1、土木工程新材料系列三,桥梁工程新型材料的发展,引言,桥梁科学的发展得益于计算理论的不断向深度发展,也得益于桥梁材料的研制与开发,新型材料是未来桥梁工程新发展的重要条件。,新型桥梁材料的发展有以下特征: (1)以高强、轻质为主导的高性能混凝土的发展。 (2)高强、轻质、耐腐蚀的纤维增强复合材料作为预应力筋的应用。 (3)防护材料的改进,使桥梁耐久性大大提高,从而使斜拉索特别是体外预应力体系得以推广。,1高性能混凝土,高强混凝土 高流动度混凝土 混凝土复合材料,返回,高强混凝土,混凝土按强度大致可分为三类: 普通混凝土:2060 MPa; 高强混凝土:60150 MPa; 甚高强度混凝土:大于15
2、0 MPa。 普通混凝土目前已普遍使用,高强混凝土正进入使用阶段,甚高强度混凝土尚处于试验研究阶段。在高强混凝土中,高效减水剂的使用使混凝土水灰比达到其需水量的最低值,且又保持良好的流动度,而超细硅粉的掺入填充了混凝土内的空隙,消除了混凝土中的微小气孔。,高强混凝土正在推广应用,如1982年美国芝加哥商业交易楼混凝土强度达96 MPa。高强混凝土的应用,使桥梁结构截面大大减小,如C120混凝土立柱的截面可比C60混凝土立柱的截面减少68%。高强混凝土早期强度增长快,110 MPa的高强混凝土在12h后即可达到40 MPa强度,这就可以缩短构件的拆模周期,及早施加预应力,同时简化混凝土施工工艺。
3、由于高强混凝土材料结构非常致密,能增加其抵抗化学侵蚀能力及耐磨性能。高强混凝土又能承受较高的预压应力,所以能增大施加的预应力,并减小结构尺寸。,返回,高流动度混凝土,桥梁结构的复杂性,对高强混凝土在预拌中的工作性能提出了更高的要求:良好的和易性,优良的可泵送性及较少的塌落度损失。硅粉及粉煤灰的玻璃微粒对预拌混凝土产生微集料效应,起到润滑混凝土料的作用。各种减水剂的应用使混凝土具有良好的和易性,可改善混凝土的泵送性能,减少混凝土的离析和泌水。为了减少施工过程中的塌落度损失,在预拌混凝土中掺入1%3%的载体流化剂,可控制其塌落度在2.5 h内不变。,返回,混凝土复合材料,阻滞裂纹扩展、消耗裂纹扩展
4、能是增加高强混凝土韧性的有效途径。应用聚合物、纤维材料、柔性粉末材料作为掺合料的混凝土改性复合材料,可使混凝土的韧性、抗冲击性能、抗拉强度、耐久性得到明显提高。聚合物混凝土,是在混凝土生产过程中掺加一定数量的聚合物乳液形成的一种混凝土,可以较好地提高混凝土的抗折强度、耐久性、抗腐蚀能力,降低脆性。在混凝土中掺入1%2%(混凝土体积比)的钢纤维形成的钢纤维混凝土,明显地提高了混凝土的抗拉、抗折强度,增加它的延性和韧性,改善抗冲击、抗震性能。粉煤灰陶粒钢纤维混凝土复合材料兼有陶粒混凝土的轻质和钢纤维混凝土的优良性质。柔性粉粒(如橡胶粉)能有效地提高混凝土的抗冲击性能。选择合适的掺加材料,可改善材料
5、与混凝土的界面性能,促使材料在混凝土基体中高度分散,使高强混凝土既有高强度,又有良好的韧性和耐久性。,返回,轻质、高强的碳纤维加劲塑料的开发与应用,纤维加劲塑料(FRP)是由包裹在树脂母体中的微小纤维做成的复合材料。FRP材料可分为: (1)玻璃纤维加劲塑料(GFRP) (2)碳纤维加劲塑料(CFRP) (3)芳纶纤维加劲塑料(AFRP)等 在近10年间,FRP材料在桥梁领域的应用引起广泛的关注,欧美、日本已开发出可代替传统的低碳钢筋和预应力钢筋的FRP材料应用于混凝土工程中。,最有潜力的材料。,尼尔桥位于美国缅因州南部。这座小桥有两个车道宽,34英尺长(约合10.4米),横越一条小溪。真正让
6、这座小桥独树一帜的是它的构造。,桥梁由由23条碳和玻璃纤维织物的拱形结构组成。这些直径12英寸(约合30厘米)的管子,通过膨胀、弯曲成适当的形状再用塑料树脂进行硬化,并排安装以后用混凝土进行填充,就像是意式通心粉一样。最后铺上桥板和压实的土壤,拱形结构就能支撑标准的砂和沥青路面了。,在桥梁应用中,CFRP可用作混凝土结构的普通筋材和预应力结构的受力筋。 用作普通筋材时可制成棒筋、线筋、网筋。 用作预应力结构的受力筋时可制成绞线、棒筋或棒筋束、带筋、包线筋、片筋或板筋、格子筋等。 在新建桥梁及旧桥梁修复与加固中均已得到应用。,缺点: CFRP材料的高脆性、各向异性限制了它的使用范围。目前在桥梁应
7、用中采取提高安全系数的方法来避免脆性破坏的出现。,CFRP在桥梁中的应用有广阔的前景,以优越的抗腐蚀性能及抗疲劳能力,使其在易受污染和腐蚀的区域的桥梁建设中得到应用。以高强、轻质的碳纤维复合材料替代钢绞线作为悬索桥的主缆材料,可将桥梁的极限跨度提高23倍。目前正在进行将CFRP线材用于超大跨悬索桥主缆的研究。,返回,CFRP在桥梁中的应用有广阔的前景,以优越的抗腐蚀性能及抗疲劳能力,使其在易受污染和腐蚀的区域的桥梁建设中得到应用。以高强、轻质的碳纤维复合材料替代钢绞线作为悬索桥的主缆材料,可将桥梁的极限跨度提高23倍。目前正在进行将CFRP线材用于超大跨悬索桥主缆的研究。,防护材料的发展,斜拉
8、索的防护 钢绞线的防护 体外束的防护,斜拉索的防护 采用钢丝外的拉索套管并在套管内填充防护灌浆料形成双重防护。用水泥砂浆作灌浆料,能对拉索提供可靠的防腐,然而当外套管遭受损伤时,湿气及其它有害物质会侵入砂浆层,斜拉索钢丝最终仍会发生严重腐蚀。此外水泥砂浆柔性差,在动载下容易开裂。良好的防护灌浆材料应具有以下优点: 动载下不开裂; 易于灌注,能渗入钢丝间的缝隙中去; 能有效保护钢束不受电化学腐蚀; 柔韧性好。,索套,水泥砂浆,弗莱西奈式钢绞线斜拉索: 具有三层连续防护:第一层为高密度PE外套管,它将组成斜拉索的钢绞线束中的各钢绞线分别包裹起来;第二层是填充于高密度PE套与钢绞线之间的蜡;第三层防
9、护层为钢绞线的镀锌层。,镀锌层,PE外套管,蜡,钢绞线,OVM斜拉索的防护结构:钢丝外表镀锌;绞线外表涂特制防锈脂或石蜡、环氧树脂;经二次挤塑后,绞线外带厚2.3 mm的PE护套。,PE护套,石蜡、环氧树脂,镀锌,钢绞线,返回,钢绞线的防护,应用热挤环氧树脂涂层作为预应力钢绞线的防腐层,可以提供更大的防腐能力。环氧涂层涂在钢绞线上,厚度为0.760.13 mm,其光滑型钢绞线用于无粘结后张体系、体外预应力束;表面粗糙的喷砂型钢绞线,用于有粘结的先张、后张体系。,返回,4.3 体外束的防护,预应力材料防护技术的发展,使最初用于加固目的的体外预应力工艺逐步用于建造新桥的设计中,采用全部或部分体外预应力束,具有以下优点:预应力损失小;减少梁截面尺寸和减轻梁体重量,可增大桥梁跨径;体外束便于安装和更换。体外束的防护措施是采用PE管并向管内压注油脂或水泥浆。最新的做法是在管内压注加热至8090的蜡溶液,可有效地防止腐蚀。,返回,返回,课后作业: 论文: 各种材料的桥梁,