广东省高速公路现有交通流量大，封闭施工交通组织难度大，因此只能在通车条件下进行改扩建桥梁的拼接施工。然而，在采用现有混凝土材料进行不中断交通拼接时，桥梁结构振动易造成拼宽桥梁接缝内混凝土骨料下沉、离析，且在混凝土养护期内易使混凝土内部产生受力裂缝^[1-3]。虽然已开发了具有抗差异扰动性能的混凝土材料，简称“抗扰砼”^[4-7]，但在通车条件下的拼接施工是否会对抗扰砼内部产生影响还有待进一步研究。

目前，已有不少专家学者对混凝土受扰动后的材料性能开展了一定的研究^[7-10]。黄维蓉等^[11]通过室内模拟车桥耦合振动，并基于显微镜图像对混凝土凝结过程中孔隙结构变化进行了研究，结果表明：较大的振动对混凝土后期强度有所影响，易使混凝土结构产生裂隙和空洞，并直接降低混凝土强度。张长江等^[12]采用室内扰动并结合声发射试验对受早龄期扰动的混凝土进行了微观分析，结果表明：当受早龄期扰动的试件存在较少微裂纹时，混凝土试件破坏所需的能量越大。何欢等^[13]基于现场实测振动参数，采用电磁扰动台模拟桥梁扰动的方法对硫铝酸盐水泥混凝土进行了扰动，并采用电通量测试的方法分析了混凝土内部结构损伤情况，结果表明：扰动会增加混凝土内部有害孔隙的比例，并直接影响材料力学性能。然而，通过显微镜图像的方法仅能观测出试件某一断面的孔隙分布情况或试件整体受力情况，而声发射试验、电通量试验等仅能获取混凝土内部的孔隙比例，很难直观掌握其裂隙的空间分布情况。此外，这些研究大多基于室内模拟振动试验，与现场实际情况存在一定的偏差。因此，有必要基于现场试验段采用CT扫描等手段对抗扰砼在拼接养护期的微观损伤进行研究。

本研究基于X射线计算机断层成像(CT扫描)技术对通车条件下改扩建桥梁拼宽接缝(以下简称“拼接带”)内抗扰混凝土展开研究。基于有限元仿真模拟分析了拼接带的受力特点，确定了典型芯样的合理取芯位置。在通车条件下完成了改扩建桥梁试验段的拼宽连接，并获取了典型位置处的抗扰混凝土芯样，更符合工程实际。选择了外观较差的芯样进行CT断层扫描，并基于CT扫描结果三维重构了芯样内部结构，实现了对拼接养护期的抗扰砼微观损伤分析。

本研究依托茂湛高速公路改扩建工程，其拼宽桥梁采用上部结构连接、下部结构不连接的形式，拼宽旧桥(以下简称“旧桥”)为8主梁空心板梁桥，单梁宽为1.59 m，高为0.95 m，采用C40混凝土。拼宽新桥(以下简称“新桥”)由6片空心板组成，单梁宽为1.24 m，高为0.95 m，采用C50混凝土。拼接前，切除旧桥拼接位置处边板悬臂并植入连接钢筋，将其与新桥拼接位置处边板预留钢筋连接形成拼接带钢筋骨架，浇注新桥、旧桥上部分区域整体化层后，在拼接带对应区域内浇注补偿收缩钢纤维混凝土(见图 1)。

图 1 桥梁结构(单位：cm) Fig. 1 Bridge structure(unit: cm)

图选项

所采用的补偿收缩纤维混凝土为具有抗差异扰动性能的新型抗扰砼材料，其主要原材料包含新型定制P·Ⅱ 52.5硅酸盐水泥、细度模数为2.4的天然河砂(Ⅱ区中砂)、粒径为5~20 mm的天然碎石、聚羧酸类减水剂、长度为25~35 mm的端钩形钢纤维(直径为0.5 mm)。抗扰砼设计强度等级为C50，水胶比为0.31，坍落度为190 mm。

通车条件下拼接带两侧新旧桥梁存在差异变形，拼接带不同区域受车辆荷载作用后实际损伤状况有所不同。为获取抗扰砼拼接带内最不利受力区域，建立拼宽桥梁有限元模型，为拼接带钻芯取样区域选取提供理论依据。

(1) 有限元模型

以20 m跨径空心板简支梁桥为例，根据拼宽桥梁结构尺寸建立ANSYS有限元模型(见图 2)。

图 2 有限元分析模型 Fig. 2 Finite element analysis model

图选项

采用Solid45单元，网格尺寸为0.1 m。新桥、整体化层及拼接带的混凝土强度等级为C50。旧桥混凝土强度等级为C40，弹性模量分别为3.45×10⁴ MPa和3.25×10⁴ MPa，泊松比为0.167。

由于拼接带截面尺寸相对较小，养护期内拼接带受混凝土水化热的影响较小，本模拟中暂不考虑其影响^[14]。此外，考虑到旧桥铰缝在长期使用过程中存在性能退化的可能，采用折减弹性模量的方式模拟旧桥铰缝损伤^[15]，损伤程度取为50%。

由于施工过程中采用了界面凿毛等措施，模型中认为拼接带与拼宽新桥边板、拼宽旧桥边板及整体化层之间的黏结可靠，其界面边界条件采用共节点的方式模拟，不考虑界面间黏结-滑移效应。

(2) 荷载工况

对不同工况下车辆荷载分布工况进行分析(见表 1)，由于背景工程中多为中小跨径桥梁，为进一步保障旧桥在改扩建工程中的安全性，部分旧桥未设置紧急停车带(GK1)，并考虑旧桥上实际车道分布情况(GK2)。此外，根据《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2015)^[16]规定的车辆荷载布置形式，考虑通车条件下旧桥上最不利中载工况(GK3)及偏载工况(GK4)。

表 1 工况分析(单位：cm) Tab. 1 Analysis on working conditions (unit: cm)

工况	模拟工况	车辆数/辆	荷载布置形式(P表示车轮所在位置)
GK1	二车道实际布置情况	2
GK2	三车道实际布置情况 (含紧急停车带)	3
GK3	旧桥最不利中载情况	3
GK4	旧桥最不利偏载情况	3

表选项

根据JTG D60—2015规范中对承载能力极限状态计算要求，采用基本组合进行分析计算，结构重要性系数取为1.1，车辆荷载分项系数取为1.8，并考虑车辆荷载局部加载的冲击系数为1.3。

不同工况下拼宽桥梁拼接带拉/压应力分布见图 3。由计算结果可知，拼接带内受力主要以顶部受压、底部受拉为主，且支点位置附近出现偏压趋势。实际布载工况GK1和GK2下，拼接带内横桥向的拉/压应力相对较小，其横向应力分别在-0.9~1.6 MPa和-1.2~1.9 MPa范围内。而在最不利工况GK3和GK4下，拼接带的横向应力分别在-1.3~1.8 MPa和-1.6~2.5 MPa范围内。根据有限元仿真结果可知，拼接带内抗扰砼材料强度仍在《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG 3362—2018)^[17]规定的标准强度范围内，且在添加钢纤维的情况下其抗拉性能更佳优异，可基本满足拼接带的受力需求。

图 3 拼接带横桥向拉/压应力分布情况切片(单位：×106 N/m2) Fig. 3 Slices of transverse tensile and compressive stress distribution in splicing zone (unit: ×106 N/m2)

图选项

根据有限元仿真结果拟定钻芯取样区域，支点位置附近拼接带与整体化层交界面以受拉为主，存在与整体化层发生界面剥离的可能性，而在拼接带中心线沿桥跨近四分点位置处，其顶部区域处于拉压交替状态，受力较为复杂。此外，跨中截面与拼接带中心线及交界面的相交位置处受力相对均匀，该位置处的芯样可用于对比分析，故选取这些位置进行钻芯取样。

为研究通车条件下拼接带内抗扰砼在养护期间的损伤情况，在保湿养护40 d后，采用钻芯取样的方式沿桥梁纵向分别获取拼接带中心、拼接带与整体化层交界面典型位置的抗扰砼芯样(见表 2)。对各芯样的外观进行分析：

表 2 芯样分类 Tab. 2 Classification of core samples

编号	桥梁横向位置	取样位置示意	桥梁纵向位置	芯样有效尺寸/cm	是否CT扫描
KZ-1	拼接带中心线		跨中截面	ϕ10×12	否
SFD-1			四分点截面	ϕ10×13	是
X-1-KZ	拼接带交界面		跨中截面	ϕ10×10	是
F-4-ZD			支点截面	ϕ10×9	否

表选项

(1) KZ-1芯样和SFD-1芯样

拼接带中心线处芯样KZ-1和SFD-1外观特性大致相近，均表现为芯样顶面、侧面未见明显裂缝，钢筋与抗扰砼界面未见脱空现象，抗扰砼骨料分布均匀。芯样表面骨料位置处存在一定数量气泡，且气泡大小呈现由芯样底部至芯样顶部逐渐增大的趋势。芯样中抗扰砼中纤维方向错杂、分布较为均匀，未出现纤维成团现象。

(2) X-1-KZ芯样

芯样侧面在抗扰砼交界面位置存在较为明显分界线，但未见明显裂缝, 仅在芯样顶部存在沿交界面的微裂缝，沿芯样纵向可观测到裂缝深度约为15 mm，但裂缝宽度较小。芯样抗扰砼侧未出现明显裂缝，钢筋与抗扰砼界面也未出现明脱空现象。芯样抗扰砼表面存在一定数量的气泡，且气泡沿芯样底部至顶部逐渐增大。芯样交界面位置处存在一定数量气泡，且气泡相对较大。芯样抗扰砼中纤维方向错杂、分布较为均匀，未见明显成团现象。

(3) F-4-ZD芯样

芯样在抗扰砼交界面位置处存在较为明显分界线，但未出现明显裂缝, 且芯样抗扰砼侧未出现明显裂缝，钢筋与抗扰砼界面也未出现明脱空现象。芯样抗扰砼部分的骨料分布较为均匀，但存在一定大粒径骨料下沉的现象。芯样抗扰砼表面存在一定数量的气泡，气泡多位于下沉的大粒径骨料位置附近，且气泡较大。芯样交界面位置处较为致密，未出现明显气泡。芯样抗扰砼中纤维方向错杂、分布较为均匀，未出现纤维成团现象。

采用CT扫描技术对外观质量略微较差的芯样进行分层扫描，不同高度位置处的芯样截面CT图像见图 4和图 5，图中D表示断层位置距芯样顶部的距离。为保持芯样在CT扫描过程中的稳定性，将相对平整光滑的芯样顶部倒扣在扫描平台上，由芯样顶部扫描至芯样底部，见图 4(a)和图 5(a)。

图 4 SFD-1芯样的断层扫描(单位：mm) Fig. 4 Tomography of core sample SFD-1(unit: mm)

图选项

图 5 X-1-KZ芯样的断层扫描(单位：mm) Fig. 5 Tomography of core sample X-1-KZ(unit: mm)

图选项

由图 4可见，因抗扰砼内骨料密度较大, 故其所在区域较为明亮，而钢纤维所在区域呈明亮点状或明亮细线状，而气泡孔位置则呈现出黑色斑点状。芯样顶部一定范围内存在较多细小气泡孔，而芯样底部气泡数量较少但体积相对较大。芯样顶部纤维多呈水平线状，而底部纤维多呈竖向点状，可认为抗扰砼内钢纤维在行车扰动后有成竖向排列分布的趋势。钢筋位置两侧抗扰砼未出现明显空隙，可认为抗扰砼具有抵抗行车扰动的性能。

由图 5可见，整体化层混凝土与抗扰砼交界面的间隙较为明显，间隙宽度均在0.2 mm以内，且由芯样顶部至底部呈现间隙宽度增大的趋势。芯样顶部断面的钢纤维呈点状且数量较少，芯样底部断面的钢纤维多呈线状且较为密集，钢纤维在拼接带顶部多呈竖向分布、在底部多呈竖向或斜向分布。与拼接带中心线位置处芯样相似，交界面位置处芯样也表现为抗扰砼内芯样底部钢纤维数量相对较多。可认为交界面位置处抗扰砼内的钢纤维在行车扰动后也会有成竖向排列分布的趋势，但由于靠近交界面，受扰动程度相对较小，钢纤维方向改变的比例也相对较小。

对抗扰砼芯样的X-CT扫描断层图像进行三维微观结构的重建^[18-19]，获取芯样内部孔隙、气泡、钢纤维/钢筋的分布情况。

(1) 内部孔隙、气泡

由SFD-1芯样扫描结果可知，芯样内部孔隙大多为体积2 mm³以下的微小气泡，芯样底部存在的8 mm³以上的气泡数量较多，而在芯样顶部相对偏少，与芯样断层扫描结果一致。

由X-1-KZ芯样扫描结果可知，拼接带交界面位置处抗扰砼存在较多数量的8 mm³以上的气泡孔，且多位于芯样顶部，可认为该位置处抗扰砼密实度不佳。

对比拼接带中心线、拼接带交界面芯样可知：在行车振动扰动下，拼接带中心位置处行车扰动程度更为剧烈，有助于拼接带中心位置处抗扰砼顶部内气泡的溢出。交界面位置处抗扰砼内部受扰程度相对减缓，体积较大的气泡仍有残余。因此，可以认为行车扰动有助于提高抗扰砼的致密性。

(2) 钢纤维分布情况

由SFD-1芯样扫描结果可知，芯样顶部钢纤维多呈现水平分布(约81°~90°)，而芯样底部钢纤维多呈现斜向分布(约27°~54°)，甚至少数钢纤维呈现完全竖向分布的特征。

由X-1-KZ芯样扫描结果可知，拼接带交界面位置处芯样内纤维多为斜向偏竖向分布(竖向夹角约为9°~45°)，且芯样顶部纤维较少，与该位置处气泡孔体积偏大相对应。

对比拼接带中心线、拼接带交界面芯样可知，行车振动扰动下，将使钢纤维出现取向趋势。拼接带中心位置处底部水平向的钢纤维数量明显偏少，在宏观力学中直接表现为拼接带抗扰砼沿桥梁横向的抗拉及抗折性能的降低^[20]。类似地，拼接带交界面位置处钢纤维存在下沉及取向的现象，但未出现明显成团现象，可认为行车扰动对该位置处的抗扰砼强度有不利影响。

(3) 界面间隙

由X-1-KZ芯样扫描结果可知，通过对芯样交界面位置处间隙三维重构效果可知，芯样顶部位置处的交界面间隙体积相对较小，而芯样底部的间隙体积相对较大。可认为抗扰砼与整体化层的交界面在距顶面50~100 mm范围内黏结性能较差，其余位置处交界面黏结性能较好。

本研究基于CT扫描技术对通车条件下的抗扰砼拼接带在养护期的微观损伤情况展开了研究。主要结论如下：

(1) 拼接带抗扰砼横向受力主要以顶部受压、底部受拉为主，而支点位置附近存在偏压趋势。在最不利工况下，拼接带的横向应力仍基本满足抗扰砼的材料强度要求。

(2) 拼接带中心线芯样内部未见明显裂纹，芯样顶部气泡总体积较小而底部气泡总体积相对较大，顶部纤维多水平分布而底部多斜向，但无明显下沉趋势。

(3) 拼接带交界面芯样中，抗扰砼部分气泡较多，内部钢纤维存在下沉现象，且多为斜向分布。芯样顶部交界面位置处存在一定的微裂隙，裂隙深度小于1 cm，但整体界面黏结性能仍较好。

(4) 通车条件下拼接带抗扰砼在养护期的微观损伤程度较低，建议采用抗扰砼进行新旧桥梁的不中断交通拼宽连接，以保障拼接带的长效性能。