1、公路 年月第期 基金项目：国家自然科学基金重点项目，项目编号 收稿日期：文章编号：（）中图分类号：文献标识码：超早强 材料在模数式伸缩缝中的应用研究刘霁，潘金龙，姜波，顾大伟，王肖伊（江苏宁沪高速公路股份有限公司南京市 ；东南大学 土木工程学院南京市 ）摘要：为实现高速公路桥梁模数式伸缩缝的快速修复以减少对交通的影响并延长使用寿命，对所研制的超早强 材料进行了基本力学及长期耐久性能试验，同时在此基础上提出了基于超早强 材料的桥梁模数式伸缩缝构造设计方案并介绍实体应用工程。结果表明：研制的超早强 材料抗压强度可达 ，满足早期强度要求，各龄期单轴拉伸应变均不低于，单轴拉伸强度均不低于，在四点弯曲荷
2、载作用下同样具有较强的变形能力；干燥收缩值仅 ，抗氯离子渗透性能较普通 差，但其是固化氯离子的理想材料，应用设计时应注意保护层厚度，抗冻等级可达 ；超早强 材料适用于高速公路桥梁模数式伸缩缝的快速维修改造，在提升耐久性的同时降低全寿命周期成本。关键词：模数式伸缩缝；超早强 ；耐久性伸缩缝作为桥梁的重要附属结构，可以适应由于温度与湿度变化、混凝土收缩与徐变、桥梁墩台沉降与梁端转动等引起的变形，并保证桥面平顺及行车舒适。然而，伸缩缝也是桥梁结构的薄弱环节，近年来，由于车流量的增加，加上现有伸缩缝装置在设计、施工及养护上的不足，导致高速公路桥梁伸缩缝过早地出现破坏，伸缩缝的破坏不仅会严重影响通行安全
3、，对桥梁和路面造成附加的冲击荷载，还会在很大程度上增加桥梁维护成本，降低经济效益与社会效益。近年来，研究人员对桥梁伸缩装置的形式进行了分析和改进，目前应用较多的有模数式、梳齿板式、无缝式等。其中，模数式桥梁伸缩装置由于具有伸缩变形能力强、密封防潮性能好等优点，被广泛应用于大型桥梁。但模数式伸缩缝两侧锚固区混凝土在长期的交通荷载及环境荷载作用下容易破碎，传统锚固区混凝土主要采用高强灌浆料、高韧性环氧混凝土等材料进行修补，这些材料早期强度不稳定，伸缩缝维修或更换施工时间过长，严重干扰道路通行。此外，传统锚固区混凝土材料也缺乏足够的韧性，在车辆反复冲击荷载作用下疲劳寿命短、在复杂环境荷载作用下耐久性
4、能差，大幅缩短伸缩缝的使用寿命。针对上述问题，研发具有较高早期强度及较好耐久性能的模数式伸缩缝修复材料以实现高速公路快速通车，在提升桥面结构体系工作性能的同时提高行车舒适度是当前的重点问题。等，发明了工程水泥基复合材料（，），基于材料的合理设计，在纤维含量为左右的情况下，材料能够获得稳定的应变硬化特性和多裂缝开裂机制，极限拉伸应变可达以上，是普通混凝土的 倍以上。已有研究表明，具有优越的抗冲击、耐疲劳、抗渗透性能、抗冻融循环能力、耐腐蚀能力等性能，被广泛应用于土木工程领域。为了快速修复和改造现有的基础设施，已有研究研发了超早强 材料，该超早强 的抗压强度为 ，长期极限拉应变在以上。境内外研究表
5、明 ，材料在桥梁结构中具有广阔的发展空间。将超早强 材料应用于模数式伸缩缝的维修或改造，一方面可以延长伸缩缝在维修或改造后的使用寿命，解决现有早强修复材料的耐久性问题，降低桥梁结构全寿命周期成本；另一方面，超早强 材料具有足够且稳定的早期强度，可以实现高速公路桥梁模数式伸缩缝的快速修复，减少对交通的影响。年第期刘霁等：超早强 材料在模数式伸缩缝中的应用研究对于高速公路桥梁伸缩缝的快速维修改造，现有超早强 材料性能仍不能满足早期强度的要求，此外，研制超早强 材料的重点是协调材料早期强度与力学性能及在复杂环境下材料耐久性能的平 衡。本 文 在 提 高 早 期 强 度 的 同 时 对 超 早 强 材
6、料的基本力学性能及长期耐久性能进行了一系列的试验研究，包括立方体抗压强度试验、单轴拉伸性能试验、薄板四点弯曲性能试验、长期干燥收缩性能试验、抗氯离子渗透性能试验和抗冻性能试验，验证了其快速修复高速公路桥梁模数式伸缩缝的可行性及在复杂服役环境中的适用性，同时提出了基于超早强 材料的桥梁模数式伸缩缝构造设计，并给出了实体应用工程。超早强 材料性能分析试验方案 试验材料本文所研制超早强 材料的原材料主要包括硫铝酸盐水泥（水泥）、粉煤灰、硅酸盐水泥（水泥）、石英砂、短切聚乙烯醇纤维（纤维，长度、直径）、聚羧酸系高性能减水剂、缓凝剂等。在对比试验中，所使用的同强度等级混凝土配合比为：水:水泥:河砂:石子
7、 :，其中水泥为 水泥，河砂细度模数为 ，石子最大粒径不超过。试件制备制备超早强 材料时，首先将 、粉煤灰、及石英砂搅拌均匀，再缓慢加入 溶有减水剂及缓凝剂的水，湿搅拌形成均匀浆体后加入预分散的纤维，待纤维分散均匀后加入剩余 上述溶有外加剂的水，并搅拌成型，搅拌水温控制在（）。制作试件时应分层浇筑且适当振捣，浇筑后在温度（）、湿度（）的标准养护室内养护后拆模，除干燥收缩性能试验外的试件在该环境下继续养护至测试前处理龄期或测试龄期。对于干燥收缩性能试验，试件拆模后个试验组分别水养、，然后在温度（）、湿度（）的干燥养护室中继续养护至各测试龄期。测试方法立方体抗压强度试验参照 混凝土物理力学性能试验
8、方法标准，采用边长为 的立方体试件，龄期、时分别对一组个试件在全 自 动 压 力 试 验 机 上 进 行 试 验，加 载 速 率 为 。单轴拉伸性能试验参照 高性能纤维增强水泥基复合材料（）设计推荐标准，采用哑铃型薄板试件，其厚度为，试件尺寸示意如图（）所示。采用 型万能试验机按位移控制加载并记录荷载，加载速度为 ，同时在中间放置个 型位移计，标距段为（试验装置如图（）所示），一组个试件分别在龄期、时测试。采用 的薄板试件进行四点弯曲性能试验，龄期 时通过 型万能试验机进行加载，上夹具滚轴间距为 ，试件标距段为 ，加载速率为 ，同时在跨中对称布置个 型位移计以测量挠度，具体四点弯曲试验装置见图
9、（）。参照 建筑砂浆基本性能试验方法标准，长期干 燥 收 缩 性 能 试 验 采 用 的棱柱体，一组个试件从拆模后开始测试至 龄期。试验采用 立式砂浆收缩仪，其通过千分表测量试件长度方向的变形，试件标距段为 。根据 普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准，采用快速氯离子迁移系数法（法）进行 抗 氯 离 子 渗 透 性 能 试 验。试 验 前 将 直 径 、高度 的圆柱体试件放入 型混凝土真空饱水机中进行氢氧化钙溶液浸泡处理，然后将处理后的试件放入 氯离子渗透仪（）中进行试验（试验装置见图（）。试验结束后取出试件并沿轴向劈成两个半圆柱体，然后在断面处喷涂 溶液显色指示剂，氯离子未腐蚀区域呈褐色
10、，而氯离子渗透区域呈白色。将试件断面沿直径方向等分为 份，根据颜色变化描出渗透轮廓线，测量显色分界线与试件底面的距离，取平均值作为渗透深度。抗冻性能试验采用 普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准 中的快冻法进行，试件为 的棱柱体，同时制作同尺寸的测温试件。试件浇筑完成后在标准养护条件下养护至 取出，然后在（）的水中浸泡至 试验。试验前首先擦去表面水分并进行尺寸测量，通过电子天平称取试件初始质量，并通过 动弹性模量测定仪测量其横向基频初始值。抗冻性能试验在 型混凝土快速冻融试验机上进行，一次冻融循环为温度在内从降低至，再从 升温至。每 次循单位：图试件与试验装置环测量试件的横向基频及质量，并
11、计算试件的相对动弹性模量及质量损失率。当试件的相对动弹性模量下降到 或试件的质量损失率达 时停止试验。超早强 材料性能分析试验结果 抗压性能与单轴拉伸性能试验所得超早强 材料考虑尺寸效应后的立方体抗压强度可达 、可达 、可达 ，满足高速公路桥梁伸缩缝早期抗压强度要求，且具有规范所要求的安全保证率。通过观察试验现象可知，由于 纤维的桥连作用，试件破坏后未产生剥落压溃，仅出现条裂纹，破坏后整体性好。超早强 材料在不同龄期下的单轴拉伸应力应变曲线如图所示。由图可知：龄期的单轴拉伸应变不低于，单轴 拉 伸 强度不 低于；龄期单轴拉伸应变不低于，单轴拉伸强度不低于；龄期 单轴拉伸应变不低于，单轴拉伸强度
12、不低于 。这是因为随龄期增加，纤维与水泥基体界面黏结增强，延性逐渐降低，故早期延性高，而后期延性相对较差。此外，龄期单轴拉伸强度与龄期 基本相同。如图所示，龄期、及 的单轴拉伸试件多缝开展特征明显，龄期时裂缝尤为细密，具有良好的变形能力与裂缝控制能力。图不同龄期下超早强 材料单轴拉伸应力应变曲线 公路 年第期 年第期刘霁等：超早强 材料在模数式伸缩缝中的应用研究图超早强 材料单轴拉伸试验裂缝开展形态随龄期变化 薄板四点弯曲性能四点弯曲荷载作用下超早强 材料的薄板试件荷载挠度曲线如图所示。由图可知：试件在加载初期处于弹性阶段，加载至 左右时开始出现裂缝，之后荷载随位移缓慢增长，最终随着主裂缝的产
13、生和发展，荷载缓慢回落，试件跨中挠度可达。加载过程中裂缝细密，试件具有较强的 弯曲变形 能力，开裂 后 可继 续 承载，超 早强 材料弯曲变形性能明显优于混凝土材料。图薄板四点弯曲荷载挠度曲线采用日本 标准评估超早强 材料薄板试件的弯曲韧性，假设为试件加载至跨中挠度 时的平均荷载，其中为试件的跨度，则直线 下的面积等于挠度 时荷载挠度曲线下的面积（见图），即：（）式中：为给定的计算挠度。平均荷载下最大弯曲应力为：（）图 弯曲韧性计算方法示意式中：、分别为试件的宽度和高度。基于式（）、式（），标准将平均荷载作用下标准试件的最大弯曲应力定义为弯曲韧性系数：（）根据 法的定义，弯曲韧性因子实际对应的
14、是试件跨中挠度为 时的平均抗弯强度，然而由于超早强 材料具有优越的变形能力，基于该给定挠度进行计算可能低估了其弯曲韧性。因此拓宽 标准的计算挠度，取为，本文分别取 、，并以此为依据计算得到的弯曲韧性系数，如表所示。对比 韧性评估法的结果可知超早强 材料具有较好的弯曲韧性。表不同挠度下超高延性 材料的弯曲韧性系数挠度 弯曲韧性系数 长期干燥收缩性能测量超早强 材料棱柱体试件在不同养护龄期时的长度并计算干燥收缩，将不同养护龄期及相对应的干燥收缩值绘制成曲线，见图。由图可以发现，超早强 材料的干燥收缩在龄期 时趋于稳定，其干燥收缩值较小，水养的情况下最终干燥收缩值仅 ，与普通混凝土干燥收缩值 基本相
15、同，且适当水养后干燥收缩性能优于普通混凝土，在水养、的情况下干燥收缩值分别降低至 、，降幅分别为 、。抗氯离子渗透性能超早强 材料的氯离子渗透深度与渗透位置的关系曲线如图所示，共设置了个试件，图为典型的显色试件实物图。根据渗透深度可以计算得到其非稳态氯离子迁移系数分别为 、图超早强 材料干燥收缩随龄期变化曲线 和 ，均 值 为 。研究发现，超早强 材料抗氯离子渗透性能较普通 差，这是因为 水泥的水化速度与水泥浆体碱度成正比，普通硅酸盐水泥水化时产生的氢氧化钙使得浆体 值升高，水泥的水化速度加快，而孔溶液中氢氧化钙的大量消耗又反过来促进 水泥矿物的水化，水化速度较快导致孔隙率较大。但超早强 材料
16、是固化氯离子的理想材料，实际应用设计时应注意钢筋的保护层厚度。图氯离子渗透深度与渗透位置关系曲线图氯离子渗透显色试件实物 抗冻性能冻融循环试验中超早强 材料和普通混凝土材料的相对动弹性模量和质量损失率随冻融循环次数增加的变化趋势如图所示。相对动弹性模量数据分析表明，与普通混凝土相比，超早强 材料的相对动弹性模量随冻融循环次数增加而降低的速率较小，普通混凝土在经历 次冻融循环后的相对动弹性模量下降至，而超早强 材料在经历 次冻融循环后相对动弹性模量才下降至，超早强 材料的抗冻等级可达 ，而普通混凝土仅为 。质量损失率数据分析表明，随冻融循环次数增加，两种材料的质量损失率均增加，停止试验时混凝土的质量损失率达，而超早强 材料的质量损失率约。由图 可见，普通混凝土试件表层砂浆大量剥落，而超早强 材料仅出现表面浮浆脱落、少量纤维露出的情况，且无肉眼可见的裂缝，表面基本平整。由此可见超早强 材料相较混凝土具有较好的抗冻性能，这是因为 中加入纤维的同时引入了少量气泡，而这些孔隙可缓解结冰膨胀时产生的压力，提高其抗冻性能；另一方面，冻胀作用导致的压力会引发微裂纹的形成，相较混凝土，具有较好的抗拉性能