一种受力损伤自感应混凝土桥面板及制作方法与流程

本发明属于桥梁工程混凝土桥面板监测领域。

背景技术：

混凝土桥面板是混凝土桥梁中的关键组成部分，它直接承受车辆及人行荷载并将其传递至主梁等主要承力构件。混凝土桥面板有多种常见病害，比如冻融循环、钢筋腐蚀、碱性反应、交通超载等。这些病害可引发混凝土及铺装开裂，影响交通通行，对桥梁结构安全及耐久性造成影响。因此，在既有和新建的混凝土桥梁中，对混凝土桥面板受力状态及损伤情况的监测十分必要。目前专门针对混凝土桥面板的损伤监测不多。一般而言，桥梁构件健康监测可以通过安装传感器来采集构件响应数据并进行评估，但长期监测对传感器耐久性有很高的要求。另一方面，针对混凝土桥面板损伤检测技术主要包括人工巡检、超声波裂缝探伤、基于图像的裂缝识别、基于振动特性的混凝土损伤检测等。人工巡检直观便捷，但主观因素大；超声波裂缝探伤精度高，但受限于成本；基于图像的裂缝识别限于空间位置；基于振动特性的探伤技术在精度上还存在进步的空间。总之，混凝土桥面板损伤监测和检测方法存在着巡检效率低、成本高、技术成熟度不够等问题。

近年来，研究表明掺入短切碳纤维的水泥砂浆具有良好的压敏特性和力学性能。所谓压敏特性是指这种材料的电学特性(如电阻)与材料的应变存在相关性。这对开发具有受力状态及损伤自感应桥梁构件具有重要意义。目前，这种材料在桥梁中的应用大多集中于基于其力学性能的构造加固，而基于材料压敏特点的损伤自感应智能桥梁构件并不多见。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服针对混凝土桥面板病害裂缝监测和检测技术上的不足，提供一种具有损伤自感应功能的混凝土桥面板构件及相关制作方法。

本发明解决上述技术问题的具体技术方案如下：

与现有混凝土桥面板监测与检测技术相比，本发明具有以下特点：

1)损伤自感应，降低监测与检测成本。本发明将具有压敏特性的带电极短切碳纤维砂浆嵌入在混凝土桥面板当中并形成整体，共同参与受力，通过监测材料自身的电阻变化情况即可反馈结构自身的损伤及受力状态，显著降低传感器安装数量，减少了监测与检测的成本。

2)监测系统的高耐久性。本发明中采用的短切碳纤维砂浆在参与受力的同时，也承担了传统传感器的数据采集工作。与传统传感器相比较，这种碳纤维砂浆具有更高的稳定性和耐久性，可为桥面板的长期监测提供可靠保障。

附图说明

图1损伤自感应混凝土桥面板构件示意图(cfm：带短切碳纤维的水泥基压敏砂浆)；

图2典型压敏砂浆的构造示意图；

图3碳基压敏复合材料的压敏试验照片；

图4带短切碳纤维的水泥砂浆压敏试验结果；

图5混凝土桥面板及碳纤维砂浆试块尺寸(mm)；

图6混凝土桥面板损伤自感应模块验证实验(桥面板车轮荷载实验)；

图7疲劳轮荷载中160kn荷载水平下桥面板中心挠度变化；

图820.5万次疲劳轮荷载加载后桥面板底缘裂缝分布；

图9短切碳纤维水泥砂浆块横向连接钢筋应变变化；

图10短切碳纤维砂浆块横桥向导电率变化；

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明

实施例1：

一种疲劳损伤自感应混凝土桥面板，其特征在于，构造上包含钢筋混凝土桥面板节段(1)拼接而成，相邻钢筋混凝土桥面板节段(1)之间设置有导线端口；

每个钢筋混凝土桥面板节段(1)内包括有若干碳纤维砂浆块(2)；

每个碳纤维砂浆块(2)内设置有电极(3)、纵向连接钢筋(4)和横向连接钢筋(5)用于构建应力及损伤传感装置；纵向连接钢筋(4)和横向连接钢筋(5)分别沿纵向和横向穿过碳纤维砂浆块(2)再深入到整个钢筋混凝土桥面板节段(1)内，通过连接钢筋将各个钢筋混凝土桥面板节段(1)形成整体；电极(3)为一个网状钢丝，在钢筋混凝土桥面板节段(1)内通过导线连接至导线端口，以实现整个受力损伤自感应混凝土桥面板的线路连接。

进一步的，钢筋混凝土桥面板节段(1)内，碳纤维砂浆块(2)的嵌入位置与交通车辆轮迹线区域吻合。

进一步的，所述电极(3)为平面细钢丝网，等间距插入在碳纤维砂浆块(2)之中，并在桥面板底侧伸出，每一个碳纤维砂浆块(2)中按照等间距布设四块平面细钢丝网。每一块钢丝网在突出位置附近焊接有独立导线，并将导线进行集约整理便于检测及组装延长。

所述碳纤维砂浆块(2)，采用了本发明自主开发特制的高强度短切碳纤维砂浆材料，该材料配方设计为：

其1m³的质量配比制成如下：

水泥：805kg

细沙：937.5kg

水：338kg

硅粉：48.3kg

石灰膨胀剂:34.5kg

碳纤维：3.75kg，碳纤维可采用日本东丽公司的短切碳纤维，直径为7μm，长度为3mm；

减水剂：49.7kg；

所述碳纤维砂浆块(2)，其制备方法：首先将水泥、细沙、硅粉、石灰膨胀剂及碳纤维砂浆充分干拌和约60秒，然后在搅拌过程中缓慢浇水及减水剂后再搅拌40秒。

举例而非限定，电极(3)为4片网格状金属铁丝网，可以沿纵向等间距布置，但需注意电极(3)应该与连接钢筋(4、5)隔离开。电极(3)在混凝土桥面板(1)底侧伸出部位与导线(7)相连。

作为实施例，砂浆块(2)在钢筋混凝土桥面板节段(1)内与钢筋混凝土桥面板节段(1)之间界面间凿毛。

作为实施例，钢筋混凝土桥面板节段(1)的厚度可取150～300mm。

作为实施例，碳纤维砂浆块(2)的厚度与之相当，其长度可取200mm，宽度可取100mm。

作为实施例，连接钢筋(4、5)穿过碳纤维砂浆块(2)后深入钢筋混凝土桥面板85～100mm。

作为实施例，连接钢筋(4、5)的直径取10～16mm。

所述碳纤维砂浆块(2)制备好。进一步制作受力损伤自感应混凝土桥面板，其制作方法为：

5)按照常规程序绑扎钢筋混凝土桥面板节段(1)钢筋及搭设混凝土模板；

6)在准备嵌入高强度短切碳纤维砂浆块(2)的位置设置碳纤维砂浆块模板以及绑扎连接钢筋(4/5)、电极(3)；在碳纤维砂浆块模板内浇筑高强度短切碳纤维砂浆材料；

7)首先浇筑普通钢筋混凝土桥面板节段(1)区域，按照标准常温养护24小时以上，然后拆除碳纤维砂浆块模板，侧面冲毛后，再浇筑高强度短切碳纤维砂浆材料以构筑碳纤维砂浆块(2)，再按照标准养护24小时以上。

8)进入桥面铺装等后续施工步骤。

实施例2：

为验证本发明中碳纤维水泥砂浆的压敏效果，发明人采用本发明实施例1中制备的带短切碳纤维微膨胀水泥砂浆制备了材料试块进行了压敏试验。试验情况如下：试块见图3，为100*100*200的立方体试块，试块中沿长边方向等间距布设了4块电极片。

如图3所示，试块置于万能压力机上承受压力荷载，试块的侧表面贴有沿压力方向的单轴应变片2枚。试验中进行了2次循环加载，最大加载值为118kn，名义压应力为11.8mpa。使用日本日置电机im3533对2个电极间的1khz下的交流导电率进行同步测定。试验温度为17.9℃～18.0℃，加载及卸载速度约为0.5kn/s。

图4所示为压敏试验结果，描述了试块应变以及交流导电率随时间的变化情况。可以发现试块导电率的变化与试块压应变的变化趋势是一致的，可见按照上述实例例1制作的带短切碳纤维水泥砂浆块具备压敏特性。

实施例3：

为验证本发明的中所述混凝土桥面板的受力损伤自感应功能，发明人采用本发明实施例1所设计制备的混凝土桥面板来进行轮荷载疲劳实验。尝试通过其中的带碳纤维水泥砂浆块的导电率变化来评估桥面板的疲劳损伤。桥面板尺寸及带短切碳纤维水泥砂浆块的尺寸等如图5所示。实验加载照片如图6所示。需要特别说明的是：1)实验过程中为便于验证，电极的突出部位从实桥的向桥面板下缘突出改为向桥面板上表面突出；

2)为了对水泥砂浆块电极导电率的全面测定，实验中使用了尺寸较小的电极尺寸方便进行多方向的测试。

轮荷载实验中，荷载大小为160kn，移动速度为2～5km/h，荷载轮的横向加载宽度为35cm，轮荷载在桥面板的移动循环次数为20.5万次，在疲劳加载循环过程中还设置了一些静力加载环节用于测定桥面板在同等静载下的挠度发展、裂缝分布以及水泥砂浆块的导电率变化等。试验持续时间为1个月，环境温度为：20℃～40℃。

实验结果如下：

图7所示为不同疲劳加载次数后在160kn静荷载作用下桥面板中心挠度的发展情况。可见随着疲劳次数的增加，桥面板中心的挠度在增加，桥面板整体的刚度在退化。

图8所示为疲劳加载20.5万次后混凝土桥面板底缘的裂缝分布情况，最大裂缝宽度达0.25mm，可见桥面板的损伤是真实存在的。

图9所示为不同循环加载次数后在160kn静力荷载下带短切碳纤维水泥砂浆块中横向连接钢筋的应变变化曲线。可以发现钢筋的压应变在逐渐增加，砂浆块与混凝土处于协同受力状态。

图10所示为不同循环加载次数后在160kn静力荷载下带短切碳纤维水泥砂浆块中横向导电率变化曲线。可以发现导电率随着疲劳荷载次数的增加，其导电率趋于下降，裂缝增加了材料的阻抗。

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