CN109322238B - 一种超高韧性水泥基复合材料无缝式桥梁及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于桥梁建筑施工技术领域，本发明涉及一种超高韧性水泥基复合材料无缝式桥梁及施工方法，包括桥台、基础梁、结构层，所述桥台和基础梁分别位于桥的两侧，桥台靠近路面一侧的结构层由上到下设置第一沥青混凝土层、调平层、空心板，所述第一沥青混凝土层位于桥台顶部水平线的上方，基础梁靠近路面一侧的结构层为路面基层，所述第一沥青混凝土层与基础梁之间的结构层为复合材料层，桥台与基础梁之间的结构层为混凝土基层，所述复合材料层位于混凝土基层的上方，桥梁表面的结构层为第二沥青混凝土层，所述复合材料层的中间水平设置碳纤维网，所述碳纤维网位于基础梁顶部的水平线下方。解决了桥梁的缝隙对车辆正常行驶的产生不良影响的问题。

Description

一种超高韧性水泥基复合材料无缝式桥梁及施工方法

技术领域

本发明属于桥梁建筑施工技术领域，具体涉及一种超高韧性水泥基复合材料无缝式桥梁及施工方法。

背景技术

中小型桥梁为了解决温度导致的变形问题，一般会在桥梁中设置伸缩缝。但是由于桥梁伸缩缝长期受到外部车辆荷载的冲击作用以及外界的侵蚀作用非常容易受到破坏。为了克服这些难题，可利用连续配筋混凝土路面允许带裂缝工作的特点，采用搭板两端分别与主梁和混凝土路面连接，形成半整体式全无缝桥梁体系。目前应用于半整体式无缝桥梁接线路面材料一般为普通连续配筋混凝土。普通混凝土由于自身的缺陷，如抗拉强度低、抗裂能力差、脆性大等，在车辆荷载长期作用下，其表面极易发生破坏。由于要带裂缝工作，混凝土内部配筋极易被外界的水、二氧化碳及其他腐蚀性物质渗入而腐蚀。而普通混凝土的平整性相对较差，在发生破坏的情况下容易产生桥头跳车等问题，危及车辆及人身安全。因此，寻找一种路面性能良好且耐久性强的无缝桥梁接线路面材料是解决问题的关键。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明的一个目的是提供一种超高韧性水泥基复合材料无缝式桥梁。旨在解决现有无缝桥梁接线路面在受到车辆荷载作用下易损坏，在出现裂缝后容易被有害物质侵入的问题，从而提高接线路面的使用寿命。

为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：

一种超高韧性水泥基复合材料无缝式桥梁，包括桥台、基础梁、结构层，所述桥台和基础梁分别位于桥的两侧，桥台靠近路面一侧的结构层由上到下设置第一沥青混凝土层、调平层、空心板，所述第一沥青混凝土层位于桥台顶部水平线的上方，基础梁靠近路面一侧的结构层为路面基层，所述第一沥青混凝土层与基础梁之间的结构层为复合材料层，桥台与基础梁之间的结构层为混凝土基层，所述复合材料层位于混凝土基层的上方，桥梁表面的结构层为桥面层，所述复合材料层的中间水平设置碳纤维网，所述碳纤维网位于基础梁顶部的水平线下方。

本申请相对于现有技术的桥梁结构，引入了超高韧性水泥基复合材料(Engineered Cementitious Composite,简称ECC)和碳纤维网，相比与现有的桥梁结构中的搭板结构，因为现有的桥梁结构的搭板之间会有缝隙，裂缝在受到外力的作用下会对正常的车辆行驶产生影响，本申请的碳纤维网和ECC材料的配合省去了路面安装搭板的繁琐步骤，当温度发生变化时，梁的变形通过桥搭板传递给加了碳纤维网的ECC路面材料，硬化后的ECC复合材料应具有显著的应变硬化特征，在拉伸荷载作用下可产生多条细密裂缝，极限拉应变可稳定地达到3％以上。因此ECC接线路面具有完全吸收梁体的变形、减小主梁拉力的能力。解决了桥梁的缝隙对车辆正常行驶的产生不良影响的问题。

优选的，所述碳纤维网采用经、纬纤维束平织结构。

主要由经纤维束承受桥梁传来的拉力。

碳纤维网类型为T700S，纤维型号为12k，经纤维束拉伸强度4900MPa，拉伸模量230GPa，断裂伸长2.1％。

优选的，所述复合材料层的底部边缘与混凝土基层之间水平设置两排锚固钢筋。

锚固钢筋的作用是将梁受到的拉力传递给接线路面。

进一步优选的，所述桥台上方的锚固钢筋一部分位于第一沥青混凝土层的内部。

锚固钢筋一部分位于第一沥青混凝土层的内部，一部分位于复合材料层中，两部分的应力相互制约，提高了这一部分结构层的抗应力能力。

优选的，空心板的底部与桥台之间设置橡胶支座。

优选的，所述第一沥青混凝土层的厚度为5-7cm。

优选的，所述调平层由水泥混凝土组成，所述水泥混凝土的厚度为9-11cm。

调平层主要作用是为了保证与桥台顶部平齐，便于锚固钢筋正好位于第一沥青混凝土层和复合材料层的底部。

优选的，所述复合材料层由超高韧性水泥基复合材料组成，所述复合材料层的厚度为5-7cm。

复合材料层的厚度对承受的拉伸应变力具有一定的影响，如果厚度太厚，超过了复合材料层表面与碳纤维网的适合距离，碳纤维网对复合材料层表面传递过来的力不能形成相对的反应，则承载力会对复合材料层造成一定的损害。

优选的，所述复合材料层与混凝土基层之间设置SBS改性沥青同步碎石封层，所述SBS改性沥青同步碎石封层的厚度为1-3cm。

所述SBS改性沥青同步碎石封层作用是用于防渗水，同时其整体力学特征是柔性的，能增加路面抗裂性能。

优选的，所述混凝土基层的厚度为28-32cm。

优选的，所述桥面层的厚度为3-5cm。

一种超高韧性水泥基复合材料无缝式桥梁的施工方法，具体步骤为：

1)浇筑桥台的台背及修筑路基，所述路基为混凝土基层、SBS改性沥青同步碎石封层、路面基层；

2)制备超高韧性水泥基复合材料；

3)浇筑基础梁及架设锚固钢筋；

4)架设碳纤维网；

5)浇筑超高韧性水泥基复合材料；

6)进行沥青混凝土上面层的铺筑施工；

7)对路面进行养护。

优选的，所述步骤4)中碳纤维网的安装方法为：在桥面安装导轨作为铺装设备行走轨道，保证碳纤维网平整；所述第二沥青混凝土层的施工过程中，沥青混凝土混合料的温度大于130℃，保证路面的沥青混凝土混合料的密实度大于80％。

本发明的有益效果：

1)将ECC作为无缝桥梁接线路面材料，并且以碳纤维网代替钢筋网埋置在ECC内。满足了半整体式全无缝桥梁通过带缝工作吸收温度变形的要求。

2)ECC可以将传统水泥基材料在拉力作用下的单一裂纹的宏观开裂模式转化为多条细密裂纹的微观开裂模式，提高了路面接线部分的抗弯拉能力，更加的安全可靠。

3)ECC较强的控裂缝能力，与人工在接线路面设置锯缝相比，裂缝分布的更加均匀，接线路面对梁的拉力更加的均匀，既简化了工程，也减小了对接线路面的损坏。

4)碳纤维材料具有很高的抗拉强度，而且碳纤维网的纵、横两向的纤维束主要沿着混凝土板中的主要受弯拉方向布置，从而利用碳纤维网增强ECC的抗弯拉强度往往可以起到以较低的配网率而获得较高的抗弯拉强度的作用。

5)通过碳纤维网替代传统的钢筋网，可以克服由于带裂缝工作，有害物质侵入结构内部造成传统钢筋网腐蚀的缺点。

6)复合材料层的底部与第一沥青混凝土层的底部平齐，复合材料层的底部设置锚固钢筋，第一沥青混凝土层与复合材料层之间形成抗应力的配合，通过第一沥青混凝土层与复合材料层之间作用力的传递，减弱本申请受到的作用力，提高抗应力能力。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本发明方法制备得到的一种新型的超高韧性水泥基复合材料无缝式桥梁的结构示意图；

图中，1、桥面层；2、复合材料层；3、锚固钢筋；4、碳纤维网；5、第一沥青混凝土层；6、调平层；7、空心板；8、桥台；9、路面基层；10、基础梁；11、SBS改性沥青同步碎石封层；12、混凝土基层，13、橡胶支座。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

下面结合实施例对本发明进一步说明

实施例1

超高韧性水泥基复合材料无缝式桥梁的施工方法

1)浇筑桥台的台背及修筑路基，所述路基为混凝土基层、SBS改性沥青同步碎石封层、路面基层；

混凝土基层：清理基底中的脏物；支模板；浇筑C15混凝土基层；对浇筑好的混凝土振捣、找平；

SBS改性沥青同步碎石封层：同步碎石封层车均匀洒布SBS改性沥青和碎石，同时采用胶轮压路机紧跟碾压；

路面基层：路面基层为水泥稳定碎石；稳定土拌合后，采用自卸车运送；混合料的摊铺及其整形均采用人工配合摊铺机摊铺、找平处理。

2)超高韧性水泥基复合材料的制备。

①以每立方米计，水泥、粉煤灰、石英砂、水、外加剂和PVA纤维的质量分别为593kg、712kg、473kg、339kg、6.09kg和26kg，按照上述比例称量原料；

②将称量好的固体组分包括水泥、粉煤灰、石英砂和增稠剂放入搅拌机中干拌2分钟至均匀；

③加入水和减水剂，搅拌3-5分钟，至浆体均匀并具有很好的流动性；

④放入PVA纤维，搅拌6分钟直至手捏拌合物无纤维结团现象；

3)筑基础梁及架设锚固钢筋；架设锚固钢筋使接线路面与地基连接，基础梁其主要作用是作为上部建筑的基础，将上部荷载传递到地基上。

4)纤维网的安装。

碳纤维网采用高抗拉强度碳纤维。施工前对桥面进行清洁,清除桥面的脏物,并保持工作面的洁净、干燥；在桥面安装导轨作为铺装设备行走轨道；安装碳纤维网时应保证碳纤维网平整，将碳纤维网置于超高韧性水泥基复合材料层的中部。

超高韧性水泥基复合材料的浇筑。

超高韧性水泥基复合材料可采用厂拌或现场拌合；将超高韧性水泥基复合材料由料斗倒入铺装设备,当料斗内的超高韧性水泥基复合材料堆积至料斗高度的一半时开启电机使设备在导轨上缓慢前进；随着设备的前进,找平板抹平材料表面,实现超高韧性水泥基复合材料的摊铺:压实板压在抹平后的超高韧性水泥基复合材料表面上,防止挤压隆起；严格控制超高韧性水泥基复合材料的坍落扩展度,保证自密性。

5)线路面长度的确定

接线路面的长度则应该结合层间摩阻力、板的厚度、配筋率、温差等因素综合考虑，总跨长为60m的桥梁一般应布置20m接线路面。

6)沥青凝土上面层的铺筑的施工。

沥青混凝土路面摊铺施工中,需选用摊铺机械进行热拌沥青混合料的施工,根据公路等级地不同,选用不同的摊铺机械及方式。摊铺作业开始前,对混合料的温度进行逐车地检查,确保其温度在130℃以上。并对摊铺机的振夯频率及振幅进行适当地调整,促使沥青混凝土料在摊铺后具有较高的密实度,一般控制在80％以上。严格遵循拌和设备的生产能力、运输距离、配备的运输车及压实能力确定摊铺速度,确保施工过程中摊铺机械能够匀速行驶,避免对路面的损伤。混合料必须均匀地铺设。施工人员对对摊铺厚度等进行及时检测,如出现偏差,应选用摊铺机械对其进行施工,以此确保公路沥青混凝土路面摊铺的质量。

7)对路面进行养护。

实施例2

一种超高韧性水泥基复合材料无缝式桥梁，包括桥台8、基础梁10，所述桥台8和基础梁10分别位于桥的两侧，桥台8靠近路面一侧由上到下设置第一沥青混凝土层5、调平层6、空心板7，所述第一沥青混凝土层5位于桥台顶部水平线的上方，基础梁10靠近路面一侧为路面基层9，所述第一沥青混凝土层5与基础梁10之间为复合材料层2，桥台8与基础梁10之间设置混凝土基层12，所述复合材料层2位于混凝土基层12的上方，桥面的表面层设置上面层1，所述复合材料层2中间水平设置碳纤维网4，所述碳纤维网4位于基础梁10顶部水平线下方。

所述复合材料层2的底部边缘与混凝土基层12之间水平设置两排锚固钢筋3。

所述桥台8上方的锚固钢筋3一部分位于第一沥青混凝土层5的内部。

空心板7的底部与桥台8之间设置橡胶支座。

所述第一沥青混凝土层5的厚度为6cm。

所述调平层6由水泥混凝土组成，所述水泥混凝土的厚度为10cm。

所述复合材料层2由超高韧性水泥基复合材料组成，所述复合材料层2的厚度为6cm。

所述复合材料层2与混凝土基层12之间设置SBS改性沥青同步碎石封层11，所述SBS改性沥青同步碎石封层11的厚度为2cm。

所述混凝土基层12的厚度为30cm。

所述上面层1的厚度为4cm。

实施例3

超高韧性水泥基复合材料(Engineered Cementitious Composite,简称ECC)是一种具有高性能的水泥复合材料。试验研究发现，该种复合材料无论是在拉伸还是弯曲荷载作用下都表现出明显的应变硬化特征，由于它可以将传统水泥基材料在拉力作用下的单一裂纹的宏观开裂模式转化为多条细密裂纹的微观开裂模式，因此这种材料在出现裂缝后仍能保持较大的承载力带裂缝工作。ECC材料具有高延性、高韧性和高能量吸收能力。极限荷载时的最大裂缝宽度在50μm左右。拉伸和弯曲试验测得的极限拉伸应变在3％以上，平均裂缝间距1mm左右。ECC具有很强的韧性、耐久性，能够满足长期车辆荷载的作用。

碳纤维网具有强度高，密度小，厚度薄，基本不增加加固构件自重及截面尺寸等特点，用于代替接线路面中的钢筋网，具有施工便捷，无需大型机具设备，操作简便，无需现场固定设施，施工占用场地少，施工工效高等优点。它还具有高耐久性，用于桥梁中不需担心生锈，遇到高酸、碱、盐及大气腐蚀等环境中仍能够正常使用。

利用ECC的可带裂缝工作的性能吸收由于温度影响给无缝桥梁带来的变形，并且通过碳纤维网对ECC材料的加固，来增强桥梁的抗拉能力与耐久性。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超高韧性水泥基复合材料无缝式桥梁，其特征在于：包括桥台、基础梁、结构层，所述桥台和基础梁分别位于桥的两侧，桥台靠近桥面一侧的结构层由上到下设置第一沥青混凝土层、调平层、空心板，所述第一沥青混凝土层位于桥台顶部水平线的上方，基础梁靠近路面一侧的结构层为路面基层，所述第一沥青混凝土层与基础梁之间的结构层为复合材料层，桥台与基础梁之间的结构层为混凝土基层，所述复合材料层位于混凝土基层的上方，桥梁表面的结构层为桥面层，所述复合材料层的中间水平设置碳纤维网，所述碳纤维网位于基础梁顶部的水平线下方；

所述复合材料层的底部边缘与混凝土基层之间水平设置两排锚固钢筋。

2.根据权利要求1所述的无缝式桥梁，其特征在于：所述碳纤维网采用经、纬纤维束平织结构。

3.根据权利要求1所述的无缝式桥梁，其特征在于：

所述桥台上方的锚固钢筋一部分位于第一沥青混凝土层的内部。

4.根据权利要求1所述的无缝式桥梁，其特征在于：空心板的底部与桥台之间设置橡胶支座。

5.根据权利要求1所述的无缝式桥梁，其特征在于：所述第一沥青混凝土层的厚度为5-7cm；所述调平层由水泥混凝土组成，所述水泥混凝土的厚度为9-11cm。

6.根据权利要求1所述的无缝式桥梁，其特征在于：所述复合材料层由超高韧性水泥基复合材料组成，所述复合材料层的厚度为5-7cm。

7.根据权利要求1所述的无缝式桥梁，其特征在于：所述复合材料层与混凝土基层之间设置SBS改性沥青同步碎石封层，所述SBS改性沥青同步碎石封层的厚度为1-3cm。

8.根据权利要求1所述的无缝式桥梁，其特征在于：所述混凝土基层的厚度为28-32cm；所述桥面层的厚度为3-5cm。

9.权利要求1-8任一项超高韧性水泥基复合材料无缝式桥梁的施工方法，其特征在于：具体步骤为：

1)浇筑桥台的台背及修筑路基，所述路基为混凝土基层、SBS改性沥青同步碎石封层、路面基层；

2)制备超高韧性水泥基复合材料；

3)浇筑基础梁及架设锚固钢筋；

4)架设碳纤维网；

5)并浇筑超高韧性水泥基复合材料；

6)进行沥青混凝土上面层的铺筑施工；

7)对路面进行养护。

10.根据权利要求9所述的施工方法，其特征在于：所述步骤4)中碳纤维网的安装方法为：在桥面安装导轨作为铺装设备行走轨道，保证碳纤维网平整；所述步骤6)中进行沥青混凝土上面层的铺筑施工过程中，沥青混凝土混合料的温度大于130℃，保证路面的沥青混凝土混合料的密实度大于80％。