桥梁拼接缝混凝土渗透性及与裂缝宽度关系研究

采用气体渗透技术对桥梁拼接缝混凝土的抗渗性进行测试和评价,并对气体渗透系数与裂缝宽度闭合关系开展室内材料层面和现场结构层面的研究。室内试验中,基于对混凝土材料基本性能的测量和分析,对带贯穿裂缝的混凝土试件开展了气体抗渗性测试。结合回归分析,以相对气体渗透率k/k_0为因变量,以裂缝宽度闭合相对变化量a_c为自变量,建立了拟合曲线方程,说明当a_c增大1.125×10~(-2)mm时,气体渗透系数较初始状态增大10倍左右。现场结构层面的试验中,通过在拼接缝混凝土的跨中和梁端3个关键部位预埋传感器,在桥梁运营期开展了抗渗性能测试,并比较了荷载对混凝土气体渗透系数的影响。结果显示,所研究桥梁拼接缝混凝土的气体渗透系数处于10~(-16)～10~(-19)m~2量级范围,混凝土密实性能整体较好;1个月龄期时,拼接缝跨中传感器的气体渗透系数较两端高两个数量级,说明此处混凝土可能存在初始施工质量缺陷。而8个月龄期时,此处的气体渗透系数较1个月时降低了一个数量级,密实性能的提升可能来自于膨胀剂的膨胀效应;加卸载状况下3支传感器的气体渗透系数对比说明,剪力对混凝土宏观缺陷或微观裂缝的闭合效果有限;近桥墩处3~#梁端传感器的混凝土气体渗透系数在不同龄期下提高了一个数量级,而其他两处则呈现降低趋势,说明桥墩处混凝土的原始微裂缝有发展为宏观裂缝的可能,且裂缝宽度增大了约0.01 mm。     

相变控温水泥混凝土路面板设计及模型试验

引入相变储能材料及梯度功能材料设计方法,对传统水泥混凝土路面板结构进行防冻、耐磨功能设计,开展路面板模型试验研究。采取步冷试验方法,将优选出的复合相变储能材料封装入高强度无缝钢管中,制成500 mm×400 mm×80 mm的水泥混凝土路面板模型,进行模型的防冻性能和耐磨性能试验。结果表明:优选的相变材料体系相变温度点可控制在5℃左右,并产生液-固相变过程,放出热量,起到了较好的融冰效果,延缓或控制了路面板模型表面的低温冰冻现象;表面层材料耐磨性优良,28 d磨耗率仅为标准限值的51.9%;相变功能层中钢管的加筋作用可防止主体层和表面层材料之间体积变形的非一致性,强化了界面的稳定性。     

露石剂作用深度研究

通过研究混凝土成型后砂浆层厚度与其流动性之间的关系,并对露石剂的喷洒量和混凝土养生阶段的成熟度变化进行试验研究,明确影响露石剂作用深度的因素。结果表明:混凝土坍落度控制在15~25 mm之间;抹面完成后砂浆层厚度在1.0~2.5 mm之间;露石剂喷洒量为250±15 g/m2;并养生9~10 h,露石深度处于2.0~3.0 mm范围。混凝土的成熟度从258.60℃×hrs增加到308.33℃×hrs,清扫后露石深度从3.16 mm降低到2.54 mm。     

基于表面性能导向的机场道面混凝土最优配合比设计

为了解决基于材料力学强度准则设计的混凝土道面面层不能满足新型飞机使用要求的问题,提出了基于表面性能导向1的机场道面混凝土配合比设计的思想。分析了影响混凝土表面性能的参数,设计了冻融循环试验和耐磨耗试验,研究了含泥量、砂的细度模数、砂率和水灰比对道面混凝土表面性能的影响规律。结果表明:混凝土抗冻性和耐磨耗性能随水灰比和含泥量的增大而降低,细度模数和砂率对混凝土抗冻性和耐磨耗性能的影响存在极值,当细度模数为2.8,砂率为29%时,混凝土的抗冻性和耐磨耗性能最好。水灰比对表面性能的影响最大,其次是含泥量和细度模数,再次是砂率,得到的道面混凝土最优配合比为:水泥,320 kg·m~(-3),水,137.6 kg·m~(-3),砂,585 kg·m~(-3),粗集料中5~20 mm为639 kg·m~(-3),20~40 mm为781 kg·m~(-3)。     

疲劳荷载作用下钢筋混凝土构件裂缝宽度的计算方法

为了研究疲劳荷载作用下钢筋混凝土构件裂缝宽度的计算方法,研究了重复荷载作用下裂缝宽度的开展规律,对混凝土及钢筋材料疲劳性能对结构裂缝开展影响进行了分析;修正得到了疲劳荷载作用下钢筋混凝土构件裂缝宽度的计算公式。研究表明,钢筋混凝土受弯构件在疲劳荷载持续作用下,裂缝宽度整体上呈现出逐渐增大的趋势,但裂缝宽度变化率逐渐降低,最终进入稳定发展阶段;通过引入钢筋与混凝土黏结滑移相关参数以及受压区混凝土应变增大系数,修正得到的疲劳荷载作用下构件裂缝宽度公式计算结果与试验值吻合良好。     

预拌碎石对GMA浇注式沥青混凝土高温性能的影响

为研究预拌沥青碎石对钢桥面铺装结构高温抗车辙性能的影响,依据港珠澳大桥钢桥面铺装实体工程,开展GMA浇注式沥青混凝土的高温性能室内试验研究。首先设计GMA10和SMA13级配沥青混合料,然后制备不同预拌沥青种类(AH70#,SBS)、不同预拌沥青掺量(0.2%,0.4%,0.6%,0.8%)、不同粒径(5~10 mm,10~15 mm,15~20 mm)的单级配碎石,分析不同粒径、撒布量、撒布方式、预拌沥青种类与掺量对单层GMA浇注式沥青混凝土和组合结构(SMA+GMA)高温性能的影响。结果表明:预拌碎石撒布可显著提高GMA浇注式沥青混合料的高温性能;在其他相同条件下,撒布粒径10~15 mm的预拌碎石对提高GMA浇注式沥青混合料的高温性能最为明显,高达30%左右;随着预拌碎石撒布量的增加,GMA浇注式沥青混合料的高温改善作用逐渐增强,撒布量在10~12 kg/m2改善效果最佳;碎石撒布方式和预拌沥青的类型对提高浇注式沥青混合料的车辙动稳定度影响较小;随着预拌沥青掺量的增加,GMA浇注式沥青混合料高温性能改善作用先增强后减弱,预拌沥青掺量0.2%~0.6%较为合理;干拌碎石在浇注式沥青混合料中的的隔热效果优于预拌沥青碎石的;预拌沥青碎石的撒布改善了组合结构的高温抗车辙性能,车辙深度降低10%左右,车辙动稳定提高25%左右;组合结构70℃车辙动稳定度指标更能真实反映南方湿热高温环境下钢桥面铺装结构的高温抗车辙性能。     

隧道钢纤维混凝土衬砌支护实验与应用研究

进行了钢纤维喷射混凝土材料力学性能实验,得到不同钢纤维掺量下的试验梁力学性能。实验得出钢纤维掺量从40 kg/m~3增加到50 kg/m~3过程中,试件初裂强度提高10.1%,最大荷载提高18.3%,整体抗压性能显著提高;试件综合弯曲韧度指数先增大后降低,钢纤维掺量为45 kg/m~3时刻试件综合弯曲韧度指数达到最大。依托摩天岭隧道工程进行了湿喷15 cm厚钢纤维混凝土单层衬砌支护结构三维数值模拟,结果表明围岩塑性区主要影响范围显著减小,钢纤维喷射混凝土具备薄壁壳体特性,提高了单层衬砌支护结构稳定性;计算得到钢纤维混凝土衬砌支护结构最大支护轴力为7 640 kN,产生在洞口边墙顶端,最大弯矩为111.95 kN·m,产生在边墙角部,二者均满足15 cm厚钢纤维混凝土设计荷载要求。     

季冻区路面混凝土界面区劣化行为及与强度相关性

为了揭示季冻区路面混凝土界面区在自然环境与车辆荷载耦合作用下的劣化机理,以及界面区劣化对路面耐久性的影响,通过室内设计普通交通环境和超载条件下的荷载-冻融-干湿循环三场耦合试验模拟路面水泥混凝土实际工作环境,并与普通交通条件下的疲劳荷载单因素试验及荷载-冻融双场耦合试验进行对比,以探求季冻区路面混凝土界面区劣化的主要影响因素;采用扫描电镜观测和X射线能谱分析分别测定在混凝土处于不同耦合作用阶段的界面区细观结构、钙硅比变化;采用静态弯拉强度试验测定三场耦合下各阶段的混凝土力学性能,并采用多元回归分析方法揭示路面混凝土界面区劣化行为与混凝土强度的相关性。结果表明：季冻区路面混凝土运营时,车辆荷载主要引起混凝土界面区沿原生微裂缝的局部损坏;冻融循环伴随干湿交替的环境作用促使裂缝在各方向蔓延形成大片缺陷,且该界面区劣化行为是物理-化学过程。主要表现为,路面混凝土的抗弯拉强度呈下降趋势;界面区大量裂缝交叉贯通,密实度显著降低,氢氧化钙结晶析出;超载情况下,疲劳寿命急剧缩短,且界面区内部微裂纹的宽度显著增大。混凝土疲劳破坏时,界面区临界损伤阈值为：界面区宽度为70 μm;密实度为50.96%~54.25%;微裂缝最大长度在24.48~26.04 μm之间;微裂缝最大宽度在11.73~15.72 μm之间。可利用多元线性回归方程描述混凝土强度与界面区结构缺陷之间的定量关系,各结构参数对强度影响程度从大到小依次为：密实度、裂纹宽度、裂纹长度。     

钢板条-UHPC组合桥面结构静力及疲劳试验

应用UHPC加固正交异性钢桥面时，由于钢面板存在贯穿型裂缝导致UHPC底面抗裂无法满足要求，提出一种新型钢板条-UHPC组合桥面结构。对12个正弯矩作用下钢板条-UHPC组合桥面构件进行静力参数试验，讨论构件的破坏模式及裂缝的发展与分布；对4个构件进行抗弯疲劳试验，研究构件在不同荷载幅作用下的刚度衰减、裂缝扩展、剩余强度，并提出适用于该类构件的S-N曲线。研究结果表明：带钢板条构件裂缝宽度达到0.05 mm时，具备超过20.1~28.0 MPa的名义开裂强度，相比无钢板条构件的7.2~9.7 MPa，对UHPC的抗裂性能强化作用明显；提高钢板条宽度对于UHPC的开裂抑制作用明显，可有效降低平均裂缝间距而延缓裂缝宽度的持续扩展；提高钢板条宽度与UHPC层厚均可大幅提高组合桥面构件的刚度，使得构件在弹性极限后进入更高的强化阶段；钢板条-钢面板连接方式对于构件的破坏模式和裂缝发展无影响；荷载比S≤0.43时，构件在1 000万次疲劳作用后，刚度未现折减，裂缝宽度仅0.03 mm，可认为当S<0.43时，构件具备无限疲劳寿命；S≥0.76时，构件早期存在极高的损伤积累，当刚度开始衰减后，短期内即会达到疲劳寿命极限；对于S为0.43~0.76的构件，UHPC裂缝扩展缓慢，开裂后在短期内不会出现明显刚度衰减，剩余疲劳寿命较高；直接采用目前的疲劳寿命评估方法对4个构件的进行评估，结果差别较大；结合试验结果，提出了针对钢板条-UHPC组合构件的S-N曲线，可为类似结构的疲劳寿命评估提供参考。     

薄层环氧桥面铺装材料低温性能研究

采用三点弯曲断裂、疲劳试验,室内加速加载磨耗试验和温缩系数试验研究薄层环氧铺装材料的低温性能。试验结果表明在-10℃时其弯拉断裂应变大于4 000μm/m。当加载的疲劳应变大于1 000μm/m时,仍表现出很好的低温抗疲劳性能。加速加载磨耗次数达到6万次后表面构造浓度大于1 mm,温缩系数为5.88×10-5/℃,水泥混凝土板表面浮浆清除和糙面处理可有效地增加界面黏结强度,以抵抗低温收缩应力,避免层间黏结不足而产生的脱层问题。     

刚性结构水泥混凝土道面砂浆恢复层材料研究

水泥混凝土道面砂浆层易为行车荷载磨损破坏,修复时因结构受力及新旧材料变形差异影响,处理难度大、使用寿命低.针对上述问题,研发出水泥混凝土道面超薄罩面修补材料.与普通水泥混凝土修补材料相比,该材料具有早强、快硬、收缩低、干缩性能优异、抗冲击性能优异等优点,2h抗压强度可达20 MPa,28 d的干缩率为5×10-5.借助差热分析和扫描电镜,研究了超薄罩面修补材料的微观结构;实体工程验证了其铺筑简单的特点,使用效果佳,便于推广.     

硅烷浸渍实施条件对公路结构混凝土防护效果研究

研究了两种硅烷材料及涂刷和浸没浸渍工艺对不同强度等级混凝土结构的浸渍深度、吸水率、抗氯离子渗透性能、抗冻融循环性能等的影响规律,分析了硅烷浸渍实施条件对各强度等级混凝土结构防护作用的效果。结果表明:硅烷材料对混凝土的浸渍深度能够达到4~11mm,且在各种浸渍实施条件下,混凝土强度等级越低,硅烷浸渍深度越高;硅烷浸渍混凝土的吸水率降低幅度可以达到90%以上,满足不大于0.01mm/min1/2的要求,且混凝土强度等级越低,吸水率降低效果越明显;硅烷浸渍可以提高混凝土抗氯离子渗透性和抗冻融循环性。不同硅烷材料浸渍对混凝土结构防水效果的提升作用效果不同,涂刷工艺要好于浸没工艺。     

浇注式沥青混凝土复合铺装的高温稳定性能研究

为提高浇注式沥青混凝土复合铺装的高温性能,减少铺装层在行车荷载作用下产生的高温车辙现象,本文将复合铺装层间接触状态分为未撒布碎石和撒布碎石2种情况,提出以动态机械分析试验方法(dynamic mechanical analysis,DMA)和车辙动稳定度方法评价浇注式沥青混凝土复合铺装高温稳定性能,通过四点弯曲试验和车辙试验研究复合铺装层高温性能,研究层间接触状态对复合铺装结构高温稳定性能的影响。研究结果表明,采用DMA试验方法和车辙动稳定度方法能有效评价复合铺装结构的高温稳定性能;浇注式+碎石+SMA复合铺装动态模量和动稳定度高于浇注式+SMA复合铺装相应数值;碎石粒径越大和用量越多对复合铺装动稳定度影响显著,推荐采用13.2～19 mm粒径碎石,推荐用量为10 kg/m~2。     

高性能混凝土组合梁受弯性能研究

本文研究了利用钢筋普通混凝土(NC)和高性能混凝土(HPC)叠合而成的组合构件的弯曲承载能力和变形性能。所探讨的钢筋混凝土组合梁的横截面尺寸为120mm×200mm,有效跨径为2950mm。这种组合结构的一般形式为将高性能混凝土作为组合梁的受压部分同时普通混凝土作为其受拉部分分层浇筑成型。分析结果表明,与全截面混普通混凝土梁或全截面高性能混凝土梁相比,组合梁在结构性能上有相当程度的提高。     

不同轴拉性能的超高性能混凝土圆环约束收缩性能

开展2种不同轴拉性能（高应变强化型和应变软化型）的超高性能混凝土（UHPC）的圆环约束收缩性能研究。首先对高应变强化型UHPC及应变软化型UHPC进行单轴拉伸试验及声发射实时损伤定位试验，得到不同龄期时（2，7，28，80 d） UHPC的轴拉应力-应变曲线及其拉伸损伤演化机制。随后对2种UHPC进行圆环约束试验，得到UHPC内钢环的压缩应变-龄期曲线。最后基于高应变强化型UHPC及应变软化型UHPC的轴拉性能（应变强化与否）、抗拉强度发展规律及拉伸损伤演化机制，分析2种UHPC的圆环约束收缩机理。研究结果表明：高应变强化型UHPC的内钢环压缩应变-龄期曲线出现大量幅值小于10×10^-6的锯齿形波动，对应产生的微裂纹宽度小于0.01 mm，与裂缝测宽仪（精度为0.01 mm）在UHPC圆环试件上始终未检测到微裂纹的结论相一致；应变软化型UHPC的内钢环压缩应变随着龄期出现了4次较明显的瞬时突变（28×10^-6，53×10^-6，41×10^-6，18×10^-6），且裂缝测宽仪在UHPC表面检测到了4条微裂缝（0.035，0.050，0.040，0.020 mm），由于拉伸软化特性，后续在其他荷载作用下会导致裂缝持续扩展；高应变强化型UHPC的应变强化特性使其在约束状态下产生的拉应力以多点分布微裂纹（宽度小于0.01 mm）的形式逐步小幅释放，应变软化型UHPC在约束作用下产生的拉应力通过多缝开裂（宽度小于0.05 mm）的方式瞬时部分释放。     

大型公路隧道防火沥青面层的设计

通过室内性能试验与模拟燃烧试验对水泥混凝土、AC、SMA和OGFC几种路面材料的路用性能、沥青含量和防火性能进行对比分析。研究结果表明,利用高粘度改性沥青配制的OGFC-13动稳定度达到7000次/mm以上,飞散损失仅为4.25%,构造深度在1.7mm以上,结构稳定,抗滑性能好;同时OGFC面层沥青用量少,其大空隙率结构可有效控制汽油燃烧的火势,防火性能甚至优于水泥混凝土路面。用高粘度改性沥青配制的OGFC更适于作为大型公路隧道沥青面层材料。     

水泥路面混凝土配合比设计与耐久性研究

针对水泥混凝土路面耐久性问题,首先给出了脆性系数、断裂韧性与弯拉弹性模量三个评价指标,然后设计并进行了四因素(水灰比、砂率、水泥用量、水泥细度)五水平二次回归正交试验。通过实验数据分析得出结论:水泥混凝土在抵抗裂纹扩展方面最优设计配合比为水灰比:0.41;砂率:37.5%;水泥用量:406 kg/m~3;水泥细度:375 m~2/kg;水泥混凝土在刚度方面最优配合比考虑为水灰比:0.41;砂率:32%;水泥细度:300 m~2/kg;综合四因素考虑最终给出了路面水泥混凝土耐久性配合比建议范围:水灰比:0.38~0.41;砂率:35.2%~37.5%;水泥用量:390~406 kg/m~3;水泥细度:375~420 m~2/kg。     

高性能钢管混凝土组合桁梁桥

提出一种新型桥梁结构形式——高性能钢管混凝土组合桁梁桥。从结构性能方面阐述该组合桁梁桥高效传力机制、高性能结构构件及节点力学性能,从预制件划分、存放、运输、拼接方面阐述组合桁梁桥高效装配施工性能,从防灾性能方面对组合桁梁桥与混凝土梁桥进行抗震性能有限元对比分析,从耐久性能、可维护性能及环保性能方面论述组合桁梁桥良好的服役性能。结果表明：高性能钢管混凝土组合桁梁桥各杆件受力明确,杆件材料利用率高,结构刚度大,当结构跨径达到80 m时,用钢量指标仍在400 kg·m^-2以下;PBL加劲型等宽钢管混凝土节点可有效改善节点传力性能、静力破坏模式及抗疲劳性能;PBL加劲型矩形钢管混凝土构件可改善钢混界面传力及钢管局部屈曲性能,有效提高构件承载力;组合桁梁桥主桁单元、桥面板单元、桥墩单元可在工厂标准化生产,预制构件单元质量可控,现场装配速度快,施工周期短;与混凝土箱梁桥相比,组合桁梁桥结构体系地震响应内力下降显著,反应谱分析中纵桥向墩底弯矩与剪力下降达94.0%、81.2%,时程分析中纵桥向墩底弯矩下降达91.6%;采用可更换桥面板构件、桥墩系梁构件使组合桁梁桥全寿命周期性能优异。可见,矩形钢管混凝土组合桁梁桥是一种装配式高性能桥梁结构体系,可为中国中等跨径公路装配化桥梁设计提供参考。     

井周路面病害特性及平整度模型研究

为研究井周路面病害特性及路面平整度模型,对济南市经十东路、新泺大街、天辰路、雪山路总计600处检查井及井周路面展开病害调查,分析病害特性,测试经十东路井周路面及常规路面平整度,基于谐波叠加法构建井周路面及常规路面平整度模型。研究结果表明:检查井及井周路面病害以检查井沉陷及路面裂缝类为主;井周路面病害区域半径一般为0.4～0.8 m;检查井沉陷量一般为0～10 mm,检查井上、下行处沉降差导致的坡度差一般为-1%～1%;经十东路上,常规路面平整度标准差、国际平整度指数、最大间隙值、行驶质量指数和路面功率谱密度分别为0.6 mm、1.02 m/km、3.0 mm、95.2和9.0×10~(-6)m~2/m,路面行驶质量评价为优,平整度等级为A;而井周路面相应指标分别为6.2 mm、10.3 m/km、35.0 mm、4.5和41.0×10~(-6) m~2/m,路面行驶质量评价为差,路面平整度等级为B,井周路面平整度状况明显比常规路面差。     

聚氨酯-环氧沥青混凝土钢桥面铺装体系性能研究

为了研究聚氨酯-环氧沥青混凝土钢桥面铺装体系的路用性能,将聚氨酯-环氧沥青混凝土和进口环氧沥青混凝土的路用性能进行对比研究,测试了不同防水粘结材料与铺装层的结合强度,研究了3种聚氨酯-环氧沥青混凝土铺装体系的组合结构性能。结果表明:1)聚氨酯-环氧沥青混凝土具有比进口环氧沥青材料更加优异的路用性能; 2)相对TOPEVER和Chem Co环氧粘结剂,自制二阶反应环氧防水粘结剂的粘结效果最优,宜作为聚氨酯-环氧沥青混凝土铺装体系的防水粘结材料; 3) 3种聚氨酯-环氧沥青混凝土铺装组合结构均具有优异的层间粘结性能和高温稳定性,其疲劳耐久性尤为突出。