新型钢箱梁桥面铺装技术ppt课件.ppt
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1、新型桥面铺装材料与结构优化设计,汇报人:丁庆军 教授、博士生导师13720287278 单 位:武汉理工大学,2014年6月23日,丁庆军,男,工学博士,武汉理工大学产学研首席教授,博士生导师,享受国务院政府特殊津贴。,主要从事高强与高性能混凝土、桥梁与隧道工程材料的研究与应用工作。,中国硅酸盐学会水泥分会理事,水泥化学及物化测试专业委员会副主任委员,施工技术杂志学术委员会理事,湖北省科学技术咨询服务中心建材科技工程咨询部专家组成员。,个人简介,主要研究领域,学术兼职,先后主持国家“863”项目2项,国家“973”课题1项,国家“十一五”、“十二五”科技支撑计划子课题各1项、国家自然科学基金2
2、项、各类省部级科研课题共计20余项。,近五年主持的各类国家科技计划项目:,承担工程项目100多项,发明的钢管高强混凝土膨胀控制与制备技术,先后应用于世界第一跨度的合江一桥(530m),世界第二跨度的巫山长江大桥(460m)等100余座钢管混凝土桥,参与编写了国家标准钢管混凝土拱桥技术规程,推动了钢管拱桥的应用与发展。,主要承担的工程项目,湖南湘潭湘江四桥,湖南茅草街大桥,重庆巫山长江大桥,武汉江汉晴川桥(江汉三桥),浙江淳安南浦大桥,浙江华光潭桥,重庆奉节梅溪河大桥,广东东莞水道大桥,浙江宁波三门口(中门)桥,浙江宁波三门口(北门)桥,武汉江汉长丰桥(江汉五桥),广东潮州韩江北桥,广西南宁永和
3、大桥,长沙黑石铺湘江大桥,湖北省秭归青干河大桥,贵州水柏北盘江铁路大桥,青藏拉萨河铁路特大桥,宜昌三峡龙潭河大桥,浙江杭州钱塘江四桥,(460m,世界跨度第一),四川广元昭化大桥,长春伊通河大桥,后湖大桥,岱山特大桥,开发低温升抗裂高性能大体积混凝土,解决了内外温度梯度大造成的开裂问题,取消冷却水管,简化施工工艺,缩短工期,降低工程造价,取得了显著的社会和经济效益。,合江一桥,嘉绍大桥,大榭二桥,西藏通麦特大桥,合江二桥,港珠澳大桥,公开发表学术论文100余篇,其中被 SCI、EI 收录70余篇,著作1部。获得国家发明专利30余项。,1 Ding Q.J.,Hu C.G.,Feng X.X.,
4、Huang X.L.(2012),Effects of Curing Regime on Polymerization of C-S-H in Hardened Cement Pastes,Journal of Wuhan University of Technology-Mater.Sci.Ed.,28(4):715-720.2 Ding Q.J.,Zhu Y.X.,Wang Y.,Huang X.L,Gong Z.C.(2012),Effect of Molecular Structure of Polycarboxylate-type Superplasticizer on the Hy
5、dration Properties of C3S.Journal of Wuhan University of Technology-Mater.Sci.Ed.,27(4):768-771.3 Ding Q.J.,Lu L.N.,Hu S.G.,He Y.J.(2002),Preparation of high impermeable and crack-resistanc chemical admixtare and its mechanism,J.Wuhan Univ Thech-Mater.17(2):70-73.4 Ding Q.J.,Hu C.G.,Feng X.X.,Huang
6、X.L.(2012),Effect of Curing Regime on the Distribution of Al3+Coordination in Hardened Cement Pastes.Journal of Wuhan University of Technology-Mater.Sci.Ed.28(5):927-33.,论文及专利情况,获国家科技进步二等奖2项(排名均第2)、国家技术发明奖1项(排名第3),省部级一等奖9项(排名第二4项,排名第三1项,排名第四1项,排名第五1项,排名第七2项),省部级二等奖5项。,获得国家和省部级科技奖励,共获国家、省部级各类奖励20余项,钢
7、桥面铺装汇报内容,研究背景钢桥面铺装水泥混凝土桥面铺装获得的知识产权下一步工作展望,桥面铺装层是桥梁结构重要组成部分,在荷载和环境侵蚀的偶合作用下易发生磨耗和劣化,桥面铺装质量和性能将直接影响到汽车行驶舒适性和安全性。,一、研究背景,钢桥面,1,2,混凝土桥面,钢格子梁,钢箱梁,钢桁架梁,其他,简支梁,连续刚构梁,钢-混叠合梁,其他,悬臂梁,ERS铺装体系,剪力件+钢筋网+高韧性混凝土+高粘SMA混凝土,浇注式沥青混凝土,环氧树脂沥青混凝土,铺装材料,双层SMA铺装,2.1 钢桥面铺装层材料种类及存在的问题,二、钢桥面铺装技术,部分国家的铺装体系,国内外钢桥面铺装材料对比,材料与钢板间的弹性模
8、量差异大,不能协调一致变形.,车辆超载、重载普遍,高温、多雨等恶劣气候,内因,外因,耐疲劳性差,粘结性能差,内因上解决从材料与结构设计出发,因此,研究开发一种基于材料梯度设计的新型钢桥面铺装技术!,钢桥面铺装层破坏原因与解决思路,减轻自重荷载。轻集料混凝土可使铺装层内材料产生弹模梯度变化,显著降低铺装层体系的拉应力和剪应力,提高其使用寿命,浇注轻质高韧性混凝土,钢板,焊接剪力件,防水防锈层,设置防水防锈层,提高防水性能,防止钢板生锈,设置防水应力吸收层,防止反射裂缝,高粘高弹SMA13,高粘高弹防水粘结应力吸收层,铺设高粘SMA13,提高面层的行车舒适性、抗滑性、抗车辙、水稳性和耐疲劳性,绑扎
9、钢筋网,轻质高韧性混凝土,2.2 新型钢桥面铺装层技术方案(2001年提出),钢箱梁段铺装体系复合作用模型,钢箱梁段车载沿横桥向作用示意图,以武汉机场第二公路通道主桥钢箱梁段(跨度150m)为例,2.3 铺装层力学响应分析,最大横向拉应力位于沿桥纵向的加劲肋板上方铺装表面。,最大纵向拉应力位于横隔板上方铺装层表面。,最大层间剪应力出现在横隔板上方附近加劲肋两侧区域。,最大竖向位移出现荷载作用于跨中时。,随着下面层模量的提高,上面层的横向拉应力减小,下面层的拉应力增大,上下面层间的层间剪应力减小,下面层与钢板的层间剪应力增大。双层铺装结构需要采取措施提高下面层材料的抗拉强度、韧性以及与钢板的粘结
10、强度,并使下面层与钢板协同变形。,表1 上面层SMA、下面层不同模量铺装材料的力学分析,2.4 梯度设计下铺装层力学分析,将“钢桥面板-铺装结构层-表面功能层”作为一个整体结构单元进行设计,提出“强化界面粘接、协同层间变形、优化表面功能、提升整体性能”的设计思路,采用“创新设计、优化结构、提升性能、材料复合”的技术方法。基于材料梯度设计原理,提出在钢板(弹性模量210GPa)上焊接剪力件、绑扎钢筋网、浇筑与钢板具有较好追从性的高韧性轻质混凝土为下面层(弹性模量约2528GPa,I20 20,厚度58cm),上面层铺设SMA13沥青混凝土(弹性模量1.21.6GPa,厚度45cm),形成弹性模量
11、梯度复合结构。,2.5 新型铺装结构铺装层设计原理,钢桥面双层沥青铺装层,钢桥面“过渡层-沥青组合”铺装层,在下面层铺装结构中,剪力件与钢筋网构成的桥面抗推移骨架,在提高下面层高韧性轻集料混凝土抗滑移能力的同时,使行车荷载作用于钢桥面的各向应力得以均匀传递,进一步提高铺装层与钢桥面之间的协同变形能力和抗疲劳特性。在上、下铺装层间热洒2mm高粘高弹改性沥青的防水粘结应力吸收层,提高了混凝土层与沥青铺装层之间的界面粘结强度和抗剪强度同时能防止水渗透造成的剪力件和钢筋网以及钢板锈蚀,并耗散车辆荷载往复作用下混凝土层裂缝处应力集中产生的能量,阻止裂缝反射到SMA13沥青混凝土层。采用高粘SMA铺装技术
12、,使表面磨耗层具有更为优良的高温抗车辙、低温抗裂及耐久性性能。,2.5 新型铺装结构铺装层设计原理,1、混凝土的增韧和轻质化,优异的抗疲劳开裂性能并降低桥面铺装层静荷载且易于泵送浇筑施工高强高韧性轻质混凝土材料的设计与制备技术 2、防水、粘结、应力吸收一体化功能材料的开发。提高沥青混凝土铺装层与混凝土之间的界面粘结、抗剪性能、防水性能一体化高粘高弹沥青的开发 3、提高沥青混凝土的高温性能及抗疲劳性能高粘度SMA沥青混凝土制备技术,2.6 解决的关键技术,针对轻集料强度低、混凝土脆性大等问题,采用聚合物、超细水泥、掺合料等超细胶凝粉料浆进行表面处理,使轻集料表面形成具有修复缺陷和增加水化活性的功
13、能层,可显著提高轻集料的强度,并能优化轻集料与水泥石的界面结构,大大提升混凝土的强度和性能。,不同工艺对轻集料混凝土的增强效果比较,(1)高强高韧性轻质混凝土材料的设计与制备技术,利用界面强化后的轻集料,优选聚合物种类,进行配合比优化设计,其混凝土韧性大幅度提高。,复合纤维与聚合物增韧高强轻集料混凝土,采用钢纤维、聚丙烯腈纤维、聚丙烯纤维和聚合物复合增韧效果最好,混凝土的重量增加较小、韧性高,可提高20倍以上。,轻集料界面强化、纤维与聚合物复合增韧混凝土抗压强度达到60MPa以上,抗折强度达到9MPa,韧性指数I20达到22.4。,复合纤维与聚合物增韧高强轻集料混凝土,加载频率10Hz,控制应
14、力比0.75,混凝土抗弯拉疲劳性能,构件抗弯拉疲劳性能,构件:钢板(厚度14mm),剪力钉(直径16mm、高45mm、间距400mm),钢筋网(网格间 距100*100mm,直径10mm),轻质高强高韧性混凝土(厚度50mm)。,高韧性轻质混凝土工作性能,可泵送施工,泵送距离300m。,考虑弹模与密度匹配的集料组成设计当轻集料占普通集料比例50%时,其中:VNA普通集料在低收缩超高韧性水泥基材料中的绝对体积含量(%)E、ENA、ELC低收缩超高韧性水泥基材料、普通集料和纯轻集料水 泥基 材料的弹性模量。考虑抗压强度、体积稳定性的胶凝材料与集料的密实堆积设计考虑韧性、工作性能的混杂纤维与聚合物乳
15、液协调设计,(2)低收缩超高韧性水泥基复合材料的设计方法,低收缩超高韧性水泥基工程复合材料的制备工艺,最佳拌合工艺下制备出的高流动度低收缩超高韧性水泥基工程复合材料。,1)砂灰比:随着砂灰比的升高而抗压、抗折强度降低,综合考虑力学性能及砂灰比过低对体积稳定性的影响,砂灰比宜选取0.60.8。,各组分对材料性能的影响规律,抗压强度,抗折强度,2)纤维 随着纤维掺量的增加抗折强度、弯曲韧性提高,抗压强度影响不大。宜选取1%钢纤维+0.5%PVA混杂增韧。,抗压强度,抗折强度,3)聚合物 随着非离子型水性环氧树脂聚合物乳液掺量增加其抗压强度略有降低,抗折强度、韧性提高。聚合物乳液宜选取10%。,抗压
16、强度,抗折强度,4)陶砂 水泥基材料抗压、抗折强度、自收缩和容重均随着陶砂掺量的提升而降低,陶砂掺量宜选取40%60%。,容重(kg/m3),不同水泥基材料配比下早期自收缩试验数据,收缩性能研究,低收缩超高韧性水泥基工程复合材料,胶凝材料掺量高,水胶比较低而密实度高,自收缩较大,需进行体积稳定性设计。,收缩率(10-6),弯曲韧性研究,纤维及聚合物乳液对弯曲韧性的影响,选取PVA纤维与钢纤维混杂,并加入聚合物增韧,对比不同配比下的弯曲韧性指数I20。,荷载-扰度曲线,抗弯拉疲劳性能研究,研究不同应力比下低收缩超高韧性水泥基工程复合材料抗弯拉疲劳性能。,三、活性粉末混凝土,(3)免蒸养超高强高韧
17、性混凝土的设计与制备,常见超高强混凝土:活性粉末混凝土(RPC),优点:力学性能与耐久性能优良,原材料:石英砂、石英粉、水泥、水、减水剂,缺点:原材料(石英砂等)成本高;实际施工热养护困难;拌合物流变性能差,不易泵送施工。,引入516mm粒径的玄武岩作为粗骨料,选用性质优良的骨料,取消热养护制度,采用超细矿粉取代部分硅灰,改进思路,免蒸养超高强高韧性混凝土,免蒸养超高强高韧性混凝土配合比设计,(4)防水粘结应力吸收层高粘高弹改性沥青的开发,混凝土层与沥青面层之间的粘结层应同时具备防水、粘结和应力吸收的作用,以提高钢桥面铺装层的耐久性。通常使用的粘结层有热撒SBS沥青或者喷洒改性乳化沥青,能够起
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