技术领域
[0001] 本
发明涉及一种超高性能水泥基桥面板,更具体的说,涉及一种由超高性能水泥基复合材料浇筑的超高性能水泥基桥面板。
背景技术
[0002] 桥面板亦称行车道板,一般采用
钢筋
混凝土或钢材建造,是直接承受车辆轮压荷载和环境荷载的承重结构,也是受超载、
腐蚀、疲劳等不利因素影响最直接的构件。
钢筋混凝土桥面板是目前中小跨
桥梁桥面板的主要形式,其优点为设计简单、经济性好,但其缺点2
也十分显著,如厚度大(200~280mm)、自重大(500~700kg/m),导致包括
基础工程在内的下部结构工程量大,施工周期较长;耐疲劳性能差,在轮压荷载(尤其是超载车辆)反复冲击作用下易产生疲劳裂缝,成为外界侵蚀介质(如氯离子、
硫酸盐等)渗入的途径;耐久性差,普通混凝土自身的抗
碳化性能、抗渗性能、抗裂性能不足,导致桥面板在远未达到设计寿命时便已产生裂缝、碳化、钢筋锈蚀等病害,后期需高额的维护
费用,一些工程的维护费用甚至超过了建设费用。因此桥梁工程迫切需要自重轻、耐疲劳、耐腐蚀、高寿命、施工便捷的新型桥面板。
发明内容
[0003] 为了解决
现有技术存在的上述问题,本发明的目的是提出一种由超高性能水泥基复合材料浇筑的超高性能水泥基桥面板。
[0004] 为实现上述目的,本发明可通过以下技术方案予以解决:
[0005] 本发明的一种由超高性能水泥基复合材料浇筑的超高性能水泥基桥面板,包括桥面板中间段和两侧加强段,将该水泥基桥面板中间段高度设为h,两侧加强段高度设为H,桥面板宽度设为B,桥面板长度设为L,两侧加强段底部宽度设为b,中间段纵筋间距设为B1,两侧加强段上层纵筋间距设为B2,两侧加强段下层纵筋间距设为B3,中间段横筋和两侧加强段横筋间距设为B4,两侧加强段横筋长度设为L1,满足:H/B≤0.03;h/B≤0.025;H≥h+15mm;1≤L/B≤4;B1、B2、B4≥30mm;B3≥40mm;b/B=0.05~0.15;b≤L1≤b+B1;
[0006] 所述超高性能水泥基复合材料包含胶凝材料、外加剂和水,所述胶凝材料为水泥和矿物掺合料,所述水泥为强度等级为42.5及以上的P·I、P·II或P·O代号水泥,本发明不排除在特殊情况下,使用其他类型的水泥依照本发明所述的方法进行制备高性能水泥基材料;所述矿物掺合料为
硅灰、
粉煤灰或矿粉的两种或三种;
[0007] 其中,水泥用量占超高性能水泥基复合材料体积的20~70%,所述矿物掺合料占超高性能水泥基复合材料体积的10~60%;
[0008] 所述胶凝材料各组分的配比分数通过理想堆积曲线和胶凝材料各组分的粒径累计分布曲线进行数值分析计算;
[0009] 1)所述理想堆积曲线公式为:
[0010] Psd=A+(100-A)·(d/Dmax)π/2θ;
[0011] 其中,Psd为颗粒通过筛孔的百分比,A为经验常数,d为筛孔直径,Dmax为颗粒的最大粒径;
[0012] 经验常数A的取值根据超高性能水泥基复合材料的设计坍落度或设计扩展度要求通过公式确定:
[0013] 当h≤220mm时,A=5·h/h0,
[0014] 当h>220mm时,A=5·(l-h]/h0,
[0015] l为扩展度设计值,h为坍落度设计值,h0为坍落度桶的高度300mm;
[0016] 2)胶凝材料各组分的粒径累计分布曲线:
[0017] 对胶凝材料中所需的组分水泥、硅灰、粉煤灰和矿粉经测试的得到各自累计分布曲线fc(d)、fsf(d)、ffa(d)和fbs(d);
[0018] 3)数值分析计算如下:
[0019] 设水泥占胶凝材料总量的体积分数为Xc、硅灰占胶凝材料总量的体积分数为Xsf、粉煤灰占胶凝材料总量的体积分数为Xfa和矿粉占胶凝材料总量的体积分数为Xbs,且满足Xc∈[0.250,0.875]、(Xsf+Xfa+Xbs)∈[0.125,0.750]、Xc+Xsf+Xfa+Xbs=1;
[0020] 设定混合后胶凝材料的粒径累计分布曲线为:
[0021] P=Xcfc(d)+Xsffsf(d)+Xfaffa(d)+Xbs fbs(d),
[0022] 对各组分的体积分数Xc、Xsf、Xfa和Xbs以0.001~0.01为步长,在各自的取值范围内穷举计算P,比较曲线P和Psd,计算相同纵坐标所对应的横坐标粒径d的标准差,取标准差最小的Xc、Xsf、Xfa和Xbs值作为胶凝材料的各组分配比分数;当使用两种矿物掺合料时,则需要略去没有使用的掺合料对应的
质量分数和分布曲线;
[0023] 对应无胶凝活性的填料,如石粉,由于其粒径基本落在掺合料的粒径区间,在某些场合需要使用时,可以按照上述矿物掺合料的计算方法进行计算体积分数;
[0024] 水的用量与胶凝材料的质量比W/B为0.1~0.4,其中W表示水的用量,B表示胶凝材料质量;
[0025] 按计算所得配比配制的超高性能水泥基复合材料拌和后,流动性性能如下:
[0026] 坍落度GB/T50080: ≥10mm;
[0027] 或扩展度GB/T 50080: ≥450mm;
[0028] 扩展度的值只有在高流动度即坍落度>220mm时才测试,此时混凝土流动性以扩展度为准;
[0029] 材料硬化后性能如下:
[0030] 抗压强度,标准养护28d: ≥170MPa。
[0031] 作为优选的技术方案:
[0032] 本发明所述的超高性能水泥基桥面板,所述纵坐标依最大值100%等分选取,至少取5个值;所述的W/B为0.12至0.28;所述水泥符合国标《通用
硅酸盐水泥》GB175;所述硅灰符合《
砂浆和混凝土用硅灰》GB/T 27690;所述粉煤灰符合《用于水泥和混凝土的粉煤灰》GB/T 1596;所述矿粉符合《用于水泥和混凝土中的粒化
高炉矿渣粉》GB/T 18046;水符合《混凝土用水标准》JGJ 63;所述外加剂为
减水剂、消泡剂、
增稠剂、早强剂、
缓凝剂或减缩剂一种或者几种的组合,减水剂选用减水率25%以上的减水剂,掺量为所述胶凝材料质量的0.5%~5%,消泡剂掺量为胶凝材料的0.08%~2%,增稠剂掺量为胶凝材料的0.005%~
0.5%,缓凝剂掺量为水泥材料0.005%~1.5%,减缩剂掺量为胶凝材料的0.1%~5%。
[0033] 本发明所述的超高性能水泥基桥面板,所述减水剂的减水率为30%以上,掺量为所述胶凝材料质量的0.8%~3%
[0034] 本发明所述的超高性能水泥基桥面板,所述超高性能水泥基复合材料中还添加
骨料,为细骨料或者细骨料和粗骨料的混合物;所述骨料与所述胶凝材料的体积比为0.5~2.5;
[0035] 细骨料为天然砂或人工砂,细度模数为1.2~3.5,堆积
密度为1.1~2.1g/cm3;3
表观密度为1.8~3.0g/cm;
[0036] 粗骨料为碎石或卵石,粒径为5~15mm;堆积密度为1.1~2.1g/cm3;表观密度为3
1.8~3.0g/cm;
[0037] 对于使用连续级配的骨料,配制细骨料和粗骨料的混合物时,计算出细骨料正好填充粗骨料空隙的砂率值,以此砂率值确定粗骨料和细骨料的比例;
[0038] 对于使用间断级配的骨料,骨料的比例通过理想堆积曲线和各种骨料的累计分布曲线进行数值分析计算;
[0039] 1)所述堆积曲线公式为:
[0040] PsdA=b+(100-b)·(dA/DAmax)π/2θ;
[0041] 其中,PsdA为骨料颗粒通过筛孔的百分比,b为骨料经验常数,dA为骨料筛孔直径,DAmax为骨料颗粒的最大粒径;
[0042] 经验常数b的取值根据超高性能水泥基复合材料的坍落度或扩展度要求通过公式确定:
[0043] 当h≤220mm时,b=5·h/h0,
[0044] 当>220mm时,b=5·(l-h)/h0,
[0045] l为扩展度设计值,h为坍落度设计值,h0为坍落度桶的高度300mm;
[0046] 2)各种骨料的颗粒累计分布曲线:
[0047] 对骨料中所需的砂和石子经筛分测试得到各自的累计分布曲线fsm(d)和frn(d);
[0048] fsm(d)为m#级配砂,m=1~5;
[0049] frn(d)为n#级配石子,n=1~5;当不需要石子时,则不考虑石子的累计分布曲线;
[0050] 3)数值分析计算如下:
[0051] 设m#级配砂占骨料总量的体积分数为Xsm、和n#级配石子占骨料总量的体积分数为Xrn,且满足;
[0052] 设定混合后骨料的粒径累计分布曲线为:
[0053] PA=ΣXsmfsm(d)+ΣXrnfrn(d);
[0054] 对各组分的体积分数Xsm和Xrn以0.001~0.05为步长,在各自的取值范围内穷举计算PA,比较曲线PA和PsdA,计算相同纵坐标所对应的横坐标粒径dA的标准差,取标准差最小的Xsm和Xrn值作为骨料的各组分配比分数。
[0055] 本发明所述的超高性能水泥基桥面板,所述纵坐标依最大值100%等分选取,至少取5个值;所述细骨料的细度模数为2.4~2.8;所述碎石为
玄武岩或
花岗岩。
[0056] 本发明所述的超高性能水泥基桥面板,所述超高性能水泥基复合材料中还添加
纤维,所述纤维为钢纤维或非金属纤维,非金属纤维为聚乙烯醇纤维、聚乙烯纤维、聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维、聚酯纤维、尼龙纤维、
纤维素纤维、
碳纤维、玻璃纤维或玄武岩纤维,占所述超高性能水泥基复合材料体积的0.05%~5%;所述纤维的直径为15~1000μm,纤维长度为1~100mm。
[0057] 本发明所述的超高性能水泥基桥面板,所述超高性能水泥基桥面板中间段和两侧加强段采用钢筋、钢绞线或者纤维复合筋进行配筋,中间段配筋率1%~10%,两侧加强段配筋率5%~15%;所述钢筋、钢绞线
屈服强度≥400MPa;所述纤维复合筋
抗拉强度≥800MPa;所述纤维复合筋采用有机合成纤维、玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维的一种或几种组合与
树脂制成。
[0058] 本发明所述的超高性能水泥基桥面板,所述超高性能水泥基桥面板中间段横筋和两侧加强段横筋搭接长度大于1.5B1;搭接部分采用绑扎或
焊接方法连接。
[0059] 本发明所述的超高性能水泥基桥面板,所述超高性能水泥基桥面板自重≤240kg/2
m。
[0060] 有益效果:
[0061] (1)自重较轻,只有普通
钢筋混凝土桥面板的20%到40%;制造、施工方便,工程量及工期比传统钢筋混凝土桥面板减少50%到70%;
[0062] (2)超高性能水泥基桥面板自重小,可大大降低桥梁恒载,使得包括基础工程在内的下部结构工程量减少15%到40%;
[0063] (3)超高性能水泥基复合材料微观结构致密,具有出色的
耐腐蚀性能、抗碳化性能,对内部筋材保护作用强,超高性能水泥基复合材料的碳化速度只有普通混凝土的1/40、钢筋锈蚀速率只有普通混凝土的1/25;
[0064] (4)具有良好的抗疲劳、抗震以及耐久性能,使用寿命长(理论寿命可达150年以上),大大降低结构维护费用(可实现20年内免维护、50年内无大修)。
附图说明
[0065] 图1是B=2500~3500mm、L/B=2~3时的超高性能水泥基桥面板横截面示意图;
[0066] 图2是B=3500~4500mm、L/B=2.5~3.5时的超高性能水泥基桥面板横截面示意图。
[0067] 图中,1是超高性能水泥基桥面板中间段;2是超高性能水泥基桥面板两侧加强段;S1是中间段纵筋;S2是两侧加强段上层纵筋;S3是两侧加强段下层纵筋;S4是中间段横筋;S5是两侧加强段横筋;h是中间段厚度;H是两侧加强段厚度;B是桥面板宽度;B1是中间段纵筋间距;B2是两侧加强段上层纵筋间距;B3是两侧加强段下层纵筋间距;b是两侧加强段底部宽度;L1是两侧加强段横筋长度。
具体实施方式
[0068] 下面结合具体实施方式,进一步阐述本发明。应理解,这些
实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解,在阅读了本发明讲授的内容之后,本领域技术人员可以对本发明作各种改动或
修改,这些等价形式同样落于本
申请所附
权利要求书所限定的范围。
[0069] 实施例1
[0070] 由超高性能水泥基复合材料浇筑的超高性能水泥基桥面板,其中:
[0071] H=65mm、h=45mm、B=2900mm、L=7200mm、B1=40mm、B2=40mm、B3=50mm、B4=40mm、b=250mm、L1=260mm;
[0072] 超高性能水泥基复合材料,包含胶凝材料、水和减水剂,水泥体积占20%,所述水泥为强度等级为52.5的P·I水泥,所述矿物掺合料为硅灰和粉煤灰,占54%。
[0073] 水泥、硅灰和粉煤灰的配比分数通过理想堆积曲线和其粒径累计分布曲线进行数值分析计算;
[0074] 1)所述理想堆积曲线公式为:
[0075] Psd=A+(100-A)·(d/Dmax)π/2θ;
[0076] 其中,Psd为颗粒通过筛孔的百分比,A为经验常数,d为筛孔直径,Dmax为颗粒的最大粒径;
[0077] 经验常数A的取值根据超高性能水泥基复合材料的设计坍落度或设计扩展度要求通过公式确定:
[0078] 坍落度GB/T50080:140mm;坍落度桶的高度h0为300mm;
[0079] =2.333;
[0080] 2)胶凝材料各组分的粒径累计分布曲线:
[0081] 对水泥、硅灰和粉煤灰经测试的得到各自累计分布曲线fc(d)、fsf(d)和ffa(d);胶凝材料中水泥的最大粒径大于其他两种胶凝材料,所以Dmax取水泥的最大粒径110μm。
[0082] 3)数值分析计算如下:
[0083] 设水泥占胶凝材料总量的体积分数为Xc、硅灰占胶凝材料总量的体积分数为Xsf和粉煤灰占胶凝材料总量的体积分数为Xfa,且满足Xc∈[0.250,0.875]、(Xsf+Xfa)∈[0.125,0.750]、Xc+Xsf+Xfa=1;
[0084] 设定混合后胶凝材料的粒径累计分布曲线为:
[0085] P=Xcfc(d)+Xsffsf(d)+Xfaffa(d),
[0086] 对各组分的体积分数Xc、Xsf和Xfa以0.001为步长,在各自的取值范围内穷举计算P,比较曲线P和Psd,在纵坐标上取最大值内的5个等分点,计算相同纵坐标所对应的横坐标粒径d的标准差,经计算比较得到标准差最小的Xc=0.270,Xsf=0.365,Xfa=0.519,分别作为水泥、硅灰和粉煤灰的配比分数;
[0087] 水的用量与胶凝材料的质量比W/B为0.121,其中W表示水的用量,B表示胶凝材料质量。
[0088] 使用聚
羧酸减水剂,粉剂,减水率30%,用量为胶凝材料的2.2%。
[0089] 超高性能水泥基复合材料的主要材料用量,体积百分比如下:
[0090]
[0091] 超高性能水泥基复合材料的各材料用量,质量比如下:
[0092]
[0093] 超高性能水泥基复合材料是指材料拌和后流动性性能如下:
[0094] 坍落度GB/T50080: 140mm;
[0095] 硬化后性能达到如下指标:
[0096] 抗压强度,标准养护28d: 188MPa。
[0097] 浇筑成横截面如图1所示的超高性能水泥基桥面板,其中S1、S2、S3、S4、S5均为HRB500钢筋,S1、S4、S5直径为8mm,S2直径为12mm,S3直径为16mm,超高性能水泥基桥面板中间段(1)配筋率为5.6%,两侧加强段(2)配筋率为10%,中间段(1)横筋(S4)和两侧加强段(2)横筋(S5)搭接长度为75mm,搭接部分采用焊接方法连接。超高性能水泥基桥面2
板自重170kg/m。
[0098] 实施例2
[0099] 由超高性能水泥基复合材料浇筑的超高性能水泥基桥面板,其中:
[0100] H=75mm、h=55mm、B=3800mm、L=9050mm、B1=40mm、B2=50mm、B3=50mm、B4=40mm、b=335mm、L1=350mm;
[0101] 超高性能水泥基复合材料,包含胶凝材料、水和减水剂,水泥体积占49%,所述水泥为强度等级为62.5的P·I水泥,所述矿物掺合料为硅灰、粉煤灰和矿粉,体积占18%;胶凝材料的各组分配比分数按实施例1的计算方式,得Xc=0.731、Xsf=0.104、Xfa=0.094和Xbs=0.070。水胶比W/B=0.143,外加剂使用
聚羧酸减水剂溶液,掺量为胶凝材料质量的2.3%。
[0102] 超高性能水泥基复合材料的主要材料用量,体积百分比如下:
[0103]
[0104] 超高性能水泥基复合材料的各材料用量,质量比如下:
[0105]
[0106] 超高性能水泥基复合材料是指材料拌和后流动性性能如下:
[0107] 扩展度GB/T50080: 650mm;
[0108] 硬化后性能达到如下指标:
[0109] 抗压强度,标准养护28d: 195MPa。
[0110] 浇筑成横截面如图2所示的超高性能水泥基桥面板,其中S1、S2、S3、S4、S5均为HRB500钢筋,S1、S4、S5直径为10mm,S2、S3直径为16mm,超高性能水泥基桥面板中间段(1)配筋率为7.1%,两侧加强段(2)配筋率为10.7%,中间段(1)横筋(S4)和两侧加强段(2)横筋(S5)搭接长度为75mm,搭接部分采用焊接方法连接。超高性能水泥基桥面板自重185kg/2
m。
[0111] 实施例3
[0112] 由超高性能水泥基复合材料浇筑的超高性能水泥基桥面板,其中:
[0113] H=65mm、h=45mm、B=2900mm、L=7200mm、B1=40mm、B2=40mm、B3=50mm、B4=40mm、b=250mm、L1=260mm;
[0114] 超高性能水泥基复合材料,包含胶凝材料、细骨料、钢纤维、水和减水剂,水泥体积占26.5%,所述水泥为强度等级为52.5的P·II水泥,所述矿物掺合料为硅灰、粉煤灰和矿粉,占15.8%。胶凝材料的各组分配比分数按实施例1的计算方式,得Xc=0.626、Xsf=0.161、Xfa=0.102和Xbs=0.111。细骨料为细度模数1.4的天然砂,体积为胶凝材料体积的0.811。钢纤维采用直径0.2mm、长度13mm的
镀铜钢纤维,体积掺量为1.5%。水胶比W/B=0.162,外加剂使用聚羧酸减水剂溶液,掺量为胶凝材料质量的2.3%。
[0115] 超高性能水泥基复合材料的主要材料用量,体积百分比如下:
[0116]
[0117] 超高性能水泥基复合材料的各材料用量,质量比如下:
[0118]
[0119] 超高性能水泥基复合材料是指材料拌和后流动性性能如下:
[0120] 扩展度GB/T50080: 635mm;
[0121] 硬化后性能达到如下指标:
[0122] 抗压强度,标准养护28d: 173MPa。
[0123] 浇筑成横截面如图1所示的超高性能水泥基桥面板,其中S1、S2、S3、S4、S5均为抗拉强度≥1000MPa的碳纤维复合筋,S1、S4、S5直径为8mm,S2直径为12mm,S3直径为16mm,超高性能水泥基桥面板中间段(1)配筋率为5.6%,两侧加强段(2)配筋率为10%,中间段(1)横筋(S4)和两侧加强段(2)横筋(S5)搭接长度为75mm,搭接部分采用绑扎方法连接。2
超高性能水泥基桥面板自重118kg/m。
[0124] 实施例4
[0125] 由超高性能水泥基复合材料浇筑的超高性能水泥基桥面板,其中:
[0126] H=75mm、h=55mm、B=3800mm、L=9050mm、B1=40mm、B2=50mm、B3=50mm、B4=40mm、b=335mm、L1=350mm;
[0127] 超高性能水泥基复合材料,包含胶凝材料、骨料、纤维、水和减水剂,水泥体积占20%,所述水泥为强度等级为62.5的P·II水泥,所述矿物掺合料为硅灰、粉煤灰和矿粉,占19%。胶凝材料的各组分配比分数按实施例1的计算方式,得Xc=0.512、Xsf=0.128、Xfa=0.205和Xbs=0.154。粗骨料为5~10mm的玄武岩连续级配碎石,细骨料为细度模数2.1的天然砂,经计算得砂率为37%,骨料与胶凝材料的体积比为0.921。纤维采用直径
40μm、长度12mm的高密度聚乙烯纤维,体积掺量为0.5%。水胶比W/B=0.208,外加剂使用聚羧酸减水剂溶液,掺量为胶凝材料质量的1.0%。
[0128] 超高性能水泥基复合材料的主要材料用量,体积百分比如下:
[0129]
[0130] 超高性能水泥基复合材料的各材料用量,质量比如下:
[0131]
[0132] 超高性能水泥基复合材料是指材料拌和后流动性性能如下:
[0133] 坍落度GB/T50080: 215mm;
[0134] 硬化后性能达到如下指标:
[0135] 抗压强度,标准养护28d: 171MPa。
[0136] 浇筑成横截面如图2所示的超高性能水泥基桥面板,其中S1、S2、S3、S4、S5均为抗拉强度≥800MPa的玄武岩纤维复合筋,S1、S4、S5直径为10mm,S2、S3直径为16mm,超高性能水泥基桥面板中间段(1)配筋率为7.1%,两侧加强段(2)配筋率为10.7%,中间段(1)横筋(S4)和两侧加强段(2)横筋(S5)搭接长度为75mm,搭接部分采用绑扎方法连接。超高2
性能水泥基桥面板自重144kg/m。