钢纤维混凝土桥面铺装疲劳性能试验研究＊

牟廷敏 丁庆军 周孝军 范碧琨

（四川省交通运输厅公路规划勘察设计研究院1） 成都 610041）

（武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室2） 武汉 430070）

目前，水泥混凝土桥面铺装在高速公路建设中应用广泛［1］.由于混凝土材料刚度大、柔韧性较差致使桥面铺装层很容易产生裂缝，特别是在T梁、混凝土箱梁加劲肋与隔板顶部等拉应力较大部位；在疲劳荷载作用下铺装层和桥面板之间也容易丧失粘结力，出现脱层、裂缝现象［2］.铺装层的疲劳开裂不仅会影响到桥面美观及使用性能［3－4］，而且开裂严重处桥面板极易被雨水腐蚀，将直接影响到桥梁结构的安全性.研究表明：钢纤维混凝土强度高，柔韧性好，耐磨抗冲击性能强，具有阻裂限裂的作用，抗疲劳性能优越，在桥面铺装中应用越来越受欢迎［5－6］.很多学者对钢纤维混凝土桥面铺装材料组成设计、物理力学性能等进行了较多的研究，但是主要集中在混凝土材料性能方面，很少涉及到整体铺装层的结构性能.本文提出钢纤维混凝土结合剪力件的铺装方案，以铺装层和桥梁结构整体为试验对象，通过结构疲劳试验，研究“剪力件＋钢筋网＋普通混凝土”和“剪力件＋钢纤维混凝土”2种桥面铺装方案的疲劳性能，分析钢纤维、钢筋网、剪力件等对混凝土桥面铺装疲劳性能的影响程度.

1 试验设计

研究分析表明车辆荷载作用下铺装层表面出现的拉应力是引起铺装破坏的主要原因.本文主要考察在弯拉荷载作用下钢纤维、剪力件间距和钢筋网对铺装层与混凝土桥面板间粘结力和铺装层裂缝出现位置、扩展延伸情况、裂缝宽度的影响.疲劳试验以铺装层和桥梁结构整体为试验对象，共制作5个试件，构造见表1.每个试件由2部分组成：模拟混凝土桥面的底板与混凝土铺装层，分两次浇注成型.先成型底板，浇注混凝土前，在顶层钢筋上按间距要求焊接剪力件，待混凝土浇注完毕后在其表面刻痕促进与面层铺装层粘结.待底板浇注7d后浇注面层铺装层，定期洒水养护.

同时，针对2种铺装方案结构模型制作了相应的同尺寸铺装层模型试件，即钢纤维混凝土试件与普通混凝土配钢筋网片试件（厚80mm，每类成型3个试件），进行静力加载，测试其极限荷载与极限应变，为疲劳试验测试方案提供参考.

编号 底 板桥面铺装层剪力件间距／cm 钢筋网 混凝土S20 混凝土： 20×20 无 C40钢纤维混凝土（厚8cm）S30 C50、厚100mm 30×30 无 C40钢纤维混凝土（厚8cm）S40 配筋： 40×40 无 C40钢纤维混凝土（厚8cm）S40－1 底层，直径16／100mm 40×40 直径10／100／100mm C40普通混凝土（厚8cm）S100－1 顶层，直径12／100mm 100×40 直径10／100／100mm C40普通混凝土（厚8cm）

注：剪力件直径10mm，高80mm；编号“S40－1”中“40”指剪力件间距，“－1”指有钢筋网片；间距“100×40”指沿试件长方度向为100mm、沿试件宽度方向为40mm；钢筋网“直径10／100／100mm”指钢筋直径10mm，网格间距100mm.

2 混凝土配合比与力学性能

2.1 原材料

水泥（C）：亚东P.O 42.5；砂（S）：岳阳中砂，细度模数2.8；石（G）：5～25mm连续级配碎石；减水剂（WRG）：武汉苏博PC100－R聚羧酸系高效减水剂，减水率25%；粉煤灰（FA）：武汉阳逻电厂II级粉煤灰，需水量比95%；聚丙烯腈纤维（PAF）：深圳海川聚丙烯腈纤维，长度12mm，抗拉强度大于800MPa，相对密度1.18；钢纤维（SF）：武汉新途多锚点钢纤维，长30mm，长径比为60，抗拉强度大于600MPa.

2.2 混凝土配合比与力学性能

采用上述原材料，根据实际桥面铺装混凝土的施工性能要求，进行配合比试验.试验混凝土配合比及物理力学性能见表2.

表2 混凝土配合比与物理力学性能

3 试验过程

3.1 桥面铺装层静载试验

静力加载主要是测试铺装层的开裂荷载与相应应变以及极限荷载与相应应变，为疲劳试验加载方案的确定提供参考依据.铺装层静载试验破坏形式见图1.

图1 铺装层破坏形式

静力加载试验结果见表3，钢纤维混凝土试件的开裂应变、开裂荷载、极限应变与极限荷载都比普通混凝土配钢筋网试件的大，表明钢纤维混凝土试件的抗裂韧性、极限变形与承载力均优于配钢筋网的普通混凝土试件.钢纤维混凝土相比普通混凝土有较强的抗裂阻裂性能与变形性能，钢筋网对铺装层的整体变形能力有一定的影响，但是其阻裂效果不如钢纤维混凝土明显.通过试验分析，两种铺装方案铺装层极限应变可均取200×10－6.

表3 铺装层静载力学性能

3.2 铺装层结构疲劳试验

3.2.1 试验方案 疲劳试验的控制参数主要包括加载频率、波形、应力水平、循环应力比等.以铺装层静载试验测试的极限应变作为确定动载加载的依据，根据应力比确定疲劳试验的控制应变，疲劳试验应力比取0.5，循环应力比取0.2，选用正选波加载，加载频率4Hz，加载速率2kN／（10s）.

由于车辆荷载作用下铺装层表面出现的拉应力是引起铺装破坏的主要原因，因此试验加载时铺装层处于弯拉受力区，加载示意见图2，动载试验前，先对试件以4kN为荷载步进行逐级加载，当应变达到控制应变时停止加载，记录荷载值大小，以此荷载为控制荷载进行疲劳试验.试验过程中主要观察记录铺装层模型在加载过程中裂缝出现的位置、裂缝开展趋势以及裂缝宽度等.桥面铺装疲劳破坏以铺装层表面开始开裂为疲劳初裂，以铺装层两侧贯通的裂缝扩展至铺装层与底板交界面处为极限破坏，终止试验.

图2 加载示意图

3.2.2 结果分析与讨论 动载测试结果见表4，试验结果表明：在高频动载作用下，钢纤维混凝土铺装层试件疲劳初裂时的加载次数比普通混凝土配钢筋网的初裂受荷次数要大很多，说明钢纤维混凝土有很好的抗裂、阻裂性.但是钢纤维混凝土铺装层开裂后在高频荷载作用下裂缝扩展较快，而普通混凝土配钢筋网铺装层在开裂后应力重新分布，荷载转移到钢筋网片上，裂缝没有快速扩展.同时，可以看到，从试件监测到初始裂缝到至最后裂缝扩展到铺装层与底面层交界处，整个过程中钢纤维混凝土铺装层试件经历的反复加载次数不如普通混凝土配钢筋网片的试件经历的加载次数多，因为普通混凝土开裂后由于应力重分布，荷载卸载到钢筋网片上，钢筋网片在疲劳加载过程中起到一定的受荷作用.但是，从试件的整体疲劳受荷次数来看，钢纤维混凝土试件的疲劳受荷次数要高于普通混凝土配钢筋网试件.说明钢纤维混凝土铺装层的整体抗疲劳性能优于普通混凝土配钢筋网片铺装层的疲劳性能.

表4 混凝土桥面铺装模型试件疲劳测试结果

另外，对比剪力件间距20，30，40cm的试件，可看出剪力件间距对试件疲劳受力性能影响不明显，且各试件最终疲劳破坏时的裂缝宽度都较小.

4 结 论

1）在高频动载荷载作用下钢纤维混凝土铺装层试件初裂受荷次数比普通混凝土配钢筋网试件初裂受荷次数高，破坏时总疲劳加载次数比后者多.而从铺装层开裂到结构破坏所经历加载次数少于后者.

2）剪力件的间距对铺装层模型试件的疲劳受力性能影响不明显.

3）铺装层模型试件疲劳破坏时的裂缝宽度都较小，区别不大.

［1］季 节，徐世法，罗晓辉.桥面铺装病害调查及成因分析［J］.北京建筑工程学院学报，2000，16（3）：33－38.

［2］吴少鹏，杨 朋，邱 健.新型桥面粘结材料的制备与性能研究［J］.武汉理工大学学报：交通科学与工程版，2007，31（3）：426－430.

［3］罗立峰.钢纤维增强聚合物混凝土桥面铺装层修筑技术的研究［D］.广州：华南理工大学，2002.

［4］王钧利.钢纤维混凝土桥面抗裂性能及设计和施工技术［J］.公路，2006（4）：124－128.

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［6］LOK Tatseng，PEI Jinsong.Flexural behavior of steel fiber reinforced concrete［J］.Journal of Materials in Civil Engineering.1998，10（2）：86－97.