Statische Testuntersuchungen an hochgepflasterten Stahlbrückendeckkonstruktionen

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 8796 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Der Fahrbahnbelag von Stahlbrücken war schon immer ein wichtiger und schwieriger Punkt beim Bau von Brücken mit großer Spannweite. In der praktischen Technik ist Asphalt das übliche Straßenbelagsmaterial, und im Frühstadium kommt es zu schweren Schäden an der Straßenbelagsschicht. Als Pflastermaterial wurde in dieser Studie ein Hochleistungs-Hybridfaser-Polymerbeton mit hohem Gehalt verwendet. An dem kleinen Träger der aus der Fahrbahnschicht und der Stahlplatte gebildeten Verbundstruktur wurde ein Test durchgeführt, und es wurde ein Test mit positivem/negativem Biegemoment durchgeführt, um die Steifigkeit und Tragfähigkeit der Verbundstruktur zu analysieren. Wie aus den Forschungsergebnissen hervorgeht, zeigten die Biege- und Zugsteifigkeit der Struktur und die Tragfähigkeit der Verbundstruktur eine überlegene Leistung, stiegen deutlich mit der Dicke des Belags an, nahmen jedoch langsam zu, nachdem die Dicke des Belags 80 mm überstieg, und die Zunahme der Dicke trug dazu bei wenig für die Tragfähigkeit. Unter der simulierten Wirkung eines positiven/negativen Biegemoments wies die Fahrbahnschicht immer noch bestimmte duktile Versagensmerkmale auf, wenn die Struktur eine Höchstlast trug. Dies beweist, dass Hybridfaser-Polymerbeton mit hohem Anteil geeignete mechanische Eigenschaften für den Fahrbahnbelag von Stahlbrücken aufweist.

Fahrbahnbeläge aus Stahlbrücken bleiben ein Schlüsselelement und eine Herausforderung beim Bau von Brücken mit großer Spannweite. In der Praxis kommt es bereits im Frühstadium zu gravierenden Mängeln an Fahrbahnschichten1. Zementbeton ist ein gängiges Straßenbelagsmaterial, wird jedoch selten für Stahlbrückendeckbeläge verwendet, da er spröde ist und eine geringe zulässige Grenzverformung aufweist. Wenn gewöhnlicher Zementbeton für die Fahrbahndecke von Straßenbetten aus gewöhnlichem Zementbeton ohne Bewehrung verwendet wird, treten viele vertikale und horizontale Risse auf der Oberfläche oder im Inneren des Betons auf, die durch visuelle Inspektion oder durch fortgeschrittenere zerstörungsfreie Prüfmethoden erkannt werden können2,3. 4,5,6. Aufgrund der hohen Flexibilität orthotroper Brückendecks aus Stahl ergibt sich unter Fahrzeugbelastung ein großer Unterschied zwischen der Verformung der Fahrbahnschicht und der Verformung von Brückendecks. Daher kann herkömmlicher Zementbeton nicht auf Stahlbrückendecks aufgetragen werden. Derzeit wird Asphalt ausgereift und häufig für den Belag von Stahlbrücken verwendet.

Fahrbahnkonstruktionen aus Stahlbrücken werden im Allgemeinen in ein- und mehrschichtige Fahrbahnsysteme unterteilt. Verschiedene Länder oder Regionen haben unterschiedliche Klimazonen (z. B. extreme Temperaturen und Niederschläge) und Verkehrsaufkommen; Daher muss das Straßenbelagsschema auf der Grundlage der spezifischen Ingenieurerfahrung ausgewählt werden. In Amerika werden die meisten Stahlbrückendecks mit einschichtigem Epoxidasphalt gepflastert. Diese Technologie ist relativ ausgereift7,8,9. Die Strukturform ist wie in Abb. 1a dargestellt. In Deutschland ist der Belag einer Stahlbrückenfahrbahn kompliziert, mit mehreren Schichten und hoher Belagsdicke. Die Strukturform ist in Abb. 1b dargestellt. In Großbritannien besteht ein typisches Stahlbrückendeck aus vielen Belagschichten, die Gesamtdicke beträgt jedoch lediglich etwa 4 cm. Die Strukturform ist in Abb. 1c dargestellt. In Frankreich besteht ein typisches Stahlbrückendeck aus vier Fahrbahnschichten mit einer Gesamtdicke von etwa 5 cm. Die Strukturform ist in Abb. 1d dargestellt.

Typische Straßenkonstruktionen aus Stahlbrückendecks. (a) Typische Straßenstruktur in Amerika; (b) typischer Straßenbelagsaufbau in Deutschland; (c) typische Straßenstruktur in Großbritannien; (d) typische Straßenstruktur in Frankreich.

Der Asphalt kann jedoch viele Probleme aufweisen, die in der praktischen Technik auftreten. Beispielsweise benötigt Heißasphaltbeton eine hohe Umgebung und Mischtemperaturen, die die Bauzeit begrenzen, was zu einer kurzen Bauzeit während des gesamten Jahres führt10,11,12. Verfugter Asphaltbeton6,10,13,14,15 weist eine geringe Haltbarkeit auf, wenn er als oberste Schicht von Stahlbrückendeckbelägen verwendet wird15,16,17. Modifizierter Asphaltbeton erfordert eine große Dicke, wenn er für die Fahrbahndecke von Stahlbrücken verwendet wird18,19. Bei der Verwendung von Epoxidasphalt22,23,24 als Stahlbrückendeckbelag können häufig Längsrisse, Grubenschlitze oder Hohlräume zwischen den Schichten auf den Fahrbahnschichten beobachtet werden20,21.

Basierend auf der oben genannten Analyse lässt sich leicht erkennen, dass herkömmlicher Asphalt viele Nachteile aufweist, die sich nachteilig auf die langfristige Betriebsleistung von Brückenfahrbahnen auswirken. Daher konzentrieren sich immer mehr Forscher auf die Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von Beton. Ultrahochleistungsbeton (UHPC) und Polyurethanbeton werden in den letzten Jahrzehnten entsprechend für den Bau von Stahlbrückendecks vorgeschlagen und weit verbreitet eingesetzt. Beispielsweise wurde UHPC im Jahr 2002 zum Pflastern der Gehwegplatte einer Brücke der chinesischen Qinghai-Tibet-Eisenbahn eingesetzt, die rauen Umweltbedingungen ausgesetzt ist. Durch eine Studie zur leichten Stahl-UHPC-Verbundstruktur hat Xudong26,27,28 bewiesen, dass diese Struktur bei einem bestimmten Eigengewicht die Steifigkeit der Fahrbahnstruktur verbessern und die Belastung der Fahrbahnschicht verringern kann. Diese Struktur wurde dann auf die Beijiang-Brücke Nr. 4 in der Stadt Qingyuan, Provinz Guangdong, und die Dongting-See-Brücke angewendet. Der Polyurethanbeton wurde erstmals im Jahr 2017 zum Einbau eines Stahlbrückendecks für den Kanal der South Hongmei Road in Shanghai, China29, verwendet. Es ist bekannt, dass der Beton ein sprödes Material30 ist, das Material ist nicht spannungsbeständig und kann Stößen und zyklischen Belastungen nicht standhalten. Die Technik des Hinzufügens von Fasern (z. B. Stahlfasern) zu Beton gilt auch als wirksamere Methode zur Verbesserung der Eigenschaften von Beton, wie z. B. Scher-, Biege- und Zugeigenschaften31,32,33,34. Obwohl bisher Untersuchungen zu Polymerbeton mit geringer Mischung durchgeführt wurden, können die verfügbaren Betonmaterialien die Anforderungen an Rissbeständigkeit und Zähigkeit von Straßenmaterialien immer noch nicht erfüllen. Das heißt, in keiner der vorhandenen Studien wurde über Zusätze mit hohem Faseranteil für Polymerbeton berichtet, mit einem typischen Faserzusatz von nicht mehr als 3 Vol.-% 34, 41. Um die Rissbeständigkeit weiter zu verbessern und eine ultrahohe Zähigkeit zu erreichen, wurde eine Reihe von Hochfaserzusätzen verwendet -Leistungsfähige Polymerbetone mit hoher Festigkeit, Zähigkeit und Umweltanpassungsfähigkeit wurden von den Autoren untersucht und realisiert35,36,37. Wie in der Literatur berichtet37, weist Hybridfaser-Polymerbeton eine zuverlässige Arbeitsleistung auf, wobei der Elastizitätsmodul, die Druckfestigkeit und die Biegefestigkeit bis zu 35,93 GPa, 52,82 MPa bzw. 11,51 MPa erreichen. Basierend auf der Ingenieurspraxis der Autoren übersteigen die Kosten der durch die technischen Änderungen der Autoren vorgeschlagenen Fahrbahnstruktur 800 RMB/m2 nicht, mit einer Kosteneinsparung von mindestens 50 %. Darüber hinaus weist es eine hohe Sulfaterosionsbeständigkeit auf, wodurch es für den Straßenbelag unter besonderen Umweltbedingungen geeignet ist.

Wie aus der obigen Literaturübersicht hervorgeht, ergeben sich aus den Untersuchungen zum Hochleistungspolymerbeton hervorragende Methoden zur Verbesserung der Materialeigenschaften. Allerdings wurde in keiner der bisherigen Untersuchungen die Strukturanalyse eines solchen Hochleistungs-Polymer-Hybridfaserbetons durchgeführt. Der Mangel an Strukturstudien der entwickelten Materialien kann die Anwendung der Materialien in der praktischen Technik einschränken. Gleichzeitig schwächt die mangelnde Erforschung mechanischer Mechanismen auch den wissenschaftlichen Charakter der von den Autoren entwickelten Materialien und ist einer breiten Anwendung nicht förderlich. Um die Überlegenheit von Polymerbeton mit hohem Faserzusatz (Fasern werden zu 5 % oder sogar bis zu 7 % nach Volumen gemischt) weiter zu veranschaulichen und die Forschung zu den mechanischen Mechanismen des Betons zu verbessern, zielt dieser Artikel darauf ab, den optimalen Anteil der Materialien für den Beton auszuwählen Strukturtests, um die Leistung des aktuellen Polymer-Hybridfaserbetons zu ermitteln. Darüber hinaus wird in diesem Dokument auch ein starkes und dauerhaftes Klebesystem für Fahrbahnkonstruktionen aus Stahlbrücken vorgestellt.

In diesem Artikel werden zwei Fahrbahnstrukturen besprochen: eine einschichtige Fahrbahnstruktur (eine Fahrbahnschicht aus Hybridfaser-Polymerbeton mit hohem Anteil) und eine zweischichtige Fahrbahnstruktur (wobei die obere Schicht eine Nutzschicht aus Polymergitterbeton und die untere Schicht eine ist). Betonfahrbahnschicht mit hohem Hybridfaser-Polymer-Gehalt). Die beiden Strukturen werden wie folgt eingeführt.

Die Fahrbahnschicht hatte eine Fläche von 700 mm (L) × 100 mm (B) und eine Dicke von 60/70/80/90 mm. Jede Gruppe bestand aus drei Teststücken (um Fehler zu reduzieren, wurde der Durchschnitt der drei Testergebnisse herangezogen; wenn eines der Ergebnisse mehr als 15 % von den anderen beiden Ergebnissen abwich, wurde das Ergebnis ignoriert). Darüber hinaus wurde die Dicke der Grenzflächenverbindungsschicht außer Acht gelassen. Die Abmessungen der Stahlplatte betrugen 700 mm × 100 mm × 12 mm und diese Platte wurde durch modifiziertes Epoxidharz mit der Fahrbahnschicht verbunden. Der einschichtige Fahrbahnaufbau ist in Abb. 2 dargestellt, wobei t = 60–90 mm.

Einschichtiger Straßenbelagsaufbau.

Bei der zweischichtigen Fahrbahnstruktur bestand die untere Schicht aus einer 70 mm dicken Fahrbahnschicht aus Hybridfaser-Polymerbeton und die obere Schicht aus einer 10 oder 20 mm dicken Nutzschicht, die aus Polymergitterbeton gepflastert war; Die beiden Schichten wurden mit der Verbindungsschicht II verbunden. Die spezifischen Testschritte ähnelten denen für die einschichtige Fahrbahnstruktur. Vor dem Verfugen der Nutzschicht wurde die untere Schicht > 14 Tage lang ausgehärtet. Der Polymergitterporenbeton zum Verfugen der Nutzschicht wurde mit einem Spezialwerkzeug verdichtet. Der zweischichtige Fahrbahnaufbau ist in Abb. 3 dargestellt.

Doppelschichtiger Fahrbahnaufbau.

Für die statische Leistung der Struktur werden in dieser Arbeit hauptsächlich die folgenden Aspekte untersucht:

Die mechanischen Eigenschaften und Versagensarten einschichtiger Fahrbahnkonstruktionen mit Dicken von 60, 70, 80 und 90 mm;

Die mechanischen Eigenschaften und Versagensarten zweischichtiger Fahrbahnkonstruktionen mit Dicken von 10 mm + 70 mm und 20 mm + 70 mm;

Die mechanischen Eigenschaften und Versagensarten der beiden Fahrbahnstrukturen unter Einwirkung positiver und negativer Biegemomente.

Zu den analytischen Inhalten gehörten die Biege- und Zugsteifigkeit der Bauteile, die sich hauptsächlich in der Last-Verschiebungs-Kurve des Bauwerks widerspiegelten, sowie die Versagensarten der Bauteile, das Auftreten und die Ausbreitung von Rissen sowie der Einfluss der Fahrbahnstruktur zur Verbesserung der Biege- und Zugsteifigkeit von Stahlplatten.

Zement: gewöhnlicher Portlandzement mit Typenschild „Huaxin Cement“ und Etikett P.O42.5, hergestellt in Chongqing;

Grober Zuschlagstoff: Granitkies mit einer Korngröße von 5–10 mm und einer maximalen Nennpartikelgröße von 10 mm, hergestellt im Fluss Chaoyang, Chongqing;

Feiner Zuschlagstoff: mittelgrober Sand, hergestellt in Chongqing;

Flugasche: Flugasche erster Güteklasse, hergestellt im Kraftwerk Luohuang in Chongqing;

Gewöhnliche Stahlfasern: Gewöhnliche Stahlfasern vom gewellten Schertyp, hergestellt von Anshan Kebite Technology Development Co., Ltd.;

Ultrakurze ultrafeine Stahlfasern: Schmelzgezogene ultrakurze ultrafeine Stahlfasern, hergestellt von Anshan Kebite Technology Development Co., Ltd.;

Flexible Faser: Flexible Polypropylenfaser, hergestellt von Langfang Haoxin Thermal Insulation and Fireproof Sealing Material Co., Ltd. in Shandong;

Emulsion: Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR)-modifizierter Polymerlatex.

Tabelle 1 zeigt die wichtigsten physikalischen und mechanischen Parameter von drei verschiedenen Fasern: gewöhnliche, ultrakurze, ultrafeine und flexible Stahlfasern. Es ist zu beachten, dass die in Tabelle 1 dargestellte Formel die optimale Faserformulierung ist. Weitere Einzelheiten zur Wahl der aktuellen Formulierung können den früheren Untersuchungen der Autoren entnommen werden37,38. Unter der vorgeschlagenen Faserkombination wurde in diesem Artikel die folgende Strukturanalyse durchgeführt.

Tabelle 2 zeigt das Massenmischungsverhältnis pro Kubikmeter Hybridfaser-Polymerbeton für die Fahrbahnstrukturschicht.

Unter ihnen betrugen die Volumenanteile gewöhnlicher Stahlfasern und ultrakurzer ultrafeiner Stahlfasern 1,91 % bzw. 4 %, und das Polymer-Zement-Verhältnis betrug 0,55.

Der polymermodifizierte Zementgitterbeton für den Einbau der Nutzschicht ist eine Mischung aus 5–10 mm diskontinuierlich abgestuften gebrochenen Granitzuschlagstoffen, 42,5 gewöhnlichem Portlandzement und Polymeremulsion im Verhältnis 1600:400:120 kg Masse pro Kubikvolumeneinheit . Die diskontinuierlich abgestuften gebrochenen Steine, die die Gitterstruktur im Beton bildeten, sorgten für eine starke Anti-Schrumpf- und Verformungskoordinationsfähigkeit des Betons und verbesserten so die Leichtigkeit der Bildung. Darüber hinaus lässt sich diese Schicht durch die Verklebung gut mit der unteren Schicht aus Hybridfaser-Polymerbeton integrieren.

Der Hybridfaser-Polymerbeton mit hohem Gehalt für den Einbau der Strukturschicht wurde unter Bezugnahme auf die Herstellungsmethode des entsprechenden Polymerstahlfaserbetons39 gemischt und hergestellt. Die Schritte zur Herstellung des in dieser Studie verwendeten Hybridfaser-Polymerbetons mit hohem Gehalt sind wie folgt folgt:

Die beiden Fasern wurden in unterschiedlichen Positionen ausgegossen und getrennt dispergiert; Die korrodierten und verklumpten Stahlfasern wurden entfernt.

Sand und gebrochene Steine wurden ohne Gewichtsabnahme bei 105 °C im Ofen getrocknet und anschließend entfernt.

Die abgewogenen groben und feinen Zuschlagstoffe sowie der Zement wurden in einen Mischtopf gegeben und etwa 1 Minute lang gemischt; Anschließend wurden die beiden Fasern (Stahlfasern und flexible Fasern) nach und nach zu der Mischung hinzugefügt und erneut etwa eine Minute lang gemischt, um ihre gleichmäßige Verteilung in den Aggregaten zu erleichtern.

Die Polymeremulsion wurde langsam in die Mischung gegeben und gerührt.

Die endgültige Mischung wurde zur Herstellung des Teststücks entnommen. Zur Vorbereitung wurde die Mischung gerüttelt, um sie in Form zu bringen. Die Rüttelzeit im Rütteltisch wurde weder wesentlich kurz noch sehr lang gehalten, um die Kompaktheit zu gewährleisten, ein Absinken der Stahlfasern zu verhindern und eine ungleichmäßige Verteilung der Dichte jeder Betonschicht zu vermeiden.

Der poröse Polymergitterbeton für den Einbau der Nutzschicht wurde auf ähnliche Weise wie die Mischvorbereitung von gewöhnlichem Zementbeton hergestellt, wie in der Literatur beschrieben35,36.

Testschritte:

Eine Holzform mit der entsprechenden Größe wurde vorbereitet; die Stahlplatte wurde auf einer Schleifmaschine poliert; Anschließend wurde die Ebenheit der Stahlplatte geprüft und die Stahlplatte mit der entrosteten Oberfläche nach oben in die Holzform gelegt.

Die Oberfläche wurde mit einem Haftvermittler mit einer Auftragungsrate von etwa 1 kg/m2 bestrichen, um sicherzustellen, dass die Stahlplattenoberfläche gleichmäßig gestrichen wurde.

Auf die Verbindungsschnittstelle wurde hochprozentiger Hybridfaser-Polymerbeton gegossen und zur Formgebung vibriert; Drei Tage später wurde die Holzform entfernt.

Bei zweischichtigem Belag wurde die Nutzschicht am nächsten Tag nach dem Erstarren der ersten Schicht aus Hybridfaser-Polymer-Beton in Form gegossen. Das Grenzflächenbindemittel wurde ebenfalls auf die Nutzschicht aufgestrichen, nachdem sich die Nutzschicht geformt hatte.

Aushärtungsmethode: Die Fahrbahnschicht des Materials wurde zunächst benetzend und dann trocknend ausgehärtet. Die Schicht wurde gewässert und für einen Tag zur Nasshärtung mit einem Film abgedeckt; Anschließend wurde die Form entfernt und die Straßenbelagsschicht erneut gewässert und für zwei Tage zum Aushärten mit einem Film versehen und dann in einer trockenen Umgebung bei Umgebungstemperatur ausgehärtet. Nach 28-tägiger Aushärtung wurden die Probekörper einem Belastungstest unterzogen.

Beim Belastungstest wurde das dritte Punktbelastungsschema gewöhnlicher biegesteifer Betonprüfstücke als Referenz verwendet40. Bei diesem Schema betrug der Abstand zwischen den Stützen 600 mm und zwischen den Ladepunkten und zwischen Stütze und Ladepunkt jeweils 200 mm. Das Teststück wurde mit einem Lappen abgewischt. Die Mitte unter dem Teststück wurde mit einem Dehnungsmessstreifen beklebt, und die Mitte des Teststücks wurde mit einer Messuhr befestigt; Holzspäne wurden auf zwei Seiten des Teststücks geklebt, die von einem Messuhrkopf getragen wurden. Die Messuhr und der Dehnungsmessstreifen wurden beide unter normalen Bedingungen an einen Hochgeschwindigkeits-Dehnungsmesser YE2539 angeschlossen, und zur Temperaturkompensation wurden Dehnungsmessstreifen auf dieselbe Charge von Teststücken geklebt. Die Presse mit einer Kraft von 200 kN wurde eingeschaltet, anschließend wurde die Ölpumpe in Betrieb genommen und die Ölförder- und -rücklaufventile langsam verstellt, bis der Öldruck das normale Niveau erreichte; Danach wurden die beiden Ventile geschlossen. Nachdem die Verkabelung gut angeschlossen war, wurde das Teststück auf eine geeignete Höhe angehoben und sorgfältig so eingestellt, dass es eng am Pressenkopf anliegt. Anschließend wurde das Ölzufuhrventil langsam gedreht, um die Last gleichmäßig und langsam zu erhöhen. Während die Last abgelesen wurde, erfasste die Messuhr kontinuierlich die Verschiebung und den Dehnungswert. Als am Teststück schließlich ein Fehler auftrat, wurde der Test beendet. Die Testergebnisse und Phänomene wurden aufgezeichnet.

Im Vergleich zur dritten Punktbelastung von gewöhnlichem Zementbeton wies die Belastung des Teststücks für die Fahrbahnstruktur die folgenden Unterschiede auf:

(1) Die Größen der Teststücke waren unterschiedlich.

Das Biegeteststück aus gewöhnlichem Zementbeton war nur 400 mm lang, während das der Stahlbrücken-Belagkonstruktion in dieser Studie 700 mm lang war. Die berechnete Spannweite zwischen den Stützen betrug 600 mm und der dritte Punkt (Ladepunkt) von der Stütze entfernt betrug 200 mm.

(2) Ein Dehnungsmessstreifen wurde bereitgestellt, um die Dehnung der Strukturteststücke zu testen, während eine Messuhr hinzugefügt wurde, um die Durchbiegung der Strukturteststücke zu testen.

In der Literatur y40 bestand der Zweck der Belastung des Biegeteststücks aus gewöhnlichem Zementbeton darin, die Biegezugfestigkeit des Materials unabhängig von der Verformung und Durchbiegung zu messen. Für das Teststück der Fahrbahnstruktur sollten die Durchbiegung des strukturellen Teststücks und die Dehnung des Materials unter Berücksichtigung des Testzwecks untersucht werden. Daher sollte ein Dehnungsmessstreifen vorhanden sein, um die Änderung der Dehnung im Zugmaterial an der Unterseite des belasteten Prüfstücks zu testen, und eine Verschiebungsmessuhr sollte hinzugefügt werden, um die Durchbiegungsverschiebung des strukturellen Prüfstücks bei unterschiedlichen Belastungen zu testen.

(3) Die Belastungspunkte der Teststücke lagen auf verschiedenen Ebenen.

Bei der Belastung des Biegeteststücks aus Normalbeton zeigte die Seite, die geformt werden sollte, nach oben, um die Ebenheit der Stütz- und Belastungsebenen sicherzustellen und Fehler zu reduzieren. Als das Teststück der Straßenbelagstruktur geformt wurde, befand sich die Stahlplatte am Boden der Testform. Bei der eigentlichen Konstruktion sollten jedoch die Zugbedingungen der Fahrbahnschicht und der Stahlplatte aufgrund der Besonderheit des Stahlbrückendeckbelags berücksichtigt werden (die Spannung liegt auf der Oberseite).

Um die Biege- und Zugspannung der Stahlplatte oder Fahrbahnschicht in der Hybridfaser-Polymer-Beton-Fahrbahnstruktur zu testen, stehen zwei Belastungsmethoden je nach Richtung zur Verfügung: Simulationsbelastung mit positivem Biegemoment und Simulationsbelastung mit negativem Biegemoment.

Belastungssimulation mit positivem Biegemoment: Bei dieser Methode befindet sich die Unterseite der Stahlplatte auf der Unterseite, während sich die Fahrbahnschicht auf der Oberseite befindet und als Belastungskontaktfläche dient. Mit dieser Methode wird der Druck auf die Fahrbahnschicht an der Stelle der positiven Biegemomentaufnahme im tatsächlichen Fahrbahnaufbau simuliert (Abb. 4a).

Schematische Darstellung der Belastung für den Test. (a) Schematische Darstellung einer positiven Biegemomentbelastung; (b) Schematische Darstellung der negativen Biegemomentbelastung.

Belastungssimulation mit negativem Biegemoment: Bei dieser Methode befindet sich die Fahrbahnschicht auf der Unterseite, während sich die Unterseite der Stahlplatte auf der Oberseite befindet und als Belastungskontaktfläche dient. Mit dieser Methode wird die Spannung der Fahrbahnschicht an der Stelle, an der sie das negative Biegemoment tragen, in der tatsächlichen Fahrbahnstruktur simuliert (Abb. 4b).

Der gesamte einschichtige Fahrbahnaufbau, der aus der Stahlplatte und einer unterschiedlich dicken Fahrbahnschicht besteht, weist unterschiedliche Steifigkeiten auf. Die Struktursteifigkeit unter Einwirkung eines positiven/negativen Biegemoments kann durch die Last-Verschiebungs-Kurve der Struktur ausgedrückt werden.

Die Biege- und Zugsteifigkeit des einschichtigen Fahrbahnaufbaus kann anhand der entsprechenden Last-Weg-Kurve gemessen werden. Tabelle 3 zeigt die Last-Verschiebungs-Kurve des einschichtigen Fahrbahnaufbaus mit unterschiedlichen Fahrbahndicken (mit der Stahlplatte auf der Unterseite) unter der simulierten Belastung eines positiven Biegemoments. Die Steifigkeit der Verbundstruktur wird durch die Dicke der Fahrbahnschicht beeinflusst, und die Last-Verschiebungs-Kurve für den gesamten Prozess unter tatsächlichen Biege- und Zugbedingungen der Struktur kann nicht genau dargestellt werden. Um die Struktursteifigkeit genauer zu messen, wurde sie anhand der Last-Verschiebungs-Kurve des Bauteils im linear-elastischen Stadium berechnet. Die Biege- und Zugsteifigkeit sowie die Bruchlast der Verbundbelagsstruktur, die aus unterschiedlich dicken einlagigen Belägen unter Einwirkung eines positiven Biegemoments besteht, sind in Tabelle 3 dargestellt.

Gemäß Abb. 5 wurden folgende Ergebnisse erzielt:

Die Biege- und Zugsteifigkeit der Verbundstruktur aus Fahrbahnschicht, Verbindungsschicht und Stahlplatte wurde erheblich von der Fahrbahndicke beeinflusst. Die Biege- und Zugsteifigkeit der Struktur kann durch eine Last-Verschiebungs-Kurve ausgedrückt werden. Der Kurve zufolge ist die Belagdicke direkt proportional zur Biege- und Zugsteifigkeit der Belagstruktur.

Last-Verschiebungskurve eines einschichtigen Fahrbahnaufbaus mit unterschiedlichen Fahrbahndicken im linear-elastischen Stadium unter simulierter Einwirkung eines positiven Biegemoments.

Auch die Dicke des einschichtigen Belags beeinflusste maßgeblich die Tragfähigkeit der Verbundkonstruktion. Je dicker die Fahrbahnschicht ist, desto größer ist die Tragfähigkeit der Fahrbahnkonstruktion. Die durchschnittliche Versagenslast der Verbundkonstruktion aus 60 mm dickem einlagigem Belag war deutlich geringer als bei der Struktur mit den anderen drei Belagstärken.

Stahlfasern und flexible Fasern weisen eine Anti-Riss-Verbesserungswirkung auf. Wenn die Belastung des Teststücks fast bis zum Höhepunkt erhöht wurde, wurden deutliche „Pa-Pa“-artige Fasern herausgezogen oder brachen. In diesem Moment wurden die Fasern teilweise an der Stelle des Betons gezogen und geschert. Als der Riss auftrat, nahm die Belastung weiter zu, bis der Riss in die Nähe des Belastungspolsterblocks zeigte. Schließlich handelte es sich bei dem Versagen der Fahrbahnschicht um ein Versagen durch Scherdruck.

Unter der simulierten Wirkung eines positiven Biegemoments war die Kraft auf die Fahrbahnschicht konservativ. In der Praxis tritt jedoch unter der Einwirkung der Fahrzeugbeladung ein negatives Biegemoment auf der Fahrbahndecke der Stahlbrücke über den Längsrippen sowie den Längs- und Quertrennwänden auf. Darüber hinaus ist für den Belag ein negatives Biegemoment ungünstig und sollte daher im Vordergrund stehen.

Ähnlich wie bei der Kraftanalyse, die anhand eines positiven Biegemoments durchgeführt wird, ist es sinnvoll, die Last-Verschiebungs-Kurve der Fahrbahnstruktur unter Belastung im linearen elastischen Stadium auszuwählen (Abb. 6). Die Biege- und Zugsteifigkeit sowie die Bruchlast der Verbundstruktur, die aus unterschiedlich dicken einschichtigen Belägen unter Einwirkung eines negativen Biegemoments besteht, sind in Tabelle 4 dargestellt.

Last-Verschiebungskurve eines einschichtigen Fahrbahnaufbaus mit unterschiedlichen Fahrbahndicken unter simulierter Einwirkung eines negativen Biegemoments.

Unter der simulierten Einwirkung eines negativen Biegemoments war die Tragfähigkeit der Fahrbahnstruktur viel geringer als unter der simulierten Einwirkung eines positiven Biegemoments; Auch die Dicke der Fahrbahnschicht hatte großen Einfluss auf die Steifigkeit der Fahrbahnstruktur. das heißt, Ersteres ist direkt proportional zu Letzterem.

Die Berechnungsergebnisse zeigten, dass bei einschichtigen Belägen bei einer Erhöhung der Belagsdicke von 70 auf 80 mm ein deutlicher Anstieg sowohl der durchschnittlichen Biege- und Zugsteifigkeit als auch der durchschnittlichen Versagenslast der Verbundbelagsstruktur beobachtet wurde. Wenn die Belastung ihren Höhepunkt erreicht, kann das untere Zugmaterial (Hybridfaser-Polymerbeton) die Ausbreitung von Rissen verhindern. Daher wiesen alle ausgewählten Dicken der Fahrbahnstrukturen eine geeignete Zugfestigkeit auf.

Als die Fahrbahnstrukturen unter der simulierten Bedingung eines negativen Biegemoments belastet wurden, traten Risse an den unteren Zugflächen der Strukturen auf. Mit zunehmender Belastung dehnten sich die Bodenrisse allmählich nach oben aus; Ab einer bestimmten Höhe der Risse wurde die Belastung nicht mehr erhöht. Zu diesem Zeitpunkt dehnten sich die Risse im Bauteil kontinuierlich aus, ohne dass es zu plötzlichen Brüchen kam.

Im Hinblick auf den Fahrkomfort, die Durchlässigkeit und die lärmmindernde Wirkung von Fahrbahnbelägen aus Stahlbrücken schlägt dieses Dokument eine zweischichtige Fahrbahnstruktur vor (eine Fahrbahnschicht aus Hybridfaser-Polymerbeton mit hohem Anteil und eine Nutzschicht aus Polymergitterbeton). . Die Verschleißschicht weist eine hohe Durchlässigkeit auf und erfüllt die Funktion, die Rutschfestigkeit zu verbessern und die Lasten der Fahrzeugräder zu verteilen. Der zweischichtige Aufbau wurde von unten nach oben eingebaut: 12 mm Stahlplatte + Verbundschicht I + 70 mm dicker Hybridfaser-Polymerbeton mit hohem Anteil + Verbundschicht II + 10 bzw. 20 mm dickes Polymer Gitterbeton. Ähnlich wie bei dem Test, der an einer einschichtigen Straßenbelagsstruktur durchgeführt wurde, wurden die Teststücke unter der Wirkung eines positiven/negativen Biegemoments belastet.

Der an der doppelschichtigen Fahrbahnstruktur durchgeführte mechanische Leistungstest umfasst hauptsächlich das Zeichnen der Last-Verschiebungs-Kurve in der Mitte der Spannweite, die Analyse der Last-Verschiebungs-Kurve im linearen elastischen Stadium, die Berechnung der Biege- und Zugsteifigkeit der Struktur und des Beitrags der Verschleißschicht auf die Biege- und Zugsteifigkeit der Struktur und Analyse der Versagenslast auf die Struktur und der Form der Struktur bei Versagenslast.

Der Beitrag der Nutzschicht zur Biege- und Zugsteifigkeit der Fahrbahnstruktur wurde berechnet, indem die Last-Verschiebungs-Kurve der zweischichtigen Fahrbahnstruktur analysiert und mit der einer 70 mm dicken einschichtigen Fahrbahnstruktur verglichen wurde. Die folgende Abbildung zeigt die Last-Verschiebungs-Kurve in der Mitte der Spannweite im linear-elastischen Stadium. Die Biege- und Zugsteifigkeit sowie die Bruchlast der Verbundstruktur, die aus unterschiedlich dicken Doppelschichtbelägen unter Einwirkung eines positiven Biegemoments besteht, sind in Tabelle 5 und Abb. 7 dargestellt.

Last-Verschiebungskurve eines zweischichtigen Fahrbahnaufbaus mit unterschiedlichen Fahrbahndicken im linear-elastischen Stadium unter simulierter Einwirkung eines positiven Biegemoments.

Wie aus den Berechnungsergebnissen hervorgeht, gab es einen großen Unterschied zwischen der Last-Verschiebungs-Kurve des zweischichtigen Fahrbahnaufbaus im linear elastischen Stadium und der des 70 mm dicken einschichtigen Fahrbahnaufbaus. Im Detail wurde die Biege- und Zugsteifigkeit der ersteren Struktur (70 mm + 10 mm Dicke) gegenüber der letzteren Struktur um 64,7 % verbessert. Bei einer Erhöhung der Nutzschichtdicke von 10 auf 20 mm verbesserte sich die Biege- und Zugsteifigkeit der Fahrbahnstruktur nur um 16 %, eine Veränderung, die nicht erkennbar war.

Hinsichtlich der Versagenslast gab es keinen signifikanten Unterschied zwischen dem doppellagigen Fahrbahnaufbau und dem 70 mm dicken einlagigen Fahrbahnaufbau. Die Biege- und Zugsteifigkeit sowie die Versagenslasten von 80 und 90 mm dicken einschichtigen Fahrbahnkonstruktionen waren beide etwas höher als die der Verbundfahrbahnkonstruktionen mit einer Dicke von „70 mm + 10 mm“ und einer Dicke von „80 mm + 10 mm“. . Der Hauptgrund dafür liegt darin, dass der einschichtige Fahrbahnaufbau gut integriert ist und somit wesentlich zur gesamten Biege- und Zugsteifigkeit und Tragfähigkeit des Bauwerks beiträgt.

Unter der simulierten Belastung durch ein positives Biegemoment trugen die Nutzschicht aus Polymergitterbeton und die untere Schicht aus Hybridfaser-Polymerbeton gemeinsam die Kräfte auf das Bauwerk. Ähnlich wie beim einschichtigen Fahrbahnaufbau traten mit zunehmender Belastung auch Risse in der Nähe des Trägers auf, wobei der Hauptriss schräg zum Belastungspunkt zeigte. Als die Belastung ihren Höhepunkt erreichte, dehnten sich die Risse tief aus. Da die beiden Schichten der doppellagigen Fahrbahnstruktur jedoch mit unterschiedlichen Belagsmaterialien befestigt waren, erreichten die Risse nicht den Polymergitterbeton der Nutzschicht und die beiden Schichten waren gut miteinander verbunden. Bevor es zu einem Verdrängungsversagen in den beiden Schichten kam, war kein deutlicher Riss in der Nutzschicht zu erkennen, jedoch war ein Teil des Betons der Nutzschicht zertrümmert.

Unter der simulierten Wirkung eines positiven/negativen Biegemoments zeigte die Fahrbahnstruktur einen großen Unterschied in der Tragfähigkeit, insbesondere in der Last-Verschiebungs-Kurve. Unter der simulierten Wirkung eines negativen Biegemoments ist die Last-Verschiebungs-Kurve der zweischichtigen Fahrbahnstruktur von entscheidender Bedeutung für die Analyse des Beitrags der Nutzschicht zur Biege- und Zugsteifigkeit der gesamten Struktur und des Beitrags der Dickenänderung der Nutzschicht auf die gesamte Biege- und Zugsteifigkeit. Die Biege- und Zugsteifigkeit sowie die Bruchlast der Verbundstruktur, die aus unterschiedlichen Dicken der zweischichtigen Fahrbahnstruktur unter Einwirkung eines negativen Biegemoments besteht, sind in Abb. 8 und Tabelle 6 dargestellt.

Last-Verschiebungskurven zweischichtiger Fahrbahnaufbauten mit unterschiedlichen Fahrbahndicken unter simulierter Einwirkung eines negativen Biegemoments.

Die Berechnungsergebnisse zeigten keinen erkennbaren Unterschied zwischen der Last-Verschiebungs-Kurve des zweischichtigen Fahrbahnaufbaus unter Einwirkung eines negativen Biegemoments und der des einschichtigen Fahrbahnaufbaus. Die Biege- und Zugsteifigkeit sowie die Bruchlast der Verbundstruktur stiegen mit der Dicke der Verschleißschicht nicht wesentlich an. Im Vergleich zum zweischichtigen Straßenbelagsaufbau erfuhr der einschichtige Straßenbelagsaufbau eine deutliche Dehnung der Streckgrenze, nachdem die Belastung ihren Höhepunkt erreicht hatte.

Bei der Verbundstruktur traten unter der simulierten Einwirkung eines negativen Biegemoments mit zunehmender Belastung Risse auf der Oberseite eines kleinen Balkenteststücks auf, die sich allmählich von der mit Polymergitterbeton gepflasterten Nutzschicht bis zur damit gepflasterten unteren Schicht ausdehnten Hybridfaser-Polymerbeton mit hohem Anteil; Nachdem sich die Risse auf eine bestimmte Höhe ausgedehnt hatten, erreichte die Belastung ihren Höhepunkt und die Verschiebung nahm bei offensichtlich erhöhter Beschleunigung kontinuierlich zu. Bei Rissen in der unteren Schicht könnte die Fahrbahnstruktur kontinuierlich einem höheren Belastungsbereich standhalten, bis sich die Risse auf den kritischen Wert ausdehnten, das Prüfstück einer höheren Belastung nicht mehr standhalten konnte und es zu einem Versagen des Prüfstücks kam.

In dieser Studie wurde die Strukturtest-Forschungsmethode des Innendesigns verwendet, um die mechanischen Eigenschaften der Fahrbahnstruktur aus Beton mit hohem Hybridfaser-Polymer-Anteil zu untersuchen. Die beiden Arten von Fahrbahnkonstruktionen und die zusammengesetzten Fahrbahnkonstruktionen mit unterschiedlichen Fahrbahndicken wurden kleinen Balkenversuchen unterzogen und mit positiven und negativen Biegemomenten belastet. Daher wurden die Last-Verschiebungs-Kurven und Versagensformen der Strukturen unter der Einwirkung positiver und negativer Biegemomente ermittelt und als Grundlage für die Analyse der Steifigkeit der Verbundfahrbahnstrukturen und die Überprüfung des Antiriss-Verbesserungsmechanismus der beiden Typen verwendet von Pflastermaterialien. Die folgenden Ergebnisse des Kleinstrahltests wurden erzielt:

Bei einem einschichtigen Straßenbelagsaufbau bildete der 80 mm dicke Straßenbelag eine Verbundstruktur, die offensichtlich eine höhere Biege- und Zugsteifigkeit aufwies als der 70 mm dicke Straßenbelagsaufbau. Die endgültige Tragfähigkeit der Fahrbahnstrukturen unter Einwirkung eines negativen Biegemoments ist weitaus geringer als die unter Einwirkung eines positiven Biegemoments, und die Variation in der Fahrbahndicke trägt wenig zur Biege- und Zugsteifigkeit und Tragfähigkeit des Verbundwerkstoffs bei Strukturen.

Bei der zweischichtigen Fahrbahnstruktur verbesserte die Verbundstruktur aus der unteren Schicht aus 70 mm dickem Hybridfaser-Polymerbeton und der oberen Nutzschicht aus Polymergitterbeton die Biege- und Zugsteifigkeit unter der Wirkung einer positiven Biegung deutlich Moment, es wurde jedoch keine offensichtliche Änderung der endgültigen Tragfähigkeit der Struktur beobachtet.

Als die Nutzschicht der doppelschichtigen Straßenbelagsstruktur unter Belastung versagte, blieb die Nutzschicht intakt und die obere Schicht blieb gut mit der unteren Schicht verbunden. Dies bestätigt, dass diese Struktur die Überlegenheit von „Gitter + Knoten + Hohlraum“ und hervorragende mechanische Verbindungseigenschaften aufweist.

Unabhängig von der simulierten Wirkung eines positiven oder negativen Biegemoments weist die Fahrbahnschicht immer noch bestimmte duktile Versagenseigenschaften auf, wenn die Struktur die Höchstlast trägt, was beweist, dass Hybridfaser-Polymerbeton mit hohem Anteil geeignete mechanische Eigenschaften aufweist und ein ideales Material für ist Pflasterung des Stahlbrückendecks.

Kurz gesagt, die mit Hybridfaser-Polymerbeton mit hohem Anteil gepflasterte Struktur weist eine geeignete strukturelle Leistung auf. Dieses Material hat gute Anwendungsaussichten. Zukünftige Forschungen sollten die Haltbarkeit der Fahrbahnstruktur weiter betonen.

Alle während dieser Studie generierten oder analysierten Daten sind in diesem veröffentlichten Artikel enthalten.

Verfugter Asphalt

Splittmastixasphalt

Ultrahochleistungsbeton

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Diese Arbeit wurde von der National Nature Science Foundation of China (Fördernummer NSFC51408091) unterstützt.

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Chaohua Zhao, Zhijian Yi, Kang Su und Ya Li

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Zhiwei Zhu

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Eingegangen: 07. Januar 2022

Angenommen: 18. Mai 2022

Veröffentlicht: 25. Mai 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-12987-8

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