【正文】 存在一個(gè)類似于整體澆筑混凝土中骨料與水泥石之間的界面過渡區(qū)。同時(shí)，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(jié)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(qiáng)度。 超薄水泥混凝土罩面舊混凝土層 過渡層“空穴”圖22 復(fù)合結(jié)構(gòu)模型示意圖（2）空穴理論[7]認(rèn)為由于振搗作用使得罩面混凝土中的骨料可能擠壓在界面處，使骨料與界面突出的石子、水泥石形成點(diǎn)接觸，骨料堆積在舊混凝土表面，阻塞了一部分舊混凝土表面的孔隙和凹凸不平的部分，使具有粘結(jié)性的水泥漿不能完全滲入到孔隙中去，形成空穴現(xiàn)象，如圖22中界面處空白部分即為“空穴”。（3）新舊混凝土界面處的骨料和硬化水泥石對(duì)罩面混凝土而言猶如是一個(gè)面，整個(gè)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(gè)“面”，并且這個(gè)“面”相對(duì)較平坦。這樣，由于界面結(jié)構(gòu)與新舊混凝土本身的結(jié)構(gòu)差異，就造成新舊混凝土之間的一個(gè)性質(zhì)特殊的過渡層—粘結(jié)界面層。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(duì)比較平坦不能使裂縫擴(kuò)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(huì)由于應(yīng)力集中現(xiàn)象而導(dǎo)致裂縫迅速開展和傳播，新舊混凝土界面處的承載能力會(huì)被進(jìn)一步削弱，最后將導(dǎo)致界面首先被破壞。正確認(rèn)識(shí)與描述界面的主要特征及其形成的物理力學(xué)結(jié)構(gòu)機(jī)理，有助于我們針對(duì)擱置失效行為的主要成因，分析解決界面的粘結(jié)處理狀態(tài)中出現(xiàn)的一系列問題，以便盡可能消除該薄弱環(huán)節(jié)對(duì)復(fù)合結(jié)構(gòu)整體協(xié)調(diào)工作能力的不利影響。 新舊混凝土粘結(jié)狀態(tài)的力學(xué)機(jī)理分析新舊混凝土界面粘結(jié)質(zhì)量決定新舊混凝土能否形成統(tǒng)一的整體，保證混凝土結(jié)構(gòu)的整體性。對(duì)于新舊混凝土間粘結(jié)狀態(tài)的問題，人們?cè)谶@方面的理論研究正在不斷的深入、發(fā)展和完善。但比較完善的處理方法和粘結(jié)機(jī)理尚不清楚，尤其對(duì)于超薄層的粘結(jié)失效機(jī)理研究還很少。 新舊混凝土粘結(jié)的宏觀力學(xué)性能國(guó)內(nèi)外對(duì)新舊混凝土粘結(jié)的力學(xué)性能研究主要集中在以下幾個(gè)方面[7]：用立方體試件進(jìn)行粘結(jié)劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)和直接抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)；新舊混凝土粘結(jié)面的剪切強(qiáng)度試驗(yàn)，包括Z形試件的單剪、拉剪、壓剪和斜剪試驗(yàn)等；新舊混凝土粘結(jié)的抗折(彎)強(qiáng)度試驗(yàn)；新舊混凝土粘結(jié)的拉拔強(qiáng)度試驗(yàn)；新舊混凝土粘結(jié)的雙軸拉壓強(qiáng)度研究；新舊混凝土粘結(jié)斷裂性能研究；高溫下新舊混凝土的粘結(jié)性能研究；用超聲波無損檢測(cè)方法檢測(cè)評(píng)估粘結(jié)質(zhì)量以及數(shù)值計(jì)算方法的研究等?？偟脕碚f，壓剪作用下的粘結(jié)面剪切強(qiáng)度隨壓應(yīng)力的增大而提高。對(duì)于新舊混凝土粘結(jié)面的微觀層面上的研究，通常主要集中在微觀結(jié)構(gòu)的分析和粘結(jié)模型的建立以及力學(xué)作用機(jī)理的分析上。相對(duì)于新澆筑的罩面混凝土，在某種角度上可以把老混凝土看作具有粗糙表面且多孔的大骨料，其上露出的集料和己硬化的水泥石都可看作骨料的表面部分，這樣，新老混凝土的界面在一定程度上就與骨料和水泥石的接觸界面比較相似，通常認(rèn)為[13]界面粘結(jié)是以機(jī)械作用為主，漿體與細(xì)顆粒之間，以及水泥石中的晶體之間起作用的主要是范德華力，化學(xué)作用力存在的幾率較小。從宏觀的角度看，界面處的機(jī)械咬合力主要取決于舊混凝土表面的粗糙度。范德華力包括靜電力、誘導(dǎo)力和色散力；有研究資料表明，對(duì)混凝土而言起作用的主要是靜電力和色散力，占范德華力的80%以上；而在新老混凝土的界面上，因分子作用而引起的粘結(jié)力通常比較弱。表面張力主要是指由溫度和濕度變化等外界自然條件引起的罩面混凝土內(nèi)部、界面以及表面上的自收縮張拉等。從微觀角度來看，該作用力對(duì)界面的早期粘結(jié)強(qiáng)度影響較大。若舊混凝土表面潔凈密實(shí)、微裂縫很少、輕度粗糙，且沒有被風(fēng)化后疏松的外皮，則一般能得到較好的粘結(jié)強(qiáng)度。而對(duì)于此結(jié)論的研究主要集中在舊道面表面粗糙度的評(píng)價(jià)方面，而粗糙度的定量評(píng)估是一個(gè)非常重要的因素，但各種處理方法中還沒有明確定義粗糙度的方法。為此，工程中進(jìn)行罩面鋪筑前需要對(duì)舊道面的表面進(jìn)行相應(yīng)的處理。有研究認(rèn)為，無論采取何種粘結(jié)措施，都要對(duì)舊道面表面進(jìn)行一定的預(yù)處理，基本做法如下[17]：首先，需要銑刨除去舊道面上層的破損表層，且要求銑刨后的舊道面保持在10cm厚度以上，以保證舊道面有足夠的剩余承載力；其次，要在舊道面表面進(jìn)行刻槽或刷毛處理以增強(qiáng)上下層混凝土間界面的機(jī)械咬合作用，提高其粘結(jié)強(qiáng)度；再次，清理表面的碎屑等雜物，減少對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度的削弱作用；最后，罩面前要對(duì)舊道面表面灑水養(yǎng)護(hù)，使之保持潮濕但表面并無明顯積水的狀態(tài)以增強(qiáng)罩面混凝土與舊道面混凝土間的粘結(jié)程度。 罩面材料性能對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度的影響為保證混凝土結(jié)構(gòu)在罩面后具有足夠的耐久性，需要選擇適當(dāng)?shù)恼置嬗貌牧希ǔＰ枰捎门c原結(jié)構(gòu)中物理化學(xué)性質(zhì)相同的混凝土或砂漿，其水泥和骨料的品種則力求與原有混凝土所用原材料基本接近；當(dāng)舊道面的表面破損是因化學(xué)侵蝕而損壞，則需要改用其它品種的水泥或保護(hù)涂層，以便形成保護(hù)性環(huán)境，但其物理力學(xué)性能應(yīng)與舊道面材料基本相同。因此，需要根據(jù)不同情況，選擇合適的罩面材料。此外[18]，還要求其熱膨脹系數(shù)以及彈性模量等與原混凝土材料相接近，而且新混凝土的耐久性要高，且其強(qiáng)度至少要比舊混凝土高一個(gè)強(qiáng)度等級(jí)。其具體表現(xiàn)就是，開始時(shí)新舊混凝土之間有較好的粘結(jié)性，但由于新澆筑混凝土的后期收縮與舊混凝土不一致，而導(dǎo)致在新舊混凝土粘結(jié)面上產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力，該應(yīng)力足以能使原有的粘結(jié)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，為此所選罩面材料的物理收縮性應(yīng)盡可能小。本研究中進(jìn)行水泥膠砂強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)時(shí)，砂漿中加入短碳纖維后試件的粘結(jié)抗剪強(qiáng)度增大，其增強(qiáng)原理是加入碳纖維后使新混凝土的干縮降低，%、%。目前，一種新型的混凝土（預(yù)鋪骨料混凝土）正引起大家的廣泛關(guān)注。該混凝土是直接將粗骨料置于模板中。故粗骨料都緊密接觸在一起。因此，在荷載作用下或溫度變化時(shí)，新舊混凝土能協(xié)同工作，這種協(xié)同工作加上預(yù)鋪骨料混凝土的低收縮性質(zhì)，可使新舊混凝土粘結(jié)面處的應(yīng)力很??；（2）現(xiàn)場(chǎng)施工中，大體積預(yù)鋪骨料混凝土澆筑不存在由于澆筑延遲而留施工縫的問題。整體澆筑避免了普通混凝土施工工藝中的施工縫等薄弱環(huán)節(jié)；（3）施工方便，只需攪拌砂漿，且砂漿極易運(yùn)輸和澆筑。 界面處理方式對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度的影響根據(jù)目前相關(guān)研究的結(jié)果表明[11]，新舊混凝土粘結(jié)面的處理方法主要分為物理方法和化學(xué)方法兩類，而物理方法又分為噴射處理和機(jī)械處理兩種。具體處理方法如圖23所示。這樣，界面處的新混凝土中就會(huì)出現(xiàn)空隙，這種情況會(huì)嚴(yán)重影響新舊混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度。圖23新舊混凝土粘結(jié)面的處理方法基于以往研究的結(jié)果，人們已經(jīng)開發(fā)出了各種類型的界面粘結(jié)劑，由于不同界面劑分別具有不同的增強(qiáng)機(jī)理和性能特點(diǎn)，為道面罩面結(jié)構(gòu)的界面處理也提供了較寬的可供選擇的范圍[22]?？紤]UTW罩面在剛性機(jī)場(chǎng)道面上的特殊使用條件與性能要求，本課題實(shí)驗(yàn)研究中室內(nèi)小試件實(shí)驗(yàn)用界面的處理采用的是增韌性界面劑，該界面粘結(jié)劑是固化劑（W751）與水性環(huán)氧樹脂配合比例為1:4的混合物，其處理方式對(duì)界面粘結(jié)程度的影響，以及對(duì)結(jié)構(gòu)整體的物理力學(xué)性能的影響分析見第四章。首先，對(duì)該復(fù)合結(jié)構(gòu)的整體體系的結(jié)構(gòu)與性能特點(diǎn)進(jìn)行了綜合性描述，闡明了該結(jié)構(gòu)體系的主要工作性能，以及影響該體系性能的主要因素和指標(biāo)；其次，針對(duì)影響整體協(xié)同工作性能的關(guān)鍵因素界面進(jìn)行進(jìn)一步的探討和研究。其中，又包括了舊道面可粘結(jié)性能的分析、罩面材料性能以及不同的界面處理方式對(duì)粘結(jié)程度的影響，針對(duì)后兩部分內(nèi)容，進(jìn)行了一系列室內(nèi)試驗(yàn)驗(yàn)證。第三章 UTW復(fù)合結(jié)構(gòu)力學(xué)模型分析 相關(guān)基本理論概述與普通的水泥混凝土道面結(jié)構(gòu)不同，對(duì)舊道面進(jìn)行罩面層處理后的復(fù)合結(jié)構(gòu)屬于雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)體系，從基本物理力學(xué)的理論原理來看，該復(fù)合結(jié)構(gòu)與通常的整體結(jié)構(gòu)在物理力學(xué)性能等方面可能表現(xiàn)出很大的差別；特別是超薄罩面后的復(fù)合結(jié)構(gòu)使得新澆筑超薄層成為附著在舊道面上的加強(qiáng)層，該結(jié)構(gòu)體系又與普通復(fù)合結(jié)構(gòu)具有較大的差別。 層狀體系基本理論對(duì)于宏觀結(jié)構(gòu)上的道面結(jié)構(gòu)體系來說，罩面復(fù)合結(jié)構(gòu)也是由土基、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)層、道面層等構(gòu)成的多層體系；在研究這種宏觀的道面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法時(shí)，通常采用層狀體系理論的力學(xué)模型，而且認(rèn)為采用該理論要比采用彈性半空間理論更能反映道面的實(shí)際工作情況。文獻(xiàn)（《帶柔性?shī)A層的雙層彈性板模型與實(shí)驗(yàn)研究—科研課題報(bào)告 》 1996）提出了將上下板考慮成中厚板，采用Reissner中厚板理論，同時(shí)考慮隔離層影響的設(shè)計(jì)理論。其中，姚炳卿[23]等人在他人研究的基礎(chǔ)上給出了經(jīng)典的層間光滑接觸有夾層的雙層剛性道面板的完整的有限元分析方法。因此，上述假定與超薄罩面結(jié)構(gòu)的界面粘結(jié)特征差別太大，利用該薄板有限元理論的方法難以正確描述該復(fù)合結(jié)構(gòu)的性能。本課題研究對(duì)超薄層混凝土罩面層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行了如下基本假設(shè)：（1）各層都是由均質(zhì)、各向同性的彈性材料組成；（2）假定下層的舊道面結(jié)構(gòu)在水平方向和向下深度方向均為無限，其上各層厚度均為有限，但水平方向仍為無限；（3）上層表面作用軸對(duì)稱圓形均布垂直荷載，同時(shí)在下層無限深度處及水平無限遠(yuǎn)處應(yīng)力和應(yīng)變都是零；（4）層間接觸面假定完全連續(xù)。變形連續(xù)方程又稱相容條件，它是由B. DesaintVenant于1864年提出的理論模型, 該模型的變形必須滿足變形連續(xù)方程才能保證位移分量的存在，否則由幾何方程求出的位移分量將相互不相容，這表示形變以后的物體將發(fā)生相互脫離或侵入的情況。其中，按照Winker彈性地基梁的基本性狀和計(jì)算原理如下：圖31 彈性地基梁模型示意圖 （）式中，為地基機(jī)床系數(shù)，；—上部結(jié)構(gòu)彈性模量；—上部結(jié)構(gòu)界面慣性矩；—作用在結(jié)構(gòu)上的壓力。利用該模型有利于有限元建模參數(shù)的選擇和計(jì)算。因此，在層狀體系中僅用彈性模量來表示土的承載能力還不完善。本課題研究選擇采用增量迭代法解決，首先將總荷載分為若干級(jí)，并對(duì)每級(jí)荷載增量進(jìn)行若干級(jí)迭代，使其收斂于真實(shí)解。由于ANSYS軟件中提供了許多模擬混凝土復(fù)雜本構(gòu)關(guān)系的材料模型。通過適當(dāng)選取這些參數(shù)（見第五章有限元建模分析），可以獲得不同道面結(jié)構(gòu)中混凝土的非線性的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，如圖32和圖33所示。在一般混凝土結(jié)構(gòu)中，通過預(yù)加外力，可使受拉區(qū)預(yù)先產(chǎn)生壓應(yīng)力，以抵消或減小外荷載產(chǎn)生拉應(yīng)力，這樣就可利用混凝土的抗壓強(qiáng)度來彌補(bǔ)混凝土的抗拉強(qiáng)度不足的缺陷，達(dá)到防止受拉區(qū)混凝土過早開裂的要求，從而可提高截面抗彎剛度和減小裂縫寬度，甚至可以做到在使用荷載下不出現(xiàn)裂縫。在進(jìn)行罩面澆筑后，由于上層罩面混凝土的在溫度、濕度變化等作用下的自收縮，使得罩面層與舊道面結(jié)合的界面處會(huì)形成一定的變形不均勻情況而產(chǎn)生應(yīng)力重新分布問題，這也容易導(dǎo)致在罩面層內(nèi)部形成張緊應(yīng)力的同時(shí)，舊道面表層必然承受對(duì)應(yīng)的收縮壓應(yīng)力作用。在施工工藝良好的情況下，盡管所形成的這種張緊應(yīng)力可能在數(shù)值上并不很高，但相對(duì)于混凝土早期的承受能力，特別是界面的粘結(jié)能力來說已經(jīng)足夠大。 力學(xué)結(jié)構(gòu)模型特征分析 鑒于超薄水泥混凝土罩面技術(shù)理論和技術(shù)應(yīng)用研究尚不成熟的情況，本課題研究中在已有的相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，需要結(jié)合典型機(jī)場(chǎng)的道面實(shí)際狀況進(jìn)行實(shí)例分析；在課題研究過程中，在實(shí)地調(diào)研和理論分析的基礎(chǔ)上，收集了國(guó)內(nèi)某機(jī)場(chǎng)的場(chǎng)道設(shè)計(jì)和使用參數(shù)等，對(duì)其道面翻新所需的各項(xiàng)參數(shù)，以便建立其力學(xué)結(jié)構(gòu)分析模型，并進(jìn)一步對(duì)其進(jìn)行有限元模型分析，以便獲得該復(fù)合結(jié)構(gòu)的受力和變形響應(yīng)效應(yīng)分析結(jié)果，為該技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用和理論分析提供參考。在研究分析過程中，將剛性罩面及舊道面視為線彈性材料，基層、墊層和土基視為彈塑性材料，考慮作用于彈性地基上的罩面復(fù)合道面結(jié)構(gòu)，施加給定邊界條件，建立了飛機(jī)荷載罩面舊道面基層的復(fù)合結(jié)構(gòu)模型，如圖34所示。按照彈性力學(xué)，可以得到板的內(nèi)力與三個(gè)廣義位移之間的關(guān)系，再將其帶入到板的動(dòng)力平衡方程式中，得到以三個(gè)廣義位移表示的基本方程式。其底部舊道面的平衡微分方程表達(dá)式為： （）式中：分別為舊道面剪切模量、厚度、柏松比；為罩面對(duì)舊道面的反作用力；為舊道面的地基反力，且有： （）為舊道面下彈性地基模型中的獨(dú)立彈性常數(shù)。上部荷載能完全按照力的傳遞規(guī)律傳遞到下部舊道面，舊道面的剩余承載力能得到充分發(fā)揮，能夠最大程度地利用舊道面的作用，而使得罩面承受的荷載相對(duì)減小。故上式中罩面與底部舊道面間以及舊道面與底基層間的相互作用力計(jì)算時(shí)，應(yīng)考慮一定的折減系數(shù)，但具體怎樣考慮更為合適，則需要進(jìn)一步地研究和探索。實(shí)際情況是，無論罩面還是舊道面均為非均質(zhì)的混凝土結(jié)構(gòu)，屬于彈塑性材料，這里為了計(jì)算表示方便，故假設(shè)成彈性材料。因此，為獲得較為精確可靠的結(jié)果，需要研究復(fù)合結(jié)構(gòu)的有限元建模，將復(fù)雜的計(jì)算問題交給計(jì)算機(jī)處理；并借助軟件分析的結(jié)果，力求做到更為直觀、準(zhǔn)確地表征罩面和舊道面間的協(xié)同工作變形情況，為UTW罩面設(shè)計(jì)計(jì)算和實(shí)際應(yīng)用提供理論數(shù)據(jù)支撐。分別對(duì)罩面底層表面、舊道面底層表面以及基層底表面的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行分析，并與實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的UTW相關(guān)試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。 有限元模型簡(jiǎn)介近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和應(yīng)用，各種行之有效的數(shù)值計(jì)算方法得到了巨大的發(fā)展。隨著有限元理論基礎(chǔ)的日益完善，出現(xiàn)了很多通用和專用的有限元計(jì)算軟件。ANSYS程序即是在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種商業(yè)套裝工程分析軟件。ANSYS在工程上的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)廣泛，在機(jī)械、電機(jī)、土木、點(diǎn)子及航空等領(lǐng)域的使用，都能達(dá)到某種程度的可信度，頗獲各界好評(píng)，已成為現(xiàn)代工程學(xué)必不可少的有力工具[26]。即首先找到欲求解的數(shù)學(xué)物理問題，用變分表示，寫出其總能量表達(dá)式，然后將問題的求解區(qū)域剖分成有限小單元體，按照一定的方式聯(lián)系在一起，構(gòu)成單元的組合體。在每個(gè)單元體上選擇有限的節(jié)點(diǎn)，并在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上選定有限待求的廣義節(jié)點(diǎn)位移，然后在每個(gè)單元上以選定的全部節(jié)點(diǎn)上的節(jié)點(diǎn)廣義位移為參數(shù)近似地插值整個(gè)單元上的連續(xù)位移，進(jìn)而將插值位移帶入能量表達(dá)式，運(yùn)用變分原理即可得到以廣義節(jié)點(diǎn)位移為未知量的離散化的有限元方程，求解該方程得到每個(gè)節(jié)點(diǎn)上的廣義節(jié)點(diǎn)位移。只要單元形態(tài)選擇恰當(dāng)，隨著單元數(shù)目的增多，近似解最后將趨近于精確解。然后