂縫圖(單位：mm)

工況4、工況5的混凝土梁的試驗裂縫圖如圖4(b)、圖4(c)所示。試驗混凝土梁的裂縫發(fā)展規(guī)律與工況1相同，不再贅述。快硬混凝土、快速修補砂漿鋪裝層與預制梁上表面混凝土粘結程度良好，層間未發(fā)生脫層及開裂。由于加鋪層與預制梁之間良好的粘結性能，提高了新舊結構的協(xié)同受力能力，有效提高了混凝土梁的有效剛度和結構的抗彎承載力。

3 結論

(1)試驗及有限元分析均表明，對比梁的極限承載力為121kN，對預制梁采用不同快速修補材料的鋪裝層的混凝土梁的極限承載力提高27.3%～66.1%，與有限元模擬值相近。

(2)28d齡期的快硬混凝土鋪裝層與快速修補砂漿鋪裝層的混凝土梁極限承載能力較普通C40混凝土梁分別提高了3%和16.9%。表明28d齡期的快速修補材料的力學性能高于普通混凝土，能滿足高速公路快速修補材料應用現(xiàn)狀要求。

(3)6h齡期的快硬混凝土鋪裝層與快速修補砂漿鋪裝層的混凝土梁的極限承載能力分別達到普通C40混凝土梁28d極限承載力的100%和 89.5%。表明兩種材料均可以滿足橋面鋪裝層快速修補后6h開放交通時的承載能力要求。

(4)預制梁上表面混凝土與不同快速修補材料粘結程度良好，預制梁與鋪裝層間未發(fā)生脫層及開裂，協(xié)同程度較高，有效提高了混凝土梁的有效剛度和結構的抗彎承載力。