一種長壽命鋼筋網柔性纖維混凝土橋面鋪裝結構的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種長壽命鋼筋網柔性纖維混凝土橋面鋪裝結構，橋梁頂板和鋪裝層之間噴灑界面粘接劑層，界面粘接劑層上鋪設柔性纖維混凝土層，沿著鋪裝層縱橫方向布置了鋼筋網片。本發明實現了橋面鋪裝的多向增強效應、雙重阻裂效應，達到了多重防水、抗滲和抗凍的性能目標；新型防脫防水界面粘接劑，確保橋面鋪裝和橋面板的完美粘接、共同協調工作，其強抗滑移能力延長了橋面鋪裝的使用壽命，達到提高其橋面鋪裝長壽命的目的，降低了翻修頻率，減少了交通中斷時間，節省了大量資金，確保車輛安全通行，滿足可持續發展要求，適用于北方重車多、溫差變化大以及多雨雪的使用環境。
【專利說明】一種長壽命鋼筋網柔性纖維混凝土橋面鋪裝結構
[0001] 結構領域
[0002] 本案例屬于橋梁建設領域，尤其涉及一種雙重阻裂、隨機增強、多重防水的長壽命 鋼筋網柔性纖維混凝土橋面鋪裝結構。
[0003] 背景結構
[0004] 橋面鋪裝即行車道鋪裝，亦稱橋面保護層，它是橋面系中車輪直接作用的部分，其 作用不僅在于保護橋面，防止車輛輪胎或履帶直接磨耗行車道板，保護橋梁免受雨水及其 它有害物質的侵蝕，而且還可以起到均衡分布橋面荷載，參與結構受力，確保結構長壽命的 作用。橋面鋪裝質量的好壞將直接影響整個橋梁的外觀質量以及行車安全性和舒適性。
[0005] 20世紀80年代以來，我國高等級公路發展十分迅速，路橋建設數量劇增。隨著公 路等級的提_，橋梁涵洞等公路構造物所占比重越來越大，而_等級公路對路面質量要求 較高，合理的路面結構設計、高性能的施工設備以及完善的施工工藝已使路面質量達到相 應的指標。如近些年來我國所修筑的高速公路，路面質量有大幅度提高，行車舒適性得到大 大改善。
[0006] 然而，隨著交通量的增加和荷載等級的提高，橋面鋪裝層的破壞情況越來越嚴重， 有為數不少的橋梁在通車后不久，橋面就不同程度地出現開裂、剝離、破碎、凹凸不平、塌 陷、橋面磨光、剪切破壞和橋面連續處破壞等病害。造成了直接和間接的巨大經濟損失。
[0007] 在以往的橋梁設計中，橋面鋪裝一般不作受力計算，只是作為構造層來考慮。《公 路橋梁設計通用規范》（JTG D60-2004)規定：裝配式鋼筋混凝土、預應力混凝土梁橋采用 水泥混凝土或浙青混凝土鋪裝，其厚度最小為0. 05-0. 08m，如果在施工中能確保鋪裝層與 行車道板緊密結合成整體，則鋪裝層的混凝土（除去作為車輪磨耗部分可取〇. 01-0. 〇2m厚 夕卜）還可以計算在行車道的厚度內和行車道板共同受力。為使鋪裝層具有足夠的強度和良 好的整體性（起到聯系各橋梁共同受力的作用），一般宜在混凝土中鋪設直徑為8_的鋼筋 網。然而，隨著交通量的增加和荷載等級的提高，當載重車反復作用時，由于主要承重結構 的變形，使得橋面鋪裝不能滿足使用荷載及結構變形的要求，導致鋪裝層破壞。
[0008] 混凝土梁橋橋面鋪裝層結構的破壞已經成為高等級公路主要病害之一，嚴重影響 了行車安全性與舒適性，并由此暴露出一些設計與施工中對鋪裝層工作狀況認識不足的問 題。特別是類似于我國北方地區，經濟發展快，礦產資源豐富，公路運輸比例大，重車多，溫 差變化大、雨雪多等復雜的交通環境，橋面鋪裝使用年限短，嚴重影響行車舒適性和運營安 全，迫切需要一種新型的長壽命橋面鋪裝。
[0009] 為了解決這個問題，本方案發明了長壽命橋面。通過調查北方地區鋪裝結構的典 型破壞形式，分析其破壞機理，提出適應北方地區重載、溫差大、多雨雪等交通環境的鋪裝 結構思路；在基于破壞力學的鋪裝結構破壞發展、演變機理研究的基礎上，提出適應于北方 地區重載交通使用環境下的鋪裝結構的長壽命結構指標（材料、典型結構）；建立基于斷裂 力學的"柔性聚丙烯纖維混凝土 +鋼筋網+改性聚合界面粘接劑"的阻裂鋪裝結構的裂尖 閉合力阻裂機理模型，揭示鋪裝結構的阻裂、抗疲勞等機理，從理論上為鋪裝結構的工程應 用奠定基礎；結合數值仿真分析和試驗研究，優化合理可行的長壽命鋪裝方案，針對選定的 鋪裝層材料、界面粘結材料和鋪裝層結構形式開展系統的試驗研究，提出典型的鋪裝結構 及合理高效的施工工藝。
【發明內容】
[0010] 本發明的目的在于提供一種長壽命橋面，旨在解決傳統橋面鋪裝使用年限短，嚴 重影響行車舒適性和運營安全的問題。
[0011] 本發明提供了 一種長壽命橋面鋪裝，所述長壽命橋面包括：界面粘接劑層、柔性纖 維混凝土層、鋼筋網層和鋪裝層；
[0012] 橋梁頂板和鋪裝層之間鋪設界面粘接劑層，界面粘接劑層上鋪設柔性纖維混凝土 層，沿著鋪裝層縱橫方向布置了鋼筋網層。
[0013] 進一步，所述界面粘接劑層采用改性防脫防水聚合界面粘接劑。
[0014] 進一步，所述柔性纖維混凝土層采用柔性聚丙烯纖維混凝土，柔性聚丙烯纖維在 混凝土中呈三維亂向分布。
[0015] 本發明的另一目的在于提供一種應用上述長壽命橋面鋪裝的橋梁。
[0016] 本發明針對北方道路的交通和環境情況，采用具有雙重阻裂、隨機增強的鋼筋網 柔性纖維混凝土橋面鋪裝，輔助以新型防脫防水界面粘接層的新型橋面鋪裝方案，實現了 橋面鋪裝的多向增強效應、雙重阻裂效應，達到了多重防水、抗滲和抗凍的性能目標；新型 防脫防水界面粘接劑，確保橋面鋪裝和橋面板的完美粘接、共同協調工作，其強抗滑移能力 延長了橋面鋪裝的使用壽命，達到提高其橋面鋪裝長壽命的目的，降低了翻修頻率，減少了 交通中斷時間，節省了大量資金，確保車輛安全通行，滿足可持續發展要求，適用于北方重 車多、溫差變化大以及多雨雪的使用環境；試點研究表明"柔性聚丙烯纖維混凝土 +鋼筋網 +改性聚合物界面粘接劑"橋面鋪裝結構可適當減小鋪裝厚度2?8cm，二期恒載作用降低， 主體結構承受荷載減小，間接提高了橋梁的承載能力，抗超載能力也得到了一定的提升；同 時，鋪裝結構使得荷載可均勻分布于整個混凝土結構上，局部鋪裝層不會承受過大的集中 荷載，有效地削減荷載峰值，提升重載交通服務能力，增強了橋面鋪裝的長壽命，延長了結 構使用壽命。
[0017] 鋼筋網柔性聚丙烯纖維混凝土輔助以高強防脫型界面粘接劑的橋面鋪裝方案在 高速公路工程中的實驗性應用，明顯地減少了橋面鋪裝層的開裂、剝落等病害現象，提高 了鋪裝層使用壽命，確保具有更長時間的行車舒適性，減少橋梁的行車沖擊效應，間接地提 高了橋梁的安全性，由此帶來顯著的社會效益；該結構適用于北方重車多、溫差變化大以及 多雨雪的使用環境，提高橋面鋪裝長壽命，降低了翻修頻率，減少了交通中斷時間，節省了 大量資金，確保車輛安全通行，必將取得良好的社會經濟效益；在項目實施過程中，相關的 結構轉化成果全部實現社會共享，提高了基層結構人員的專業技能，對加速科研成果向生 產力的轉化以及保證科研成果在工程實際中應用的成功率起到良好的示范作用。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018] 圖1是本發明提供的長壽命橋面發明流程圖；
[0019] 圖2是本發明提供的長壽命橋面方案結構圖。
【具體實施方式】
[0020] 為了使本發明的目的、結構方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施案例， 對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施案例僅僅用以解釋本發 明，并不用于限定本發明。
[0021] 本發明是這樣實現的，一種長壽命橋面鋪裝，如圖2所示，該結構包括：界面粘接 劑層1、柔性纖維混凝土層2、鋼筋網層3和鋪裝層4。橋梁頂板和鋪裝層4之間鋪設界面粘 接劑層1，界面粘接劑層1上鋪設柔性纖維混凝土層2,沿著鋪裝層4縱橫方向布置了鋼筋 網層3。
[0022] 圖1示出了本案例提供的長壽命橋面的發明過程：
[0023] 1、在步驟SlOl中，通過調查北方地區鋪裝結構的典型破壞形式，分析其破壞機 理，提出適應北方地區重載、溫差大、多雨雪等交通環境的鋪裝結構思路。
[0024] 2、在步驟S102中，在基于破壞力學的鋪裝結構破壞發展、演變機理研究的基礎 上，提出適應于北方地區重載交通使用環境下的鋪裝結構的長壽命結構指標（材料、典型 結構）。
[0025] 3、在步驟S103中，建立基于斷裂力學的"柔性聚丙烯纖維混凝土 +鋼筋網+改性 聚合界面粘接劑"的阻裂鋪裝結構的裂尖閉合力阻裂機理模型，揭示鋪裝結構的阻裂、抗疲 勞等機理，從理論上為鋪裝結構的工程應用奠定基礎。
[0026] 4、在步驟S104中，在"裂尖閉合力"阻裂機理模型的基礎上，建立橋面鋪裝層的數 值分析方法，模擬北方地區重載、溫度等效應作用，驗證鋪裝結構的有效性。
[0027] 荷載條件：主要考慮以下幾種工況：⑴工況一：堅向荷載，依據《公路橋涵設計通 用規范》（JTG D60-2004)，采用550kN重車的車輛后軸140kN，荷載作用面積單側雙輪接地 面積0. 6mX0. 2m ;⑵工況二：堅向荷載和水平荷載共同作用，其中堅向力大小與⑴的相同， 作用于鋪裝層表面的水平荷載僅考慮車輪與鋪裝層間的摩擦力，取摩擦系數為〇. 3,并考慮 沖擊；⑶工況三：溫度荷載，由表層向底層以遞減的梯度方式施加。
[0028] 模型用結點耦合的方法來模擬橋面鋪裝層4和橋面板兩層之間的結合，將兩層間 所有結點的三個方向全部耦合來模擬界面粘結良好，即橋面鋪裝與橋面板之間沒有缺陷， 共同受力；通過放松兩層之間一部分結點的耦合來模擬橋面鋪裝之間存在裂縫、脫空等缺 陷。
[0029] 由于邊界條件（支撐條件）不同、荷載條件不同，受力會有很大的不同。在建立模 型時考慮了不同位移邊界條件的模型，并計算了不同形式荷載作用下的受力狀況，以便更 全面、準確地認識橋面鋪裝層4與橋面板共同受力、變形的狀況。
[0030] 通過計算可知，鋪裝層4內的最大剪應力隨厚度的改變有時出現在鋪裝層4表面， 有時出現在接觸層，有時出現在鋪裝層4內部。水泥混凝土橋面鋪裝在行車荷載作用下經 常發生剪切破壞，一般來說破壞有兩種情況：一是水泥混凝土鋪裝層內產生較大的剪應 力而引起無確定破壞面的剪切變形；二是水泥混凝土鋪裝層與橋面層間發生剪切破壞。
[0031] 當混凝土橋面鋪裝層4與橋面板之間存在缺陷時，由于缺陷區域的影響，橋面鋪 裝層4的受力在局部位置有很大影響，當設置微小的一個缺陷區域時，鋪裝層內的最大剪 應力就可能急劇增加幾十倍，甚至更多倍。這就會在缺陷區域周圍造成應力集中，主拉應力 很容易超過材料的抗拉極限值，從而嚴重影響結構的承載受力。因此，只有保證鋪裝層4與 橋面板的良好結合，選擇物理及力學性能更適合鋪裝層受理要求的材料，才可以使結構承 受更大的荷載，由此提出了鋪裝材料和鋪裝結構的結構指標。
[0032] 5、在步驟S105中，提出了鋪裝材料和鋪裝結構的結構指標。
[0033] 6、在步驟S106中，結合數值仿真分析和試驗研究，優化合理可行的長壽命鋪裝方 案，針對選定的鋪裝層材料、界面粘結材料和鋪裝層結構形式開展系統的試驗研究，提出典 型的鋪裝結構及合理高效的施工工藝。
[0034] 1)柔性纖維混凝土的物理、力學性能系統試驗研究
[0035] 對纖維混凝土和普通混凝土的抗壓強度、抗折強度、劈裂抗拉強度、沖擊性能、抗 疲勞、耐磨性能等進行了大量的對比試驗，試驗表明，纖維混凝土的力學性能優于普通混凝 土。
[0036] 2)柔性纖維混凝土抗滲、抗凍性能研究
[0037] 抗滲、抗凍性是北方地區混凝土長壽命的重要指標，對柔性纖維混凝土層2的抗 凍、抗滲性進行了試驗研究。結果表明：由于纖維在混凝土2中呈現三維亂向分布，使得混 凝土材料失水面積有所減小，水分遷移較為困難，從而使毛細管失水收縮形成的毛細管張 力、吸附水和分子間力作用等有所減小，可以起到阻斷混凝土內毛細作用的效果，從而抗滲 效果提高；纖維加入到水泥混凝土中后，混凝土中含有大量的亂向的微細纖維，增加了材料 的抗裂性能，使得混凝土的抗滲、抗凍性能得以提高。
[0038] 3)柔性纖維混凝土的變形性能及裂紋擴展規律研究
[0039] 完成了柔性纖維混凝土層2的彈性模量和彎拉模量的試驗，試驗表明柔性纖維混 凝土層2抗裂能力的提高主要體現在在較高的應力水平，即在應變有一個較大的增長后試 件才斷裂破壞，也就是說柔性纖維混凝土層2在裂紋失穩擴展前有一個微裂紋的亞臨界擴 展過程，提出基于裂紋控制的配合比研究方法。
[0040] 4) "柔性纖維混凝土 +鋼筋網"橋面鋪裝典型結構研究
[0041] 在柔性纖維混凝土層2材料物理力學性能研究基礎上，結合"裂尖閉合力"阻裂機 理模型，采用具有雙重阻裂、隨機增強的鋼筋網柔性纖維混凝土橋面鋪裝方案。
[0042] 5)橋面鋪裝柔性纖維混凝土的界面試驗
[0043] 在對鋪裝結構的破壞機理及有限元分析的基礎上，提出的改性聚合物界面粘接劑 保證了鋪裝層4與橋面板的變形協調，減少了鋪裝界面和材料的初始缺陷，增強鋪裝結構 的抗病害的能力。項目組在眾多界面劑中選擇并配制出粘結效果較好的5種界面劑，開展 了新老混凝土界面粘結試驗，得到了具有極好的高強、防水、抗脫、抗凍、抗滲性能的界面粘 接材料。
[0044] 6) "柔性纖維混凝土 +鋼筋網+改性聚合物界面粘接劑"的典型橋面鋪裝方案
[0045] 在大量的試驗驗證和數值分析后，確定如圖2所示的鋼筋網柔性聚丙烯纖維混凝 土輔助以高強防脫型界面粘接劑層的典型橋面鋪裝方案。
[0046] 根據鋪裝層4的受力特點，通過大量的試驗提出了新型橋面鋪裝方案中的鋪裝材 料與普通混凝土橋面鋪裝的主要結構參數對比，具體參數對比參見表1。
[0047] 表1主要結構參數對比
[0048]
【權利要求】
1. 一種長壽命鋼筋網柔性纖維混凝土橋面鋪裝結構，其特征在于橋面鋪裝構成，所述 長壽命橋面鋪裝包括：界面粘接劑層、柔性纖維混凝土層、鋼筋網層和鋪裝層，橋梁頂板和 鋪裝層之間鋪設界面粘接劑層，界面粘接劑層上鋪設柔性纖維混凝土層，沿著鋪裝層縱橫 方向布置了鋼筋網層。
2. 如權利要求1所述長壽命鋼筋網柔性纖維混凝土橋面鋪裝結構，其特征在于，所述 界面粘接劑層采用改性防脫防水聚合界面粘接劑。
3. 如權利要求1所述長壽命鋼筋網柔性纖維混凝土橋面鋪裝結構，其特征在于，所述 柔性纖維混凝土層采用柔性聚丙烯纖維混凝土，柔性聚丙烯纖維在混凝土中呈三維亂向分 布。
4. 一種應用權利要求1-3所述長壽命橋面鋪裝結構的橋。
【文檔編號】E01D19/12GK104314003SQ201410383853
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年8月6日 優先權日:2014年8月6日
【發明者】杜柏松, 何小兵, 羅玲 申請人:重慶交通大學