多功能轻骨料混凝土桥面铺装层新材料应用研究报告(简版).pdf

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1、广东省交通科技网 h t t p:/j t k j.g d c d.g o v.c n/广东省交通运输厅科技研究成果【多功能轻骨料混凝土桥面铺装层新材料应用研究】项目项目研究研究报告报告(公开简版)项目名称：项目名称：多功能多功能轻质高强混凝土轻质高强混凝土桥面铺装层新材料应用研桥面铺装层新材料应用研究究 项目负责人：项目负责人：钱钱 亮亮 承担单位：广东省长大公路工程有限公司承担单位：广东省长大公路工程有限公司 项目起止时间：项目起止时间：2002009 9 年年 3 3 月至月至 20201010 年年 1010 月月 二二一一年年八八月月 项目编号项目编号 2009-04-007 项目密

2、级项目密级 机密机密 广东省交通科技网 h t t p:/j t k j.g d c d.g o v.c n/广东省交通运输厅科技研究成果【多功能轻骨料混凝土桥面铺装层新材料应用研究】多功能轻质高强混凝土桥面铺装层新材料应用研究 II 目目 录录 第一章第一章 前前 言言 .5 5 1.1 研究背景及意义.5 1.1.1 轻质高强混凝土的发展历程与现状.5 1.1.2 轻质高强混凝土的特性.7 1.2 课题的提出.8 1.3 主要研究内容.10 第二章第二章 桥面铺装层结构设计与界面处理技术桥面铺装层结构设计与界面处理技术 .1111 2.1 桥面铺装层结构设计.11 2.1.1 桥面铺装层结

3、构设计方案.11 2.1.2 铺装层结构设计.12 2.2 有限元模型计算.12 2.2.1 有限元模型选定.13 2.2.2 基本假设.13 2.2.3 铺装方案参数选定.13 2.3 研究桥面铺装防水粘结层的处理工艺.14 2.3.1 界面粘结剂的物理力学性能和粘结性能.14 2.3.2 防水粘结层施工性.16 2.4 本章小结.16 第三章第三章 桥面铺装层原材料性能与配合比设计桥面铺装层原材料性能与配合比设计 .1717 3.1 原材料性能及试验.17 3.2 原材料管理.18 3.2.1 轻粗骨料.18 3.2.2 胶凝材料.19 3.2.3 其它组分.21 3.3 轻质高强混凝土配

4、合比设计原则.21 3.4 轻质高强混凝土配合比优化.23 3.4.1 基准配合比设计.23 3.4.2 正交试验.24 3.4.3 正交分析.24 3.5 本章小结.25 第四章第四章 轻质高强混凝土轻质高强混凝土工作性及匀质性评价方法工作性及匀质性评价方法 .2626 4.1 评价体系.27 4.2 轻质高强混凝土抑制上浮技术措施.28 4.2.1 控制轻骨料的粒形及最大粒径.28 4.2.2 减小水泥浆体和轻骨料之间的密度差.29 广东省交通科技网 h t t p:/j t k j.g d c d.g o v.c n/广东省交通运输厅科技研究成果【多功能轻骨料混凝土桥面铺装层新材料应用研

5、究】多功能轻质高强混凝土桥面铺装层新材料应用研究 III 4.2.3 提高浆体的粘度.34 4.2.4 掺入聚丙烯纤维形成网状结构.35 4.3 本章小结.37 第五章第五章 轻质高强混凝土轻质高强混凝土力学性能的研究力学性能的研究 .3838 5.1 轻骨料种类.38 5.2 预湿时间.40 5.3 矿物掺合料.41 5.3.1 单掺粉煤灰.41 5.3.2 单掺矿粉.42 5.3.3 复掺矿物掺合料.43 5.4 体积砂率.44 5.5 本章小结.45 第六章第六章 轻质高强混凝土轻质高强混凝土耐久性的研究耐久性的研究 .4646 6.1 抗氯离子渗透性能研究.47 6.1.1 试验方法.

6、47 6.1.2 试验结果与分析.48 6.2 抗渗性能研究.51 6.3 抗硫酸盐侵蚀研究.52 6.4 碳化性能研究.54 6.5 钢筋锈蚀试验研究.58 6.5.1 试验方案.58 6.5.2 试验数据分析.59 6.6 轻质高强混凝土耐磨性研究.60 6.7 轻质高强混凝土断裂韧性研究.62 6.8 本章小结.64 第七章第七章 轻质高强混凝土轻质高强混凝土桥面铺装层抗裂技术研究桥面铺装层抗裂技术研究 .6565 7.1 轻质高强混凝土组成及配合比对抗裂性的影响.65 7.1.1 试验方法及评价标准.65 7.1.2 试验结果分析.66 7.2 轻骨料微观机构分析抗裂性能.72 7.2

7、.1 轻质高强混凝土与普通混凝土界面电镜对比.72 7.2.2 轻质高强混凝土抗裂机理探讨.72 7.3 本章小结.73 第八章第八章 轻质高强混凝土轻质高强混凝土施工技术研究与质量控制施工技术研究与质量控制 .7474 8.1 轻质高强混凝土拌合、运输与泵送工艺.74 8.1.1 轻质高强混凝土搅拌工艺.74 8.1.2 混凝土的运输.75 广东省交通科技网 h t t p:/j t k j.g d c d.g o v.c n/广东省交通运输厅科技研究成果【多功能轻骨料混凝土桥面铺装层新材料应用研究】多功能轻质高强混凝土桥面铺装层新材料应用研究 IV 8.1.3 混凝土的泵送.75 8.2

8、轻质高强混凝土现场施工工艺.76 8.2.1 混凝土施工流程.76 8.2.2 浇筑与振捣.76 8.2.3 整平与抹面.77 8.3 轻质高强混凝土养护.77 8.4 轻质高强混凝土刻痕.78 8.5 本章小结.78 第九章第九章 轻质高强混凝土轻质高强混凝土桥面铺装新材料应用桥面铺装新材料应用 .7979 9.1 工程简介.79 9.2 工程设计施工要求及配合比设计.81 9.2.1 工程的设计要求.81 9.2.2 工程用原材料试验结果.82 9.2.3 工程现场用配合比.83 9.2.4 轻质高强混凝土检测试验结果.83 9.3 汾江大桥桥面铺装轻质高强混凝土现场施工.84 9.3.1

9、 混凝土结合面界面处理.84 10.3.2 钢筋工程.86 9.3.2 轻质高强混凝土的拌合.88 9.3.3 现场轻质高强混凝土施工.88 9.3.4 硬化后桥面铺装层轻质高强混凝土性能.91 9.4.3 效益分析.92 第十章第十章 结论结论 .9494 广东省交通科技网 h t t p:/j t k j.g d c d.g o v.c n/广东省交通运输厅科技研究成果【多功能轻骨料混凝土桥面铺装层新材料应用研究】多功能轻质高强混凝土桥面铺装层新材料研究应用 5 第一章第一章 前前 言言 1.1 研究背景及意义研究背景及意义 本课题是 2009 年广东省交通厅推广项目之一，课题编号：200

10、9-04-007。课题计划时间为两年，研究时间及推广应用时间各为 1 年，课题按照预定计划取得了理想的研究成果。多功能轻质高强混凝土具有轻质、高强、抗震性能优良等特点，适应现代公路桥梁的发展方向大跨径、美观、耐久于一体。轻质高强混凝土在规范（轻质高强混凝土应用技术规程）中定义为：用轻质粗骨料、轻质细骨料、水泥和水配制而成的干表观密度不大于 1950kg/m3的混凝土。本课题对多功能轻质高强混凝土从原材料选择、配合比设计优化、拌合物工作性能研究、硬化混凝土力学性能、耐久性、抗裂性及其施工技术等方面展开研究，并成功应用于佛开高速汾江大桥主桥面铺装层维修工程中。1.1.1 轻质高强混凝土轻质高强混凝

11、土的发展历程的发展历程与现状与现状 1920 年以来人类已经开始开发以人造轻骨料作为基本材料的轻质高强混凝土，SJ 海德是最早运用回转窑烧制膨胀粘土轻骨料的先驱者之一。到 1928 年，美国开始把这种方法运用于商业生产，西欧在第二次世界大战以后才开始有了轻骨料的生产。随着 50 和 60 年代的快速发展，我国也开始人造陶粒的烧制。1968年在英国伦敦第一届国际轻混凝土会议的召开，将轻质高强混凝土的发展分成了两种方向:一是用于结构的轻质高强混凝土，即用于加筋量很大的承重混凝土，甚至用于预应力混凝土；第二是用于生产混凝土制品(如砌块和外墙挂板等)。到70 年代，美国和前苏联开始研究人造陶粒，陶粒产

12、量突飞猛进地增长，自 1993年以来，其轻骨料的使用量每年保持在 350 万吨以上的高水平，其主要品种有粘土类、页岩类和粉煤灰类轻骨料，其中用于结构混凝土的轻骨料用量在 80 万吨左右。当今，挪威、日本等一些国家在具有轻质高强、高耐久性等优点的高性能轻质高强混凝土的研究和应用方面走在世界前列，其研究内容涉及高性能轻质高强混凝土的配方、生产工艺、轻骨料的研究等方面，重点在于改善轻质高强混凝土广东省交通科技网 h t t p:/j t k j.g d c d.g o v.c n/广东省交通运输厅科技研究成果【多功能轻骨料混凝土桥面铺装层新材料应用研究】多功能轻质高强混凝土桥面铺装层新材料研究应用

13、6 的工作性和耐久性，并取得了一定的成果，技术也逐渐成熟。挪威是世界上结构轻质高强混凝土和高强混凝土应用最先进的国家之一。自 1987 年以来，已经用高强轻质高强混凝土施工了 11 座桥梁（包括世界上最长的悬臂桥之一挪威的 Raftsund 桥，采用了 LC60 级的泵送高强轻质高强混凝土）和数座海上石油平台。日本在轻骨料及其混凝土方面的研究及其应用都处于领先地位。1998 年，日本采用高强粉煤灰轻骨料研制出 28 天强度 80MPa、干表观密度小于 2100kg/m3的高强轻骨料泵送混凝土，并在一座铁路桥上成功试用了该预应力混凝土。日本人工轻骨料协会还对钢纤维增强轻质高强混凝土进行了研究，并

14、于 1999 年将其用在阿佐线物部川铁道桥上。目前，欧洲正在研究制定统一的关于轻骨料及其混凝土的标准与规范，包括其材料、耐久性、结构分析、极限状态、使用限制状态、配筋细则、构件细则、轻质高强混凝土结构、普通和少筋混凝土结构等内容。我国轻质高强混凝土的生产和应用较国外要晚，主要是从人造轻骨料的研制开始。1956 年山东博山利用水泥回转窑试制成功我国第一批粘土陶粒之后，并先后研制成功了页岩陶粒和烧结粉煤灰陶粒等人造轻骨料，值得注意的是 20 世纪90 年代之前，我国轻质高强混凝土的应用仍主要用于低强度的非承重结构，如生产小砌块等；而从 1968 年成立的南京长江三桥轻质高强混凝土桥面板研究组对轻质

15、高强混凝土的配制、结构、疲劳性能做了全面的研究；上海同济大学研制的轻质高强混凝土结构在地震烈度为 9 级时，仍能保证不倒；上海建科所、铁道部大桥局和铁道部科学研究院等单位合作对非预应力轻质高强混凝土在桥梁方面的应用做了比较全面的研究，已建成的 32 座 1621.4m 的中小跨度桥梁通过 30几年的使用后，实测强度仍比设计强度高一倍，并且其耐久性能良好。近几年，在国内外高性能、高强混凝土技术迅速发展的推动下，我国高性能轻质高强混凝土的发展出现了新的契机。我国轻骨料的产量不断提高，上海、宜昌等地形成了一定的生产规模，轻骨料的品质也不断得到提高，高强高性能轻质高强混凝土的应用也日益广泛。如江苏小野

16、田混凝土有限公司为江苏南京太阳宫广场混凝土工程提供 LC50 高强轻质高强混凝土；江汉大桥采用 LC40 泵送轻质高强混凝土；珠海国际会议中心使用 LC30 泵送轻质高强混凝土；铁道部大桥局将LC40 粉煤灰陶粒高强混凝土应用于金山公路跨度为 22 米的预应力桥梁等。不难看出，高性能轻质高强混凝土正在迎来一个快速发展的时期。许多专家通过大量试验研究认为轻质高强混凝土具有比普通密度混凝土更广东省交通科技网 h t t p:/j t k j.g d c d.g o v.c n/广东省交通运输厅科技研究成果【多功能轻骨料混凝土桥面铺装层新材料应用研究】多功能轻质高强混凝土桥面铺装层新材料研究应用 7

17、 好的抗渗性能、抗冻融循环能力以及抗硫酸盐侵蚀能力。龚洛书等对中低强度等级的轻质高强混凝土的耐久性进行了大量研究与统计，推导出其收缩徐变的基本方程，后来又对强度等级为 LC40 的轻质高强混凝土进行了补充研究，为确定轻质高强混凝土的收缩、徐变等变形性能提出了指导意见。刘巽伯认为混凝土的收缩、徐变等变形性能主要由粗集料的弹性模量决定。轻骨料的弹性模量较普通粗集料小，对水泥浆的收缩限制能力低，因而轻质高强混凝土的收缩变形大于普通混凝土。但是，由于轻骨料对水泥浆收缩的限制能力低，因而轻骨料周围所形成的收缩应力也小于普通混凝土，从而集料与水泥石基体界面所产生的微裂缝等缺陷也相应减少，更有利于混凝土的强

18、度和耐久性能。宋培晶等采用低吸水率轻骨料配制 28 天强度为 5565MPa 的高性能轻质高强混凝土，测得其 180 天龄期时的收缩率范围是 52010-677010-6。王发州、胡曙光等研究了高强轻质高强混凝土的收缩特性及其影响因素，结果表明：轻质高强混凝土早期收缩率低于普通混凝土，而后期收缩率远远大于普通混凝土，高强轻质高强混凝土在 28 天以后仍具有较大的收缩。总体上看，国内高强轻质高强混凝土的研究与应用水平都在不断提高，但与轻质高强混凝土研究与应用水平较高的国家相比仍然有不少差距。目前，国外已有大量工程使用了 LC50LC60 的高强轻质高强混凝土，而我国实际工程应用的轻质高强混凝土强

19、度等级仍然主要集中在 LC50 以下。本课题的研究成果对今后珠江三角洲地区应用轻质高强混凝土具有重大指导意义，利于轻质高强混凝土的进一步推广应用。1.1.2 轻质高强混凝土轻质高强混凝土的特性的特性 轻质高强混凝土(又名轻质高强混凝土，Lightweight Aggregate Concrete)是指用轻粗骨料、轻细骨料(或普通砂)、水泥和水，必要时加入化学外加剂和矿物掺合料配制而成的，并且在标准养护条件下，28 天龄期的干表观密度小于1950kg/m3的混凝土。轻质高强混凝土的强度等级用 CL(或 LC)表示。强度等级达到 LC30 及以上者称为高强轻质高强混凝土。一般来说，高强轻质高强混凝

20、土具有如下优点：(1)轻质高强：LC30 以上的高强轻质高强混凝土的表观密度为 1600 广东省交通科技网 h t t p:/j t k j.g d c d.g o v.c n/广东省交通运输厅科技研究成果【多功能轻骨料混凝土桥面铺装层新材料应用研究】多功能轻质高强混凝土桥面铺装层新材料研究应用 8 -1900kg/m3，比相同强度等级的普通密度混凝土轻 20%-30%。(2)隔热保温性能好:表观密度为 1750kg/m3，的高强轻质高强混凝土的导热系数为 0.84w/m.k，大大低于普通密度混凝土的导热系数 15w/m.k。22cm 厚的轻质高强混凝土墙板热阻值相当于 37cm 砖墙。(3)

21、耐火性好：一般建筑物发生火灾时，普通密度混凝土耐火时间为 1 小时，而轻质高强混凝土的耐火时间达 4 小时。在 600高温下，轻质高强混凝土能维护室温强度的 85%，而普通密度混凝土只能维持 35%75%。(4)抗震性能好：轻质高强混凝土由于密度轻、弹性模量低、变形性能好。因而抗震性能好。轻质高强混凝土相对抗震系数为 109，普通密度混凝土为 84，砖砌体为 64。1976 年唐山地震，天津的四栋轻质高强混凝土大板建筑基本完好，震后照常使用，但周围的砖混建筑都有不同程度的破坏。(5)抗渗性好：由于高强轻质高强混凝土的“双微孔”微泵性能，其界面粘结非常好，堵住了水路，抗渗性能优良。宁波建造的两条

22、轻质高强混凝土囤船，水上作业十余年仍未出现渗漏现象。(6)综合技术经济效果好：尽管高强轻质高强混凝土单方造价比同强度等级的普通密度混凝土高，但由于其减轻了建筑物的自重、降低基础处理费用，缩小结构断面和增加使用面积，可降低工程造价 5-10%，因而具有显著的综合经济效益。由于轻质高强混凝土一系列的优点，一直以来轻质高强混凝土的研究、开发与应用都是国内外学者与工程界关注的热点之一。从现状来看，国内轻骨料的生产技术和品质能够和国外的相媲美，也使轻质高强混凝土在结构中使用提供可能。1.2 课题的提出 轻质高强混凝土的孔隙结构与特征，使骨料具有吸水和放水效应，轻骨料的这种能吸水和放水特性，被称之为轻骨料

23、的“微泵效应”，造成了骨料颗粒表面的局部低水胶比，增加了骨料表面附近区域水泥石的密实性，同时减少或避免了骨料底部由于内分层现象所形成的水囊，提高了骨料与砂浆的粘结力；此外，由于轻骨料表面粗糙且多微孔，水泥水化产物会渗入轻骨料的孔穴和缝隙中，进一步提高了骨料和砂浆界面的密实度和粘结强度,这也是很多研究者认为的轻骨料强度理论基础之一“界面增强理论”。同时对于轻质高强混凝土而言，轻骨广东省交通科技网 h t t p:/j t k j.g d c d.g o v.c n/广东省交通运输厅科技研究成果【多功能轻骨料混凝土桥面铺装层新材料应用研究】多功能轻质高强混凝土桥面铺装层新材料研究应用 9 料颗粒呈

24、多孔结构，其强度和弹性模量比碎石低，可能作为复合软基材料，也可成为复合硬基材料，取决于水泥石与轻骨料强度的相对大小，基于刘巽伯教授的水泥石强度概念，我们指出采用轻骨料配置混凝土时水泥石强度最高值，使轻骨料与水泥石之间强度匹配，保持两者之间的协调一致，减少原始微裂纹，又能发挥各自强度获得较高力学和耐久性能，同时还可以获得较高的性价比。由于轻骨料轻质且强度较低的特点，这既是专家提出轻骨料配合比设计理论之一“强度匹配原则”，使其能够达到 LC40 以上等级。当然，针对轻质高强混凝土各种性能与普通混凝土的不同，在结构和性能方面也有所不同。一直以来都较少将轻质高强混凝土用于承重结构中，高强轻质高强混凝土

25、的研究与应用未能快速发展，目前我国对应用于大跨度结构的高强轻质高强混凝土的力学性能研究及高强轻质高强混凝土的抗裂性能研究开展较少，同国外相比还有一定差距，因此有必要对于结构用轻质高强混凝土早期收缩和抗裂性进行系统的研究。近年来，旧桥改造桥面铺装材料和结构的研究与开发虽取得较大进展，但到目前为止，既经济又能彻底解决问题的桥面铺装材料以及与之相配套的工艺仍有待进一步研究和开发。在对旧桥面进行更新处理时，目前普遍采用重新浇注普通高强混凝土或沥青混凝土铺装层，这种维修方案仍然不能改善重交通路和超载带来的桥下挠和腹板开裂等病害。从长远观点看，轻质高强混凝土在旧桥桥面铺装改造中将越来越显示出其应有的优势。

26、首先，对原有混凝土桥面采用轻质高强混凝土进行更新处理，降低桥面自重荷载，从而提高桥梁承载能力。其次，轻质高强混凝土大大降低桥面自重，减少使用预应力张拉钢筋束，减少旧桥面的二期恒载，对于旧桥面的安全性有很大的保证。第三，公路桥梁具有交通流量大、坡度大、荷载密集和噪声集中等特点，这就对桥面的抗滑、耐磨和增韧性能提出了较高的要求，而轻骨料自身具有耐磨、多孔等特点，采用轻质高强混凝土作为桥面铺装层材料，可以对桥梁混凝土桥面进行耐磨、抗滑和增韧等进行功能可设计研究。开发具有耐磨功能的高强、高韧、抗裂性能好和高耐久新型桥面铺装开发具有耐磨功能的高强、高韧、抗裂性能好和高耐久新型桥面铺装轻质高轻质高强混凝土

27、强混凝土及其结构形式，建立与之相配套的施工工艺和质量控制技术体系，对于及其结构形式，建立与之相配套的施工工艺和质量控制技术体系，对于旧旧桥桥面维修工程具有重要意义。桥桥面维修工程具有重要意义。因此，开发多功能高强轻质高强混凝土桥面铺装层新材料，进行这种桥面铺装层结构设计，对桥面板的抗裂性能进行研究具有重要的工程意义和广阔的市场前景。综上所述，本课题中所研究推广的材料对于提高我国旧桥的安全性，延长其服役期，对于提高产出与投入比值，加快我省经济发展，建设节约型社会具有重要的现实意义。另一方面，可以降低交通噪音，广东省交通科技网 h t t p:/j t k j.g d c d.g o v.c n/

28、广东省交通运输厅科技研究成果【多功能轻骨料混凝土桥面铺装层新材料应用研究】多功能轻质高强混凝土桥面铺装层新材料研究应用 10 改善人们生活质量，保护环境与生态。1.3 主要研究内容 本课题依据“强度匹配原则”及“界面增强理论”进行轻质高强混凝土配合比的设计和优化，制备桥面铺装层用高强轻质高强混凝土，使其达到较好的工作性、匀质性、耐久性和抗裂性，并主要从以下几个方面进行试验研究分析：（1）桥面铺装层结构设计与界面处理技术研究；利用有限元分析铺装层厚度、剪力键尺寸、布置方式对铺装层力学特性（即铺装层的最大拉应力、层间剪应力和位移等）的影响规律；并通过采用专用的界面粘结剂来提高梁体和铺装层新材料之间

29、的整体性。（2）耐磨、高强、抗裂轻质高强混凝土桥面铺装层材料的配合比设计与优化；依据“强度匹配原则”和“界面增强理论”选择原材料，并按照高强轻质、高耐久性和抗裂性强的设计原则，进行轻质高强混凝土配合比设计。采用复掺纤维、研制专门聚羧酸外加剂等技术手段，提高桥面铺装层用轻质高强混凝土的工作性、匀质性、耐久性和抗裂性；按照耐久性和抗裂性评价方法来优化配合比各设计参数，使配制的混凝土能够到达最优。（3）轻质高强混凝土的聚羧酸系专用外加剂的开发 将消泡组分、引气组分、增粘组分和缓凝剂组分与聚羧酸系减水剂母液复配，研究其不同组分对混凝土坍落度、经时损失、匀质性（离析率）和强度等性能的影响规律，调整聚羧酸

30、系复合专用外加剂气-固，气-液界面能，改善混凝土匀质性质量，提出最优的聚羧酸系复合外加剂的复配方案，提高混凝土的工作性能、匀质性和耐久性，保证混凝土能够满足施工需要。（4）耐磨、抗滑、抗裂的轻质高强混凝土施工与质量控制技术研究；轻质高强混凝土桥面铺装属于新技术、新工艺，通过对其铺装工艺和质量控制技术进行系统的研究，形成一套熟练、高效和操作简单的施工技术，并制定 桥面铺装层轻质高强混凝土施工工法 广东省交通科技网 h t t p:/j t k j.g d c d.g o v.c n/广东省交通运输厅科技研究成果【多功能轻骨料混凝土桥面铺装层新材料应用研究】多功能轻质高强混凝土桥面铺装层新材料研究

31、应用 11 第二章第二章 桥面铺装层结构设计与界面处理技术桥面铺装层结构设计与界面处理技术 桥面铺装层长期置于自然环境中，承受着以交通为主的载荷一卸荷的作用，因此，要求桥面铺装混凝土具有足够的抗折强度、足够的刚度、高的抗冲击性能、优良的耐磨性能和抗裂性能，并要求梁体混凝土与铺装层混凝土的整体粘结能力，铺装层结构设计的铺装方案也显得尤为重要。为此，有必要对桥面铺装层混凝土材料的结构和性质进行改进，以满足抗裂、防水和高韧性等性能的需要。2.1 桥面铺装层结构设计桥面铺装层结构设计 2.1.1 桥面铺装层结构设计方案桥面铺装层结构设计方案 桥面铺装是铺设在水泥混凝土桥面板上的，在受力方面属于较特殊的

32、复合结构，不同于一般的路面结构，应考虑它的承载能力。桥面铺装的主要目的是保护桥面板，提高桥面板的耐久性及服务寿命。因此，桥面铺装设计的主要目的或设计的主要任务是如何控制和减少开裂或避免裂缝出现，以及如何确定出合适的铺装层厚度，而不用考虑其能为桥梁结构分担多少荷载，只需考虑当梁板受力或变形时，由于其必须协同作用而对它的影响。因此我们对桥面铺装层进行设计时英选择一下两项技术措施：（1）针对超载作用下变形大的特点，需选用一种变形能力较强、抗拉强度较大的铺装层，才能适应桥面板变形，不至于使铺装表面开裂。钢纤维增强轻质高强混凝土具有稳定性好、变形能力强、抗拉强度大、透水性小和抗裂性能优良等特点可适用于挠

33、度变形较大的桥面。（2）桥面板与混凝土铺装界面结合力，尤其是新旧混凝土间的粘结力的大小是评价和判断桥面铺装层成功与否的一个主要因素，为保证新旧混凝土间的有效结合，为上层铺装提供良好的工作平台。可以对界面处采用粘结剂作为桥面板与铺装层的连接层，有利于铺装层与桥面板的粘接并能起到较好的防水作用，同时可增强铺装层与桥面板的抗剪切与粘结性能。广东省交通科技网 h t t p:/j t k j.g d c d.g o v.c n/广东省交通运输厅科技研究成果【多功能轻骨料混凝土桥面铺装层新材料应用研究】多功能轻质高强混凝土桥面铺装层新材料研究应用 12 2.1.2 铺装层结构设计铺装层结构设计 关于桥面

34、顶面的处理，有以下三种方式:(1)粗糙而洁净通过风刨或人工凿毛，将桥面板顶面处理成 3-5mm 深纹理的粗糙表面；(2)喷洒粘结剂即在桥面铺装施工前，为提高铺装层与桥面板间的粘结强度，在处理过的桥面板表面喷洒粘结剂，粘结剂的种类有乳胶、环氧等有机物；(3)加设锚筋（即剪力键）提高桥面板与桥面铺装之间的联接能力，同时提高界面间的抗剪强度，阻止桥面板铺装层滑移和剥离，在桥梁体上植入剪力键，提高桥面板与桥面铺装的整体刚度和协同变形。我们普通的桥面铺装混凝土一般采用第一种方式，但是这往往不能解决铺装层和桥面板之间的协同变形能力，因此我们现在最主要的是采用后两种，但是通过大量的研究发现，单独采用第二或者

35、第三种仍然会出现桥面铺装层的破坏，因此我们将界面粘结剂处理和加设的锚筋（即剪力键）结合使用，因此我们本次研究最终采用“剪力键+界面粘结剂+高韧性钢纤维轻质高强混凝土”相结合的桥面铺装层结构设计方案如图 2-1。图图 2-1 桥面铺装层结构设计图桥面铺装层结构设计图 2.2 有限元模型计算 在荷载作用下，铺装层的受力情况很复杂。由于目前对水泥混凝土桥面水泥混凝土铺装的研究现状，对铺装层的受力情况还不了解，因此本文采用简支混凝土梁桥作为分析模型，通过计算，达到对水泥混凝土桥面铺装层受力特性的基本认识，了解铺装层与桥面板之间连接状况对铺装层应力分布的影响。广东省交通科技网 h t t p:/j t

36、k j.g d c d.g o v.c n/广东省交通运输厅科技研究成果【多功能轻骨料混凝土桥面铺装层新材料应用研究】多功能轻质高强混凝土桥面铺装层新材料研究应用 13 2.2.1 有限元模型选定有限元模型选定 本文有限元分析选取柔性铺装层与普通混凝土桥面板局部梁段为计算对象。建模条件：由于桥面板为对称结构，为了节省运算时间，可对称选取 1/2 尺寸进行建模分析。横隔板间的桥面段为 10m，1/2 桥面宽度为 5m。建模单元：轻质高强混凝土铺装层及桥面板采用 SOLID65 单元模拟；纵向加劲肋及剪力连接件采用 beam188 单元模拟；铺装层与桥面间的接触采用 targe170单元模拟目标面

37、，采用 conta173 模拟接触面。材料性能参数：桥面轻质高强混凝土弹性模量为 26GPa，容重为 1950 kg/m3；混凝土桥面板混凝土弹性模量为 30GPa，容重为 2450 kg/m3；剪力键钢筋弹性模量为 210GPa，容重为 7500kg/m3。车辆荷载图式简化为成矩形图式，荷载分部近似采用均布荷载，即采用汽车超 20 标准车后轴的一侧轮胎加载，考虑一定的冲击和超载作用，并将其换算为单轮压力，接触面积 600 200mm2，施加的轮胎压力为 1.5MPa（考虑 30%冲击系数且超载 60%）。汽车加载荷位根据现有参考资料，考虑最不利荷位，即沿桥面横向荷载中心位于加劲肋中心的正上方

38、，沿桥面纵向在跨中处，并可等间距移至两横隔板跨中的不同位置进行加载计算。2.2.2 基本假设基本假设(1)桥面铺装和加筋肋共同承担荷载；(2)梁截面的变形符合平截面假定；(3)所有材料均处于弹性工作状态；(4)桥面板和铺装层间完全连续。2.2.3 铺装方案铺装方案参数选定参数选定 本文综合分析了剪力键间距、剪力键高度、剪力键直径以及铺装层厚度对铺装层表面最大横向拉应力、表面最大纵向拉应力、铺装层与梁体之间最大横向剪力、铺装层与梁体之间最大纵向剪力及跨中最大竖向位移的影响。其中剪力键间距的变化范围取值为 100mm、200mm、300mm；剪力键高度的变化范围取值为广东省交通科技网 h t t

39、p:/j t k j.g d c d.g o v.c n/广东省交通运输厅科技研究成果【多功能轻骨料混凝土桥面铺装层新材料应用研究】多功能轻质高强混凝土桥面铺装层新材料研究应用 14 50mm，75mm，100mm；剪力键直径的变化范围取值为 8mm、10mm、12mm；轻集料铺装层厚度的变化范围取值为 150mm、250mm、300mm。由于数据变量较多，对所有变量采取正交分析方式会耗费较长时间，故采取排除法分析各变量的影响。综合考虑分析结果，得出当铺装层厚度为 0.25m，剪力键高度为 10mm，剪力键直径为 8mm，剪力键间距为 0.30m 时，轻质高强混凝土桥面铺装层具有良好的抗破坏性

40、能、较高的安全系数以及较高的经济性效益。2.3 研究桥面铺装防水粘结层的处理工艺研究桥面铺装防水粘结层的处理工艺 桥面铺装时铺装层与桥面板之间存在着新老混凝土的粘结问题。科学研究和工程实践表明，在老混凝土表面直接浇筑新混凝土时，新老混凝土之间粘结强度较低，耐久性较差，混凝土的受力或渗漏破坏主要沿其界面发生。新老混凝土界面的粘结性能主要决定于老混凝土的表面粗糙度、干湿状况、界面剂、新混凝土种类及老混凝土龄期等因素，其中界面剂是影响界面性能的十分重要的因素之一。桥面铺装层的整体剥离、脱皮、裂缝、剥落等病害与粘结材料性能较差有着密切的关系。因此，新老混凝土能否很好地共同工作，关键在于新老混凝土的界面

41、粘结材料的性能是否能满足桥面铺装层的要求。2.3.1 界面粘结剂的物理力学性能和粘结性能界面粘结剂的物理力学性能和粘结性能 （1）物理力学性能 我们依据标准水泥胶砂强度检验方法（ISO）(GB/T17671-1999)的水泥胶砂试验方法来测定界面粘结剂和普通硅酸盐的 3 天和 28 天抗折抗压强度其试验结果如表 2-1。表 2-1 粘结剂与普通硅酸盐水泥试验性能指标 试验检测项目 界面剂 普通硅酸盐 P.O42.5 凝结时间 初凝时间（h:min）3:40 2:56 抗折强度(MPa)3d 4.1 3.8 28d 5.4 4.9 抗压强度(MPa)3d 25.9 26.5 28d 48.6 4

42、5.1 广东省交通科技网 h t t p:/j t k j.g d c d.g o v.c n/广东省交通运输厅科技研究成果【多功能轻骨料混凝土桥面铺装层新材料应用研究】多功能轻质高强混凝土桥面铺装层新材料研究应用 15 从上表结果显示，无机界面粘结剂各项力学性能均优于 P.O 42.5 水泥，特别是抗折、抗拉强度高，无机界面剂 28d 的抗压强度比 P.O42.5 水泥高 0.5、抗折强度高 3.5；满足混凝土对界面粘结和修补材料的要求。（2）粘结性能 采用新老砂浆的抗折粘结强度及抗拉粘结强度测试方法，来评定界面粘结剂的粘结性能。试验方法如下：新老砂浆的配比均为 P.O42.5：ISO 标准

43、砂：水=1：3：0.50。首先成型 40mm 40mm 160mm 棱柱体，水中养护 28d 后分别从中间折断，放回40mm 40mm 160mm 棱柱体模中，在其断面的浮屑清除干净，松动的地方轻轻去掉，在断面处涂刷一层约 2mm 的界面剂后，再把新水泥砂浆浇筑到老砂浆试件的断面上成型出与原来水泥砂浆棱柱体。在标准养护室中(温度 20，湿度 90%)养护 24h 后脱模，再在标准养护室内养护至 28d 龄期，测定砂浆修补后的抗折强度和抗拉强度。其新老砂浆的粘结强度试验结果如下表 2-2。其混凝土采用 100mm 100mm 100mm 成型后，养护 28 天，按照普通混凝土劈裂强度试验，将劈裂

44、后的试件清洁干净表面，放入试模中，劈裂面涂刷界面粘结剂后，按照原混凝土配合比新拌混凝土装满剩余一半试模中，抹平。标准养护室养护 28 天后，在进行劈裂强度试验。表表 2-2 新老砂浆的新老砂浆的粘结强度试验结果粘结强度试验结果 试验项目 新老混凝土粘结 老砂浆试件 新老混凝土粘结 无机界面粘结剂 无处理 无机界面粘结剂 无处理 砂浆强度/MPa 抗折 6.2 4.4 5.0 在老砂浆段 粘结面 抗拉 4.5 3.1 4.2/混凝土强度/MPa 劈拉 3.9 2.9 4.0 粘结面 粘结面 从上表 2-2 的砂浆粘结强度试验结果显示，无机界面剂粘结的砂浆试件粘结抗折强度比老砂浆本体的抗折强度提高

45、 1.2，抗拉强度提高 0.3，断裂发生在老砂浆内，而未处理的砂浆断裂面仍在新老砂浆衔接处。其抗拉强度明显小于涂界面粘结剂的抗拉强度；无机界面剂粘结的新老混凝土的劈裂抗拉强度比老的混凝土劈裂强度略有降低（减少 2.5%），且断裂面处于粘结面处。广东省交通科技网 h t t p:/j t k j.g d c d.g o v.c n/广东省交通运输厅科技研究成果【多功能轻骨料混凝土桥面铺装层新材料应用研究】多功能轻质高强混凝土桥面铺装层新材料研究应用 16 2.3.2 防水粘结层施工性防水粘结层施工性 对于老混凝土的表面粗糙处理后，将其清洁干净，用水润湿后，涂刷厚度约2mm 的界面剂，待界面剂微干

46、以后，再进行新混凝土的浇筑。一般有以下好的施工操作性：（1）良好的黏聚性确保不分层、不离析，无沉淀；（2）良好的保水性确保薄层施工时不泌水、失水慢，抗塑性收缩开裂性强；（3）晾置时间较长，常温下调配的界面剂浆体静置 3 小时内不会影响其涂抹施工操作性，涂抹到位的界面剂晾置 30min 内不会明显影响其粘结性；（4）在一定范围内适当调整配方和用水量，可进行涂、刷、喷、抹等施工，适合潮湿面作业；（5）对各类基层均具有良好的附着力与粘结性。另外，无机界面粘结剂为单组分粉状物，便于运输、贮存和使用，现场按要求加水搅拌均匀即可施工；（6）无毒、无刺激，符合环保要求。2.4 本章小结本章小结 本章主要通过

47、有限元计算桥面铺装层厚度、剪力键各个参数对桥面铺装层的结构设计的影响规律进行分析，并通过界面粘结剂的制备、物理力学性能的研究。主要得出以下结论：（1）通过研究发现，采用“剪力键+界面粘结剂+高韧性钢纤维轻质混凝土”的桥面结构铺装设计，满足施工要求，并通过有限元计算复合结构稳定性。（2）通过有限元模型计算分析：桥面铺装层厚度为 0.25m，剪力键高度为 10mm，剪力键径为 8mm，剪力键间距为 0.30m 时能够满足结构的性能要求。（3）通过实验复配的界面粘结剂主要以水泥为基材，以多种超细矿物质材料和有机材料为改性材料组成的粉末状产品。且试验表面：用界面粘结剂的新老砂浆的抗拉、抗折强度比老砂浆

48、的抗拉、抗折强度分别提高 40.6%和 31%。且粘结面断裂于老砂浆段。其粘结的新老砂浆的劈裂抗拉强度比老混凝土劈裂强度略低（低 2.5%），断裂面处于粘结面处。广东省交通科技网 h t t p:/j t k j.g d c d.g o v.c n/广东省交通运输厅科技研究成果【多功能轻骨料混凝土桥面铺装层新材料应用研究】多功能轻质高强混凝土桥面铺装层新材料研究应用 17 第三章第三章 桥面铺装层原材料桥面铺装层原材料性能性能与与配合比设计配合比设计 轻质高强混凝土与普通混凝土的在进行配合比设计时最大区别在于轻质高强混凝土采用体积砂率，控制粗细集料的总体积，来确定各组分的用量，在满足混凝土强度

49、的前提下，尽可能的降低轻质高强混凝土的表观密度等级，这也是配合比设计的一个难点。并随着轻质高强混凝土在结构上的广泛应用，其工作性、耐久性和抗裂性等的要求逐渐提高，如何选择原材料、控制配合比及其配合比的优化，从根源上解决轻质高强混凝土的质量缺陷显得日益迫切。要有效地控制轻质高强混凝土的施工质量，必须了解轻质高强混凝土可能出现的质量缺陷及其产生的原因。此处通过对混凝土原材料进行控制及配合比进行试验研究分析，找出其对轻质高强混凝土性能的影响规律。3.1 原材料原材料性能及试验性能及试验 （1）水泥 本文采用广州粤秀水泥厂的普通硅酸盐水泥，主要技术指标如表 3-1。表表 3-1 粤秀水泥主要技术指标粤

50、秀水泥主要技术指标（2）矿物掺合料 粉煤灰因其颗粒形同玻璃微珠，具有润滑作用，可以增大混凝土的流动性，且在较低坍落度下仍具有相对较好的施工性能，因而对防止轻骨料的上浮也具有重要作用，所以它已成为配制泵送轻骨料混凝上不可或缺的组分。本次项目研究采用粉煤灰和矿粉作为矿物掺合料，广东珠江电厂粉煤灰，主要技术指标如表 3-2。表表 3-2 粉煤灰主要技术指标粉煤灰主要技术指标 细度(45m 筛余量，%)需水量比(%)三氧化硫(%)烧失量(%)10.8 94 0.67 1.66（3）砂 标准稠度用水量（%）初凝 时间（min）终凝 时间（min）比表面积（m2/kg）安定性(沸煮法)抗折强度（MPa）抗