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钢桥面高延性水泥基材料铺装层自愈合机理与疲劳损伤研究

张志刚  
【摘要】:随着我国国民经济的快速发展,国家干线公路网也在逐步完善中,公路大跨径钢桥建设发展迅速。大跨径钢箱梁桥作为连接峡谷、海湾、河流两岸的纽带,对当地的交通运输有着极为重要的作用。近几年我国交通量快速增长,重载和超载车辆也随之增加,这种状况将会加速现有钢桥面铺装层的破坏,缩短其使用寿命。为了延长桥面铺装的使用寿命,必须突破现有钢桥面铺装材料设计的传统思路,通过科技创新取得有突破性的技术进步,才可能解决问题。本文提出将高延性水泥基复合材料(ECC)作为钢桥面铺装材料,其特有的高延性、裂缝自愈合能力和高抗疲劳等特性有望大大延长钢桥面铺装的使用寿命,减少服务周期内的维修次数。本文研究了ECC的材料性能、自愈合机理及其在钢桥面铺装中的适用性,研究成果可为ECC材料在钢桥面铺装层中的应用提供实验与理论依据首先,利用工业废料粉煤灰与废旧轮胎橡胶粉充当惰性填充料掺入到ECC基质内,成功研发了具有大变形能力的ECC材料。一方面,粉煤灰与橡胶粉的掺入提高了ECC材料的弯曲变形能力,改善了其多缝开裂形态;橡胶粉的掺入尽管增大了材料本身的干燥收缩值,但是由于变形能力的增大使得ECC在约束条件下的抗开裂潜能增大,可以很好的适应由干燥收缩引起的变形从而避免受约束条件下因干燥收缩引起的断裂破坏。另一方面,工业废料粉煤灰与橡胶粉的掺入,避免了其处理过程中产生的碳排放,提高了ECC材料的环境友好性。其次,基于钢桥面铺装施工结束后快速开放交通的原则,成功研发了早强型ECC材料,使得其在3天龄期时强度即可达到通车要求。此外,基于微观力学及断裂力学设计理论,建立了早强型ECC材料性能从微观到中观再到宏观之间的多尺度联系,厘清了养护龄期与橡胶粉掺量变化对早强型ECC材料力学性能的影响机理。再次,综合考虑了ECC组成原材料的水化程度与其裂缝宽度控制能力,通过研究ECC水泥-粉煤灰胶凝材料基质在不同养护条件下后期的非蒸发水量、粉煤灰的反应程度和抗压强度的增长程度,以及不同配合比引起的ECC的裂缝开裂宽度的不同,再结合ECC材料层面的自愈合行为初步建立了ECC材料自愈合能力的评价体系,为自愈合ECC材料的设计提供了依据。此外,通过研究自愈合行为对ECC材料力学行为恢复的影响发现:自愈合行为可使得预裂ECC的力学性能有着较大程度的恢复。最后,通过四点弯曲疲劳试验研究了ECC材料的疲劳性能,并确认了ECC材料的较高疲劳寿命。利用Abaqus有限元建模模拟了ECC材料钢桥面铺装层在行车荷载作用下的力学响应。结合ECC材料的疲劳性能与有限元模拟结果,最后得出钢桥面ECC材料铺装层的建议铺装厚度可采用40mm。


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