桥梁伸缩缝过渡区混凝土的应用现状与研究动向

舒兴旺

（山西省交通科学研究院 黄土地区公路建设与养护技术交通行业重点实验室，山西 太原 030006）

0 引言

为了保证桥梁结构物在气温变化和荷载作用下能自由变形，避免变形受阻产生应力而造成对桥梁结构物的破坏，桥梁伸缩缝已广泛应用于各种桥梁结构中，成为桥梁结构的重要构件之一，一般设置在桥梁的相邻两桥跨之间以及梁端与桥台背墙之间。

随着我国高速公路建设的蓬勃发展，车辆荷载等级的大幅度提高和交通流量的急剧增加，使桥梁伸缩缝面临了巨大的挑战。桥梁伸缩缝直接承受车轮载荷的冲击且长期暴露在大气中，极易损坏且维修成本高。桥梁伸缩缝遭受破坏后，一方面影响行车舒适性，使行车者缺乏安全感，另一方面导致车辆对桥梁上部结构的冲击，影响桥梁主体结构的受力，降低桥梁使用寿命。

统计数据表明伸缩缝是桥梁结构中最薄弱的部分，其使用寿命远低于桥梁的设计寿命。频繁维修或更换伸缩缝不仅严重影响交通的通畅与安全，并且也带来了资源的浪费与环境问题，提高了桥梁的维护成本。法国和葡萄牙调查结果表明伸缩缝的养护成本约占整个桥梁养护成本的7%～22%[1]。

目前国内外主要应用的桥梁伸缩缝有以下5种类型：梳齿板式、模数式、橡胶板式、嵌填式和无缝式。除无缝式伸缩缝是将伸缩体直接与路面铺装层黏结，实现桥梁结构无缝化外，其余类型伸缩缝都需在伸缩体与路面铺装层之间设置过渡层混凝土，以实现伸缩缝与主梁结构的一体化。

根据有关部门对桥梁伸缩缝的破坏状况调查与统计分析发现：常见的伸缩缝问题中几乎所有破坏严重的伸缩缝都与填缝料和混凝土有关，主要有填缝发生孔隙、硬化、开裂、松弛或撕裂，以及混凝土剥块或开裂[2]。这些问题的成因包括交通载重、铲雪破坏、天气、劣质装设、次等材料及伸缩缝种类选用失当，其中伸缩缝过渡区混凝土质量差是最直接的原因，也是桥梁伸缩缝最先表现出的病害。伸缩缝过渡区混凝土出现病害将导致整个桥梁伸缩缝锚固体系的破坏，进而导致整个伸缩缝装置的破坏与失效。

1 桥梁伸缩缝过渡区混凝土的作用和功能

图1 桥梁伸缩缝结构简化示意图

图1为含有过渡区混凝土的桥梁伸缩缝结构简化示意图，从整个装置的结构和功能来看，过渡区混凝土的功能主要体现在两方面：a）将梁端伸缩缝装置与主梁板通过过渡区混凝土有效锚固在一起，使伸缩装置、过渡区混凝土和主梁板三者黏结成为一个复合整体，共同受力，有限传递荷载；b）将梁端伸缩缝装置与桥梁铺装层黏结在一起，保证桥面的平整度和一体化，共同承受轮胎载荷对伸缩缝装置的冲击作用，有效传递和吸收冲击能量。

桥梁伸缩缝过渡区混凝土的有益效果有三点:a）将梁端的伸缩缝装置受到的荷载，通过过渡区混凝土传递给主梁结构，从而改变伸缩缝装置的应力分布，减少其所受应力；b）将梁端的伸缩缝装置受到的冲击能量通过过渡区混凝土传递给主梁结构和桥面铺装层，减少伸缩缝装置所受冲击，能减轻或避免其发生冲击破坏；c）伸缩缝装置的型钢弹性模量较高，沥青混凝土铺装层弹性模量较低，过渡区混凝土将两者模量差异较大的材料黏结成一体，保证路面的一体化，实现材料模量的均匀过渡，保证路面的平整度、行车的平稳性和舒适性。

2 桥梁伸缩缝过渡区混凝土的质量标准

我国对桥梁伸缩缝的研究基本都集中在伸缩装置的结构设计上，而对桥梁伸缩缝过渡区混凝土的研究很少。在与桥梁伸缩缝相关的各类标准中，对桥梁伸缩缝过渡区混凝土的质量标准也没有明确的规定：在交通行业标准JT/T327—2004《公路桥梁伸缩装置》中，对桥梁伸缩缝过渡区混凝土的要求是：C40环氧树脂混凝土或C50钢纤维混凝土，还可用C50以上强度等级的混凝土[3]；在交通行业标准JT/T502—2004《公路桥梁波形伸缩装置》中，对桥梁伸缩缝过渡区混凝土的要求是：采用高强度高韧性的钢纤维混凝土或其他高性能混凝土[4]。这两个标准对桥梁伸缩缝过渡区混凝土的要求很笼统，很模糊，除了对抗压强度有要求外，对其他方面的性能没有提出明确的质量技术要求。

从桥梁伸缩缝过渡区混凝土的作用与功能的角度来看，桥梁伸缩缝过渡区混凝土的质量至关重要，它作为桥梁伸缩缝的重要组成部分，往往是最容易破坏，维修率也是最高的，它直接影响桥梁伸缩缝的运行状态和使用寿命，故在桥梁伸缩缝相关标准中应对其做全面的具体的质量技术要求，显然目前我国对桥梁伸缩缝过渡区混凝土的质量重视不够，研究不足，标准不完善。

3 桥梁伸缩缝过渡区混凝土的应用现状

目前我国工程中普遍应用的桥梁伸缩缝过渡区混凝土类型主要有普通混凝土 （如C50及以上强度等级）、钢纤维混凝土和环氧树脂混凝土三类。

普通混凝土是以水泥和水作为主要胶凝材料，将砂、石子、外加剂和矿物掺合料按适当比例均匀搅拌、密实成型及养护硬化而成的复合材料，属脆性材料，抗压强度高，但抗折、抗冲击能力差，因桥梁伸缩缝过渡区混凝土的工作环境是直接承受车轮载荷的反复冲击作用，对材料的抗折和抗冲击性能要求较高，普通混凝土难以承受这种工作环境，故其破损率和维修率很高。

钢纤维混凝土是在普通混凝土中掺入乱向分布的短钢纤维所形成的一种新型复合材料。乱向分布的钢纤维能够有效抑制混凝土微裂缝的扩展及宏观裂缝的形成，显著提升混凝土的抗拉、抗弯、抗冲击及抗疲劳性能。与普通混凝土相比，钢纤维混凝土抗拉强度提高40%～80%，抗弯强度提高60%～120%，抗剪强度提高50%～100%。钢纤维混凝土因其优越的抗拉、抗弯、抗冲击及抗疲劳性能已成为目前桥梁伸缩缝过渡区混凝土的主流选择，应用范围最广，应用比例最大。

环氧树脂混凝土是以环氧树脂、固化剂、助剂及填料作为胶黏剂，以砂、石子作为骨料，经混合成型、固化而成的一种复合材料，它具有强度高、韧性好、抗冲击强度大、耐化学腐蚀、耐磨、耐水和抗冻性能良好，与金属和非金属材料黏结强度高、弥补了水泥混凝土抗拉强度低、抗拉应变小、抗裂性小、脆性大等缺点。固化后的环氧树脂混凝土对大气、潮湿、化学介质、细菌等都有很强的抵抗力。作为桥梁伸缩缝过渡区混凝土，环氧树脂混凝土性能优势很明显，但由于技术较复杂、造价较昂贵，环氧树脂混凝土应用数量和范围还相当有限。

4 桥梁伸缩缝过渡区混凝土的研究动向

钢纤维混凝土和普通混凝土因施工方便，成本低，已成为目前我国最主要的桥梁伸缩缝过渡区混凝土材料，但从其使用情况和维修情况来看，均未能达到设计和实际使用年限的要求，有些甚至隔1～2年就需要重修[5]，究其原因有以下几点：a）铺装厚度不够。国标中对过渡区混凝土铺装厚度没有要求，在国内绝大多数伸缩缝选型、设计为C型、F型缝，混凝土铺装厚度小于15 cm难以承受重载交通碾压，出现板块早期开裂、剥离现象。b）混凝土浇筑时间把关不严。混凝土运距过远，导致混凝土进入初凝期仍在使用。c）施工质量差。施工时振捣不密实或槽口处理不干净。d）钢纤维混凝土和普通混凝土均属脆性材料，抗压强度虽高，但抗折和抗冲击能力较差，不太适应桥梁伸缩缝频繁受冲击的工作环境。e）混凝土自身黏结强度低、界面黏结性能差。钢纤维混凝土和普通混凝土自身的黏结强度低，与沥青混凝土铺装层、水泥混凝土梁板、预埋筋及型钢间的界面黏结力差容易形成渗水缝隙。在承受应力作用时，黏结界面容易出现裂缝，一旦开裂，功能就基本丧失，最终导致锚固区混凝土出现大面积的破坏。

环氧树脂混凝土与钢纤维混凝土和普通混凝土相比，虽然具有较好的抗折和抗冲击性能，但环氧树脂胶黏剂本身脆性较大，必须对其进行增韧改性，才能提高其抗冲击性能。环氧树脂混凝土因技术难度较大，成本较昂贵，目前在桥梁伸缩缝过渡区混凝土中推广难度较大，应用较少。

为了提高桥梁伸缩缝过渡区混凝土使用寿命，降低桥梁伸缩缝的维修或更换频率，国内外科研工作者都在采用各种途径改进桥梁伸缩缝过渡区混凝土的综合性能，研究方向集中在以下几个方面：a）开发聚合物改性钢纤维混凝土或普通混凝土技术，以提高混凝土的抗折性能、抗冲击性能和界面黏结力。聚合物种类有丙烯酸酯、聚氨酯、环氧树脂、橡胶和沥青等。b）开发高性能混凝土界面黏结剂，以提高钢纤维混凝土或普通混凝土与各黏结界面的黏结力。c）开展快速维修用混凝土技术，以提高混凝土修复效率，缩短开发交通时间，保证公路通畅，提高其经济社会效益。d）开展环氧树脂混凝土配方研究，以降低其成本，提高其经济性，便于其推广应用。e）提高环氧树脂混凝土增韧改性技术的实用性，如采用聚氨酯、聚酯、端羧基丁腈橡胶等可直接参与固化反应的液体聚合物改性材料作为增韧剂，或采用橡胶颗粒和橡胶粉作为填充料直接增韧改性，简化改性工艺，提高改性技术的可控性。

5 结语

伸缩缝作为桥梁结构的重要组成部分，提高其质量，延长其寿命，做好使用期间的维修保养和更换工作，保持其结构的整体完好性，对保障桥梁结构稳固和行车安全都具有重要意义。而桥梁伸缩缝过渡区混凝土作为伸缩缝最先破坏和最容易破坏的部位，提高其质量，保证其作用和功能，延长其寿命，对保证伸缩缝结构的整体完好性起着至关重要的作用，应当且必将引起桥梁科研工作者的高度重视，成为今后研究的热点之一。