（市政工程专业论文）沥青混凝土桥面铺装试验研究及计算分析.pdf

大连理j ：大学硕士学位论文 摘要 本文系统地论述了桥面铺装作为桥梁结构的一个重要的组成部分，其基本概念、特 性及其在国内外使用发展的状况，同时结合近几年桥面铺装中出现的问题对桥面铺装的 受力特点作了详细的分析和研究。 水泥混凝土桥面沥青混凝土铺装层内的应变由于种种条件的限制往往很难通过试 验的方法准确的测量出来。本文使用电阻应变计测量水泥混凝上桥面沥青混凝土铺装层 在正常工作状态下其内部的应变分布状况：首先选择了c 3 0 + a c 1 3 i 和a c 2 0 i + a c 一1 3 i 两种试件类型，分别对a c 1 3 i 和a c 2 0 i 两种类型的沥青混合料进行了配合比设计，并 通过蠕变试验求得这两种级配的模量，然后通过使用电阻应变计测应变的方法测试出了 两种类型的试件分别在静载和动载作用下其内部应变分布的情况，并用蠕变试验得到的 模量计算得出其应力分布情况。通过对实验数据的分析，总结出了一系列结论，并为今 后对水泥混凝土桥面沥青混凝土铺装层内应力应变的进一步研究提出建议。 本文还对铺装层试验进行了a n s y s 数值模拟，求得水平荷载、超载和粘结层模量 对铺装层的影响，并通过理论计算求得沥青混凝土铺装层的厚度取值范围。 关键词：桥面铺装；电阻应变计；蠕变试验；数值模拟 e x p e r i m e n t a ls t u d ya n dc a l c u l a t i o na n a l y s i so na s p h a l tp a v e m e n to f c o n c r e t eb r i d g ed e c k a sa l li m p o r t a n tp a r to fb r i d g es t r u c t u r e ，t h eb a s i cc o n c e p tc h a r a c t e r i s t i ca n dt h e d e v e l o p m e n to fu s a g eo fd e c kp a v e m e n ti nd o m e s t i ca n df o r e i g nc o u n t r yh a v eb e e n e l a b o r a t e di nt h i st h e s i s i n t e g r a t e dw i t ht h ep r o b l e m sw h i c hh a v ee n c o u n t e r e di nt h ed e c k p a v e m e n ti nr e c e n ty e a r s ，i t ss t r e s sc h a r a c t e r i s t i c sa l ed i s c u s s e di nd e t a i l t h ei n n e rs t r a i no fc e m e n tc o n c r e t ed e c ka n da s p h a l tc o n c r e t ep a v e m e n ti sv e r yd i f f i c u l t t om e a s u r et h r o u g he x p e r i m e n tb e c a u s eo fs e v e r a lr e s t r i c t s i nt h i st h e s i st h ei n n e rs t r a i n d i s t r i b u t i o no fa s p h a l tp a v e m e n ti sm e a s u r e du n d e rn o r m a lo p e r a t i n gc o n d i t i o n sw i t ht h e m e t h o do fr e s i s t a n c es t r a i ng a u g e f i r s to fa l l ，t w ot y p e so fs p e c i m e nc 3 0 + a c 一1 3 1a n d a c - 2 0 1 + a c 1 3 1a r ec h o s e n ，a n dg r a d a t i o nd e s i g no fa c 1 3 1a n da c - 2 0 1i sc o n s t r u c t e d r e s p e c t i v e l y a n dt h e n , t h em o d u l u so ft h i st w og r a d a t i o na r ea t t a i n e dt h r o u g ht h ec r e e pt e s t , s e c o n d l y ，t h ei n n e rs t r a i n so ft w ot y p e so fs p e c i m e nu n d e rs t a t i c - l o a da n dd y n a m i c l o a da r e m e a s u r e db yu s eo fs t r a i ng a u g e ，a n dt h er e l e v a n ts t r e s si sc a l c u l a t e dt h r o u g hm o d u l u s b a s e d o nt h ea n a l y s i so ft e s td a t a , as e r i e so fc o n c l u s i o nh a v eb e e nd r a w n a tl a s t ，s u g g e s t i o n sa r e p u tf o r w a r df o rt h ef u r t h e rr e s e a r c ho ft h ei n n e rs t r a i na n d $ u e s so fc e m e n tc o n c r e t ed e c ka n d a s p h a l tc o n c r e t ep a v e m e n t s t u d yo fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n sf o rt h ee x p e r i m e n ti sa l s om a d ei nt h i st h e s i s ，c o n c l u d i n g h o wt h eh o r i z o n t a ll o a d i n g ，o v e r l o a da n dm o d u l u so ft a c kc o a ta f f e c tt h ep a v e m e n t a n d a c c o r d i n g t ot h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n , t h ev a l u er a n g eo fp a v e m e n tt h i c k n e s si sa t t a i n e d k e yw o r d s ：d e c kp a v e m e n t ；r e s i s t a n c es t r a i ng a u g e ；c r e e pt e s t ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：避嗍坦旦垡 人连理j ：人学硕七研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名： 导师签名： 大连理t 大学硕士学位论文 1 绪论 1 1问题的提出 伴随着我国交通事业的蓬勃发展，公路桥梁的数量也日益增加，逐渐完善的公路网 在地区经济发展过程中发挥了重要的作用。但足，繁重的交通量也使得许多交通设施出 现了程度不同的早期破坏。近年来，桥梁结构不断创新，桥跨也越来越大，但桥面铺装 的设计与施工仍沿用传统的习惯做法【l 】。随着重载、大交通的到来，桥面铺装出现一些 较为普遍的病害。1 9 9 8 年，广东省公路勘察规划设计院等单位，对佛山大桥、江湾立交 桥等5 座桥梁进行了桥面铺装层裂缝分析，得出如下的结论：当桥面承受静、活荷载时， 铺装层与桥面构件共同受力，当桥面构件产生裂缝时，首先反映到铺装层上，随着桥面 构件裂缝的发展与增大，铺装层裂缝愈来愈大。桥面铺装层直接承受车辆垂直荷载与水 平冲击、剪切，随着裂缝的发展，最后导致破坏并渐渐脱落，形成坑槽，影响行车安全。 因此如何改进桥面铺装的设计和施工，是工程界必须认真对待的课题。本文将针对桥面 铺装层的受力特点、桥面板和桥面铺装层内部应力应变分布规律等方面进行分析研究， 以期找出适合桥梁设计规范要求的荷载作用下的铺装层的结构形式、合理厚度及其计算 方法，为桥面铺装的设计和施工提供指导。 1 2 国内外的发展现状 钢筋混凝土桥桥面铺装层的形式有沥青混凝土、普通水泥混凝土、钢纤维混凝土连 续配筋混凝土等，国外结合各自国家和地区的具体情况，在混凝土桥桥面铺装方面选用 的结构类型不尽相同： 日本道路协会编的水泥混凝土桥面设计施工纲要规定钢筋混凝土桥采用如下铺 装形式【2 】： ( 1 ) 沥青层+ 板状防水材料+ 沥青橡胶粘结剂+ 混凝土 ( 2 ) 沥青层+ 三层氯丁橡胶型防水材料+ 氯丁橡胶粘结剂+ 混凝土 ( 3 ) 沥青层+ 乳化沥青( 粘结) + 沥青层( 防水) + 沥青橡胶粘结剂 法国的桥面铺装形式为：磨耗层采用沥青混凝土，在极特殊的情况下含有聚酯类或 纤维，厚度为5 l o e m ，中层采用摊铺沥青混凝土，厚度为2 2 c m ，防水层采用地沥青胶 砂。 英国的桥面铺装形式为：磨耗层采用热拌地沥青3 e r n 或热拌地沥青l o e m ( 双层) 或 水泥混凝土1 5 c l n ，中层采用地沥青砂保护，防水层为预制层。 印度使用平均7 5 m m 厚的钢筋混凝土( 钢筋网格2 0 0 x 2 0 0 m m 2 ) 磨耗层，水泥用量 沥青混凝| 十桥面铺装试验研究及计算分析 ；y - , j 3 5 0 k g m 3 ，最大水灰比为0 4 。磨耗层和路缘石之白j 的垂直接缝填以沥青。其使用寿命 可达4 1 0 年。平均8 c m 厚的沥青混凝土磨耗层分两层铺设，使用寿命可达5 - 一6 年( 更换 成本为8 美元m 2 ) 【3 1 。 钢纤维混凝土( s f r c ) 是近2 0 年来迅速发展起来的- 9 0 新型复合材料，具有优良 的抗裂性、抗弯曲特性、耐冲击性、耐疲劳性等特点，因而特别适用于公路路面、桥面、 机场路道等工程中。s f r c 应用于桥面铺装层，一般有两种：一种为部分粘结式的s f r c 铺装层；另一种为s f r c 增强钢筋网或钢丝网混凝土铺装层，刃i 称为复合式s f r c 铺装层。 美国1 9 8 5 年在3 2 2 号高速公路做过对比试验，旧路外侧车道铺3 伽的普通混凝土面层，内 侧加铺同厚度同标号的纤维网混凝土面层，六年后检查，普通混凝土路面明显断裂并损 坏严重，含有纤维网的混凝土路面却仍然良好。墨西哥从1 9 8 9 年起规定重要公路全部采 用纤维网混凝土，厚度为1 2 5 - - 一2 0 0 m m 。印尼雅加达对新丌的6 条高速公路全部采用纤维 网混凝土，铺设厚度为2 7 0 , - 一3 0 0 m m 。 同本和西方一些钢铁大国借助雄厚的经济实力很早就丌展了大跨径钢桥的建设，国 外对钢桥面铺装的试验研究主要集中在复合梁疲劳试验和验证粘结层强度的拉拔试验、 剪切试验上，目的是为了控制铺装层的疲劳破坏和粘结层的剪切破坏这两种钢桥面铺装 的主要破坏类型训。 浇注式沥青混凝土( m a s t i ca s p h a l t ，也有部分国家称g u s sa s p h a l t ，g u s s 源自德语) 指在高温状态下( 2 0 0 - - - , 2 6 0 。c ) 进行拌和，混合料摊铺时流动性大，依靠自身的流动性 摊铺成型，无需碾压，沥青、矿粉含量较大，空隙率小于1 的一种特殊的沥青混合物。 浇注式沥青混凝土具有优良的防水、抗老化及疲劳耐久性，对钢板的追从性、与钢板问 的粘结性能与一般沥青混凝土相比具有很大的优势。因为浇注式沥青混凝土具有上述特 点，其在钢桥面铺装上得到广泛应用。由于各地气候条件、荷载状况的不同，各国在浇 注式沥青混凝土的使用上也不尽相同。日本一般把浇注式沥青混凝土作为双层复合结合 的下层，上层采用改性沥青混凝土，如本州四国联络桥；德国、丹麦等采用双层浇注结 构的比较多，如大、小贝尔特桥，有的采用单层浇注式沥青混凝土，如英国的福塞桥等 5 】 o 沥青玛蹄脂混合料( m a s t i ca s p h a l t ) 是由沥青交结料、矿粉和粗集料组成的无孔隙 不透水的混合料。沥青玛蹄脂混合料在欧洲广泛应用，在英国规定用于悬索桥桥面铺装 已有3 0 多年【6 1 。 美国加州大学s a nd i e g o 分校的f s e i b l e 并l c t l a t h a m 教授，在通过在桥面板上加铺 全厚式混凝土来恢复和提高旧桥面板的承载力的研究课题中，详细地对钢筋混凝土桥面 板上水泥混凝土铺装层进行了研究。研究内容主要集中在交界面上，他们认为铺装层的 人连理：r 大学硕士学位论文 破坏主要是因为铺装层的剥离。根据试验结果和试验现象，两位教授认为桥面板铺装层 是处于非线性滑动和弯曲的，并发展了夹层非线性滑动和弯曲模型，将这一模型用于桥 面铺装层的分析，试验证明是可行的【7 - 8 】。 目自i ，国际上还没有一套统一的桥面铺装设计规范，但经过多年的努力，在桥面铺 装方面各国都积累了很多宝贵的经验，基本形成了适合本国气候交通等特征的桥面铺装 结构体系。 国内现行的公路桥梁和路面规范中，关于桥面铺装的设计还是空白，在实际工程中 的做法也仅仅是依照实际经验，设计者只是将铺装层作为恒载用于桥梁结构的验算，而 对其本身的设计并没有作太多的考虑【9 1 。目前，我国开展的有关桥面铺装的研究主要是 针对钢桥【1 0 】。对钢筋混凝土桥的桥面铺装目前在我国还研究的很少，很少有科研单位对 钢筋混凝土铺装进行专门的研究我国对钢筋混凝土桥柔性铺装设计方法的相关研究也 很少，近年来，只是随着交通量的增大和部分地区采用了桥面防水层，使桥面铺装破坏 严重，渐渐引起了人们的重视。部分学者开始从材料及铺装技术方面进行研究，也有少 数学者从理论结构方面进行研究，试图寻找一种计算铺装层厚度的方法。 我国对钢桥面铺装较系统的研究工作开始于广东虎门大桥。在该桥桥面铺装课题 中，交通部重庆公路科研所在广泛调查世界上各种铺装类型资料的基础上，针对铺装层 的变形稳定性、疲劳耐久性、高粘结性、不透水性和良好行驶性能等技术问题进行了系 列研究。已将德国和同本有关钢桥面铺装材料和混合料技术规范和标准进行了较人程度 的提高。根据提高后的材料技术指标，研制了复合改性沥青结合料、改性沥青粘结剂和 防水填缝料，并采用s m a 方案对广东虎门大桥进行了铺装。广东虎门大桥通车后不久， 桥面铺装层也出现了病害，主要是产生横向推移的热稳定性问题、轮迹带上形成光面的 泛油和车辙问题以及防水胶底部的局部脱层和鼓包问题【l l 】。 己建成的南京长江第二大桥桥面铺装采用环氧沥青混凝土技术，环氧沥青由美国进 口，铺装技术研究和铺装工艺研究由东南大学和南京二桥指挥部共同承担，由山东交通 工程公司施工，东南大学监理。己建成的南京长江二桥桥面铺装己达到设计要求，美国 材料供应商和咨询公司对工程质量表示肯定。现己通车两年多，桥面的使用性能较好【1 2 】。 从国内现有的数值建模分析方法看，主要是用三维等参元模型进行分析，目前较多 采用的是三维八结点和二十结点单元。合理的有限元模型是计算分析的前提，对于桥面 铺装，如何假设及模拟层间接触状况是有限元建模一个很重要的问题【1 3 】。对于不设防水 层的情况，可以借鉴复合路面的处理方式。胡长顺等人在进行复合路面结构分析时，利 用各向异性线弹性理论和三维有限元的方法，构造了一种j 下交各向异性接触模型，模拟 板与地基之间的接触情况。黄晓明【1 4 】和刘玉荣等人分别在对旧水泥混凝土路面混凝土加 沥青混凝十桥面铺装试验研究及计算分析 铺层和水泥混凝土沥青混凝土复合路面进行力学计算时，接触面采用了g o o d m a n 夹层 单元模型模拟既非完全连续又非完全光滑的接触状态。g o o d m a n 模型是由g o o d m a n 等 人最先提出的用于模拟岩体节理的一种特殊单元，将它运用于夹层即为夹层单元。夹层 单元由两个面组成，两个面之问假想由无数微小弹簧连接，单元厚度假定为0 ，每片接 触面有4 个结点，一个单元共有8 个结点，是一种二维单元。对于设防水层的情况，实 际施工中防水层的厚度在2 - 一5 m m 之i b j ，一般约为3 m m 。由于防水层的厚度很薄，有 的学者将其简化为一种接触条件来处理。黄晓明和黄卫等人在对设有防水层的钢桥桥面 铺装层进行力学分析时，同样采用了无厚度的g o o d m a n 夹层单元来模拟防水层的作用， 夹层单元与相邻的夹层单元或铺装体单元之间，只有结点处有力的联系。 张占军【1 5 】等人在计算水泥混凝土桥沥青混凝土铺装结构的层问剪应力时考虑了防 水层厚度。胡长顺等人在利用有限元法对有裂缝夹层的旧水泥混凝土路面沥青加铺层进 行力学计算时，对有一定厚度的夹层直接使用三维等参元划分单元，而对于土工织物这 一类的无厚度央层，则根据薄膜问题的物理方程与几何方程推导4 结点矩形单元，建立 单元刚度矩阵，进行力学分析。另外需要研究的一个重要问题是，桥梁在荷载作用下如 何产生挠度及其它形变，这些因素对铺装层的力学特性有何影响，这也是桥面铺装不同 于一般复合路面的一个方面。目前，国内还没有专门针对这方面的讨论。 1 3 本文研究的意义 从力学角度讲，桥面铺装层直接承受行车荷载、梁体变形和环境因素的作用，其变 形和应力特征与主梁及桥面板结构型式密切相关。质量、性能良好的桥面铺装层一方面 可分散荷载并参与桥面板的受力，另一方面起联结各主梁共同受力的作用；既是桥面保 护层又是桥面结构的共同受力层，所以应具有足够的强度和良好的整体性，并具有足够 的抗裂、抗冲击、耐磨性能。目前，我国公路桥梁建设快速发展，桥梁结构不断创新， 大跨桥梁已很普遍，但桥面铺装的设计与施工仍沿用传统的习惯做法，随着交通量和重 型车辆的增加，桥面铺装问题普遍。这不仅妨碍了正常交通，影响了桥面的美观，更易 造成交通事故，也给维修工作带来了很大困难。近年来，人们对因桥面铺装问题造成的 直接和间接的经济损失给予了足够的重视。举一个国外的例子，苏格兰格拉斯哥市 ( c l a s g o w ) 的京斯顿大桥( k i n g s t o nb r i d g e ) 1 9 9 0 年出现破坏的症状，因为车流量是 全欧洲最繁忙的桥，无法停止交通维修加固，修复投资大约为1 2 7 5 0 万美元，比建桥造 价2 2 5 0 万美元高出5 倍多。所以在这种情况下，有必要对桥面铺装这一特殊的结构体 系进行系统的理论和试验研究，弄清楚桥面铺装层在荷载作用下的变形和受力状况。 4 人连理工大学硕+ 学位论文 1 4 本文的主要工作 ( 1 ) 沥青混合料配合比设计 本文中选用了a c - 2 0 i 、a c 1 3 i 两种级配，先在规范要求范围内调整这两种级配， 再通过马歇尔实验和车辙试验确定这两种级配的最佳油石比。 ( 2 ) 蠕变试验 在m t s 仪器上通过0 7 m p a 竖直静压6 0 m i n ，得到a c 2 0 i 、a c 1 3 i 应变随时问变 化的蠕变曲线，然后通过该曲线计算伯格斯模型的四个参数，进而得到这两种级配的蠕 变柔量。 ( 3 ) 确定试验方案以及试验方法 试验方案：本论文中选用了c 3 0 + a c 1 3 i 和a c 2 0 i + a c 1 3 i 两种结构类型的试件进 行试验对比分析，从中总结归纳出了不同的桥面铺装形式在标准轴载作用下其内部应变 和应力的分布情况。 试验方法：沥青混凝土由于其在成型过程中的高温高压使得测试其内部的应变非常 困难，目前国内并没有任何能够耐高温和高压的传感器等应力应变测试仪器。本文中采 用切割试件，在其侧面冷贴应变片，通过数据采集仪采集试件内部应变的方法来解决这 个问题。 ( 4 ) 试件成型 本文中的试验均属于非标准试验，试件尺寸为3 0 0 m i n x3 0 0 m m x1 0 0 m m ，使用大 连理工大学道路研究所在原车辙式样成型机的基础上自行改造的大尺寸车辙式样成型 机按照最佳配比成型。 ( 5 ) 试验数据的采集、整理和分析 试验数据的采集与分析是本论文中的主要内容。本论文对大量试验数据进行整理分 析，总结出了混凝土桥面板沥青混凝土铺装层在静载和动载作用下内部应变及应力的分 布规律，并对今后的桥面铺装的设计以及进一步研究桥面铺装层的剪切滑移破坏提供依 据。 ( 6 ) 对实验的a n s y s 数值模拟分析 本文通过a n s y s 分析软件，模拟实验在各种不同条件下的各项应力和弯沉变化情 况，得出铺装层结构内部应力变化的规律。 ( 7 ) 桥面铺装层厚度的理论计算模型 建立桥面铺装层和桥面板的力学计算模型，通过控制横桥向铺装层内的最大拉应力 而得到铺装层厚度的合理取值范围。 沥青混凝十桥面铺装试验研究及计算分析 2 桥面铺装的基本概念与特性 2 1 桥面铺装的基本概念 桥面铺装即行车道铺装，它是车轮直接作用的部分，桥面铺装的作用在于防止车轮 轮胎或履带直接磨耗行车道板，保护主梁免受雨水侵蚀，并对车辆轮重的集中荷载起分 布作用。桥面铺装层要求有一定的强度，并能满足抗裂、抗冲击、耐磨性能等各项要求。 当然，考虑到分缝处各板块角部易产生斜裂，故也要求桥面铺装层具有一定的抗弯曲能 力。目前随着交通量和重型车辆的增加，桥面铺装层损坏较为严重，维修周期也越来越 短，有的甚至通车不久，桥面即出现了碎裂、露骨、脱落等现象，这不仅妨碍了交通安 全，影响了桥面的美观性，而且也给维修工作带来了很大困难【1 6 】。 2 2 沥青混合料的特性 ( 1 ) 沥青混合料属粘弹性材料 物体受力后其力学特性服从虎克定律者叫做理想弹性体；服从牛顿定律者称为纯粘 性液体或牛顿液体。理想弹性体受力后的变形称为弹性变形。弹性变形是把外力向物体 作的功，全部以热能的形式储存起来，待外力撤去的瞬时，热能又全部放出，使变形完 全恢复。牛顿液体的变形，称为粘性流动。流动时有层流发生，层间将产生摩擦，叫做 粘性阻力，它把外力向液体作的功，全部以热能形式消耗殆尽，故变形不再恢复。 沥青属高分子物质，其分子大而长，呈蜷曲状互相牵扯。这样的分子结构就决定了 沥青受外力后的变形以及变形的恢复不可能是瞬时，故沥青不是理想弹性体。粘稠沥青 在一般温度( 如低于6 0 度) 下，呈半固体状，其剪应力与剪应变速度也不可能有线性 关系，故又不是牛顿液体。 一般用作生产混合料的沥青，其力学特性既不服从虎克定律，又不服从牛顿定律， 它具有弹性变形和粘性流动二种变形的特征，可以把它当作由弹性体和粘性体组成的粘 弹性体看待，通常就把沥青叫做粘弹性材料。 沥青既然属粘弹性材料，以沥青作为结合料的沥青混合料理所当然地亦属于粘弹性 材料。 ( 2 ) 沥青混合料的变形特性 道路沥青路面，尤其是在半刚性基层上的沥青面层、桥面沥青铺装，在使用过程中 所出现的车辙、推挤等永久变形，主要是由于沥青层本身强度和稳定性不足所引起的。 如果假设沥青混合料中的矿质集料是不可变的刚性材料，那么，沥青混合料的变形则是 由于矿质颗粒之间的沥青膜在外力作用下产生了剪切变形，以致引起集料颗粒发生相对 一6 一 人连理j ：犬学硕士学位论文 位移的结果。沥青混合料是典型的粘弹性材料，由一定级配合适量的沥青拌合而成的沥 青混合料，虽然所含的沥青仅占百分之几，但是沥青混合料的粘弹性质受沥青的影响。 它与沥青材料的变形特性一样，沥青混合料在外力作用下的变形不仅与荷载的大小、荷 载的作用时间有关，而且受温度的影响极大，完全表现为粘弹性性质【1 7 】。 2 3 桥面铺装损坏原因分析 ( 1 ) 桥面板刚度不够 为了减轻恒载，试图用增加钢筋用量或采用高强度钢筋来减薄桥面板的厚度( 如某 些顶板偏薄的箱梁结构) ，这种桥面板由于刚度不够，在重荷载的作用下引起较大的形 变，且车辆的不断冲击震动，容易使桥面板及铺装层出现裂缝，且发展较快。 ( 2 ) 负弯矩的影响 对于连续梁桥、拱桥及悬臂梁桥等桥型结构，由于荷载的作用而产生负弯矩或拉力， 使桥面铺装层受到拉力的作用而容易产生裂缝，从而造成桥面铺装的损坏。 ( 3 ) 支承梁不均匀沉陷的影响 支承桥面板梁数大于3 时，由于梁的不均匀沉陷或瞬时的下挠( 活载引起的) ，在 桥面板及桥面铺装上受到与梁轴相垂直的附加弯矩。特别在以h 型钢作为主梁这种容易 下挠的桥梁上，附加弯矩就相当大，这种情况下的裂缝主要产生在沿主梁方向上。 ( 4 ) 桥面铺装层与梁表面混凝土未粘结好 在桥面铺装前没有将梁表面的松散砂石粒、泥污等物清洗干净，没有在梁表面凿毛 或者凿毛的密度和深度不够，这些都大大降低了桥面铺装层与梁面之间的粘结力，破坏 了混凝土的整体性，通车后车轮的剧烈冲刷和荷载的作用容易使桥面出现脱皮、裂缝、 剥落等现象。 ( 5 ) 桥面铺装层的厚度过薄 由于施工因素造成梁表面高出设计标高，或由于调整桥面纵横坡等原因，造成了桥 面铺装层厚度局部过薄( 一般不宜小于8 e m ) ，削弱了桥面铺装层的刚度和承载能力， 这也是桥面早期损坏的原因之一。 ( 6 ) 桥面铺装层内的钢筋网走位 钢筋网在进行绑扎和浇注混凝土时，受到施工人员、运输机具碾踏和混凝土拌和物 的自重压力，导致其紧贴梁面的走位现象，削弱了钢筋网的分布筋作用和承受荷载的能 力，尤其对于出现负弯矩的桥面铺装层，容易因此而出现桥面裂缝等损坏现象。 ( 7 ) 混凝土的干缩作用 一7 一 沥青混凝_ 十桥面铺装试验研究及计算分析 目前，大桥桥面铺装多采用泵送混凝土工艺，为满足泵送混凝土较大坍落度的要求， 除掺外加剂外，还常用加大水泥用量和适当加大水狄比的办法，这两者都是影响混凝土 干缩并成f 比关系的主要因素。且水泥用量大时，水化热大，引起行车道板和桥面铺装 的温差而产生变形约束。由于混凝土硬化初期的抗拉强度小，若干缩和冷缩产生的拉应 力超过其抗拉强度，则将导致混凝土内部及表面产生裂缝。况且目前普遍存在着忽视混 凝土养生的现象，这更有利于温度收缩和干缩裂缝的发育，造成桥面的过早损坏。 ( 8 ) 过早通车 一些桥梁工程，为了达到提前通车增加收费效益，往往在桥面铺装完成几天后即开 放通车，造成桥面在强度不高、形变未稳定的情况下过早承受外来重荷载的作用，这也 是造成桥面过早损坏的原因之一。 ( 9 ) 混凝土质量的影响 混凝土的施工质量直接影响桥面铺装层的使用寿命。原材料质量低劣、砂率过大、 水灰比控制不好、砂石级配差、混凝土拌合物和易性差以及施工时漏振、模板漏浆等造 成混凝土中出现蜂窝、麻面、强度降低等缺陷，这些缺陷破坏了铺装层的整体性，降低 了铺装层抗裂、抗冲击、抗弯曲及耐磨的能力。 ( 1 0 ) 荷载过大及冲击影响 近年来汽车的大型化及超载的违章车辆的增加，加重了桥面铺装层的负荷，并且轮 荷载的大型化当然会产生大的冲击，而在路面不平整或桥面伸缩缝等有高差的地方，冲 击就更大了【1 8 】。 大连理1 ：大学硕士学位论文 3 沥青混合料配合比设计 本文选用了a c 1 3 i 和a c 一2 0 i 两种级配进行试验，分别对这两种级配进行配合比设 计。 3 1 原材料的选用 沥青： 沥青路面采用的沥青标号，宜按照公路等级、气候条件、交通条件、路面类型及在 结构层中的层位和受力特点、施工方法等，结合当地的使用经验，经过技术论证后确定。 对于高速公路、一级公路，夏季温度高、高温持续时间长、重载交通、山区及丘陵 区上坡路段、服务区、停车场等行车速度慢的路段，尤其是汽车荷载剪应力大的层次， 宜采用稠度大的沥青，也可提高高温气候分区的温度水平选用沥青等级；对冬季寒冷的地 区或交通量小的公路、旅游公路宜选用稠度小、低温延度大的沥青：对同温差、年温差大 的地区宜注意选用针入度指数大的沥青。当高温要求与低温要求发生矛盾时应优先考虑 满足高温性能的要求。 根据规范【l9 】规定，温区的沥青标号选用应为a h 7 0 和a h 9 0 。对于大连地区而言， 夏季温度不算高，但由于冬季冻融的影响，对沥青的粘结性也有很高的要求，故沥青采 用较高的标号。参考相关工程经验，本试验中选用的沥青标号为辽河油田9 0 # 重交通石 油沥青。其各大指标如表3 1 所示： 表3 1 基质沥青试验结果 t a b 4 1r e s u l to fn a t u r e lb i t u m e n 集料： 选用大连本地石灰岩矿料，其各粒径视密度试验结果如表3 2 所示： 一9 一 沥青混凝十桥面铺装试验研究及计算分析 表3 2z i 灰岩矿粉的试验结果 t a b 3 2t e s tr e s u l to f 1 i m e r o c kb r e e z e 可以看出，选用的石灰岩细集料在粒径为1 1 8 m m 这一档不满足要求，在矿料级配 设计时应予以调整，但总体上基本可以满足铺装的要求。 3 2 配合比设计 3 2 1 确定矿质混合料的配合比 对于a c 。2 0 i 和a c 1 3 i 混合料而言，级配设计的关键筛孔为4 7 5 m m 和2 3 6 m m ， 因此以此筛孔为主要点，并以规范【2 0 1 级配设计中值作为混合料配制基准点，在试验中， 矿粉数量选取了规范中值的6 进行矿料配制。本文中所选用的两种沥青混合料级配及 规范中级配范围分别如表3 3 和表3 4 所示： 表3 3a c 一1 3 i 沥青混凝土级配 t a b 3 3g r a d a t i o no f a c 一1 3 ia s p h a l tm i x t u r e 大连理工大学硕士学位论文 此两组级配的曲线见图3 1 和图3 2 ： 图3 1a c 1 3 i 级配曲线 f i g 3 1 g r a d a t i o nc u r v eo ft h ea c 1 3 1 1 1 沥青混凝土桥面铺装试验研究及计算分析 图3 2a c - 2 0 i 级配曲线 f i g 3 2 g r a d a t i o nc 1 1 1 v eo ft h ea c - 2 0 1 3 2 2 测定试件体积参数 ( 1 ) 视密度( 风) 沥青混合料的压实试件的视密度，可以采用水中重法、表干法、体积法或封蜡法等 方法测定。本文中采用水中重法，按式( 3 1 ) 计算。 凤；土“ ( 3 1 ) 一历” 式中：见试件的视密度 切d ； 干燥时间的空中质量( g ) ； 试件的水中质量( g ) ； 风常温水的密度，约等于l g c m 3 。 ( 2 ) 理论密度( n ) 沥青混合料试件的理论密度，是指压实沥青混合料全部为矿料( 包括矿料内部空隙) 和沥青所组成( 空隙率为零) 的最大密度。理论密度可按( 3 2 ) 计算。 10 0 以昌互忑= = 互忑叩w ) ，1) ，2) ，矗y b 大连理工大学硕士学位论文 试中： 岛理论密度( g 咖3 ) ； p t m 只各种矿料的配合比( 矿料与沥青之和为乏曰。+ e - l o o ) ，( ) ； n n 各种矿料的相对密度； 咒沥青含量( 沥青质量占沥青混合料总质量的百分率x ) ； 圪沥青的相对密度( 2 5 2 5 c ) 。 ( 3 ) 空隙率 美国通过s h r p 研究，提出沥青层的设计空隙率以4 为最佳标准，设计空隙率过 小，将可能产生车辙流动变形而设计空隙率过大，路面容易引起水损坏破坏。热拌沥青 混合料马歇尔试验技术标准中空隙率要求为3 - 6 它的计算如式( 3 3 ) 所示： w - ( 1 一上生) 1 0 0( 3 3 ) p m 式中：v 卜试件的空隙率，； 沥青混合料的实测毛体积相对密度； j d 。沥青混合料的最大毛体积相对密度。 ( 4 ) 矿料间隙率( v m a ) 矿料间隙率是压实沥青混合料试件内矿料部分以外体积占试件总体积的百分率，亦 即试件空隙率与沥青体积百分率之和。它的计算如式( 3 4 ) 所示： v m a - ( 1 一垃a ) 1 0 0( 3 4 ) p s b 式中：v m a - 式件的矿料间隙率，； 沥青混合料的实测毛体积相对密度； p 曲全部矿料的平均毛体积相对密度。 ( 5 ) 沥青饱和度( v f a ) 空隙率和矿料间隙率确定之后，即可确定另一个体积参数沥青饱和度v f a 。它是指 沥青的体积占全部间隙的百分率。v f a 的计算如式( 3 5 ) 所示： 阡；v m a - w 1 0 0 ( 3 5 ) 沥青混凝土桥面铺装试验研究及计算分析 3 2 3 测定力学指标 我国现行国标( c n j9 2 9 3 ) 规定，采用马歇尔稳定度试验( 包括稳定度、流值、马歇 尔模数) 来评价沥青混合料高温稳定性。 马歇尔稳定度是指标准尺寸试件在规定温度和加荷速度下，在马歇尔仪中最大的破 坏荷载( k ；流值是达到最大破坏荷重时试件的垂直变形( 以0 1 m m 计) ；而马歇尔模数 为稳定度除以流值的商，即 t ；m s i o ( 3 6 ) = 一 j u - f z 。 式中：卜马歇尔模数( k n m m ) ； m s 稳定度( k ； f i 广一流值( o 1 m m ) 。 按标准击实法成型直径1 0 1 6 m m _ _ _ 0 2 m m ，高6 3 5 m m 1 3 m m 的马歇尔试件。试 验时以5 0 _ _ _ 5 m m m i n 速率加载。试验数据如表3 5 和表3 6 所示： 表3 5a c 1 3 1 型沥青混凝土试件马歇尔试验 t a b 3 5 m a r s h a l ，lt e s to f t h ea c 1 3 1a s p h a l tm i x t u r e 3 2 4 确定最佳沥青用量 沥青最佳用量的确定可以按以下步骤进行【2 1 l ： ( 1 ) 绘制沥青用量与物理力学指标关系图。以沥青用量为横坐标，以密度、稳定度、 流值、饱和度、空隙率、矿料间隙率等指标为纵坐标，分别绘成关系曲线图，如图3 3 和图3 4 所示。 ( 2 ) 确定沥青用量初始值o a c i 。由关系曲线网取最大密度所对应的沥青用量a l ， 最大稳定度所对应的沥青用量a 2 ，以及规范规定空晾率范围的中值所对应的沥青用量 a 3 ，以三个沥青用量的平均值作为初始值o a c l ，即 o ac l = ( a l + a 2 + a 3 ) 3 ( 3 7 ) ( 3 ) 确定沥青用量初始值o a c 2 。根据规范求出满足稳定度、流值、空隙率、饱和 度四个指标的沥青用量范围o a c m i n o a c m a 。，以中值作为o a c 2 ，即 o a q = ( 洌q i 。+ o a c r 一) f z ( 3 8 ) ( 4 ) 综合确定最佳沥青用量o a c 。按最佳沥青用量初始值o a c l 在关系曲线图中求 取所对应的各项指标，检查是否符合规范规定的标准。如符合标准，则由o a c l 和o a c 2 综合确定最佳沥青用量o a c ，如表4 1 0 。如不符合，重新调整级配，再进行试验，直 至各项指标均符合规范要求为止。 沥青混凝十桥面铺装试验研究及计算分析 1 4o o 黟“弼零2 黝- 黟譬一 1 2 ，0 0 、 7 l ， 。黑? 豫耄 。1 00 0 i80 0 60 0 ， 1 、。l 40 0 ? i ，一 20 0 ， 二口 。? 1 i 矗 m i i im _ 。删批五| h d o 霸d 乱。也? j ，“、。# 怖。眦? 。姥j 貉t 4 555 566 5 沥菏含量( ) ! 百 l 詈 辩 ! 拳 1 4 5 秽劈黟7 缈野弼繁黟黟鬻移臻臻移搿嬲缪嬲黟弼形警嬲豫锄锄i j j 。ij。 j7 io “j 。| 熬j m 0 ， j ， 一筋l 1 3 5；：j 。- ：厌7 ：7 ，l 1 3 0；? j ：_ 心霭l o j t | 。 。j 。j 。 j 飞、 t , 2 5 “侈| 一；。? j 豫j 1 2 0 ：ii ? i j 。i j ，i o ，| j i j ? 誉 ? 一。 。+ 。强j 1 e 乩施二、o # 毡i 喊磊；k 纛。“t “t 施g 以d 4 托镕j 祝s j 。“一。z _ 。：砒。| ：矗。魏 4 555 566 5 沥青含馈( ) -0 0 妙雾群缪：缈。黟霉攀鬻黟警鬻移黟琴镶 2 j 丫，| j 一| ，。i | | j 。l ，碍 j ? 羧 9 5 j j 誓囊。? t _ ：? 一：? 。 “_：一一一。?tn f，。，?i ，t 锻? +j。j ，| ；誊+ 。“。i 一，叠i q o|+ij j i 乞? j 毒。，j i 。j 臻 8 5 o ，蕊爹i 誊习 8 0，ci 暧赫删貔赫纛、囊鹣蘸： 、?釜釜m崩黼弧抟点矗、蒜、惫蒜、二磁：。、艇蒿4555 566 5沥青含量( ) 4 55 5 5 66 5 沥青含龌( ) 图3 3a c 1 3 i 型沥青混凝土马歇尔试件力学指标与沥青刚量关系图 f i g 3 3 r e l a t i o nb e t w e e np a r a m e t e r sa n dr a t i oo f a s p h a l tf o ra c 1 3 ia s p h a l tm i x t u r e 1 6 2 2 2 2 2 一乎一世足霉 一 大连理工大学硕士学位论文 1 0 5 1 0 3 1 0 1 9 9 z 邑9 7 似 捌95 爸9 3 9 1 8 9 8 7 8 5 l 霸攀爨繁戮黟。翟“鬈毒譬爹| 鬻鬟缓 ，飞镯 ，腻；一溺 i j 一。一 一o 爹_ _ i 一心i 弘五纛巍移：毫? i j 磊兢一_ ：秀骏 44 5 2 4 5 4 2 4 5 2 2 4 5 0 曼2 4 4 8 o 2 2 4 4 6 型 相2 4 4 4 露2 “2 2 “0 2 4 3 8 8 5 主8 0 鉴7 5 髌 霜7 0 b 0 6 0 a a 5 沥青含量( ) 4 3 4 1 3 9 3 7 e 三3 5 詈3 3 蟋3 1 2 9 2 7 2 5 覆荔黪：浮雾缫雾雾梦黟黟护”。+弱 。_ j 妒鬻鼍 髯i 兰 嗡颤 。? i j 。麓j j ；j 甏：i 纛r 麓? v i ，i 。“! j 。? ? i 虢 4 6 ： 。jl 一 雾。i 嘲 _ 曳。j 溺 - f 雩 乒” ，蔹：磊i 参麓z 。蠡磊纛：溺 44 555 5 沥青含景( ) 雾i 鬻繁黟罗黟孵习： 一 ，、j e _ # & 。2 秦 j 溅 哆薹鬟 繇”跫糍鬻 ，+ 嘞 i 拱 幺j 麓 嚣黝 滋滋缓滋战勰滋黝懑 l4 555 56 沥青含量( ) 5 o o 4 5 0 4 0 0 3 5 0 ；3 0 0 瓣2 5 0 蓁2 0 0 1 5 0 1 o o o 5 0 o o o 5 沥青含量( ) 6 霪雾黟移冀黟黟需爱雾雩男警缪鬻篓鬟鬻 蓑三； ；懑 ；尹k ： 一“ “j1 q ! l 黟】 缀。 二麓： 霾戮成? 。，磊罐磊纛淼磊巍意溺羹 沥青含量( ) 图3 4a c 2 0 i 型沥青混凝土马歇尔试件力学指标与沥青用量关系图 f i g 3 4 r e l a t i o nb e t w e e np a r a m e t e r sa n dr a t i oo fa s p h a l tf o ra c - 2 0 ia s p h a l tm i x t u r e 1 7 一 一 岳 沥青混凝十桥面铺装试验研究及计算分析 表3 7 最佳沥青用量确定 t a b 3 7 o p t i m u ma s p h a l tc o n t e n t 3 3 沥青混合料高温稳定性检验 众多的研究表明，动稳定度能较好的反映沥青路面在高温季节抵抗车辙的能力。车 辙试验的温度应能反映夏季高温的路面温度，英国采用4 5 。c ，同本采用6 0 ( 北海道 采用4 5 ) ，本试验依照我国绝大多数地区的温度条件也采用6 0 。 沥青混合料试件的动稳定度按式( 3 9 ) 计算 d s ：铧q c 2 ( 3 9 ) 口2