橡胶改性纤维增强水泥基复合材料桥面连接板受拉性能研究

翁日华 方成峰 刘兴博 谢美婷 禹智涛

（1 江门市银洲湖高速公路有限公司；2 广东工业大学土木与交通工程学院）

伸缩缝因其构造简单、使用方便等特点，广泛应用于公路桥梁建设中。但伸缩缝不可避免地存在各种病害问题，如传统橡胶伸缩缝可能存在橡胶老化、模数式伸缩装置刚度不高，部件容易断裂破坏等[1]。现今越来越繁重的车辆荷载极易造成伸缩装置的损坏，导致桥梁维修成本增加。据统计，伸缩缝相关的维护费用占了全球桥梁总维护费用的7%～8%[2]。为此，近年来学者们对伸缩装置展开了大量的研究，如屈曲约束形状记忆金属的智能伸缩缝[3]等新型伸缩装置。而另外一些学者则开始转向整体或半整体式桥梁、桥面连续简支梁桥等无缝桥梁的研究，其中桥面连接板即是实现桥面无缝的较理想方式。

已有许多试验研究关注于使用ECC 桥面连接板代替传统伸缩缝，纤维增强水泥基复合材料（Engineered Cementitious Composite, ECC）是一种具有超高韧性、应变硬化及多缝开裂特性的新型建筑材料。ECC 桥面板能够通过自身变形吸收桥面的收缩和膨胀效应，能够大幅提升结构的疲劳和耐久性能，延长使用寿命。此外ECC 制备过程中常使用粉煤灰等工业副产品部分代替水泥，并可以根据结构性能要求添加对应材料[4]，进一步地提高了经济优势并有较高的社会效益和环保价值。

在温度升高的情况下，桥面连接板将受到极大的沿桥向压缩荷载，这可能导致桥面连接板的压碎破坏。因此，可通过降低桥面连接板刚度，使其变得更“软”来提高吸收变形的能力。将高延性、低弹模得橡胶粉掺入传统ECC 中，能达到这个目的。学者们本着合理利用废旧橡胶和改善混凝土性能的目的，将橡胶粉掺入混凝土中制成高性能混凝土，并研究橡胶粉对混凝土力学性能的影响。Yu[5]等证实了，橡胶粉加入ECC中，会降低基体断裂韧性，激活更多微裂缝，限制裂缝宽度，提升ECC 的自愈合能力。Adesina[6]等发现，含橡胶粉的ECC拥有更低的孔隙率、吸水率和氯离子渗透率，并且良好的延性和耐久性，非常适合使用于桥面连接板。Zhang[7]等试验表明，橡胶改性ECC 有很好的抗冲击性能，这对于频繁承受车辆冲击的桥面连接板尤为重要。在大量橡胶改性ECC 的应用研究中，将其应用于桥面连接板的研究很少，而研究橡胶改性ECC 桥面连接板的抗拉性能更是罕见。

综合考虑材料性能特点和实际应用情况，采用粒径为0.30mm（与石英砂粒径一致）的橡胶粉等体积（体积分数为10%）替代细骨料，分别制成一个橡胶改性ECC和普通ECC 桥面连接板试件研究它们在轴向荷载下的受拉性能，并评估其应用价值。

1 橡胶改性ECC材料制备与材料性能

1.1材料制备

配制ECC 和橡胶改性ECC 所用的材料：P·O52.5 级普通硅酸盐水泥；高炉矿渣粉S105 级；F 类I 级粉煤灰；粒径为0.3mm 左右的石英砂；高强高模聚乙烯（PE）纤维，成品为束状；粒径为0.3mm 的橡胶粉，废旧轮胎回收、破碎并筛选所得；浓度40%聚羧酸高效减水剂。PE纤维及橡胶如图1 所示，橡胶改性ECC 和普通ECC 配合比如表1所示。

图1 试验材料：PE纤维及橡胶

试验采用的玻璃纤维增强塑料GFRP 筋材料性能如下：直径10mm，弹性模量5.0×104MPa，极限张拉强度1200MPa，极限拉应变2.1%。选用GFRP 筋与ECC 制成桥面连接板的原因有：①GFRP 筋的具有较低的弹性模量，而普通钢筋（HRB335 钢筋的弹性模量约为206GPa）的弹性模量约为所制备ECC 的7.4 倍，GFRP 筋更接近的弹性模量有利于筋材与基体的协同变形；②刚度较大的筋材会使得连接板截面应力较高，不利于ECC 多缝开裂性能的有效发挥；③ECC 多缝开裂的裂缝宽度均非常微小，但裂缝增多仍会带来水汽渗透侵蚀的风险，GFRP 筋有着普通钢筋所不具备的抗锈蚀能力。综合考虑各种因素，GFRP是非常合适用于ECC的筋材。

1.2材料性能

参照规范JGJ/T 70-2009[8]，立方体抗压强度试验采用边长为100mm的立方体试件，通过DYE-3000型压力试验机进行加载。轴心抗压强度试验采用直径100mm、高200mm的圆柱体试件，通过MATSET材料压缩试验机进行加载。弹性模量和泊松比按ASTM-C469 规范计算[9]。抗拉强度试验采用JSCE CES82[10]推荐的330mm×60mm×13mm 狗骨头试件，其中部受拉区尺寸为80mm×30mm×13mm，通过STS-100 微机控制电子万能试验机测试其拉伸性能。材料性能结果见表2。

表2 材料性能

从表2 中可以看出，与普通ECC 相比，橡胶改性ECC的基体强度稍有削弱，而压缩弹性模量也随之降低。在保证足够的强度下，橡胶改性ECC 其低弹模的特点能够更好的满足桥面连接板压缩变形的需要。随着橡胶的加入，其狗骨头试件的初裂强度也随之下降。但在实际ECC桥面连接板应用中，通常会配合FRP筋使用，初裂强度降低并不一定是缺点，它可以使FRP 筋增强的ECC 桥面连接板基体更早的开裂。最终裂缝数量可能会增多，但是平均裂缝宽度将会更小，这能更好的发挥ECC 的多缝开裂特性，带来更好的使用耐久性。

2 ECC桥面连接板受拉性能试验

2.1试验设计

为了模拟实际使用情况中，ECC 桥面连接板的受温度荷载时的轴向受力情况。试验各制作了一个橡胶改性ECC 和普通ECC 桥面连接板试件，尺寸和加载形式如图2 所示。其中每块连接板内置三根FRP，每根FRP 筋之间间隔100mm。连接板每侧通过4个螺栓固定于工字钢上，千斤顶模拟温度荷载产生的轴向应力，工字钢与千斤顶之间各垫着一块钢板。试件放于滚轴之上，ECC板两侧顶端装有线性位移计用于测试连接板轴向拉伸位移。加载前，先施加10kN 的力消除系统误差并顶紧千斤顶两端的钢板。然后以每级10kN 的速度加载，每级加载过程之间，采用裂缝观测仪记录裂缝产生的情况，直至试件破坏。

图2 试验布置图 （单位:mm）

2.2试验现象及结果分析

ECC桥面连接板的拉应力主要由FRP筋和基体纤维桥接作用共同承担，当其任意截面的拉应力超过初裂强度时，该截面便会出现裂缝。由于纤维的作用，裂缝宽度开展到一定数值时，便不再增大。随着荷载继续增大，裂缝数量不断增加，裂缝之间的间距不断减少。当拉应力达到极限应力时，最弱截面处的纤维被拉断，裂缝形成通缝，拉应力转移到FRP 筋上。加载过程的具体现象如下：

⑴加载初期，试件受力和变形较小，连接板裂缝发展主要由ECC材料控制。此时采用橡胶改性ECC试件和采用普通ECC 试件裂缝发展均没有明显区别，初始裂缝出现的时间也几乎一样。

⑵加载中期，基体开裂后，纤维发生桥联作用，限制裂缝宽度进一步增大，最大裂缝宽度保持在较低的水平，试件裂缝数目稳定增长，此阶段为裂缝稳定发展阶段，两个试件裂缝发展形态相似。随着试件变形增大，FRP 筋对连接板受力的影响开始显现，随着拉力增加，位移增速减小、裂缝发展变慢。

⑶加载后期，能听到大量纤维断裂的声音，裂缝宽度变大。从裂缝中能看到部分纤维断裂的现象，但未观察到纤维抽出，这能说明PE纤维在普通ECC和橡胶改性ECC 中与基体结合较好，能够充分发挥纤维的抗拉能力。当荷载达到极限值，最弱断面处的裂缝瞬间扩大，FRP筋拉断，试件断裂。

此时，普通ECC 和橡胶改性ECC 试件的其它微裂缝宽度都有稍微缩小，这是因为ECC 特有的自愈性能，在纤维的桥接作用下，被拉伸的纤维将断裂的基体“拉”到了一起。这是ECC 桥面连接板一个显著的优点，当连接板发生破坏时，裂缝宽度会收缩，降低因裂缝变宽产生的渗透侵蚀风险。

图3 为试件的荷载-位移曲线。由于试件最终破坏承载力主要取决于内部FRP 筋的极限承载力，结合试验结果可知两个试件所能承受的最大拉力相近。然而，在连接板使用过程中，应该更关注其变形能力及耐久性。ECC 桥面连接板在受拉变形时，会出现多而细的裂缝，而裂缝宽度是影响桥面连接板耐久性的重要因素。已有研究表明[11-12]，裂缝宽度在0.1mm 以下时，ECC 材料渗透系数较低，随着裂缝宽度增加渗透系数增长缓慢，抗渗性能优异。

图3 荷载-位移曲线

结合表3 试验结果，橡胶改性ECC 桥面连接板有更多的裂缝数量、更小的平均裂缝宽度、更小的最大裂缝宽度，这意味着其有更好的吸收变形能力。这是因为橡胶粉的加入，降低了基体的抗拉强度和过大的板内力，使其有利于将拉应力转移到纤维承担，进而更好发挥多缝开裂的特性。虽然看起来基体更“弱”不利于承受拉应力，但是更好的延性才是发挥ECC特性的关键。

表3 试验结果

3 有限元模拟与分析

3.1有限元模型建立

本章将以配筋类型为参数，探讨在橡胶改性ECC 中配置钢筋与FRP 筋的受力变形特点。本章有限元使用通用有限元分析软件ABAQUS 建立试验模型，并通过有限元模拟结果与试验结果进行比较，验证所建立模型的有效性，然后在此基础上进行参数调整。

3.1.1本构关系

ECC 受拉应力-应变关系，参考袁方[13]等人提出的ECC受拉应力-应变曲线简化方法，利用表4的参数简化为双斜线模型，计算公式如图4 所示。其中σtc、εtc、σtu、εtu分别为受拉初裂应力、初裂应变、极限应力和极限极限应变。ECC 受拉时，纤维的桥连作用使得材料能继续承受荷载，材料进行强化阶段，微裂缝发展，应力随应变增大持续上升。

表4 筋材参数

图4 各材料本构模型示意图

钢筋采用完全弹塑性的双直线模型，FRP 筋采用线弹性模型。各材料的本构模型如图4所示。

3.1.2模型建立

如图5 所示，模型建立时，工字钢和连接板采用实体单元，本模型中工字钢和螺栓并不是研究对象，故螺栓直接建立在工字钢上，而内置的FRP 筋和钢筋则采用线单元。由于模型形状比较规则，所有实体单元均采用六面体单元，单元类型为C3D8R，钢筋和FRP筋单元类型为T3D2。钢筋和FRP 与ECC 连接板之间的约束关系为Embedded，加载方案与原结构保持一致。

图5 有限元分析模型

3.1.3计算结果对比

根据计算结果画出板两端的荷载-位移曲线，利用有限元计算与试验的荷载位移曲线对比，如图6 所示。从图中可以看出，虽然实际材料参数与试验会有差别，但最大计算误差在13%以内，曲线拟合度较好。有限元计算的到的荷载-位移曲线与试验曲线基本相同，所建立的有限元模型存在一定的合理性和可靠性，模拟结果具备参考意义。

图6 整体荷载-位移曲线对比

3.2参数分析

在现有的FRP-ECC 连接板试件有限元模型中，将FRP 替换为刚度更大的钢筋进行参数分析。拉伸试验中连接板的应变测量并不容易，而通过提取有限元应力云图，能直观地反映结构应力。

结合图7 可知，FRP 连接板的跨中Von-Mises 应力要明显低于钢筋连接板。FRP 连接板跨中的Von-Mises应力为6.08MPa，而钢筋连接板为8.72MPa，两者差异较大。由于钢筋刚度与ECC 差异较大，而抗拉强度比FRP筋低，钢筋在加载中屈服较快，不能与ECC 较好的协同破坏。这一系列因素也导致了配置钢筋ECC 的连接板比配置FRP 的连接板应力要大的多，这对ECC 板的受拉变形和多缝开裂特性是不利的。有限元模型分析证明，在相同配筋率和形式下，FRP 相比钢筋更适用于ECC 连接板。

图7 有限元模拟连接板最大主应力云图

4 结论

⑴橡胶改性ECC 桥面板即使降低了一定的基体强度，但在配筋的作用下，最大抗拉承载力并无影响。反而因为橡胶的掺入，ECC 桥面连接板受拉时多缝开裂的现象更加明显，初始裂缝更早出现、裂缝数量更多、裂缝宽度更小。这证明橡胶改性ECC 桥面连接板有更好的使用耐久性。

⑵试验结果和有限元模拟的结果吻合较好，能够较好地反映连接板受力状态

⑶FRP 筋比钢筋更能配合橡胶改性ECC 抗拉。FRP筋能有效降低ECC 连接板内应力，发挥其多缝开裂的特性。