Investigación de pruebas estáticas en estructuras de pavimento de plataformas de puentes de acero pavimentadas con alta

Scientific Reports volumen 12, número de artículo: 8796 (2022) Citar este artículo

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El pavimento de acero para tableros de puentes siempre ha sido un punto clave y difícil en la construcción de puentes de grandes luces. En la ingeniería práctica, el material de pavimentación común es el asfalto, y en las primeras etapas se causan graves daños en la capa de pavimento. En este estudio, se utilizó como material de pavimentación un hormigón híbrido de polímeros de fibra de alto rendimiento y alto contenido. Se realizó una prueba sobre la viga pequeña de la estructura compuesta formada por la capa de pavimento y placa de acero, y se realizó una prueba de momento flector positivo/negativo para analizar la rigidez y capacidad portante de la estructura compuesta. Como se revela en los resultados de la investigación, la rigidez a la flexión y a la tracción de la estructura y la capacidad de carga de la estructura compuesta mostraron un rendimiento superior, aumentaron significativamente con el espesor del pavimento, pero aumentaron lentamente después de que el espesor del pavimento superó los 80 mm y el aumento del espesor contribuyó. poco a la capacidad de carga. Bajo la acción simulada de un momento flector positivo/negativo, la capa de pavimento aún exhibía ciertas características de falla dúctil cuando la estructura soportaba una carga última. Esto demuestra que el hormigón de polímero de fibra híbrida de alto contenido exhibe propiedades mecánicas adecuadas para el pavimento de cubierta de puentes de acero.

Los pavimentos de acero para tableros de puentes siguen siendo un desafío clave en la construcción de puentes de grandes luces. En la ingeniería actual, se producen defectos graves en las capas del pavimento en una etapa temprana1. El hormigón de cemento es un material de pavimento común, pero rara vez se utiliza para pavimentos de plataformas de puentes de acero porque es frágil y tiene un límite de deformación pequeño permitido. Cuando se utiliza hormigón de cemento ordinario en el pavimento de carreteras de hormigón de cemento ordinario sin refuerzo, aparecen muchas grietas verticales y horizontales en la superficie o dentro del hormigón, que pueden detectarse mediante inspección visual o mediante métodos de prueba no destructivos más avanzados2,3. 4,5,6. Debido a la alta flexibilidad de los tableros de puentes de acero ortotrópicos, se obtiene una gran diferencia entre la deformación de la capa de pavimento y los tableros de puentes bajo la carga de vehículos; por lo tanto, el hormigón de cemento tradicional no se puede aplicar a los tableros de puentes de acero. Actualmente, el asfalto se utiliza de forma madura y común para el pavimento de plataformas de puentes de acero.

Las estructuras de pavimento de tablero de puentes de acero generalmente se dividen en sistemas de pavimento de una y varias capas. Diferentes países o regiones tienen diferentes climas (por ejemplo, temperaturas y precipitaciones extremas) y volúmenes de tráfico; por lo tanto, el esquema de pavimento debe seleccionarse sobre la base de la experiencia específica de ingeniería. En Estados Unidos, la mayoría de las plataformas de puentes de acero se pavimentan con asfalto epoxi de una sola capa. Esta tecnología es relativamente madura7,8,9. La forma estructural es como se presenta en la Fig. 1a. En Alemania, el pavimento de un puente de acero es complicado, con múltiples capas y un pavimento de gran espesor. La forma estructural se muestra en la Fig. 1b. En Gran Bretaña, un tablero de puente de acero típico tiene muchas capas de pavimento, pero el espesor total es de apenas 4 cm aproximadamente. La forma estructural se ilustra en la Fig. 1c. En Francia, un tablero de puente de acero típico tiene cuatro capas de pavimento, con un espesor total de aproximadamente 5 cm. La forma estructural se ilustra en la Fig. 1d.

Estructuras típicas de pavimento de tablero de puente de acero. (a) Estructura de pavimento típica en América; (b) estructura de pavimento típica en Alemania; (c) estructura de pavimento típica en Gran Bretaña; (d) estructura de pavimento típica en Francia.

Sin embargo, el asfalto puede presentar muchos problemas que ocurren en la ingeniería práctica. Por ejemplo, el hormigón asfáltico mezclado en caliente necesita un ambiente y temperaturas de mezclado elevados, lo que restringe el tiempo de construcción, lo que resulta en un período de construcción corto durante todo el año10,11,12. El hormigón asfáltico inyectado6,10,13,14,15 presenta una baja durabilidad cuando se utiliza como capa superior del pavimento de la plataforma de un puente de acero15,16,17. El hormigón asfáltico modificado necesita un gran espesor cuando se utiliza como pavimento de cubierta de puentes de acero18,19. A menudo se pueden observar grietas longitudinales, ranuras en fosas o huecos entre capas en las capas de pavimento20,21 cuando se utiliza asfalto epoxi22,23,24 como pavimento de plataforma de puentes de acero.

Con base en el análisis mencionado anteriormente, se puede observar fácilmente que el asfalto convencional presenta muchas desventajas que son perjudiciales para el desempeño en servicio a largo plazo de los tableros de puentes. Por ello, cada vez más investigadores se centran en mejorar las propiedades mecánicas del hormigón. El hormigón de ultra altas prestaciones (UHPC) y el hormigón de poliuretano se han propuesto y utilizado ampliamente en la construcción de tableros de puentes de acero en las últimas décadas. Por ejemplo, en 2002, se utilizó UHPC para pavimentar la losa de la acera de un puente en el ferrocarril Qinghai-Tíbet de China, que presenta duras condiciones ambientales. A través de un estudio sobre la estructura compuesta liviana de acero-UHPC, Xudong26,27,28 demostró que con un cierto peso muerto, esta estructura puede mejorar la rigidez de la estructura del pavimento y reducir la tensión sobre la capa de pavimento. Esta estructura se aplicó luego al Puente No. 4 de Beijiang en la ciudad de Qingyuan, provincia de Guangdong, y al Puente del Lago Dongting. En cuanto al hormigón de poliuretano, el hormigón se utilizó por primera vez para pavimentar la plataforma de un puente de acero para el canal de la carretera South Hongmei en Shanghai, China29 en 2017. Es bien sabido que el hormigón es un material frágil30, el material no es resistente a la tensión. y no puede resistir impactos y cargas cíclicas. La técnica de añadir fibras (por ejemplo, fibras de acero) al hormigón también se considera un método más eficaz para mejorar las propiedades del hormigón, como las propiedades de corte, flexión y tracción31,32,33,34. Hasta la fecha, aunque se han investigado concretos poliméricos de baja mezcla, los materiales de concreto disponibles aún no pueden cumplir con los requisitos de resistencia a las grietas y tenacidad de los materiales de las carreteras. Es decir, ninguno de los estudios existentes ha informado sobre aditivos con alto contenido de fibra para concreto polimérico, con una mezcla típica de fibra de no más del 3% en volumen 34, 41. Para mejorar aún más la resistencia al agrietamiento y lograr una tenacidad ultra alta, se requiere una serie de aditivos de alta densidad. -Los autores han estudiado y realizado hormigones poliméricos de alto rendimiento con alta resistencia, tenacidad y adaptabilidad ambiental35,36,37. Como se informa en la literatura37, el hormigón híbrido de polímeros de fibra exhibe un rendimiento de trabajo confiable, con un módulo elástico, resistencia a la compresión y resistencia a la flexión que alcanzan hasta 35,93 GPa, 52,82 MPa y 11,51 MPa, respectivamente. Según la práctica de ingeniería de los autores, el costo de la estructura de pavimento propuesta mediante las modificaciones técnicas de los autores no excede los 800 RMB/m2, con un ahorro de costos de al menos el 50%. Además, presenta una alta resistencia a la erosión por sulfatos, lo que lo hace adecuado para pavimentos en condiciones ambientales especiales.

Como se puede observar en la revisión de la literatura anterior, las investigaciones sobre el concreto polimérico de alto rendimiento generan excelentes métodos para mejorar las propiedades del material. Sin embargo, ninguna de las investigaciones anteriores ha realizado el análisis estructural de dicho hormigón de fibras híbridas poliméricas de alto rendimiento. La falta de estudios estructurales de los materiales desarrollados puede limitar la aplicación de los materiales en la ingeniería práctica. Mientras tanto, la falta de investigación sobre mecanismos mecánicos también debilita el carácter científico de los materiales desarrollados por los autores y no favorece una aplicación generalizada. Para ilustrar aún más la superioridad del hormigón polimérico con alto contenido de fibras (las fibras se mezclan al 5% o incluso hasta el 7% en volumen) y mejorar la investigación sobre los mecanismos mecánicos del hormigón, este artículo tiene como objetivo elegir la proporción óptima de materiales para el hormigón. Ensayos estructurales para obtener el comportamiento del actual hormigón híbrido de fibras poliméricas. Mientras tanto, en este artículo también se presenta un sistema de unión fuerte y duradero para estructuras de pavimento de tableros de puentes de acero.

Este artículo analiza dos estructuras de pavimento: una estructura de pavimento de una sola capa (una capa de pavimento de concreto de polímero de fibra híbrida de alto contenido) y una estructura de pavimento de doble capa (donde la capa superior es una capa de desgaste de concreto de celosía polimérica y la capa inferior es una capa de pavimento de hormigón de polímero híbrido de fibra de alto contenido). Las dos estructuras se presentan a continuación.

La capa de pavimento tenía un área de 700 mm (L) × 100 mm (W) y un espesor de 60/70/80/90 mm. Cada grupo estaba compuesto por tres piezas de prueba (para reducir el error, se tomó el promedio de los tres resultados de la prueba; si uno de los resultados era más del 15% diferente de los otros dos resultados, el resultado se ignoraba). Además, se ignoró el espesor de la capa de unión de la interfaz. Las dimensiones de la placa de acero fueron 700 mm × 100 mm × 12 mm, y esta placa se unió a la capa de pavimento mediante resina epoxi modificada. La estructura del pavimento de una sola capa se presenta en la Fig. 2, donde t = 60–90 mm.

Estructura de pavimento monocapa.

Para la estructura de pavimento de doble capa, la capa inferior era una capa de pavimento de concreto de polímero híbrido de fibra de alto contenido de 70 mm de espesor, y la capa superior era una capa de uso de 10 o 20 mm de espesor pavimentada con concreto de celosía polimérica; las dos capas se unieron con la capa adhesiva II. Los pasos de prueba específicos fueron similares a los seguidos para la estructura de pavimento de una sola capa. Antes de aplicar lechada a la capa de uso, la capa inferior se curó durante > 14 días. El hormigón poroso de la red polimérica para la lechada de la capa de desgaste se hizo compacto utilizando una herramienta especial. La estructura del pavimento de doble capa se ilustra en la Fig. 3.

Estructura de pavimento de doble capa.

Para el comportamiento estático de la estructura, en este trabajo se estudian principalmente los siguientes aspectos:

Las propiedades mecánicas y modos de falla de estructuras de pavimento monocapa con espesores de 60, 70, 80 y 90 mm;

Las propiedades mecánicas y modos de falla de estructuras de pavimento de doble capa con espesores de 10 mm + 70 mm y 20 mm + 70 mm;

Las propiedades mecánicas y modos de falla de las dos estructuras de pavimento bajo la acción de momentos flectores positivos y negativos.

Los contenidos analíticos incluyeron la rigidez a flexión y tracción de los miembros, que se reflejaron principalmente a través de la curva carga-desplazamiento de la estructura, así como los modos de falla de los miembros, la aparición y expansión del agrietamiento y la influencia de la estructura del pavimento. para mejorar la rigidez a la flexión y a la tracción de las placas de acero.

Cemento: cemento Portland ordinario con placa de identificación de 'Huaxin Cement' y etiqueta de P.O42.5 producido en Chongqing;

Agregado grueso: gravas de granito con granulometría de 5 a 10 mm y tamaño de partícula nominal máximo de 10 mm producidas en el río Chaoyang, Chongqing;

Agregado fino: arena medianamente gruesa producida en Chongqing;

Cenizas volantes: Cenizas volantes de primer grado producidas por la central eléctrica de Luohuang en Chongqing;

Fibra de acero ordinaria: Fibra de acero ordinaria de tipo cizalla corrugada producida por Anshan Kebite Technology Development Co., Ltd.;

Fibra de acero ultrafina ultracorta: fibra de acero ultrafina ultracorta estirada en fusión producida por Anshan Kebite Technology Development Co., Ltd.;

Fibra flexible: Fibra flexible de polipropileno producida por Langfang Haoxin Thermal Insulation and Fireproof Sealing Material Co., Ltd. en Shandong;

Emulsión: Látex polimérico modificado con caucho de estireno butadieno (SBR).

La Tabla 1 presenta los principales parámetros físicos y mecánicos de tres fibras diferentes: fibras de acero ordinarias, ultrafinas ultracortas y flexibles. Cabe señalar que la fórmula presentada en la Tabla 1 es la formulación de fibra óptima. Se pueden ver más detalles sobre la elección de la formulación actual en la investigación previa de los autores37,38. Bajo la combinación de fibras propuesta, este artículo realizó el siguiente análisis estructural.

La Tabla 2 presenta la relación másica de mezcla en cada metro cúbico de concreto híbrido de polímeros de fibra para la capa de estructura del pavimento.

Entre ellos, las tasas de volumen de fibras de acero ordinarias y fibras de acero ultrafinas ultracortas fueron del 1,91% y el 4%, respectivamente, y la relación polímero-cemento fue de 0,55.

El hormigón de celosía de cemento modificado con polímeros para pavimentar la capa de uso es una mezcla de 5 a 10 mm de agregados de granito triturados clasificados discontinuamente, 42,5 mm de cemento Portland ordinario y una emulsión polimérica en una proporción de 1600:400:120 kg en masa por unidad de volumen cúbico. . Las piedras rotas clasificadas discontinuamente que formaron la estructura reticular dentro del concreto proporcionaron al concreto una fuerte capacidad de coordinación anti-contracción y deformación y, por lo tanto, mejoraron la facilidad de formación. Además, mediante la unión, esta capa puede integrarse bien con la capa inferior de hormigón de polímero de fibra híbrida de alto contenido.

El hormigón de polímero de fibra híbrida de alto contenido para pavimentar la capa estructural se mezcló y produjo con referencia al método de preparación del hormigón de fibra de acero polimérico relevante39, y los pasos seguidos para preparar el hormigón de polímero de fibra híbrida de alto contenido utilizado en este estudio son los siguientes: sigue:

Las dos fibras se vertieron en diferentes posiciones y se dispersaron por separado; Se eliminaron las fibras de acero corroídas y agrupadas.

La arena y las piedras rotas se secaron en horno a 105 °C sin disminución de peso y luego se retiraron.

Los agregados gruesos y finos pesados ​​y el cemento se colocaron en un recipiente mezclador y se mezclaron durante aproximadamente 1 min; luego, las dos fibras (fibra de acero y fibra flexible) se agregaron gradualmente a la mezcla y se mezclaron nuevamente durante aproximadamente 1 min para facilitar su dispersión uniforme en los agregados.

La emulsión polimérica se añadió lentamente a la mezcla y se agitó.

La mezcla final se descargó para preparar la pieza de prueba. Durante la preparación, la mezcla se hizo vibrar para darle forma. El tiempo de vibración en la mesa vibratoria no se mantuvo ni demasiado corto ni demasiado largo para asegurar la compacidad, evitar que las fibras de acero se hundieran y evitar la distribución desigual de la densidad de cada capa de hormigón.

El hormigón poroso de celosía polimérica para pavimentar la capa de desgaste se preparó de manera similar a la preparación de mezcla del hormigón de cemento ordinario, como se describe en la literatura35,36.

Pasos de prueba:

Se preparó un molde de madera del tamaño correspondiente; la placa de acero fue pulida en una máquina rectificadora; luego, se probó la planitud de la placa de acero y se colocó la placa de acero en el molde de madera con la superficie libre de óxido hacia arriba.

La superficie se cepilló con un agente adhesivo de interfaz a una velocidad de dispersión de aproximadamente 1 kg/m2 para garantizar que la superficie de la placa de acero estuviera pintada uniformemente.

Se vertió hormigón de polímero de fibra híbrida de alto contenido sobre la interfaz de unión y se hizo vibrar para darle forma; tres días después se retiró el molde de madera.

Para el pavimento de doble capa, la capa de desgaste se vertió para darle forma al día siguiente de que solidificara la primera capa de hormigón de polímero de fibra híbrida. El agente de unión de interfaz también se aplicó con brocha sobre la capa de desgaste después de darle forma a la capa de desgaste.

Método de curado: la capa de pavimento del material se curó primero de manera húmeda y luego de forma seca. La capa se regó y se cubrió con una película durante un día de curado húmedo; luego, se quitó el molde, y la capa de pavimento se regó y se filmó nuevamente durante dos días de curado y luego se curó en ambiente seco a temperatura ambiente. Después de un curado de 28 días, las piezas de prueba se sometieron a una prueba de carga.

En la prueba de carga, se utilizó como referencia el esquema de carga en el tercer punto de piezas de ensayo de hormigón antiflexión ordinarias40. En este esquema, el espacio entre los apoyos era de 600 mm, y el espacio entre los puntos de carga y entre el apoyo y el punto de carga era ambos de 200 mm. La pieza de prueba se limpió con un trapo. El centro debajo de la pieza de prueba se pegó con un medidor de tensión y el centro de la pieza de prueba se montó con un indicador de cuadrante; Se pegaron astillas de madera en dos lados de la pieza de prueba, que estaban sostenidas por un cabezal de indicador de cuadrante. Tanto el indicador de cuadrante como el extensímetro se conectaron a un indicador de deformación estático de alta velocidad YE2539 en condiciones normales, y los extensímetros se pegaron en el mismo lote de piezas de prueba para compensar la temperatura. Se encendió la prensa, con una potencia de 200 kN, seguido del arranque de la bomba de aceite, ajuste lento de las válvulas de envío y retorno de aceite hasta que la presión del aceite alcanzó el nivel normal; después de eso, se cerraron las dos válvulas. Después de que el cableado estuvo bien conectado, la pieza de prueba se elevó a una altura adecuada y se ajustó cuidadosamente para que entrara en estrecho contacto con el cabezal de la prensa; luego, se giró lentamente la válvula de suministro de aceite para aumentar la carga de manera uniforme y lenta. Mientras se leía la carga, el indicador de cuadrante recogía el valor de desplazamiento y de tensión de escaneo continuamente. Cuando finalmente apareció un fallo en la pieza de prueba, se finalizó la prueba. Se registraron los resultados de la prueba y el fenómeno.

En comparación con la carga del tercer punto del hormigón de cemento ordinario, la carga de la pieza de prueba de la estructura del pavimento tuvo las siguientes diferencias:

(1) Los tamaños de las piezas de prueba eran diferentes.

La pieza de prueba de flexión de hormigón de cemento ordinario tenía sólo 400 mm de longitud, mientras que la de la estructura de pavimento del puente de acero en este estudio tenía 700 mm. La luz calculada entre los soportes fue de 600 mm y el tercer punto (punto de carga) desde el soporte fue de 200 mm.

(2) Se proporcionó un medidor de tensión para probar la deformación de las piezas de prueba estructurales, mientras que se agregó un indicador de cuadrante para probar la deflexión de las piezas de prueba estructurales.

En la literatura y40, el propósito de cargar sobre la pieza de prueba de flexión de concreto de cemento ordinario era medir la resistencia a la tracción por flexión del material, independientemente de la deformación y deflexión. Para la pieza de prueba de la estructura del pavimento, se debe examinar la deflexión de la pieza de prueba estructural y la deformación del material considerando el propósito de la prueba. Por lo tanto, se debe proporcionar un medidor de tensión para probar el cambio en la deformación en el material de tracción en la parte inferior de la pieza de prueba cargada, y se debe agregar un indicador de cuadrante de desplazamiento para probar el desplazamiento de deflexión de la pieza de prueba estructural con diferentes cargas.

(3) Los puntos de carga de las piezas de prueba estaban en diferentes planos.

Cuando se cargó la pieza de prueba de flexión de hormigón ordinario, el lado que se iba a moldear miraba hacia arriba para asegurar la planitud de los planos de soporte y carga y reducir el error. Cuando se dio forma a la pieza de prueba de la estructura del pavimento, la placa de acero estaba en el fondo del molde de prueba. Sin embargo, en la ingeniería real, las condiciones de tracción de la capa de pavimento y la placa de acero deben considerarse debido a la especificidad del pavimento de la plataforma del puente de acero (la tensión está en el lado superior).

Para probar la deformación por flexión y tracción de la placa de acero o capa de pavimento en la estructura de pavimento de concreto de polímero de fibra híbrida, se encuentran disponibles dos métodos de carga según la dirección: carga de simulación de momento de flexión positivo y carga de simulación de momento de flexión negativo.

Carga de simulación de momento flector positivo: en este método, la parte inferior de la placa de acero está en el lado inferior, mientras que la capa de pavimento está en el lado superior y se utiliza como superficie de contacto de carga. Este método se utiliza para simular la presión sobre la capa de pavimento en la posición de soporte del momento flector positivo en la estructura de pavimento real (Fig. 4a).

Esquema de carga para prueba. (a) Esquema de carga de momento flector positivo; (b) esquema de carga de momento flector negativo.

Carga de simulación de momento flector negativo: en este método, la capa de pavimento está en el lado inferior, mientras que la parte inferior de la placa de acero está en el lado superior y se utiliza como superficie de contacto de carga. Este método se utiliza para simular la tensión en la capa de pavimento en la posición de soporte del momento flector negativo en la estructura de pavimento real (Fig. 4b).

Toda la estructura de pavimento monocapa formada por la placa de acero y una capa de pavimento con diferentes espesores presenta diferentes rigideces. La rigidez estructural bajo la acción de un momento flector positivo/negativo se puede expresar mediante la curva carga-desplazamiento de la estructura.

La rigidez a la flexión y a la tracción de una estructura de pavimento de una sola capa se puede medir utilizando la correspondiente curva de carga-desplazamiento. La Tabla 3 muestra la curva carga-desplazamiento de la estructura de pavimento de una sola capa con diferentes espesores de pavimento (con la placa de acero en el lado inferior) bajo la carga simulada de un momento flector positivo. La rigidez de la estructura compuesta se ve afectada por el espesor de la capa de pavimento, y la curva carga-desplazamiento del proceso completo bajo condiciones táctiles de flexión y tracción de la estructura no se puede trazar con precisión. Para medir la rigidez de la estructura con mayor precisión, se calculó utilizando la curva carga-desplazamiento del miembro en la etapa elástica lineal. La rigidez a flexión y tracción y la carga de falla de la estructura de pavimento compuesto formada por diferentes espesores de pavimento monocapa bajo la acción de un momento flector positivo se presentan en la Tabla 3.

Según la Fig. 5, se obtuvieron los siguientes resultados:

La rigidez a la flexión y a la tracción de la estructura compuesta formada por la capa de pavimento, la capa de unión y la placa de acero se vio significativamente afectada por el espesor del pavimento. La rigidez a la flexión y a la tracción de la estructura se puede expresar mediante una curva carga-desplazamiento. Según la curva, el espesor del pavimento es directamente proporcional a la rigidez a la flexión y a la tracción de la estructura del pavimento.

Curva carga-desplazamiento de una estructura de pavimento monocapa con diferentes espesores de pavimento en la etapa elástica lineal bajo la acción simulada de un momento flector positivo.

El espesor del pavimento monocapa también influyó significativamente en la capacidad portante de la estructura compuesta. Cuanto más gruesa sea la capa de pavimento, mayor será la capacidad portante de la estructura del pavimento. La carga de falla promedio en la estructura compuesta formada por pavimento monocapa de 60 mm de espesor fue mucho menor que la de la estructura con los otros tres espesores de pavimento.

Las fibras de acero y las fibras flexibles exhiben efectos de mejora antifisuras. Cuando la carga en la pieza de prueba se incrementó casi hasta el máximo, se arrancaron o rompieron fibras claras parecidas a una voz "pa-pa". En este momento, las fibras fueron parcialmente arrancadas y cortadas en lugar del concreto. Cuando se produjo la grieta, la carga continuó aumentando hasta que la grieta apuntó cerca del bloque de cojín de carga. Finalmente, la falla en la capa de pavimento fue falla por corte-compresión.

Bajo la acción simulada de un momento flector positivo, la fuerza sobre la capa de pavimento fue conservadora. Sin embargo, en la práctica, aparece un momento de flexión negativo en el pavimento de la plataforma del puente de acero por encima de las nervaduras longitudinales y los tabiques longitudinales y transversales bajo la acción de la carga del vehículo. Además, para la capa de pavimento, un momento flector negativo es desfavorable y por lo tanto debe ser el foco de atención.

De manera similar al análisis de fuerza realizado en un momento flector positivo, es racional seleccionar la curva carga-desplazamiento de la estructura del pavimento bajo la acción de carga en la etapa elástica lineal (Fig. 6). La rigidez a flexión y tracción y la carga de falla de la estructura compuesta formada por diferentes espesores de pavimento monocapa bajo la acción de un momento flector negativo se ilustran en la Tabla 4.

Curva carga-desplazamiento de una estructura de pavimento monocapa con diferentes espesores de pavimento bajo la acción simulada de un momento flector negativo.

Bajo la acción simulada de un momento flector negativo, la capacidad portante de la estructura del pavimento fue mucho menor que bajo la acción simulada de un momento flector positivo; el espesor de la capa de pavimento también tuvo un gran impacto en la rigidez de la estructura del pavimento; es decir, el primero es directamente proporcional al segundo.

Los resultados del cálculo revelaron que para pavimentos de una sola capa, cuando el espesor del pavimento se incrementó de 70 a 80 mm, se observó un aumento evidente tanto en la rigidez promedio a flexión y tracción como en la carga de falla promedio de la estructura de pavimento compuesto. Cuando la carga alcanzó el pico, el material de tracción inferior (hormigón de polímero de fibra híbrida de alto contenido) podría evitar la expansión del agrietamiento. Por lo tanto, todos los espesores seleccionados de las estructuras de pavimento exhibieron una resistencia a la tracción adecuada.

Cuando las estructuras de pavimento se cargaron bajo la condición simulada de un momento flector negativo, aparecieron grietas en las superficies de tracción inferiores de las estructuras. Con un aumento gradual de la carga, las grietas del fondo se expandieron gradualmente hacia arriba; cuando las grietas se expandieron hasta cierta altura, la carga ya no aumentó. En ese momento, las grietas del miembro se expandieron continuamente, sin fracturas repentinas.

En vista de la comodidad de conducción, la permeabilidad y la función de reducción de ruido del pavimento de tablero de puente de acero, este artículo propone una estructura de pavimento de doble capa (una capa de pavimento de hormigón de polímero de fibra híbrida de alto contenido y una capa de desgaste de hormigón de celosía de polímero) . La capa de desgaste tiene una alta permeabilidad y cumple la función de mejorar el rendimiento antideslizante y distribuir las cargas de las ruedas del vehículo. La estructura de doble capa se pavimentó de abajo hacia arriba: placa de acero de 12 mm + capa de unión I + hormigón polímero de fibra híbrida de alto contenido de 70 mm de espesor + capa de unión II + polímero de 10 o 20 mm de espesor hormigón reticular. De manera similar a la prueba realizada en una estructura de pavimento de una sola capa, las piezas de prueba se cargaron bajo la acción de un momento flector positivo/negativo.

El ensayo de desempeño mecánico realizado sobre la estructura de pavimento de doble capa incluye principalmente dibujar la curva carga-desplazamiento a mitad de luz, analizar la curva carga-desplazamiento en la etapa elástica lineal, calcular la rigidez a flexión y tracción de la estructura y la contribución de la capa de desgaste a la rigidez a flexión y tracción de la estructura, y analizando la carga de falla en la estructura y la forma de la estructura con carga de falla.

La contribución de la capa de desgaste a la rigidez a la flexión y a la tracción de la estructura del pavimento se calculó analizando la curva carga-desplazamiento de la estructura del pavimento de doble capa y comparándola con la de una estructura de pavimento de una sola capa de 70 mm de espesor. La siguiente figura muestra la curva carga-desplazamiento a mitad del tramo en la etapa elástica lineal. La rigidez a flexión y tracción y la carga de falla de la estructura compuesta formada por diferentes espesores de pavimento de doble capa bajo la acción de un momento flector positivo se presentan en la Tabla 5 y la Fig. 7.

Curva carga-desplazamiento de una estructura de pavimento de doble capa con diferentes espesores de pavimento en la etapa elástica lineal bajo la acción simulada de un momento flector positivo.

Como se revela a partir de los resultados del cálculo, hubo una gran diferencia entre la curva de carga-desplazamiento de la estructura de pavimento de doble capa en la etapa elástica lineal y la de la estructura de pavimento de una sola capa de 70 mm de espesor. En detalle, la rigidez a la flexión y a la tracción de la primera estructura (70 mm + 10 mm de espesor) mejoró en un 64,7% con respecto a la de la última estructura. Cuando el espesor de la capa de desgaste se incrementó de 10 a 20 mm, la rigidez a la flexión y a la tracción de la estructura del pavimento mejoró sólo en un 16%, una variación que no fue evidente.

En cuanto a la carga de falla, no hubo diferencia significativa entre la estructura de pavimento de doble capa y la estructura de pavimento de una sola capa de 70 mm de espesor. La rigidez a la flexión y la tracción y las cargas de falla de las estructuras de pavimento de una sola capa de 80 y 90 mm de espesor fueron ligeramente más altas que las de las estructuras de pavimento compuestas de '70 mm + 10 mm' de espesor y '80 mm + 10 mm' de espesor. . La razón principal de esto es que la estructura del pavimento de una sola capa está bien integrada y, por lo tanto, contribuye significativamente a toda la rigidez a la flexión y a la tracción y a la capacidad portante de la estructura.

Bajo la carga simulada de un momento de flexión positivo, la capa de desgaste pavimentada con hormigón de celosía polimérica y la capa inferior pavimentada con hormigón polimérico de fibra híbrida de alto contenido llevaron conjuntamente las fuerzas sobre la estructura. De manera similar a la estructura de pavimento de una sola capa, también aparecieron grietas cerca del soporte a medida que aumentaba la carga, con la grieta principal apuntando oblicuamente al punto de carga. Cuando la carga alcanzó su punto máximo, las grietas se expandieron profundamente. Sin embargo, como las dos capas de la estructura de pavimento de doble capa estaban pavimentadas con diferentes materiales de pavimento, las grietas no alcanzaron el hormigón reticular polimérico de la capa de desgaste y las dos capas quedaron bien unidas. Antes de que ocurriera la falla por desplazamiento en las dos capas, no se observó ninguna grieta clara en la capa de desgaste, pero el concreto parcial de la capa de desgaste estaba aplastado.

Bajo la acción simulada de un momento flector positivo/negativo, la estructura del pavimento mostró una gran diferencia en la capacidad de carga, específicamente en la curva carga-desplazamiento. Bajo la acción simulada de un momento flector negativo, la curva carga-desplazamiento de la estructura de pavimento de doble capa es vital para analizar la contribución de la capa de desgaste a la rigidez a flexión y tracción de toda la estructura y la contribución del cambio de espesor en la capa de desgaste hasta toda la rigidez a la flexión y a la tracción. La rigidez a flexión y tracción y la carga de falla de la estructura compuesta formada por diferentes espesores de la estructura de pavimento de doble capa bajo la acción de un momento flector negativo se muestran en la Fig. 8 y la Tabla 6.

Curvas carga-desplazamiento de estructuras de pavimento de doble capa con diferentes espesores de pavimento bajo la acción simulada de un momento flector negativo.

Los resultados del cálculo no mostraron diferencias evidentes entre la curva carga-desplazamiento de la estructura de pavimento de doble capa bajo la acción de un momento flector negativo y la de la estructura de pavimento de una sola capa. La rigidez a la flexión y la tracción y la carga de falla de la estructura compuesta no aumentaron significativamente con el espesor de la capa de desgaste. En comparación con la estructura de pavimento de doble capa, la estructura de pavimento de una sola capa experimentó un claro alargamiento del límite elástico después de que la carga alcanzó el pico.

Para la estructura compuesta bajo la acción simulada de un momento flector negativo, aparecieron grietas en la parte superior de una pequeña pieza de prueba de viga con un aumento en la carga y se expandieron gradualmente desde la capa de desgaste pavimentada por el concreto de celosía polimérica hasta la capa inferior pavimentada por el hormigón de polímeros de fibras híbridas de alto contenido; Después de que las grietas se expandieron hasta cierta altura, la carga alcanzó el pico y el desplazamiento aumentó continuamente con una aceleración evidentemente mayor. En presencia de grietas en la capa inferior, la estructura del pavimento podría soportar continuamente un rango más alto de carga hasta que las grietas se expandieron al valor crítico, la pieza de prueba ya no pudo soportar una carga más alta y se produjo una falla en la pieza de prueba.

En este estudio, se utilizó el método de investigación de pruebas estructurales de diseño de interiores para estudiar las propiedades mecánicas de la estructura de pavimento de hormigón de polímero de fibra híbrida de alto contenido. Los dos tipos de estructuras de pavimento y las estructuras de pavimento compuestas con diferentes espesores de pavimento se sometieron a ensayos con vigas pequeñas y se cargaron con momentos de flexión positivos y negativos. Por lo tanto, las curvas de carga-desplazamiento y las formas de falla de las estructuras bajo las acciones de momentos flectores positivos y negativos se obtuvieron y utilizaron como base para analizar la rigidez de las estructuras de pavimento compuestas y verificar el mecanismo de mejora antifisuración de los dos tipos. de materiales de pavimentación. Se obtuvieron los siguientes resultados de pruebas de haz pequeño:

Para una estructura de pavimento de una sola capa, el pavimento de 80 mm de espesor formó una estructura compuesta, que evidentemente tenía mayor rigidez a la flexión y tracción que la estructura de pavimento de 70 mm de espesor. La capacidad de carga última de las estructuras de pavimento bajo la acción de un momento de flexión negativo es mucho menor que bajo la acción de un momento de flexión positivo, y la variación en el espesor del pavimento contribuye poco a la rigidez a la flexión y a la tracción y a la capacidad de carga del compuesto. estructuras.

Para la estructura de pavimento de doble capa, la estructura compuesta formada por la capa inferior de hormigón de polímero híbrido de fibra de alto contenido de 70 mm de espesor y la capa de desgaste superior de hormigón de celosía polimérica mejoró significativamente la rigidez a la flexión y a la tracción bajo la acción de una flexión positiva. momento, pero no se observó ningún cambio evidente en la capacidad portante última de la estructura.

Cuando la capa de desgaste de la estructura de pavimento de doble capa fue sometida a falla bajo carga, la capa de desgaste permaneció intacta y la capa superior permaneció bien unida con la capa inferior. Esto verifica que esta estructura exhibe la superioridad de 'celosía + nodo + vacío' y propiedades mecánicas superiores de unión.

Independientemente de la acción simulada de un momento flector positivo o negativo, la capa de pavimento aún exhibe ciertas características de falla dúctil cuando la estructura soporta la carga última, lo que demuestra que el concreto híbrido de polímeros de fibra de alto contenido exhibe propiedades mecánicas adecuadas y es un material ideal para pavimentación de la plataforma del puente de acero.

En resumen, la estructura pavimentada con hormigón de polímeros de fibras híbridas de alto contenido exhibe un rendimiento estructural adecuado. Este material tiene buenas perspectivas de aplicación. Las investigaciones futuras deberían enfatizar aún más la durabilidad de la estructura del pavimento.

Todos los datos generados o analizados durante este estudio se incluyen en este artículo publicado.

Asfalto inyectado

Asfalto de masilla de piedra

Hormigón de ultra alto rendimiento

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Este trabajo fue apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias de la Naturaleza de China (número de subvención NSFC51408091).

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Chaohua Zhao, Zhijian Yi, Kang Su y Ya Li

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Zhiwei Zhu

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Conceptualización: CZ, ZY; metodología: CZ, ZZ; análisis e investigación formal: CZ, ZZ; redacción: preparación del borrador original: CZ, ZZ; redacción: revisión y edición: CZ, KS, YL; adquisición de financiación: CZ; recursos: CZ, ZZ, KS, YL; supervisión: CZ, KS Todos los autores han leído y aceptado la versión publicada del manuscrito.

Correspondencia a Chaohua Zhao o Zhijian Yi.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Zhao, C., Zhu, Z., Yi, Z. et al. Investigación de pruebas estáticas en estructuras de pavimento de plataformas de puentes de acero pavimentadas con hormigón de polímeros de fibra híbrida de alto contenido. Informe científico 12, 8796 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-12987-8

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Recibido: 07 de enero de 2022

Aceptado: 18 de mayo de 2022

Publicado: 25 de mayo de 2022

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

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