【正文】 于超薄層的粘結失效機理研究還很少。 新舊混凝土粘結狀態(tài)的力學機理分析新舊混凝土界面粘結質量決定新舊混凝土能否形成統(tǒng)一的整體，保證混凝土結構的整體性。一旦受到外力作用，由于新舊混凝土界面處裂縫、缺陷較集中，再加上界面相對比較平坦不能使裂縫擴散路徑發(fā)生曲折，所以一旦從這一區(qū)域引發(fā)了微裂縫，裂縫尖端處就會由于應力集中現(xiàn)象而導致裂縫迅速開展和傳播，新舊混凝土界面處的承載能力會被進一步削弱，最后將導致界面首先被破壞。（3）新舊混凝土界面處的骨料和硬化水泥石對罩面混凝土而言猶如是一個面，整個舊道面像一塊表面比較平坦的“大骨料”，而這塊“大骨料”與整體澆筑混凝土中的骨料相比不但體積大且只有一個“面”，并且這個“面”相對較平坦。同時，由于舊混凝土的阻礙，罩面混凝土中的泌水和氣泡積聚在舊混凝土表面，不僅使罩面混凝土與舊道面結合處局部的水灰比更高，而且使得氣孔和微裂縫在該區(qū)富集，這樣就顯著地降低了界面的強度。界面的出現(xiàn)是新舊混凝土結合的薄弱環(huán)節(jié)，它大大降低了復合結構整體的抗拉、抗剪強度以及耐久性能。它分為三種斷裂形式：（1）當界面粘結很好，其粘結強度高于界面層抗裂強度時，擴展到界面處的裂縫受阻而折回到界面層中，并在界面層中沿微裂縫貫通方向隨機地呈波浪狀發(fā)展；（2）當界面粘結較好，其粘結強度接近于界面層抗裂強度時，擴展到界面處的裂縫雖然受阻不能沿原來方向進入界面層兩側的新老混凝土本體中，但可與界面上的微裂縫相連通而沿界面發(fā)展。但是，由于粘結材料與下層混凝土之間的粘結力不足以抵抗各種因素，而可能在新老混凝土結合面處產生的附加應力而導致失敗[5]。例如，UTW翻新后的場道，在飛機荷載下，其道面的復合結構將承受很大的豎向壓力和橫向剪切力。本論文主要研究內容如下：建立適應舊場道物理力學性能的超薄水泥混凝土罩面—舊水泥混凝土道面復合結構的力學結構模型，在對相關理論依據和方法分析總結的基礎上，針對主要參數(shù)指標進行了解析分析和理論研究； 基于超薄罩面—舊道面復合結構的力學結構模型，分析研究了適應復合結構協(xié)同工作機制需求的界面層物理力學行為特征，利用實驗室試件的模擬實驗，就不同的界面處理方式對結構整體性能的影響進行了量化對比研究； 參考工程實例的結構和力學參數(shù)，建立了復合結構的有限元分析模型，并利用軟件模擬其實際條件下復合結構的協(xié)同工作狀態(tài)；根據模擬分析結果，確定了特定飛機荷載作用下復合結構界面層的應力應變、剪切強度等的臨界參數(shù)值；進行實驗室小比例模型實驗，將復合結構受力變形特性的實驗數(shù)據與有限元模型分析的數(shù)據結果進行對比，深入分析了界面粘結狀況對復合結構力學特性的影響規(guī)律。但是，針對UTW在剛性機場道面上的應用，特別是針對超薄罩面—舊道面復合結構的作用機理以及特殊荷載作用下的物理力學行為特征的研究尚不明確。然而，由于場道使用條件的特殊要求，對超薄罩面在場道修復中的應用提出了更高的要求。英國的Norbert J. Delette等通過對新舊混凝土道面的界面粘結實驗室試驗和現(xiàn)場試驗，研究了界面粘結強度發(fā)展的過程，探討了混凝土罩面的時機及不同改進方法對界面粘結性能的影響，提出了一些測試界面粘結強度的方法和利用復合材料改進界面粘結能力的措施。這說明界面對于在疲勞荷載作用下，裂縫的擴張及結構的失穩(wěn)或破壞具有一定的影響，其影響機理和具體效果尚有待于研究。由于荷載條件、使用環(huán)境等的特殊性，超薄罩面在機場舊道面翻新中應用的性能表現(xiàn)與可靠性尚不清楚，特別是在高沖擊荷載、重載高速制動剪切作用下的力學行為表現(xiàn)尚缺乏研究成果支撐，對該技術直接在機場道面上應用還不讓人放心。基于這些研究的結果，取得了不少可供借鑒的有益結論：1）對舊路面進行銑刨、清潔處理，使UTW與舊道面層層間界面充分粘結，可以減小UTW罩面板的荷載應力，是影響UTW路面長期使用性能的關鍵因素；2）UTW路面使用的混凝土應是高早強混凝土，且宜根據配合比設計摻入聚丙烯纖維、鋼纖維等增強材料；3）銑刨后路面層剩余厚度對UTW路面的荷載應力和裂縫的產生有影響；4）UTW路面板可以明顯提高舊道面的承載能力；5）板厚度、舊面層厚度、接縫間距、混凝土性能、層間粘結等是UTW路面的主要影響因素。連續(xù)加載60000次后，道路使用狀況良好?？纤囼灺帆@得了成功，實驗結果表明，該路面性能比用普通設計方法預計的翻新效果要好得多，從而引起了業(yè)界的廣泛興趣。隨著國內需要翻新和升級改造的舊道面數(shù)量的急速增加，該技術在機場改造升級過程中將會發(fā)揮更重要的作用。與常規(guī)水泥混凝土道面蓋被不同的是，該技術所采用的罩面層厚度通常在80mm以下，而普通的水泥混凝土蓋被厚度多在200mm以上；二者不僅存在著厚度上的差別，它們的力學反應機制也存在著根本差異，主要表現(xiàn)為荷載作用下結構層的物理力學反應狀態(tài)的本質差別。具體體現(xiàn)為常規(guī)厚度蓋被是作為獨立的面層結構承受各種外部荷載的作用，而下層的舊道面結構這時僅僅起到基層結構的作用，使得舊道面的剩余承載能力被拋棄；而在超薄水泥混凝土罩面結構中，通過適當?shù)慕缑嬲辰Y處理，使罩面與舊道面間形成良好的粘結狀態(tài)，并以復合結構的形式作為道面層共同承受各種荷載，這樣，不但能充分利用下層舊道面的剩余承載能力，罩面起到完整表面作用的同時，也能夠更好地與下層舊道面協(xié)調變形。 UTW的產生和發(fā)展過程超薄水泥混凝土罩面作為一種道面翻新修復的新技術，盡管其在快速恢復和提升道面表面質量的優(yōu)勢非常明顯，但在其產生之初卻曾受到各方面的頗多爭議，因為按照傳統(tǒng)的剛性路面設計方法，這樣的“超薄”面層單獨承受來自上部的各種荷載時，其承載能力將會很差，從而容易導致其本身極易破壞，只有當超薄罩面層與舊道面間具有可靠粘結性和協(xié)調工作性的前提下才能發(fā)揮其表面質量改善的效果。自此，UTW隨之開始得到重視，相關的實驗研究等也開始廣泛開展。截止2000年底，美國已修筑UTW總面積約220萬平方米。國內對UTW的研究起步較晚，有關實驗研究的成果也相對較少。為此，有必要在以往理論與實驗研究的基礎上，借鑒該技術在其他領域的研究成果，對UTW在機場道面翻新中的應用進行系統(tǒng)性研究。Dempsey, ，界面層設置可吸能復合材料層，對于道面抗開裂能力有非常顯著的提高[4]。此外，圣路易斯機場停機坪的項目中嘗試應用了UTW罩面技術，在道面翻新過程中，在混凝土中安裝了儀器以監(jiān)測混凝土面層在外載條件下不同位置的應力變形情況，通過比較現(xiàn)場測試的數(shù)據與模型分析結果證實UTW的復合作用。同時，眾多研究和理論成果均未形成一個完整的體系，使得該項技術的進一步發(fā)展和推廣受到一定的限制。例如，對于影響其上下層協(xié)同變形等工作性能的關鍵因素—界面層的物理力學特性的研究仍處于初步探索階段。第二章 UTW復合結構體系分析 復合結構體系概述無論是在已有結構上的加固、翻修中鑿除已破壞或惡化部分混凝土基層在其上澆筑新混凝土，還是新建工程中的施工間歇，通常都會遇到在已硬化的混凝土上澆筑新混凝土的情況，在這種情況下，都會涉及到上下層新老混凝土能否結合成為整體而協(xié)同工作的問題。由于上層超薄水泥混凝土罩面層自身的抗彎能力很小，故要求罩面與舊道面間必須形成良好的粘結，才能與舊道面形成協(xié)同工作的復合結構，從而最大限度地發(fā)揮舊道面的剩余承載力。因此，針對新老混凝土結構加固中的薄弱環(huán)節(jié)——粘結界面的特點和性狀進行研究，對影響界面粘結失效的原因進行探討，顯得極為重要。當遇到界面上的阻力元時，又折回到界面層上面的發(fā)展過程，在界面上和界面層中交替地呈臺階狀發(fā)展；（3）當界面粘結較差，其粘結強度小于界面層材料的抗剪強度時，擴散到界面處的裂縫將沿跡線發(fā)展。這就需要了解新舊混凝土間界面的結構及其形成過程，以充分認識新舊混凝土結合薄弱的問題。這是物質結構在化學方面的原因，是影響新舊混凝土粘結強度的本質內因。這樣，罩面新拌混凝土就如同僅與這塊“大骨料”的一個平“面”粘結。也就是說，整體結構的破壞總是從最薄弱環(huán)節(jié)—界面層結構處開始。厚大混凝土構筑物，諸如大型基礎工程、大型水利設施、大跨度的橋梁以及超高建筑結構等由于工期較長，新澆筑的混凝土能否與己經硬化的混凝土很好地粘結，這關系到混凝土結構物的整體性使用性能狀況。目前，對新舊混凝土粘結的研究主要集中在以下幾個方面。 新舊粘結界面的微觀力學機理分析實際上，新老混凝土粘結結構的整體宏觀力學性能是其界面處微觀結構的具體表現(xiàn)，要從本質上揭示新老混凝土的粘結性能，則必須深入研究其微觀機理。機械咬合力是指當有粘性的水泥漿滲透到老混凝土的表面空隙中，硬化后新老混凝土相互交錯嚙合而形成相互約束的聯(lián)結體。新老混凝土界面的化學作用主要來源于以下幾個方面：（l）新混凝土的水泥組分與老混凝土的水化物發(fā)生反應而形成新的水化產物；（2）老混凝土中未水化的部分與新混凝土的水泥組分反應而形成新的水化產物；（3）新老混凝土中的水泥或其水化物與界面處理劑反應而形成新的化學產物。 各結構層對粘結狀態(tài)的影響研究 舊道面表面性狀對粘結性能的影響作為整體結構的重要組成部分，舊道面的材料和結構性態(tài)對界面粘結性能的影響非常關鍵，特別是表面的處理狀態(tài)直接影響著舊道面與罩面間粘結強度的高低。通常，為了增強結構的整體性能，需要提高界面的粘結程度。工程實踐表明，上述做法可以獲得比較好的效果，但進行大規(guī)模的應用時難以控制操作質量。為保證新舊混凝土的良好粘結，所要求罩面材料最重要的性質就是其與舊混凝土的粘結力。相關實驗研究結果表明[19]，在罩面混凝土中加入一定量的纖維可以改善新舊混凝土之間的粘結性。預鋪骨料混凝土具有良好的粘結性，而且收縮非常小[21]。由于預鋪骨料混凝土粗骨料含量高且緊密接觸，至少減小干縮50%，修補混凝土干縮的減小幾乎使粘結界面處不會產生干縮應變，預鋪骨料混凝土通常具有以下優(yōu)點：（1）預鋪骨料混凝土可以采用與被修補結構混凝土相同的配比，它們的強度、彈性模量及熱性能相同。當然，采用預鋪骨料混凝土需要具有相應材料與匹配的工藝，在條件允許的情況下采用該方法可以獲得良好的效果，但在材料級配不良或施工環(huán)境不允許的情況下難以獲得較好的效果。本課題實驗研究中的觀察結果表明，罩面新混凝土中的一部分水泥漿可以滲透到老混凝土中去，同時由于重力和機械震動力的作用也可使新混凝土中的骨料下沉并擠壓在老混凝土的表面，使擠壓部分的粘結面上出現(xiàn)“缺膠”現(xiàn)象，表現(xiàn)為粘結界面處的水泥漿浸潤不均勻，而新混凝土中失去一部分水泥漿。目前，工程中比較常用的界面劑主要有抗收縮類界面劑、高滲透性界面劑、增韌性界面劑、緩凝性界面劑等。其中，針對超薄罩面這一特殊結構形式，參考已有實驗和理論研究成果以及工程實際資料，對界面的主要特性進行了介紹總結；對復合結構中界面處新舊混凝土的物理力學性能形成機理進行了總結分析，主要包括宏觀力學性能、微觀力學機理、各結構層對界面粘結強度的影響等做了詳細的分析、研究。因此，需要在了解與掌握一般復合結構性能的基礎上，充分認識超薄罩面結構體系的物理力學特性，以便對其復合結構的綜合物理力學性能進行深入研究。針對有夾層的雙層剛性道面的力學分析，已有很多研究。為此，本課題研究擬考慮基于多層彈性理論、多層有限元理論的形式來描述該復合結構的物理力學狀態(tài)。本課題研究中，由于罩面、舊道面以及基層結構混凝土剛度相近，且相對于土基較大，作為層狀體系考慮，將其視為位于彈性地基上的梁進行模型的建立和計算。 道面結構的非線性分析原理作為道面材料的混凝土具有應力應變的非線性特性，在小應變時通常呈現(xiàn)線彈性性質；而當應變較大時，非線性特性表現(xiàn)出更為明顯。在進行有限元模擬分析時，需要選擇適當?shù)挠嬎丬浖硗瓿稍撊蝿?，本課題研究采用ANSYS軟件對該復合結構的本構關系進行了分析。 圖32罩面混凝土應力應變非線性關系 圖33舊道面混凝土應力應變非線性關系 反預應力作用理論預應力通常是指可以提高結構承載能力，在結構承受荷載之前而施加的內部應力。罩面層所遭受的張拉應力成為危害其結構本身，以及與舊道面之間粘結能力的不良因素。 力學模型的建立根據國內某機場場道破損的特征統(tǒng)計，道面的主要破壞形式表現(xiàn)為飛機荷載及其他外力作用下的表面裂紋、裂縫、坑槽等，其破損影響深度不大、道面整體結構尚處于較完整狀態(tài)，殘余承載力較高，滿足UTW翻新設計的適應性條件，可以依照這些數(shù)據建立其力學結構計算模型，以便分析其對應的應力應變條件方程。其中，罩面板的平衡微分方程表達式為： （）式中：分別為罩面剪切模量、厚度、柏松比；為飛機在罩面上的荷載；為舊道面對罩面的反作用力。而實際上，由于罩面、舊道面本身材料性能的不同以及施工處理技術上的不足等，都會使得界面處成為復合結構的最薄弱位置，因而其強度和剛度均低于上下道面材料，這就造成界面處荷載傳遞的不連續(xù)，荷載傳遞能力降低，上部荷載不能有效地傳遞給下部舊道面，而使得罩面層承受了更多的外部作用。（3）在上述假設條件下，得到的理論計算公式僅能表征復合罩面的受力作用原理，但卻不能準確反映實際的工作狀態(tài)和應力應變響應；同時，上述方程式求解起來是很困難的，并且求解過程中會涉及到許多參數(shù)的確定問題，使得問題求解過程中可能出現(xiàn)不收斂的情況。結果表明，超薄水泥混凝土罩面結構能有效地適應飛機荷載等作用，能有效地利用下層舊道面的剩余承載力以共同協(xié)調變形；而影響其協(xié)調變形能力的關鍵因素則為上下層間的粘結狀態(tài)。由于其提供了更快捷和低成本的方式評估設計的概念和細節(jié)，所以人們越來越多地應用有限元仿真的方法代替模型實驗甚至足尺試驗。 有限元分析的基本原理有限元法是將連續(xù)體離散化的一種近似方法，其理論基礎是變分原理、連續(xù)體剖分與分片插值[27]。最后再在每個單元上使用節(jié)點廣義位移插值就可以求得各種欲求的物理量，如位移、應力、應變等。這樣，整個連續(xù)體結構的位移曲線就可以由這些廣義坐標和插值函數(shù)表示出來，再由變分原理直接法或伽遼金法就可以列出節(jié)點位移為廣義坐標的離散體結果的有限運動方程。有限元模型中，不同單元之間的連接點成為有限元的節(jié)點，不同單元通過節(jié)點連接。（5）形成總體結構有限元模型的運動方程 （）其中：為單元節(jié)點系位移向量。創(chuàng)建有限元模型在此階段，用戶可以定義分析類型、分析選項、荷載步數(shù)和荷載步選項