混凝土施工论文范文参考

　　摘要：针对某高速公路典型桥面铺装结构受力性能，本文从微细观结构出发，对桥面铺装层间过渡区的物理化学性质进行分析，得出由于浇筑时间差等原因，该层间界面存在大量初始孔隙、初裂缝及低强度水泥晶体。为了对该层间界面的抗剪性能进行进一步深入研究，本文对其进行了一组先后浇混凝土抗剪试验及有限元分析研究，对改善界面抗剪性能和铺装层使用性能具有重大意义。

　　关键字：抗剪性能,试验研究,先后浇混凝土

　　0引言

　　桥面铺装作为桥梁行车体系的重要组成部分，一方面铺装层可分散荷载并参与桥面板的受力，起联结各主梁共同受力的作用，既是桥面保护层又是桥面结构的共同受力层；另一方面大跨度桥梁桥面板的变形、位移、振动等都将直接影响铺装层的工作状态。然而，桥面铺装的各种病害一直困扰着桥梁的设计者和管理者[1]。国内外研究人员从施工工艺、材料性能及结构受力等各方面进行了大量的研究[2-5]，努力寻求优质桥面铺装的施工方法及设计理论。

　　桥面铺装一般包括沥青混凝土桥面铺装及水泥混凝土桥面铺装两类。水泥混凝土桥面铺装是在桥面板完成后，桥面板上预留剪力钢筋，并铺上钢筋网片后，浇筑8～15cm防水混凝土铺装层。沥青混凝土桥面铺装一般是在水泥混凝土铺装层的基础上再浇筑一层3～8cm的沥青混凝土层。由于沥青混凝土本身刚度较小，其主要作用为改善行车舒适性及扩散行车荷载，一般不参与铺装层受力。因此，本文主要讨论水泥混凝土铺装层与桥面板层间的受力性能。

　　图1典型桥面铺装结构形式

　　水泥混凝土铺装层为铺置于桥道板上的后浇筑混凝土，为加强其与桥道板间的受力连续性，提高其在荷载下的变形刚度，某高速公路中各典型桥梁在二者间采用剪力钢筋相互连接（图1）。通过两者之间的粘结力及剪力钢筋销栓力抵抗在活载作用下的各种水平剪力。当该层间发生抗剪破坏时，铺装层受力刚度将大大降低，在活载水平荷载作用下发生局部破损；同时，水平抗剪破坏将导致二者间发生局部水平错动，剪力钢筋此时将使水平力以集中力的方式作用于铺装层中，从而导致钢筋位置的混凝土发生破裂，引发和加剧铺装层的破坏。因此，本文将从桥面铺装层间抗剪性能出发，对层间抗剪性能进行理论分析，并通过试验研究及有限元分析，提出相应改善层间抗剪性能措施，从而减少桥面铺装由此产生的病害。

　　1．铺装层间黏结特性

　　桥面板为预先形成强度的先浇混凝土区，而水泥混凝土桥面铺装层为后浇混凝土区，两者间的层间为先后浇混凝土界面。其接触界面存在一个近似于整浇砼中骨料与水泥石之间的过渡区。事实上，先浇界面存在露出的骨料和已硬化的水泥石，可能比整浇混凝土中骨料与水泥石界面过渡区要复杂，目前过渡区理论还在探索，在没有定论的情形下，我们不妨简单认为先后浇混凝土界面区的构成与混凝土中的过渡层类似，构成主要为C-S-H凝胶(水化硅酸钙)、C-H晶体[Ca(OH)2]、AFt(钙矾石)和未水化的熟料颗粒及孔洞、裂缝[6]。界面区中C-H晶体数量多，而且晶体尺寸较大，同时界面区中孔洞较多时．对界面区粘结将产生不利影响。

　　同样的受力条件下，桥面铺装层间的先后浇混凝土界面比整浇体系中骨科与水泥石界面还要薄弱，有以下几方面原因：

　　1.1由于先浇混凝土的亲水性，第二次浇筑会在先浇混凝土表面形成水膜，使结合面处后浇混凝土的局部水灰比高于体系中的水灰比，导致界面钙矾石和氢氧化钙晶体数量增多，形态变大，形成择优取向，降低界面强度。且由于先浇混凝土的阻碍，后浇混凝土中的泌水和气泡积聚在先浇混凝土表面，不仅使得后浇混凝土局部水灰比更高，而且使得气孔和微裂缝在该区富集，显著降低界面强度。这是物质结构化学方面的原因，是影响先后浇凝土结合本质的内因。

　　1.2界面处的石子、水泥石和后浇混凝土的界面接触与整浇混凝土中骨料与水泥浆的界面接触有差别。水泥浆本身具有一定的粘结性，它主要用于包裹混凝土中的骨料，使之硬化成坚硬的水泥石。在后浇混凝土中的骨科经过搅拌、振捣被水泥浆包裹，而先后浇混凝土界面处后浇混凝土中的骨料经过振捣可能挤压在界面处，使骨料与界面突出的石子、水泥石等形成“点接触”。骨料堆积在先浇混凝土表面，阻塞了一部分先浇混凝土表面的孔隙和凹凸不平部分，使具有粘结性的水泥浆不能完全渗入孔隙中去，形成“缺浆”现象。这样使得粘结界面处的后浇混凝土中出现空隙，影响了先后浇混凝土的粘结强度。

　　1.3当混凝土干燥收缩时，因先后浇混凝土间龄期的差异，铺装层混凝土收缩时，桥面板混凝土收缩已经全部完成或完成一部分，此时界面区处发生变形差异，由此产生了内部初应力。应力得不到释放，导致界面处收缩微裂纹。同时，界面处孔隙率较高，收缩微裂纹易连通成微裂缝。结构在受到外荷载作用以前，界面区已经存在初始微裂缝（图2）。

　　综上，桥面铺装层间先后浇砼界面区具有以下力学性质：（1）界面区有较高的孔隙率，同时存在大量晶体水化产物，并倾向于定向排列。与紧密交叉排列的小晶体比较，这种定向排列的大晶体更容易开裂，裂纹更容易扩展，强度也更低；（2）界面内部存在复杂的初应力及初始收缩微裂缝；（3）界面区通常为一平面，裂纹尖端应力集中且延伸路径顺直，使得界面区易触发和延伸裂缝，并易最终发生破坏。

　　由以上分析知，界面的抗裂性能较一般混凝土薄弱。首先，由于墙壁效应，界面内混凝土中粗骨料数量较少，难以通过相互接触传递应力，而只能通过较弱的水泥浆进行。界面混凝土中水泥浆水化不充分，加剧了界面受力的不利。

　　其次，骨料周围的孔隙及先浇混凝土壁的气泡等形成了多个潜在的薄弱截面。由最小势能原理，最终破坏的裂缝将沿最薄弱的截面发生。界面开裂后，传力方式与一般钢筋混凝土开裂面相类似，主要通过三种作用传递：（1）骨料承压作用：裂缝两个表面凹凸不平的部份直接承压来传递剪力。（2）摩擦作用：横贯裂缝的钢筋受拉而使裂缝两侧的混凝土相互受压，使粗糙的接触面产生摩接力从而传递剪力。（3）钢筋的销栓作用：横贯裂缝的钢筋通过受剪、受弯或受折作用来传递剪力。

　　2．层间抗剪性能试验研究

　　2.1试验情况介绍。为了研究上述类型桥面铺装层间抗剪性能，进行了一组先后浇混凝土纯剪试验，试验中主要考察混凝土强度、剪力钢筋数量等参数对界面抗剪性能的影响。

　　试件的尺寸及形式如图3，共32个试件。

　　图3试件构造及尺寸(cm)

　　2.2典型试验行为。图4为不同配筋率时试件的P-△曲线。有无剪力钢筋试件的P—△曲线在初始剪切刚度和曲线形状等各个方面均有不同。有剪力钢筋的初始剪切刚度大致相同，比无剪力钢筋试件的剪切刚度明显稍大；有剪力钢筋试件的变形曲线为软化曲线，基本可分为3个折线段：第一段从开始加载到出现第一条裂缝，此阶段P-△曲线基本为一直线，为弹性变形阶段；第二段从出现第一条裂缝开始，此阶段裂缝发展稳定，较前一阶段每级荷载下变形增大，但仍成比例，为带裂缝工作阶段；之后，裂缝进入不稳定发展，为第三段—破坏延性阶段，此阶段荷载基本不再增加，变形增加却非常明显，P-△曲线基本为一水平线。无剪力钢筋的变形曲线基本为两折线，第一阶段从开始到0.4～0.6Pu，此阶段P-△曲线基本为一直线，为弹性变形阶段；第二段为剪切强化阶段，直至突然破坏。

　　图4不同剪力钢筋配筋率下试件的P-Δ曲线

　　图5为剪力钢筋配筋率不同、其它条件均相同的情况下计算出的界面处剪力筋荷载—主应力图。图中四条曲线明显呈两组，分别为较小配筋量试件和较大配筋量试件。较小配筋量的两条曲线在加载的初、中期几乎重合，曲线斜率较大，较早出现应力突增；较大配筋量的两条曲线有一定的偏差，可以看出配筋量越大、开裂荷载和极限荷载越大。这一组曲线的斜率较前一组小，较晚出现应力突增。

　　分析图5，配筋率以1.67%为分界点，当配筋率小于该值时，试件的抗剪强度与配筋率无明显关系。当配筋率较小时，有剪力筋试件较无剪力钢筋试件，仅改善了试件的破坏脆性，并没有明显提高界面强度。只有当配筋率较大时（＞1.67%）时，试件的强度随配筋率增加而显著提高，其破坏的延性也随之增加。

　　通过以上分析得出：剪力钢筋抵抗剪力的作用有最小配筋率的要求。当剪力钢筋配筋率小于此最小配筋率时，剪力钢筋不能有效的发挥抗剪作用；当剪力钢筋配筋率大于此最小配筋率时，剪力钢筋才可以有效抗剪，且配筋率越大，开裂荷载和极限荷载越大。

　　3.剪力筋力学行为有限元分析

　　本文采用大型有限元软件ANSYS对本次试验进行了相应的有限元分析，重点对剪力筋的细部受力进行了分析。图6为分析得到的剪力钢筋周围混凝土压应力分布规律。钢筋弯曲变形集中在界面附近，造成界面混凝土局部承受钢筋线荷载，先浇混凝土的下缘和后浇混凝土的上缘在线荷载集中压应力作用下，发生局部破坏如图6所示。

　　为了解剪力钢筋各部位在抗剪全过程的力学行为，图7和图8分别绘出了典型N2试件和N4试件中剪力筋在先浇混凝土外框（图中end）、后浇混凝土芯（图中mid）和界面处（图中sur）三点的荷载—主应力图。图中显示了试件在界面受剪中剪力钢筋在不同阶段的受力，其特点为：

　　1．剪力筋在界面处主应力远远大于其它位置，因此可以认为剪力筋在界面处的受力形式为纯剪切。

　　2．在界面出现裂缝后，界面处剪力筋成为抗剪各因素的核心因素。

　　3．当剪力筋设计为多排时，各排钢筋可以通过之间的混凝土协调参与者受力，将破坏时混凝土的突然破坏分解成几部分，增加了破坏时的延性。

　　4.层间受力性能改善措施研究

　　4.1在浇筑防水混凝土时，应清洁并充分润湿桥面板表面，充分凿毛，清洁骨料，以增强桥面板与铺装层间有粘结力抗剪力；

　　4.2桥面铺装层浇筑时应保证其良好的和易性并振捣充分，同时水泥混凝土铺装层内应添加一定膨胀剂以抵消二者间的混凝土收缩差。

　　4.3剪力筋应布置均匀并适当加密，分析表明，剪力钢筋的数量对于P-Δ曲线有明显影响，抗剪数量增加不仅提高层间界面抗剪强度，还提高了荷载作用下的材料刚度。建议先后浇混凝土层间剪力钢筋的最小配筋率应不小于1.7％。

　　5.结论

　　5.1桥面铺装层和桥道板混凝土由于浇筑时间差，其界面存在不可避免的薄弱层，该层内有大量的初始孔隙、初裂缝及低强度水泥晶体。

　　5.2试验表明，界面剪力筋可以增大界面的抗剪刚度，提高界面开裂荷载，改善铺装层受力性能。

　　5.3界面抗剪强度的大小很大程度上取决于剪力筋数量，当其配筋率大于最小配筋率时，剪力钢筋的作用才能得到充分发挥。由试验结果建议，最小有效配筋率可取为1.7%。