（材料学专业论文）在“白白”超薄水泥砼罩面中新旧混凝土界面粘结技术研究.pdf

摘要 一般对整体混凝土而言，其破坏的发源地是在骨料与浆体之间的界面过渡区。 同时，如果把旧混凝土看作无限大的粗骨料，则新旧混凝土的界面为新旧混凝土 修补后的薄弱环节。因此，如果能解决新旧混凝土的界面粘结问题，对“白+ 白 超薄混凝土罩面及混凝土的维修技术具有重大意义。 为了全面了解和系统的研究新旧混凝土界面粘结的性能，对新旧混凝土的界 面粘结强度改善进行研究，以便得到适合实际工程的技术。主要研究内容如下： 分析目前常用的几种评价粗糙度的方法，并对每种方法的优缺点进行评 述；得出一种简便易行的测量粗糙度的方法。 分析目前常用的几种旧混凝土表面的处理方式，并对每种方法的优缺点进 行评述，进行高压水射法处理和人工凿毛处理的粘结性能比较并得出结论。 研究新旧混凝土界面剂、改性砂浆界面剂的配方对新旧混凝土粘结强度的 影响。比选或研发出适合白色超薄罩面的界面剂和改性砂浆界面剂。 利用改性砂浆界面剂铺筑试验路段，验证试验取得的最佳改性砂浆的配合 比，并对“白+ 白超薄水泥混凝土罩面的施工工艺进行研究。 关键字：超薄水泥混凝土；新旧混凝土界面；粗糙度；界面剂；聚合物 a bs t r a c t g e n e r a lo nt h em o n o l i t h i cc o n c r e t e ，t h ed e s t r u c t i o no ft h eb i r t h p l a c eo fa g g r e g a t e a n dp a s t ea lea tt h ei n t e r f a c eb e t w e e nt h et r a n s i t i o nz o n e a n d ，i fl o o k e du p o no l d c o n c r e t ea sa ni n f i n i t e l yg r e a tr u b b l ea g g r e g a t e ，t h e nt h eo l da n dt h en e w i n t e r f a c ef o r t h en e w o l dc o n c r e t ea f t e rt h ec o n c r e t er e p a i rt h ew e a kl i n k s t h e r e f o r e ，i fw e c a l l r e s o l v en e w o l dc o n c r e t ei n t e r f a c i a lb o n dq u e s t i o no nt h e ”w h i t e + w h i t e ”u l t r a t h i n w h i t e t o p p i n gr e p a i rt e c h n o l o g yi so fg r e a ts i g n i f i c a n c e f o rac o m p r e h e n s i v ea n ds y s t e m a t i cs t u d yt ou n d e r s t a n dt h en e w - o l dc o n c r e t e i n t e r f a c eb o n dp e r f o r m a n c e ，t h ei n t e r f a c eo fo l da n dn e wc o n c r e t et oi m p r o v eb o n d s t r e n g t hs t u d yi no r d e r t oo b t a i nas u i t a b l ep r a c t i c a le n g i n e e r i n gt e c h n o l o g y m a i n r e s e a r c hc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： a n a l y s i so ft h ec u r r e n te v a l u a t i o no fs e v e r a lc o m m o n l yu s e dm e t h o d s o f r o u g h n e s s ，a n dt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fe a c hm e t h o di sr e v i e w e d ；h a v e c o m eu p 、j ，i t l las i m p l em e t h o do fm e a s u r i n gr o u g h n e s s a n a l y s i sc u r r e n t l yu s e di ns e v e r a lo ft h eo l dc o n c r e t es u r f a c et r e a t m e n tm e t h o d s ， a n dt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fe a c hm e t h o di sr e v i e w e df o rs h o o t i n g h i g h - p r e s s u r ew a t e rt r e a t m e n ta n da r t i f i c i a lh a i rc u t t i n gd e a lw i t h t h eb o n d i n g p e r f o r m a n c ec o m p a r i s o na n dr e a c hac o n c l u s i o n s t u d yo nt h en e w - o l dc o n c r e t ei n t e r f a c ea g e n t s ，i n t e r f a c ea g e n t sm o r t a r m o d i f i e df o r m u l ao ft h eo l da n dt h en e wc o n c r e t eb o n ds t r e n g t ho ft h ei m p a c to fv a r i o u s f a c t o r st h r o u g ht h et e s tt ob et h eb e s tp a r a m e t e r sa n dt h ei m p a c to ft h el a w s p r e p a r a t i o n o fas u i t a b l et h i nw h i t eo v e r l a yi n t e r f a c ea g e n t sa n dm o d i f i e dm o r t a ri n t e r f a c ea g e n t t h eu s eo fm o d i f i e dm o r t a rp a v e m e n tt e s ts e c t i o n so f t h ei n t e r f a c ea g e n t ，t h e c e r t i f i c a t i o nt e s tt oo b t a i nt h eb e s tm o d i f i e dm o r t a rm i x ，a n d ”w h i t e + w h i t e ”u l t r a - t h i n w h i t e t o p p i n go v e r l a yc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g yr e s e a r c h k e y w o r d s ：u l t r a - t h i nw h i t e t o p p i n g ；n e w - o l dc o n c r e t e s ；r o u g h n e s s ； l i m i t i n gs u r f a c ea g e n t ；p o l y m e r i z e ds u b s t a n c e 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 学位做作者躲衡吼叫年年月尹日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论 文。同时授权中国科学技术信息研究所将本人学位论文收录到中国学位论 文全文数据库，并进行信息服务( 包括但不限于汇编、复制、发行、信息网 络传播等) ，同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。 学位论文作者签名：7 参多季 指导教师签名：手缸彳矗爻 日期：二笋产伞月7 日日期：2 舻忙毕月f 日 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n k i 系列数据库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章 程规定享受相关权益。 学位论文储虢饼 吼冲令月f ) 日 指导教师签名：旁& 寻撬 醐2 冲婶月f 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 水泥混凝土路面超薄混凝土罩面研究的目的和意义 在建国初期，由于资金、能源有限，水泥紧缺，我国修建水泥混凝土路面的 公路里程较少。到1 9 7 0 年底我国水泥混凝土路面仅2 0 0 k m ，占高级、次高级路面 里程的0 9 左右。此后在公路路面修筑过程中，为缓解沥青供应不足的矛盾，一 些省、市、自治区如浙江、广东、江苏等省开始修筑水泥混凝土路面。随着修筑 里程的增加和各科研院所对水泥混凝土路面的深入研究，以及实践经验的积累， 修筑技术的不断改进，工程质量也不断提高。水泥混凝土路面的适应性和抗灾能 力均较强，较好地满足了现代化交通的要求。此后，水泥混凝土路面得到了迅猛 的发展。到2 0 0 0 年底，水泥混凝土路面通车里程达1 1 5 7 4 k m 其发展速度在国外 也是罕见的，我国历年水泥混凝土路面通车里程见图1 1 。随着当今我国公路基础 设施建设的迅猛发展，水泥混凝土路面推广应用的前景看好。 年份 图1 1 全国1 9 6 0 至2 0 0 0 年水泥混凝土路面里程 f i g 1 1 t h en a t i o n w i d ec e m e n t c o n c r e t ep a v e m e n tm i l e a g e1 9 6 0t o2 0 0 0y e a r s 国内早期修建的水泥混凝土路面，主要用于三、四级公路上，设计强度低。 水泥混凝土抗压强度除少数为3 0 m p a 外，多数为2 0 m p a 2 5 m p a ，有的甚至低于 2 0 m p a ，面板厚度薄，一般为1 6 c m - - 2 0 c m ，有的仅1 4 c m ，甚至更薄。这些路面 在行车荷载和环境因素作用下，有的修建不久便出现破坏，有的己超过使用年限， 大多数进行过罩面，补强或改建。 改革开放以来，随着国民经济的迅速发展，公路交通量和汽车载重量日趋增 三一肆q 1ir胃崞膏吨对嗄 2 第一章绪论 加，路面结构的损坏日趋加速，使近年新建的水泥混凝土路面在远未达到其设计 年限时就出现了不同程度的损坏。从现有的特别是8 0 年代和9 0 年代初修筑的水 泥混凝土路面来看，由于设计、材料、施工技术、施工管理和质量控制等方面的 不足，以及自然灾害的破坏等原因，投入使用3 年 - 5 年后就出现了大量的早期破 坏，严重影响行车的速度、舒适、安全等。据不完全统计，我国现有的水泥混凝 土路面将有2 0 - 3 0 左右都面临着修补和改善。 通过对现场的调查分析，水泥混凝土路面的损坏型式主要有两种类型： 结构性损坏，如断裂、破损、接缝损坏等； 功能性损坏，如表面滑溜、表面损坏等。 如：梅河高速公路全长1 1 8 公里，双向四车道，水泥混凝土路面，于2 0 0 5 年 1 0 月建成通车。通车以来，在一些桥头及路基填方路段由于路基沉降导致混凝土 路面面板整体下陷，路面的平整度下降，路面板沉降深度一般为o c m - 1 0 c m ，局 部路段有2 0 c m ，影响到行车的舒适和安全。 由于路面的沉降是由路基的沉降引起，因此保证路基稳定就成了解决问题的 关键，项目公司已委托相关单位出具方案对沉降段路基进行了加固处理，从工后 观测结果看，路基己稳定。现有混凝土板厚2 8 c m ，设计抗折强度为5 0 m p a ，由于 路面板是整体沉降，因此路面板基本未遭到破坏。 我国公路部门早期对破损的水泥混凝土路面进行维修时，传统方法之一是采 用沥青质材料，即在水泥混凝土路面的裂缝处灌注沥青，以达到封闭裂缝的目的， 或在己损坏的混凝土表面上加铺一层沥青混凝土。这只是一种应急方法，不能从 根本上解决水泥混凝土路面修复的问题。主要表现为： 路面材料强度的不均匀，导致传荷不一致； 使用寿命短； 路面平整度差，影响行车的舒适和安全并降低表面使用功能； 混凝土的颜色不一致，影响美观。 若采用改性沥青材料进行修补，其修补后效果好，但单价高。若采用传统方 法之二，打掉现有的混凝土路面，然后再浇筑新的混凝土面板，但也存在一些问 题。主要表现为： 由于工期太长将严重影响到高速公路的正常运营； 将完好的混凝土面板凿掉既是资源的浪费，增加了维修成本，且凿掉的混 凝土需要找地方堆放，将对环境产生二次污染。 本项目的研究将基于对现有水泥混凝土路面板的充分利用，在对现有路面的 表面进行必要的处理后加铺早强超薄混凝土结构层，该加铺混凝土的最小厚度 8 c m ，最大为原有路面沉降的最大值，达到恢复路面标高并实现快速通车的目的。 第一章绪论 3 混凝土路面的薄层罩面传统的方法是采用沥青类材料，通过该项目的研究， 利用混凝土材料对原有混凝土路面进行薄层罩面，是对传统技术的一个挑战，也 同时将提高行业的技术水平；攻克薄层维修的技术难题；最大限度地减少路面维 修对行车的影响等问题，做到混凝土路面的结构协调，在对资源的有效利用也有 重要意思。 综上所述：水泥混凝土路面超薄混凝土罩面技术将是当今乃至未来道路工程 路面材料发展、路面维修的一个重要研究方向。 1 2 国内外研究现状 1 2 1u t v v 路面的诞生与发展 超薄水泥混凝土路面( u l t r a - t h i nw h i t e t o p p i n g ，简称u t w ) 是指厚度为 5 0 m m - - 一l o o m m 、接缝间距较小( o 6 m 1 s m ) 的水泥混凝土罩面层粘结于旧路面上 形成的路面结构( 早期的u t w 主要用于沥青混凝土路面上) 。 沥青路面随着行车荷载和自然因素的长期综合作用，将不断出现车辙、拥包、 老化、松散、龟裂、泛油等各种病害，尤其是对于一般等级的道路，建设时使用 的沥青材料品质较低，路面状况恶化速度更快。对于频繁出现车辆制动或启动的 道路交叉口、城市街道、停车场、测重站等路段，沥青路面由于其抗剪强度较低， 更易出现拥包等病害。而且在水的进一步作用下，各种病害会不断发展与恶化， 大大降低道路路面的使用性能，严重影响道路的正常使用，更加严重的将无法满 足道路的基本使用要求。 对已严重恶化的旧沥青路面通常采用沥青混合料和水泥混凝土两类材料进行 罩面处理，以恢复或提高路面使用性能。沥青混合料罩面层具有表面平整、无接 缝、噪音低、行车舒适、振动小、养护维修简便等优点，但也存在温度敏感性强、 水损害严重、抗剪能力弱、建设成本高、对旧路承载能力要求高等不足，尤其是 当前世界范围的能源紧张和石油资源有限，使沥青材料价格较高，从而增加了沥 青罩面层的建设投资。同时，对于车辆颂繁制动或启动的路段，沥青加铺罩面层 极易再次发生拥包等病害，使用寿命较短。另外，在行车荷载作用下，原有路面 的部分病害极易反射到沥青罩面层。水泥混凝土罩面层虽具有接缝多、噪音相对 较大、振动大、开放交通较迟、维修困难等缺点，但也具有使用寿命长、受水损 害程度相对较低、抗剪切能力强、对旧路承载能力要求低、旧路原有病害反射率 低等优点，尤其适宜于道路交叉口、测重站、停车场等抗剪要求高的路段进行旧 沥青路面修复。 通常意义上的水泥混凝土罩面层( 又称白色罩面层w h i t e t o p p i n g ) ，厚度均较大 ( 1 0 c m - 4 5 c m 之间) ，在国内外道路工程界已广泛使用。这种罩面层一旦破坏，修 4 第一章绪论 复困难，使维修成本增加。另外，从资源角度而言，水泥混凝土罩面层也存在水 泥和石料使用量大，不利于道路的可持续发展。因此，如何在资源紧缺、资金有 限的条件下，修复已严重恶化的旧沥青路面，使其满足道路使用的性能要求，成 为世界道路工作者面临的重要任务。在这种特定的环境下，道路工作者经过不懈 努力，于二十世纪九十年代初研究出了一种新型的旧沥青路面修复技术超薄 水泥混凝土( u t w ) 路面。 u t w 路面使用高早强混凝d 2 ( h e s ) ，并用纤维增强，保证了其承载能力，并 减小了厚度( 5 c m - - l o c m ) ，使有限资源得到了合理利用，并降低了建设成本；混凝 土配合比设计中，可根据当地材料分布情况，利用粉煤灰替代部分水泥，实现废 物资源化，有利于可持续发展；接缝间距变小( o 6 m 1 8 m ) ，减小了板内的荷载应 力，并便于后期维修更换，大大降低了养护维修费用；由于使用了高早强混凝土， 开放交通较快( 3 d - - - 7 d ) ，施工中断时间少，满足旧沥青路面快速有效性能恢复和道 路可持续发展的要求。 1 9 9 1 年9 月，美国在肯塔基州的l o u i s v i l l e 修筑了第一条u t w 路面试验路。 该试验段采用9 0 m m ( 3 5 i n ) 和5 0 m m ( 2 i n ) 两种厚度。通过对试验路段进行为期1 3 周 的加速加载试验，获得了重大发现：厚度为5 0 m m - 9 0 m m 的u t w 路面可以承受 低、中交通量道路、停车场和城市街道的典型交通荷载。这一具有重大现实意义 的发现，引起了道路工作者的极大兴趣，促进了u t w 路面的快速发展。 从1 9 9 2 年以后，美国先后有3 0 多个州修筑了u t w 路面试验路段。研究初期， 试验路段主要修筑于城市街道、道路交叉口停车场和测重站等车辆频繁制动或启 动的路段，取代沥青罩面层，使用效果良好。 1 9 9 4 年，依阿华州交通局、美国联邦公路管理局( f h w a ) 和依州州立大学联合， 在依州干线公路上修筑了一条1 1 6 k m 长的u t w 路面实体工程，标志着u t w 路 面在主要公路上开始应用。 1 9 9 8 年，美国联邦公路管理局( f h w a ) 和美国混凝土路面委员会( a c p a ) 签订 协作研究与发展协议( c r a d a ) ，共同研究u t w 路面，在各州和地方道路机构推 广使用u t w 路面。 1 2 2 国内外研究概况 u t w 路面的研究主要是在美国进行。随着1 9 9 1 年肯塔基州u t w 路面的试验 结果公布后，美国各州开始研究u t w 路面的使用性能。但研究主要是应用铺筑试 验路的方法对u t w 路面在各种荷载作用条件下的使用状况进行评价，定性分析各 种因素对u t w 路面使用性能的影响程度提出了部分有价值的结论。 1 9 9 1 年，美国肯塔基州的l o u s i v i l l e 修筑的u t w 试验路，作为第一条试验路， 经过加速加载试验后，得出：u t w 路面面板与旧沥青路面之间存在粘结现象，且 第一章绪论5 这种粘结力可以减小面层混凝土中的荷载应力；接缝间距对角隅裂缝( u t w 路面的 主要破损形式) 的出现率有显著影响。 a c p a 分别在1 9 9 5 年7 - 8 月和1 9 9 6 年7 - - 一8 月两次对1 9 9 2 年1 9 9 5 年美国 多个州修筑的u t w 路面试验段中1 0 个典型路段进行了路况调查与评价。路面状 况调查与评价使用路面系统调查书。经过调查分析后得出：u t w 路面主要破损形 式是角隅裂缝、纵向裂缝和断板，但大部分裂缝宽度小于0 5 m m ，严重程度较低， 不影响路面的正常使用；p c i 值较大的路段，其相应的板块尺寸最小，且存在有效 沥青下卧层：调查路段中大部分路段( 9 1 0 ) 保持着良好的使用状态，按p a v e r 系 统准则评定为优良：对1 9 9 2 年1 9 9 3 年修筑的u t w 路面工程，在荷载无意外变 化的情况下，p c i 值下降到5 5 ( 相应等级为好) 之前，还可以使用8 年1 0 年。 1 9 9 8 年，佛罗里达州交通局在g a i n e s v i l l e 修筑了3 条u t w 路面试验环道， 用以评价u t w 路面的设计、施工和使用性能。这是第一次对u t w 路面进行较为 系统、全面的研究，但仍只是通过试验路进行定性研究。环道1 在已有旧沥青路 面上铺筑了1 0 0 m m ( 4 i n ) 厚的u t w 路面，其中原路面由3 8 m m ( 1 5 i n ) 沥青面层和 1 5 0 m m ( 6 i n ) 贫混凝土基层组成。沥青路面表面采用三种方法进行处理：铣刨、，扫 帚清洁和铺筑一层薄的沥青裂缝消除层( c r l ) ，接缝i m 距为1 2 2 m x1 2 2 m ( 4 t t x 4 f t ) ：环道2 由7 5 m m 和1 0 0 m m 两种厚度组成，铺筑在3 8 m m 沥青面层和1 6 3 m m 石灰稳定基层组成的旧路面上，沥青表面采用铣刨和扫帚清洁两种方法处理，接 缝间距为1 8 3 m 1 8 3 m ( 6 f t x 6 f t ) ；环道3 在与环道2 相同的沥青路面上铺筑了 5 0 m m 厚的混凝土，接缝间距有0 9 2 m 0 9 2 m ( 3 f t 3 f t ) 和1 2 2 m 1 2 2 m ( 4 f t 4 f t ) 两种。环道1 和2 使用聚丙烯纤维网混凝土，环道3 使用聚烯烃纤维混凝土，混 凝土均为高早强( h e s ) 混凝土。混凝土和沥青层层间粘结强度通常大于 1 4 m p a ( 2 0 0 p s i ) 。试验环道采用装载混凝土块的卡车进行加载，连续加载约6 0 0 0 0 次e s a l s ，进行使用状况观测。试验得出的主要结论为：在6 0 0 0 0 次e s a l s 作用 后，环道使用状况良好；u t w 路面明显提高了旧沥青路面的承载能力，可以作为 沥青路面修复或重建的适宜选择方案；u t w 路面与沥青层之间的充分粘结是关系 到u t w 路面长期使用性能的关键因素；u t w 路面设计中应使用较小的接缝间距， 当厚度为7 5 n u n l o o m m 时的最佳接缝间距为1 2 2m 1 8 3 m ，对厚度为5 0 m m 的 u t w 路面，接缝间距不应大于1 2 2 m ：u t w 路面在3 8 m m 厚的沥青层上铺筑后， 使用性能良好，适宜在沥青层相对较薄的佛州使用。 1 9 9 4 年，依阿华州交通局、美国联邦公路管理局和依州州立大学为评价u t w 路面的长期使用性能，共选择了4 个主要变量，修筑了4 1 个试验路段，每段长2 1 3 m ， 2 4 个附加路段作为不同变量之间的过渡段。实体工程旧沥青路面始建于1 9 6 1 年， 由1 5 0 m n 厚的碾压石料底基层、1 7 5 m m 水泥稳定基层和项面封层组成，1 9 6 4 年加 6 第一章绪论 铺了一层7 5 m m 厚的水泥沥青混凝土复合路面( a c c ) ，1 9 8 7 年进行过罩面处理。 u t w 路面施工时交通量约为1 3 5 0 辆日，其中1 3 为载重车。实体工程中u t w 路面厚度为5 0 r a m 和1 0 0 m m ，为对比而铺筑了1 5 0 m m 和2 0 0 m m 两种厚度，接缝 间距为5 0 m m 、1 0 0 m m 、1 5 0 m m 路段采用0 6 m 0 6 m 、1 2 m 1 2 m 、1 8 m 1 8 m ， 对2 0 0 m m 采用4 6 m 和6 1 m 。厚度和接缝间距相同的路段，分别采用单丝聚丙烯 纤维、网状聚丙烯纤维和不加纤维三种混凝土。沥青路面表面处理采用铣刨、清 洁和冷铺7 5 m m 沥青表面再生料三种方法。经过2 8 0 0 0 次e s a l s 作用后，得出的 结论为：实体工程在使用两年后使用性能很好，铣刨可以提高层间粘结和减小破 损潜在机会。 1 9 9 8 年，美联邦公路管理局( f h w a ) 和美国混凝土路面委员会( a c p a ) 签订协 作研究大发展协议( c r a d a ) ，共同研究u t w 路面，并在各州和地方道路机构推 广其应用。根据协议，利用在m c l e a n 的联邦公路管理局路面测试设备( t h ef h w a s p a v e m e n tt e s tf a c i l i t y ) 评价8 条1 4 1 6 m 长的u t w 试验环道，目的在于研究影响 u t w 路面使用性能的主要设计因素。试验段厚度分别为6 4 m m 和8 9 m m ，接缝间 距为o 9 1 m 1 8 3 m ，混凝土采用聚丙烯纤维网混凝土和普通混凝土，对试验环道 采用加速加载设备a l f ( a c c e l e r a t e dl o a d i n gf a c i l i t y ) 进行控温测试。 目前，国外通过修筑u t w 路面试验路和实体工程，对u t w 路面的使用性能 进行分析评价研究，得出的主要结论如下： u t w 路面是车速慢、交通量较低或有频繁制动( 启动) 的城市街道、交叉口、 停车场、测重站和一般公路上己严重恶化的旧沥青路面修复的适宜选择； 对旧沥青路面进行铣刨、清洁处理，使u t w 面板与沥青层层间充分枯结， 可以减小u t w 路面板的荷载应力，是影响u t w 路面长期使用性能的关键； 板角隅裂缝是u t w 路面破损的主要形式； u t w 路面接缝间距应较小，接缝间距在0 6 m - - 1 8 m 之间是适宜间距； u t w 路面应采用高早强混凝土( h e s ) ，且宜根据配合比设计掺入聚丙烯纤 维( 单丝、网状) 、聚烯烃纤维、钢纤维等增强材料； 试验路表明，铣刨后沥青层剩余厚度对u t w 路面的荷载应力和裂缝的产 生有影响； u t w 路面板可以明显提高旧沥青路面的承载能力； 板厚度、沥青层厚度、接缝间距、混凝土强度与耐久性、层间粘结等是 u t w 路面的主要影响因素。 总体而言，国外对u t w 路面的研究尚处于试验路研究阶段，对u t w 路面的 实际使用状况及各种因素的影响进行了大量研究，但仍不够系统、全面，在u t w 路面的设计理论与方法方面的研究，仍是空白。 第一章绪论7 1 3 研究内容和预期目标 一般对整体混凝土而言，其破坏的发源地是在骨料与浆体之间的界面过渡区。 同时，如果把旧混凝土看作无限大的粗骨料，则新旧混凝土的界面为新旧混凝土 修补后的薄弱环节。因此，如果能解决新旧混凝土的界面粘结问题，对“白+ 白” 超薄混凝土罩面及混凝土的维修技术具有重大意义。 为了全面了解和系统的研究新旧混凝土界面粘结的性能，对新旧混凝土的界 面粘结强度改善进行研究，以便得到适合实际工程的技术。主要研究内容和预期 目标如下： 分析目前常用的几种评价粗糙度的方法，并对每种方法的优缺点进行评 述；得出一种简便易行的测量粗糙度的方法。 分析目前常用的几种旧混凝土表面的处理方式，并对每种方法的优缺点进 行评述，进行高压水射法处理和人工凿毛处理的粘结性能比较并得出结论。 研究新旧混凝土界面剂、改性砂浆界面剂的配方对新旧混凝土粘结强度的 影响，通过试验得到各个因素的最佳参数和影响规律。比选或研发出适合白色超 薄罩面的界面剂和改性砂浆界面剂。 利用改性砂浆界面剂铺筑试验路段，验证试验取得的最佳改性砂浆的配合 比，并对“白+ 白”超薄水泥混凝土罩面的施工工艺进行研究。 8 第二章粘结面粗糙度的评价及处理方法 第二章粘结面粗糙度的评价及处理方法 2 1粘结面粗糙度的评价方法 对于新旧混凝土的粘结，粘结面粗糙度是一个极为重要的参数。它包含了粘 结面微观机理和基本信息，是混凝土微观结构以及其他复杂因素的一个综合反映。 粘结面粗糙度也是影响粘结性能的重要因素。因此，粘结面粗糙度的测量对于混 凝土粘结至关重要。 2 1 1 粗糙度评价方法 到目前为止，国内外还没有相应的规范或规程对新旧混凝土粘结界面的粗糙 度评定方法做出明确的规定。美国内务部垦务局编制的混凝土手册中要求【9 】：在补 浇新混凝土前，要把坏的、松动的和未胶结好的混凝土用铁凿或其他适用工具全 部除掉，然后用水砂枪、风动凿岩机或其他适当的方法打毛、清扫干净并干燥。 我国混凝土结构设计规范指出：叠合式受弯构件的叠合面处理应根据叠合面的受 剪强度要求来进行，常用的方法有：人工叠合面( 包括凹凸形或锯齿形叠合面) 和自 然粗糙面( 指混凝土振捣后不加抹平而形成的有一定凹凸起伏的自然表面) 【2 l 】。目前 国内外对处理后的粗糙度较常用的评定方法有：灌砂法、触针式粗糙度测定仪法、 分数维法、硅粉堆落法等。 灌砂法 灌砂法是目前试验研究中广泛采用的较为简单的方法，其测量方法是：用四 片塑料板将混凝土处理面围起来，使塑料板的最高平面和处理面的最高点平齐， 如图3 2 所示。在表面上灌入标准砂且与塑料板顶面抹平，以平均灌砂深度表示处 理面的粗糙度。测得标准砂的体积，则平均灌砂深度可用砂的体积除以处理面的 面积来表示即： 平均灌沙深度= 面雨穗高耄嚣要篆 触针式粗糙度测定仪法 日本学者足立一郎在对混凝土处理面粗糙度的研究中，把经过处理的凸凹不 平的混凝土表面1 0 l o e m 2 沿两个边长方向均分为1 9 个断面，共3 8 个断面【2 2 1 。 混凝土表面的形貌可用触针式粗糙度测定仪精确地测量出来。这种仪器的工作原 理是一支非常尖细的触针在混凝上表面以恒定的速度被水平向驱动。触针的竖向 位移通过传感器转化为电流的变化。通过这两个方向的位移传感器和x - y 记录仪相 联。触针水平向驱动的速度和记录纸水平向走动的速度，可用一个选择按钮来决 第二章粘结面粗糙度的评价及处理方法9 定其放大系数。电放大信号可以使竖向位移在记录纸上最大放大几千倍。放大的 幅度也可通过按钮来选择。用这种粗糙度测定仪沿一个边长方向走出一组凸凹曲 线。把每根凸凹曲线附近的与处理面最高点相联系的水平面a 表示在凸凹曲线图 上，得到围成的面积a i ，a i 乘以其测定断面的相应间隔b i ，而后叠加得到体积v = a i b i 。粘结面的垂直投影面积为a 。处理后得到平均深度d = v a 利用这个平均 深度，可以定量描述粘结面的粗糙度。 分数维法 分数维法又称断面垂直剖面迹线法，这种方法采用功率谱法分维、高差法分 维和变步距法分维对粗糙度进行研究。研究表明，这三种方法都适用于粘结面粗 糙度的定量评估，且高差法分维更适用于在工程中应用。 硅粉堆落法 硅粉堆落法是欧洲建议的评价粗糙度的方法。5 0 9 粒径在5 0 - 1 0 0 , u m 的硅粉 颗粒自然堆落于粘结面上，形成一个圆形区域，圆形区域的半径被称为粘结面的 粗糙度指数( s r i ) 。粗糙度指数越高，粘结面越光滑。如果粗糙度指数低于2 0 0 m m ， 该粘结面被称为粗糙；如果粗糙度指数高于2 5 0 m m ，该粘结面被称为光滑；中间 为轻度粗糙。 观察法 这种方法是采用表面粗骨料暴露的百分比来度量表面粗糙度： 即 a 级粗糙度：约有1 0 的粗骨料可见； b 级粗糙度：约有3 0 - - 4 0 的粗骨料可见； c 级粗糙度：约有6 0 - - 一8 0 的粗骨料可见。 对此只能靠经验观察来定，试验结果表明：a 级粘结性差，b 级粘结性好。c 级界面抗剪强度比b 级略有增大。故b 级粗糙度较合适，b 级粗糙度的试件的粘 结破坏强度较古【6 1 。 2 1 2 灌砂法测量粘结面的粗糙度 试件的尺寸及浇灌方式 试件均为1 5 0 m m x l 5 0 m m x l 5 0 m m 旧混凝土从正中切割成尺寸的相同的长方 体试块，其中旧混凝土的尺寸为1 5 0 m m 1 5 0 m m 7 5 m m ，对其表面进行处理后， 量测粗糙度，用清水将表面冲洗干净，使表面无明水存在，刷上界面剂，把旧混 凝土放在试模的底部，处理过的表面朝上，然后将新混凝土竖向浇灌在他的上面。 灌砂法测量新旧混凝土粘结面粗糙度的原理及方法 原理于图2 1 所示，在粘结面的四周围上塑料板，塑料板顶面与粘结面凸部的 1 0 第二章粘结面粗糙度的评价及处理方法 最高点齐平，将细密的标准砂填充于粘结面和塑料板顶面间。填充的标准砂体积 的大小，与粘结面粗糙度成正比。图2 1 ( a ) 、( b ) 所示的粘结面凹凸起伏较均匀，图 2 1 ( a ) 的灌砂体积小于2 1 ( b ) 粘结面。图2 1 ( c ) 所示粘结面凹凸起伏分布不均匀，这 时灌砂体积就不能真实反映粘结面的粗糙度。但灌砂法量测所需仪器简单，操作 方便，对凹凸起伏较均与的粘结面可以较好的评价其粗糙度。 图2 1 粘结面剖面图 f i g 2 1 t h e s e c t i o n a lv i e wb o n d i n ga r e a 方法如图2 2 所示，将要量测的试块置于水平的平台上，用4 片塑料板环绕着 混凝土的粘结面，使塑料板的最高平面和粘结面凸部的最高点齐平，往其中灌入 标准砂超过粘结面，然后将塑料板顶面抹平。将试件粘结面上的砂全部倒入量筒 中，测出其体积。重复以上操作程序3 次，取平均值。粘结面粗糙度的平均深度 按下式计算： 平均灌沙深度= 面汛丽翥器裂篆笔 粘结面 灌砂部分 图2 2 灌砂法测量粘结面粗糙度的示意图 f i g 2 2t h es k e t c hm a ps a n dr e p l a c e m e n tm e t h o dm e a s u r eb o n d i n ga r e ar o u g h n e s s 第二章粘结面粗糙度的评价及处理方法 1 1 2 1 3 分数维法测量粘结面的粗糙度 试件的尺寸及浇灌方式 同上节灌砂法量测的试件尺寸。 分数维法的测量原理 分形几何理论的创始人是美籍科学家m a n d e l b r o t b 2 3 1 ，他于1 9 7 5 年在分形 几何：形、机遇和维数一书中创造了“分维 这样一个新的科技单词；于1 9 8 6 年提出了分形的定义：分形是其组成部分以某种方式与整体相似的形。普通的几 何对象，具有整数维数，零维的点、一维的线、二维的面、三维的体是人们熟悉 的例子。分形几何的价值主要在于它在极端有序和真正混沌之间提供了一种中间 可能性。从一般意义上来说，分形维数是用来衡量一个几何集或自然物体不规则 和破碎程度的数，分维值d 越大，反映的断裂面越复杂。 曲线的分数维定义是：设具有分形特征的曲线，它是由n 条等长直线段接成 的折线段，若此折线段两端的距离与这些直线段长度之比为l r ，则曲线的维数d 为： d ：旦 2 1 l g ( 1 r ) 由此可导出其他两公式： 妻 d = l 岫( 1 9 n l g r ) 2 2 n ：( 1 r ) d ：r d 2 3 当起始线段的长度为单位长度时，r 可看作是生成器的小直线段长度。当划分 过程一直持续下去，r 逐渐变小，由公式2 1 、公式2 2 、公式2 3 得到的折线段数 目越来越多，曲线总长度l ( r ) 为： l ( r ) _ n x r = r ( 1 一m2 4 公式( 2 1 ) - - - ( 2 4 ) 给出了起始线段为单位长度时，d 、，、三四者之间的关 系。如果起始线段不是单位长度而是厶，则所测量的折线长度将满足： l = 厶，1 一d 2 5 l g l = l g 厶+ ( 卜d ) l g r 2 6 用不同的步距r 测出待测面上迹线不同的长度。代人公式( 2 6 ) ，在l g l - l g r 坐 标系下进行回归，即可求得待测面的分数维数d 。 分维仪结构及使用方法 1 2 第二章粘结面粗糙度的评价及处理方法 清华大学对【2 4 】净浆、砂浆和混凝土断面线上的各点坐标进行了测定，由此求 得了断面分数维。实测结果表明，净浆、砂浆、混凝土的断面均具有分维结构， 可以用分形几何加以描述。研究表明，海岸线具有分形的特点。混凝土粘结处理 面同海岸线具有共同的特点，在一定意义上都无限长，可取垂直于粘结处理面方 向的剖面迹线来考察。虽然任意两条剖面迹线的形状都不相似，但如果从任取的 两条迹线找出其共同的特点，这个特点就可用来描述新旧混凝士粘结面的粗糙度。 大连理工大学对这方面做了研究【2 5 1 ，自制了一台仪器如图2 3 所示： 3 闻扁板l 棚一蛰；卜鞠垫与底饭固定螺丝i 卜角铜立挂i5 j x 向辩标卡民l i 子x 向甜标卡足2 i7 - 一x 向潞标卡尺与铜证拄固定 螺丝l 蚍柱与x i 笥卡尺同联结钶槽j 卜y 内游标卡尺li 卜y 向 卡民脚il l x 瑚卡尺脚i ：i 卜x 向卡尺脚2 ：i 卜探度游标卡尺； 1 4 一承钩台i1 卜荫井；1 5 试件y 向踟面线 图2 3 分维仪结构与工作原理示意图 f i g 2 3t h es k e t c hm a pf r a c t o li n s t r u m e n ts t r u c t u r ew i t hp r i n c i p l eo fw o r k 第二章粘结面粗糙度的评价及处理方法1 3 由图2 3 可见分维仪的各个组成部分。x 、y 向游标卡尺长度均为6 0 m m ，刻 度单位为r a i n ，其精度和深度游标卡尺的精度均为o 0 2 m m 。测量时，调节x 向游 标卡尺与底板的相对高度、x 向两卡尺的间距，以保证两卡尺尺身分别与底板平 行、两卡尺尺身平行，记录x 向卡尺脚的坐标值。调节y 向卡尺的微调旋钮从左 到右进行测量，每精确移动l m m 读取y 向卡尺上的水平坐标和深度卡尺l 的深度 1 8 坐标。待测迹线的垂直投影长度为1 4 4 m m 测定粘结面上一条迹线需读取1 4 5 对坐标、当第一条迹线测量结束后，将y 向卡尺脚移至初始位置，将x 向两卡尺 脚向x 值增大方向移动相同的距离，测量第二条剖面迹线。重复以上操作程序， 就可以得到多条等间距的平行剖面迹线。 这种方法较前述方法能更准确地定量评定粘结界面的粗糙度。是近年来在岩 石和混凝土研究中较先进的一种评定物体表面粗糙度的方法。但该方法测试也需 要一个相对的基准点去测取粘结面的迹线，且设计复杂操作不便，所以也不适于 实际工程中测定混凝土粘结面粗糙度。 2 1 4 灌砂法与分数维法测定粘结面粗糙度之间的关系 分数维法测量结果较为精确，但操作起来很麻烦。根据文献 1 8 烟台大学对灌 砂法和分数维法测量的试验结果进行对比研究，建立了二者之间的关系。 表2 1 为灌砂法和分数维法测量的反映粘结面粗糙度的灌砂平均深度和分维 值d 的对照表。 表2 1灌砂法和分数维法测量粘结面粗糙度的对照表 t a b 2 1t h es y n o p s e so fs a n dr e p l a c e m e n tm e t h o da n df r a c t a ld i m e n s i o nf a r a dm e a s u r e b o n d i n ga r e ar o u g h n e s s 灌砂平均灌砂平均 试件编号线分数维d试件编号线分数维d 深度( m m )深度( m m ) 1 1 21 1 1 l l1 0 5 2 21 5 81 1 5 5 61 0 3 2 7 1 2 7 1 1 5 5 61 0 3 6 61 5 91 1 4 6 71 0 4 6 0 1 2 81 1 l l l1 0 3 9 41 6 l1 0 0 0 0 1 0 2 3 4 1 3 1 51 0 6 6 71 0 3 5 41 6 1 40 8 6 6 71 0 2 7 3 1 3 1 60 9 3 3 31 0 2 8 91 6 71 0 6 6 71 0 2 6 7 1 3 1 81 1 3 3 31 0 3 4 81 6 8 0 8 6 6 71 0 2 9 5 1 3 2 1 1 1 l l 1 0 4 6 31 6 91 0 0 0 01 0 3 4 6 1 3 31 0 6 6 71 0 3 3 i2 1 22 2 2 2 21 0 7 3 7 1 3 41 2 8 8 91 0 4 9 32 1 61 5 1 l l1 0 4 4 0 1 5 l0 9 3 3 31 0 2 4 62 2 l 2 2 6 6 7 1 0 7 4 7 1 5 1 0 1 1 6 6 71 0 2 6 2 2 32 1 3 3 31 0 8 4 2 1 5 1 20 9 3 3 31 0 5 1 53 l1 02 0 4 4 41 0 7 9 9 1 5 20 9 3 3 31 0 2 23 l1 22 0 4 4 41 0 7 5 0 1 5 3