短纤维预制混凝土板式轨道的适用性研究

周 艺,吴家岚,马碧波

(西南交通大学土木工程学院,四川 成都 610031)

1 混凝土板式轨道应用简介

混凝土板式轨道(图 1)是日本新干线主要的轨道结构形式,约占新干线的 90%,其中最早铺设的轨道使用期已经达到 30年以上。但由于动态列车荷载引起预制混凝土面板损坏的相关报道至今没有。然而,由环境条件引起预制混凝土面板损坏的情况却成为一大难题。特别是在海底隧道产生的融盐损坏和寒冷区隧道产生的冻融破坏极为明显。融盐损坏在不同地区皆有发生,因而本文将重点放在预制混凝土面板中混凝土板面的融盐损坏上。笔者认为采用无钢筋短纤维混凝土来预制混凝土面板可以使得预制混凝土面板持久耐用。

图1 混凝土板式轨道

图2 聚丙烯纤维与聚乙烯醇纤维

2 短纤维混凝土的材料性能

2.1 短纤维

短纤维可以在混凝土裂缝之间传递拉力,故在混凝土中掺入短纤维就可使混凝土变得坚韧。所以,若用短纤维混凝土制造预制混凝土面板,混凝土面板中的短纤维将有效地控制由于冻害而引起的裂缝增长,从而融盐损坏引起的钢筋锈蚀也就不会发生。本次实验中采用的短纤维是聚丙烯(以下简称 PP)和聚乙烯醇(以下简称 PVA)(见图 2),每种短纤维的物理性能见表 1。当这些短纤维应用在混凝土中时,由于PVA短纤维的比重大于水并且具有良好的亲水性能,所以它与混凝土有着良好的粘聚性;PP短纤维的密度小于水,并且具有疏水性能,因此需要经过表面处理以提高其与混凝土的粘聚性。

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2.2 短纤维混凝土的流动性

因为短纤维的纵横比要比颗粒状骨料的纵横比大得多[1],所以当大量短纤维掺入混凝土中时,短纤维混凝土的流动性就会变差,而流动性变差就会导致工程施工更加困难。为了研究流动性的变化,首先考察短纤维混入前后混凝土的坍落度(简称 SF)。表 2是测试混凝土流动性的配合比,在混凝土中掺入大量纤维前,先测定其SF,然后以 55cm为标准点考虑流动性的下降,同时含气量以 7%为标准,以使得短纤维与混凝土更易混合。最终测得SF的实际平均值和空气含量分别为 58.2%和 6.7%,几乎与目标值相同。采用短纤维数量的单位体积率分别为 0.5%,1.0%,1.5%,2.0%,3.0%

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为了检测 SF的变化,定义 SF变化率

图3表示PVA短纤维体积率为 2.0%的短纤维混凝土的 SF,图 4表示 SF变化率和短纤维体积率之间的关系。根据这些图表,可以得出混凝土的流动性随着短纤维体积率的增加而降低,为了保证混凝土具有足够的流动性,可将SF变化率设定在 0.5。

图3 混凝土加入纤维后的坍落度比较

图4 坍落度变化率与纤维体积率关系

2.3 短纤维混凝土的强度特性

为了检测短纤维增强混凝土的强度特性,进行了压缩实验,直接拉伸试验,弯曲韧性试验。预制混凝土板重要的性能标志就是其弯曲韧性,图 5为弯曲韧性实验场景。梁试件尺寸为 100mm×100mm×400mm,混凝土配合比和短纤维体积率与用于检测混凝土流动性能试验的比例相同,图 6表示采用不同体积率的短纤维梁试样载荷与中心位移之间的关系。根据图 6可以证实增加短纤维体积率可使位移减少,荷载降低,即增加短纤维体积率可增强混凝土的弯曲韧性。就两种纤维弯曲韧性比较而言,PVA纤维优于PP纤维。

2.4 流动性和弯曲韧性的综合评价

为了综合评估短纤维混凝土的流动性和弯曲韧性的关系,笔者计算了曲线下以横轴为边界(中心位移为 0～2mm)的四边形面积,并把计算值定义为弯曲韧性(图 7)。图 8是SF变化率和弯曲韧性之间的关系。可以看出:当短纤维体积率相同时,PVA短纤维混凝土的流动性比PP短纤维混凝土的流动性差,但它的弯曲韧性比 PP短纤维混凝土的好。

图5 弯曲韧性实验

图6 梁中点位移与荷载之间的关系

从以上调查结果得出,可把以上两指标的评价作为一种工具,根据结构形式和设计施工方法来选择适当的短纤维类型和数量。

3 疲劳研究

一般预制混凝土板预计的使用寿命是 50年,但因使用期间经过板的火车轮轴数目达 200万次以上,所以研究预制混凝土板与短纤维混凝土的疲劳失效是很重要的。所以我们进行了短纤维混凝土弯曲疲劳试验,得出其实验结果,并评估了疲劳寿命。用于此试验的测试标本,是由体积率为2.0%的 PVA纤维混凝土构成的。

图7 弯曲韧性定义

图8 坍落度变化率与弯曲韧性之间的关系

3.1 弯曲疲劳试验

用于弯曲疲劳试验的标本尺寸为 100mm×100 mm×400mm,支座间距离为 300mm,弯曲载荷间隔是 100mm(如图 5所示),使用的四种循环荷载分别为 15.7,17.2,18.6,20.0 kN,循环频率是 3 Hz。混凝土的抗压强度为 52.5 N/mm2。从直接拉伸试验得到的拉伸强度是 3.37 N/mm2(见图 9)。图10为从拉伸试验得出的拉力软化曲线。测试结果表明:裂缝出现后,拉应力即刻下降,在拉应力约为 2.0 N/mm2时,可以确定短纤维桥梁作用的韧性行为。之后,随着裂缝宽度的增加拉应力逐渐下降。图 11表示弯曲疲劳寿命和弯曲应力之间的关系,以及下文将提到的弯曲疲劳寿命的计算值。试验结果表明:短纤维混凝土弯曲疲劳寿命增加与弯曲应力下降在单一对数图里呈现线性关系。

3.2 弯曲疲劳寿命的评估方法

诸如混凝土之类的脆性材料,裂纹扩展可解释疲劳性。本文从截面的平衡设计出发,将拉力方面的负载周期考虑在内,假设不考虑压缩循环荷载的任何影响,提出了一种短纤维增强混凝土弯曲疲劳寿命的计算方法。

图9 直接拉伸试验图示

图10 混凝土拉力软化曲线

图11 弯曲疲劳寿命和弯曲应力之间的关系

图12为疲劳寿命的计算流程。在这里,疲劳寿命通过截面平衡设计的疲劳设计负荷弯矩来计算,采用压缩试验得到的抗压强度,应用《铁路混凝土结构设计规范》中提出的压缩应力变形关系来考虑平衡设计的压缩模型,从而反复进行平衡设计,直至载荷循环值达到稳定。此外,由于材料强度变化对疲劳试验结果有很大影响,当计算疲劳寿命时,抗压强度变化可考虑 3倍的标准偏差。平衡设计采用的张力模型是根据实验结果(图 10)确立的三线线型的拉力软化曲线(图 13),此模型的拉应力随着负荷周期数的增加而减小。以下详细解释拉力模型:在达到抗拉强度后,当裂缝的宽度是 0.01mm时,拉应力才下降,从无筋混凝土的拉伸软化曲线预估 0.01mm,并且拉应力减小到短纤维作为桥梁作用所引起的应力(σt),此应力(σt)被分散在开裂区。且由于抗拉强度很容易因各种因素的影响而改变,所以笔者根据实验所得公式(2)计算出的抗拉强度比率来修改张力软化曲线,其中抗拉强度的弹性模量采用混凝土规范中的所示值。

图12 疲劳寿命的计算流程

图13 三线线型的拉力软化曲线

由于抗拉强度没有不同于抗压强度的明显变化,可以用式(2)得出修正了的抗压强度(±3σ)来计算抗拉强度,再利用这个抗拉强度计算短纤维混凝土的疲劳寿命。根据断裂力学,混凝土构件疲劳失效是由循环负荷引起的裂纹扩展导致的,因此可以认为裂纹扩展是由于张力软化曲线的拉应力退化所引发的,假设张力软化曲线随着载荷循环的增加而下降。根据式(3)可以进行计算。

3.3 疲劳寿命的计算结果

用来计算疲劳寿命的短纤维混凝土的抗压强度是 53.1 N/mm2,图 14表示通过计算得到的拉力软化曲线,其中显示的“最大值”“最小值”是固定的。通过压缩与张力模型估算了疲劳寿命,将其计算结果与疲劳试验结果进行比较。图 11即为二者比较结果。弯曲疲劳试验结果在“最大值”和“最小值”之间,并且与“平均值”有一定的关联。通过以上分析,证实用此方法计算钢筋混凝土的疲劳寿命是可行的。

4 使用实际尺寸的预制混凝土板测试

为了检验弯曲和弯曲疲劳强度性能,本文使用实际尺寸的预制混凝土板样进行了静态弯曲试验和弯曲疲劳试验。样板是掺入了 2.0%的PVA短纤维的短纤维混凝土。通过把 RC预制混凝土板分成两个方向轨道的形式准备试件(200mm×1170mm×4930 mm)。弯曲试验中,试件的支座距离是 3000mm,弯曲载荷间隔是 1000mm,弯曲疲劳试验的循环荷载分别是 55.0,60.2,63.0,74.5 kN。假设试件所有部分都是有效的,试件底部弯拉应力分别为 3.5,3.9,4.0,48N／mm2。图 15表示的弯拉应力是由弯拉应力与静态弯曲试验得出的位移之间的关系,然后再根据平衡设计计算得来。然而,这个弯曲应力值是试样底部的值,当压缩边缘应力设置为 0.0035时,弯拉应力则由弯矩计算得来 。

图14 拉力软化曲线

图15 弯曲应力与中点位移关系

图16 弯曲疲劳寿命和弯曲应力关系

结果表明:静态弯曲试验的结果在“最大”与“最小”计算值之间,说明短纤维混凝土制成的预制混凝土板弯曲断裂可经计算检验。图 16显示了基于弯曲疲劳试验和通过计算两种方式得出的疲劳寿命结果。所有情况下的试验结果都在计算所得结果范围内,此计算结果是将材料强度变化考虑在内实现的。最后证实,短纤维混凝土制成的预制混凝土板的弯曲疲劳可通过计算校核。此外,通过静态弯曲试验得出,实际大小的预制混凝土板的弯曲断裂载荷约是 80 kN,这个值大于载荷(43.6 kN)相应的弯曲断裂设计的弯矩(21.8 kN·m),并且认为它对应的弯曲疲劳断裂设计弯矩是 21.2 kN,此载荷低于弯曲裂缝载荷,所以它的重复不会引起疲劳断裂。

5 环境性能

为了研究混凝土冻害问题,笔者对掺入了 2.0%.PVA纤维的混凝土进行了冻融试验。试验时取混凝土的 W/C为47.0%。图 17显示了相对动态弹性模量为 100的冻融测试结果。虽然相对动态模量在早期下降了一点,但当周期到300时,相对动态弹性模量都保持在 95%左右,此值大于混凝土标准中显示的最严重的情况(85%)的标准,就冷冻,解冻循环而言,短纤维混凝土已经具有足够的性能抵抗。虽然融盐损坏检测没有进行,但由于混凝土中没有加入铁质纤维,故可以持久抵抗盐损坏,即混凝土有足够的耐久性能。

图17 冻融测试结果

6 结论

(1)当坍落变化率在超过 0.5的情况下,纤维混凝土的流动性能是足够的。同样,当PVA短纤维体积率与PP短纤维体积率相同的情况下,PVA短纤维在提高弯曲韧性上更有效。

(2)在弯曲破坏和弯曲疲劳失效方面,纤维混凝土完全可以应用于预制混凝土板式轨道。

(3)通过拉力软化曲线,重复平衡计算以及考虑循环载荷影响时,可以预测纤维混凝土的疲劳寿命。

(4)本文指出了纤维混凝土抵抗融盐损坏和冻害的可能性。

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