（材料学专业论文）沥青铺装与桥面板层间粘结改善技术研究.pdf

摘要 桥面铺装由于其结构和所处环境的特殊性，铺装层极易遭到破坏，其中以桥 面板与沥青铺装层层间的推移破坏最为严重。本文通过借鉴国内外有关经验，创 造性的将露石混凝土路面的技术理论运用到桥面铺装之中，提出了一种高摩阻界 面抗推移桥面铺装结构。 本文以层间抗剪强度作为评价指标，通过室内对比试验研究了不同层间界面 结构类型、防水材料种类及用量对层间稳定性的影响规律；研究了桥面板与沥青 面层接触条件对沥青铺装路用性能的影响规律，并设计了层间疲劳试验方法；本 文还运用a n s y s 有限元软件，对不同界面型式的桥面铺装结构进行了力学计算 与分析。试验及理论分析表明：露石桥面铺装结构可以大幅提高层间稳定性，达 到改善沥青铺装路用性能及提高其使用寿命的目的。 关键词：桥面铺装，桥面板，露石水泥混凝土，抗剪强度，界面结构类型， 防水层，路用性能，有限元 a b s t r a c t b e c a u s eo fp r o p e r t yo f b r i d g ed e c kp a v e m e n ts t m c t u r e 锄de n v i r o n m e n tw h e r ei t l o c a t e s ，b r i d g ed e c ko v e r l a yw i l lc a u s e st ob ed e s t m c t e de a s i l y e s p e c i a l l y s p l i g a g e ， o n eo ft h ed i s e a s e s ，w h i c hw a sc r e a t e db e 附e e nt h eb r i d g ed e c k 觚da s p h a l tp a v e m e n t l a y e r ，i sm o s ts e r i o u s n i sp a p e r r c f e r r i n gt 0 t h ed o m e s t i c 觚df o r e i 印r c l a t e d e x p e r i e n c e s ， w i l li n t r o d u c et l l et e 州c a lt h e o r yo fe x p o s e d a g 伊e g a t ec e m e n t p a v e m e n ti n t ot h eb r i d g ed e c kp a v e m e n tc r e a t i v e l y ，觚da d v 锄c ea n e ws t m c t u r eo f b r i d g ed e c kp a v e m e n t t 1 1 r o u g ht h ea p p r a i s a li n d e x o fs h e 盯s t r e n 昏h ，t h i sa n i c l eh a sc a r r i e d o nr e s e a r c ho fi n n u e n c er e g i l l a ro fs t a b l i l i t yo fd i 能r e n ti n t e m c es t l l l c t u r et y p e 孤d w a t e 印r o o f tm a t e r i a lt h r o u g ht l l ei n d 0 0 re x p e r i m e n t ；w eh a v es t u d i e dt h er e g u l a r o fp e d ；：d r m a i l c ei n n u e n c e db yc 0 n t a c tc 0 n d i t i o n0 fl a y e r sa l s o ，觚dh a v ed e s i 印 e dt l l ef a t i g u et e s tm e t h o db e 柳e l a y e r s m e c h 柚i c s 强a l y s i s 锄dc a l c u l a t i o no f d i f f e r e n tc o n t a c ts u r f a c ef b 衄a r ec a r r i e d0 ni n t h i sa n i c l eb ya n s y sf i n i t e e l e m e n ts o f 时a r e t 1 1 et e s t 孤dt h e o r e t i c a l 雒a l y s i si n d i c a t e dt l l a t ：e x p o s e d - a 鹊r e g a t eb r i d g ed e c kp a v 锄e n ts t n l c t u r ec 觚e n l l 锄c et l l ec a p a b i l i t yo fs t a b l i l i t yb e m e e n l a y e r sl a r g e l y ，a n dc a i li m p r o v et h er o a dp e d - 0 珊强c eo fb r i d g ed e c kp a v e m e n t 强dp r o l o n gt l l es e r v i c el i f e0 fi t k e yw o r d s ：b r i d g ed e c kp a v e m e n t b r i d g ed e c ke x p o s e d 。a g 笋e g a t ec 锄e n t n c r e t ei n t e r f a c es t m c t u r et y p e w a t e r p r o o f i n gl a y e r s h e a r s t r e n g l l t hp a v e m e n tp e b n n a n c e f i i l i t ee l e m e n t 、 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导舾的指等下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明弓i 雳的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论 文中不包含经何来加明确注明的其他个人或嶷体已经公开发表的成 巢。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：看荔李离 鄹衫年f 月豳 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作晶，知识产权归 属学校。学校享有以彳壬何方式发表、复制、公开阅览、借阕以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接楣关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：予精渤a 卯年f 月，嚣 导师签名：寥爿肛_ 。形年；月日 、 f 第一章绪论 1 1 问题的提出和研究意义 近年来，我国公路桥梁建设发展迅速，桥梁结构不断创新，桥梁建设已达到了 世界领先水平。但是，作为桥梁结构( 尤其是水泥混凝土桥梁结构) 重要组成部 分的桥面铺装方面的有关研究却略显滞后。桥面铺装的设计与施工仍沿用传统的 习惯做法，在进行桥梁结构设计时，对桥面铺装层一般不作专门的设计分析，这直 接导致了桥面铺装层过早的出现了一些病害。根据调查显示，在这些病害中由于 沥青铺装与桥面板层问粘附力过小而造成的铺装层推移、拥包病害表现的最为严 重。铺装层推移、拥包病害的产生主要是因为桥面铺装处于复杂的应力和应变状 态中，同时，车辆在大纵坡的桥面上行驶以及在车辆的频繁起动、制动引起的水 平力作用下，铺装层与桥面板之间产生了较大的剪应力，当沥青铺装与混凝土桥 面板层间界面粘附力过小，剪应力超过层间粘结层的极限剪应力时，就会在水平 方向上产生相对位移而发生剪切破坏。铺装层层间的推移、拥包病害不但影响了 桥梁的美观，给维修工作带来了很大困难，同时妨碍了正常交通，降底了桥梁的服 务水平，严重时更易造成交通事故，带来不可挽回的损失。因此，保证铺装层与 桥面板之间良好的稳定性，是桥面铺装体系功能实现的必要条件。 目前我国对钢桥面铺装的研究开展的比较广泛，对于提高桥面铺装层的层间 抗剪能力也取得了一定研究成果。但对数量较多的混凝土桥及组合桥桥面铺装的 相关研究主要集中在分析铺装层结构的受力变形特点，以及对铺装层材料的性能 要求上，而这些研究成果对提高桥面铺装的抗剪能力、提高层间稳定性及路面使 用性能、增加桥面铺装使用寿命的效果有时却不太显著。根据研究，影响桥面铺 装层间抗剪能力的因素主要有二个方面，即桥面板粗糙的表面纹理提供的层间摩 阻力和防水层自身的或与沥青铺装层和桥面板问的层间粘结力。在车辆荷载作用 下，层间的摩阻力随着车辆竖向荷载的增加而增加，而层间防水粘结层提供的粘 结力变化不大，而且，层间的摩阻力往往在层间抗剪能力方面占主导作用。铺装 层层间摩阻力通常又取决于桥面板表面集料间的开放空间、孔隙和沟槽形成的宏 观构造以及水平方向0 0 5 硼、垂直方向0 0 2 唧微小的微观构造。因此，我们 可以通过对桥面板表面进行粗糙处理，增加混凝土表面的宏观构造和微观构造， 以达到提高层间抗剪性能的目的。 本课题就是针对目前水泥混凝土桥梁桥面铺装存在的问题，创造性的采用露 石水泥混凝土作为桥面板，从提高桥面板表面界面纹理，增加桥面板表面的宏观 构造和微观构造入手，提出了防止桥面铺装在荷载作用下产生推移、拥包等病害 的一种新型桥面铺装方法( 即高摩阻界面抗推移桥面铺装结构) 和施工工艺。露 石混凝土和普通混凝土一样，也是由水泥、水、砂、石料及外渗材料组成，不同 的是在表面混凝土铺筑完成后，通过露石剂对混凝土表面进行化学处理，延缓表 面一层沙浆的凝结但不影响主体混凝土的正常凝结硬化，当主体混凝土达到一定 强度后，再除去表面层沙浆，露出粗集料露石混凝土因其外露的粗集料，具有 粗糙的宏观构造和微观构造，因此，露石混凝土桥面板在保持了普通混凝土桥面 板强度高、使用寿命长等特点的基础上，大大提高了界面的粗糙程度，进而增加 了桥面铺装层间抗剪性能及层间稳定性，提高了水泥混凝土桥梁沥青铺装层的使 用寿命。 本研究项目可在多方面直接为水泥混凝土桥梁桥面铺装大厦积施工提供技 术支持；所研究的沥青铺装与桥面板层间粘结改善技术，将突破传统方法，较大 幅度提高层间抗剪强度，从而提高沥青混合料铺装的使用寿命；此研究将为我国 公路桥梁的桥面铺装修筑技术，提供重要的参考数据，也将丰富、充实桥面铺装 的理论内容。所以，本研究成果具有广阔的应用前景，将获得难以估计的社会、 经济效益。 1 2 国内外研究现状及分析 近几年，国内外的有关科研人员对桥面铺装这个世界级的难题开展了广泛的 研究。在发达国家，其桥梁建设发展较早，在桥面铺装方面技术也较为成熟，像 日本和欧洲的一些国家有专门的桥面铺装方面的规范，对桥面铺装层层间设计和 施工工艺有比较细致的要求。 在提高铺装层层间稳定性研究方面，主要从以下两个方面入手：一方面，选 择抗剪性能好的沥青铺装结构型式。通过桥面铺装结构力学分析明确铺装层结构 的受力状态，进而找到符合桥面铺装层的材料及其性能指标和结构形式，如近几 年在桥面铺装中得到了广泛应用的改性s m a 沥青混合料、环氧树脂薄层铺装等； 另一方面从界面处理方面入手，主要的方法有喷洒防水粘结层、布加强筋和表面 粗糙处理。在梁板体表面喷洒高效的防水粘结层可达到增加铺装层与梁板体间的 2 粘结力的作用；在梁板体表面植入锚筋，可增强铺装层与梁板体间的结合，阻止 脱层和滑移：对于表面粗糙处理方面，国外目前比较流行的方法是喷砂清理法、 抛丸处理及酸蚀法等。喷砂清理是用由清洁压缩空气推动作高速运动的精细磨料 冲击混凝土表面而对其进行表面粗糙处理。经喷砂法处理过的混凝土表面纹理均 匀、坚硬且无其他杂质；抛丸处理是高效、清洁、无尘的混凝土表面处理方法， 抛丸处理设备内部为一个可高速旋转的叶轮，磨料、粉尘及杂质均被清理至杂物 回收机，清理后的钢丸可再被回收利用。经抛丸处理过的混凝土表面洁净而又坚 硬，据有比较均匀的纹理；酸蚀通常使用一定浓度的盐酸溶液使混凝土表面粗糙 化，以除去浮浆层或其他疏松物质。还有一些处理方法如高压水冲毛( 水压达 3 5 肝a 以上) 、机械式钢丝刷刷毛等表面处理方法也据有很好的使用效果。我国混 凝土桥面板表面粗糙处理方面大多还是延用传统的工艺，如凿毛、拉毛、刻槽等 工艺方法，这些方法劳动条件差、强度大、功效低、进度慢，已不适合当前我国 桥梁建设发展的需要。 近年来，我国也引入了国外一些先进的改善层间稳定性的技术方法，但是， 由于国外比较流行的处理方法虽然工效高，但工艺过于复杂、造价高、配套设备 加工困难，有时并不适合我国国情。因此，我国应对改善桥面铺装层层间稳定性 方面开展更加深入的研究，研制出适合我国情况的抗剪性能好、施工方便、经济 实用的桥面铺装技术及高效的层问防水粘结材料，在混凝土界面处理方面应找到 替代传统的工作条件恶劣，劳动强度较大的界面处理工艺。 1 3 研究的主要内容 本文在借鉴国内外有关桥面铺装层层间界面处理工艺的基础上，将露石水泥 混凝土的技术理论运用到水泥混凝土桥梁桥面铺装中，以增加铺装层层间的抗剪 性能，提高水混混凝土桥面铺装的路用性能及使用寿命。本文将重点研究以下内 容： ( 1 ) 桥面铺装层间结构层试验评价方法研究； ( 2 ) 层间界面对铺装结构层间稳定性的影响研究； ( 3 ) 桥面板防水层材料对层间抗剪性能影响研究； ( 4 ) 不同界面型式的桥面铺装结构层间理论分析； ( 5 ) 高摩阻桥面板表面处理工艺及在试验路段的研究。 第二章研究方案与试验方法 2 1 研究方案 桥面铺装层间结构的性能不仅受到层间防水粘结层材料自身性能的影响，也 会受到沥青铺装与桥面板的接触状态、铺装层沥青混凝土的性能以及所处工作环 境等因素的影响。本文通过室内试验及理论分析等手段对既定内容进行深入系统 的研究，通过现场铺筑试验路对室内研究结果加以验证与完善，最终提出改善沥 青铺装与桥面板层间粘结稳定性的具体措施。具体的研究方案见图2 一l 所示： + |拉援试验卜- 1l 一i 沥青层间 卜+ | 5 “”1 5 ”l 高摩阻界 铺装 结构 _ 叫层问直剪髓已i 性的聃研究 l 面( 露石 与桥 试验 _ l _ + i 防水材料对层问稳定l 界面) 铺 面板 评价广 ii 性影响研究i 装结构可 层间方法 叫 渗水试验卜_ 。 。 - _ -改善层问 粘结 u i 层问接触条件对沥青l 稳定性、 改善 叫层问疲劳试验h 竺兰层鲷雠聃 提高桥面 技术 l 研究铺装的使 研究 - l 不同界面型式桥面铺装结构层问理论分析 用寿命 圈2 _ 1 研究方案设计 2 2 层问结构层试验评价方法 2 2 1 层问结构层 层间结构层位于水泥混凝土铺装与沥青铺装之间，是桥面铺装的重要组成部 分。层间结构层可定义为以下几个组成部分：混凝土界面层、防水粘结层、防水 层、保护层和沥青面层的底界面层。由于粘结层材料、防水层材料把混凝土桥面 板和沥青混凝土这两种不同的材料粘结起来，共同承受行车荷载，使桥面板和沥 青混凝土协同工作，因此，层间结构层也可称为防水粘结层。防水粘结层是桥面 铺装的应力、应变过渡层，不仅降底了沥青混凝土面层的内部应力，也降底了桥 面板内部各节点的应力。此外，混凝土桥梁建设时为方便施工，一般将粘结和防 水相结合，防水粘结层体系还承担着保护混凝土桥面板内的钢筋免受锈蚀的作 4 用。因此，层间结构层对整个桥面铺装受力体系及桥梁结构的安全性起着举足轻 重的作用。 影响混凝土桥面铺装层间结构稳定性的因素较为复杂，除混凝土表面的界面 纹理对层间抗剪性能有显著的影响外，桥面铺装沥青混合料的性能及防水粘结层 材料的粘结性能和温度敏感性等也是重要的影响因素。粘结层体系中任一环节失 效都会导致粘结层体系整体的破坏，因此在桥面铺装结构层设计中，应综合考虑 粘结层体系各组成要素性能的优化，单独某一层次过强或过弱是极为不利的，应 保证和充分发挥粘结层各组成部分的性能，以构成层间体系协调统一的整体结 构。防水粘结层剪切破坏是桥面铺装的主要破坏类型，控制层间粘结层结构失效 破坏的指标为： f 。舡s i f l ( 2 1 ) 式中： f 一一理论计算得到的混凝土桥面板与铺装层间的剪应力； f f 一一铺装层层间容许的抗剪强度。 当层间剪应力达到粘结层材料的容许抗剪强度时，层间即发生破坏，即失效。 2 2 2 层问结构层试验评价方法 目前我国还没有混凝土桥面铺装粘结层结构的试验评价方法的规范，各科研 机构也往往采用不同的试验方法，其试验结果也较难进行比较参考。本课题组根 据桥面铺装的功能及特殊使用环境，对层间结构体系的性能要求和试验评价方法 进行了如下研究： 2 2 2 1 层间直剪试验 对于在陡坡路段及车辆起动、紧急刹车时的水平力作用下，桥面铺装层间结 构体系应具有可靠的抵抗能力，即防止由于层间抗剪能力不足而发生破坏。该性 能主要通过剪切试验来评价。进行室内直剪试验还可以建立相应的剪切指标，以 供不同界面型式桥面铺装结构正确选用防水层材料及用量，并达到指导设计与施 工的目的。剪切试验采用课题组自行研制的h s s si 型直剪仪来完成，有关h s s s i 型直剪仪及有关直剪试验的详细介绍如下所述： 1 h s - s si 型路面材料剪切试验仪的研制与开发 ( 1 ) 仪器开发的背景 近年来，用于测试路面材料和路面结构层( 包括桥面铺装层) 层间抗剪强度 的试验仪器种类繁多，但是这些仪器不可避免的存在一些问题，主要表现在以下 几方面：国内的一些路面材料直剪仪通常没有考虑竖向力的施加或是通过千斤 顶和液压装置来施加竖向荷载，在剪切试验过程中，由于试件层问剪胀的影响， 会造成竖向荷载稳定性不足的问题。剪胀在露石界面铺装的直剪试验中显的更为 突出； 无法模拟路面的实际工作环境。目前，国内用于路面材料剪切试验的仪 器在控温环节有很大的不足，一方面根本没有控温装置，无法模拟路面工作环境， 另一方面，控温无法达到试验的要求精度；测试精度受到限制，自动化程度不 高，试验数据无法自动采集、分析、处理； 仪器的适用性单一，可操作性不强。 h s s si 路面材料剪切试验仪针对同类仪器存在的一系列问题，提出了相应的改 进措施。本仪器系抗推移混凝土桥面板及其技术的配套试验仪器，除可用于桥面 铺装层的层间剪应力的测试外，同样还可用于其它相关的路面材料和路面结构层 层间的剪切试验。本试验仪器为路面材料和路面结构层( 包括桥面铺装层) 层间 剪切试验研究提供了更科学更完备的硬件基础。 ( 2 ) h s s si 型路面材料剪切试验仪简介 本仪器由长安大学研发，并由西安市亚星土木仪器公司参与制造。该仪器的 主要特点如下： h s s si 路面材料剪切试验仪机械部分由以下部分组成：底座、机械箱、 步进式电动机、温控装置、蜗杆蜗轮连接的轴承、力传感器、杠杆加力系统、杠 杆水平调平器、压力杆、压头、环境箱、观察窗、剪力夹环、滚轴座与导轨、数 据采集仪及控制箱。与同类仪器相比其具有体积小、重量轻、自动化程度高、可 操作性强的特点； 本仪器施加的竖向荷载采用杠杆加载原理。杠杆加载据有竖向荷载施加稳 定准确、加载装置易于操控的特点，并可完全消除剪切时产生的剪胀影响，稳压 效果好。压头与压力杆的连接处采用凹槽型设计，并可自由活动，保证了竖向荷 载施加的均匀性； 为了模拟路面实际的工作状态，在工作装置外加罩了环境箱。环境箱通过 温控装置改变试验温度，控温范围为3 0 6 0 1 ，可模拟正常气温、高温路面 的工作情况； 剪切工作装置采用可开合的圆形剪力夹环设计，可以减小试验试件在养护 期间产生的体积变化对试验带来的影响，增加了试验的可操作性。剪切工作装置 ( 剪力夹环) 为装配式，通过更换不同尺寸的工作装置可满足其他试验的要求； 本仪器由单片机控制，水平方向由步进式电动机驱动，试验数据( 包括力 值与位移) 由数据采集仪采集并通过控制箱显示。试验结果通过数据线传输到计 算机中，并由专门的软件对试验结果自动分析、处理。礤；s si 路面材料剪切试 验仪的专用配套软件的显示主页面、数据提取页面及生成的数据曲线如图2 2 所示： 显示主页面缶) 数据提取页面 图2 _ 2 直剪仪配套软件页面 ( 3 ) 技术指标 垂直荷载：0 5 t 杠杆比例：1 ：5 0 ； 最大剪切力：5 0 k n 1 0 n ； 最大位移：3 嘶m ； 剪切数率：o 5 0 衄i n ； 数据采集率：o 1 鲫采集一次； 控温范围：3 0 6 0 1 。 2 试件的成型 采用四种界面型式进行剪切对比试验，即分别对混凝土表面进行露石、刻槽、 凿毛和原状处理。其中，桥面板在进行露石处理时，露石剂的喷洒剂量定为 3 0 0 9 m 2 ，露石深度控制在3 4 哪，构造深度约2 岫；刻槽界面的深度控制在3 唧 左右，槽的间距为1 5 啪；凿毛界面的凿毛点深度为2 3 衄，清除水泥混凝土 表面浆皮光滑面积达8 0 以上；原状界面是对混凝土表面抹面后不加任何的特 殊处理。另外，四种界面型式的防水层材料统一采用s b r 改性乳化沥青，按最佳 7 用量分三层涂刷( 四种界面防水材料最佳用量的确定详见第四章) 。 对于层间直剪试验，国内并没有对所用试件尺寸进行标准化，各种用于层间 直剪试验的试件尺寸各不相同，对试验结果产生了一定的偏差，不利于对桥面铺 装层间稳定性能进行统一评价。为此，本课题组加工了用于直剪试验专门的成型 模具，使试件规格标准、统一。成型水泥混凝土的试模尺寸为乃1 5 2 咖x 8 0 聊 的圆柱体，成型前应在试模内壁四周涂抹机油以便于脱模。将成型好的水泥混凝 土试件在养生室至少养生7 d ，再按照施工的实际情况涂抹防水材料后放入标准 套桶中。套桶的尺寸为乃1 5 3 m 8 0 哪，内径比水泥混凝土试块大l 珊，方便水 泥混凝土试件的取放。之后在水泥试件套桶上套上彩1 5 2 衄x1 2 0 衄的沥青混凝 土试模，用4 c m 厚的压盖将沥青混合料压入试模中，静压压力约为1 4 0 酬成型 好的标准试件的尺寸为囝1 5 2 岫x1 6 0 咖。 3 层间直剪试验步骤 使用船一s s i 路面材料剪切试验仪进行直剪试验的主要步骤如下： 预先把直剪仪的参数设置在试验条件下，将法码放置在加力杠杆的一端， 并用杠杆水平调平器将杠杆调平固定； 将成型好的标准试件从控温箱中取出，并将试件用剪力夹环固定。然后在 试件的上端放置压头，将压力杆调到预压状态，旋开杠杆水平调平器对试件施加 竖向荷载； 关闭试验仪的环境箱，防止试验环境温度发生变化； 开启剪切试验仪，观察试件破坏和控制箱上力和位移显示值的变化情况， 剪切试验结束时记录最大值和相应的位移值； 将仪器复位，并取出试件； 将控制箱用数据线与计算机相连，通过专用软件对数据进行提取并分析： o 对试验结果进行处理。通过下式计算层问剪应力： f f 。二( 2 2 ) s 式中：f 层间剪应力( h 呼l a ) ； f 一直剪仪测定的拉力值( 1 ( n ) ； s 层间剪切面积( 酽) 2 2 2 2 拉拨试验 为了测试层闻防水粘结层自身及与混凝土桥面板和沥青混合料之间的粘结 强度，研究不同因素对层间粘结力的影响规律，应对不同界面的铺装结构进行直 接拉拔试验拉拨试验可以根据试验盐线峰值明确判断粘结层结构的粘结强度， 同剪切试验相比拉拔试验还可以根据破坏界面清楚的判定粘结层结构体系韵薄 弱环节。拉拨试验所用仪器及试验步骤如下： 1 试验仪器 拉拔试验采用长安大学公路学院自行开发的l g z l 型结构层材料强度拉 拔仅，该仪器主要由底座、拉拨盘、联接母、拉杆、力传感器、螺杆、马达、提 手、涡轮和涡杆等组成，如图2 3 所示。l g z 一1 型拉拔仪可用于路面、建筑防 水粘结层的拉拔试验。仪器可以设定拉拔速度并控制步进电机自动工作，现场采 集数据、存储、显示、处理、保持峰值等。戳法蹯接口可与p c 连接通过专用软 件对数据自动处理分析。 2 试验步骤 按照标准的马歇尔试件尺寸成型水泥混凝土试件，并同时对混凝土表面进 行露石、刻槽、凿毛和原状处理； 对四种不同界面型式的圆柱体试件表面涂刷s 腿改性乳化沥青防水粘结 层，之后用静压法在其上粘结沥青混合料； 待沥青混凝土冷却脱模后，用环氧树脂将其无防水层的一端粘在拉伸圆板 上，并施加一定的压力使试件粘结牢固，另一端则粘结可与拉拨仪相连的拉拨盘。 用于拉拨试验的试件如图2 3 所示； 2 4 - 4 8 小时后，待环氧树脂固结后，将试件放到拉拔试验仪上，并调节仪 器试验参数开始进行拉拔试验。试验时注意不能使试件偏心受拉。试验过程如图 2 4 所示； 拉拨试验结束后，将拉拨仪控制箱用数据线与计算机相连，通过专门的软 件对数据进行提取并分析； 对试验结果进行处理。通过下式计算层间粘结力： c a ； ( 2 3 ) 式中：c 一层间粘结力( l p a ) ； 9 f 拉拨仪测定的拉力值( 1 ( n ) ； s 层问剪切面积( m 2 ) 。 圈2 - 3 拉援用试件 图2 _ 4 拉拔试验过程 2 2 2 3 渗水试验 为了防止渗入到层间的水对桥面板钢筋的锈蚀，影响桥梁结构的耐久性，桥 面铺装要有一定的防渗能力，这主要通过渗水试验来评价。目前我国还没有有关 桥面铺装防水层不透水性检测的统一标准。一般对桥面防水层的防水性能的检测 只是参考建筑防水材料的性能检测试验。对屋面防水工程而言，一般要求防水材 料耐水压o 1 o 3 肝a ，保持不渗水时间为3 0 i n 即为合格。然而，桥梁结构存在 其特殊性，存留在层间的水分在高速行车荷载的挤压作用下产生瞬间巨大的脉冲 动态水压，这个压力要远大于用于建筑防水试验的o 3 驴a ；同时，在沥青面层铺 筑过程中，防水层需经受主要来自于面层摊铺时的机械损伤和高温骨料刺破作用 的影响，工作条件更加苛刻，防水层也更易遭受破坏，因此，建筑用防水材料防 水性能的检测试验并不适用于桥面防水体系中。 1 0 为了评价桥面铺装层层间防水材料的不透水性能，渗水试验选用长安大学研 制的l g z _ l 桥面专用防水层试验仪。渗水试验所用试件及试验仪器与试验步骤如 下所述： 1 试件醛成翌与试验仪器 成型3 0 c x3 0 c m ，高度为5 的水泥混凝土板，表面进行粗糙处理后在上面 涂抹防水层。将水泥混凝土试块置于1 0 伽商的车辙试模中，然后将中央剪有内径 1 0c m 圆孔的3 0 锄3 0 锄的防水卷材铺在水泥混凝土表面，按照公路工程沥青 及沥青混合料试验规程( j t j 0 5 2 - 2 0 ) t 0 7 0 3 一1 9 9 3 ( 轮碾试验) 中所述方法 成型试件，在室内模拟沥青路面旌工时对防水层的碾压。在试件成型完成后，立 即去除沥青罩面层，露出内径为l o c m 的石料刺破层，以供后面渗水试验使用。其 中，露石界面渗水试验所用试件如图2 5 所示： ( a ) 丙稀酸脂防水层0 0s 昧防水层 国2 _ 5 骶沥青混合料后的露石混凝界面防水层 试验仪器选用长安大学研制的l g z i 桥面专用防水层试验仪。该仪器主要由 气压表、充气口、上夹紧螺栓、加压筒、下夹紧螺栓和底座组成，加压筒可加压 o o 7 蛐a 的压力，可模拟动水压力对防水层的作用。 2 防水层渗水试验步骤 将成型好的试件置于渗水仪的下底座上，在试件表面沿渗水仪加压筒四周位 置抹一薄层密封材料，边涂边用手压紧，使密封材料嵌入试件与渗水仪之间的缝 隙，再将渗水仪的加压筒底座与渗水仪的下底座用螺栓联接并夹紧。待密封材料 干燥硬化后，给加压筒加水至筒的2 3 处，之后，将上压板与加压筒用螺栓联接 并夹紧，防止加压筒中的水分蒸发，同时给加压筒充气( 可用打气筒) 至规定压力， 保持规定时间；观察车辙板侧面的渗水情况，并记录开始渗水的时间。试验过程 见图2 6 所示： 圈2 - 6 渗水试验 2 2 2 4 层问疲劳试验 层问结构体系良好的抗疲劳性能是保证铺装层耐久性的重要因素。桥面铺装 层间结构在车辆荷载反复冲击、碾压作用下，层间长期处于应力应变的迭变状态， 致使铺装层间的结合状况发生变化，其防水粘结层与桥面板的粘结作用、不同界 面的表面颗粒与防水粘结层及沥青混合料的嵌挤作用会发生不同程度的衰减，因 此有必要对层闯的疲劳性能进行分析。粘结层各项指标的衰减主要通过层问疲劳 试验来评价。 1 试验方法 按本章2 2 2 3 节所述方法成型若干不同层间界面形式的3 0 0 唧3 0 0 衄x 1 0 0 哪的复合试件，再将试件切割成3 0 0 衄1 0 6 衄1 0 0 咖的粱以供层间疲劳试验 使用。 采用m s 试验机，用梁式试件和控制应力及三分点加载方式进行两种界面 桥面铺装结构的室内弯曲疲劳试验。试验时首先测定普通沥青混凝土加铺层结构 的极限破坏荷载，然后取o 6 倍的极限荷载作为疲劳荷载。这里测得复合梁折断 时最大力值为7 3 4 刚，所以4 5 烈为施加荷载的峰值。疲劳试验的试验温度为2 5 1 ，采用1 0 h z 正弦波作为加载波形。仪器旌加荷载的模形如下： 图2 1 7 仪器施加荷载的模式图 将不同界面的试件分成五组，分别施加0 h 、2 h 、4 h 、8 h 、1 0 h 的交变荷载。 经受一定时间的交变荷载作用之后，将梁取下，并将梁受力最严重的中心 处切割为方体试件，试件尺寸为1 0 6 咖1 0 6 岫1 0 0 珊。对切割后的试件进行直 剪试验，分别检测受力o h 、2 h 、4 h 、8 h 、1 0 h 时试件的层间抗剪强度，并分析层 间剪应力与位移的关系，比较疲劳试验后，不同界面铺装型式层间剪应力的变化 规律。其中，直剪试验试验温度为2 5 ，剪切数率为5 嘲m i n ，竖向力为o 7 m p a 。 2 3 试验所用材料技术性质及材料配合比 2 3 1 试验所用材料技术性质 1 水泥的技术性质 本课题试验用水泥采用陕西省某品牌4 2 5 。水泥，水泥的具体性质及力学指标 如表2 1 所示： 襄2 _ 1 水泥技术性质 表观密度标准稠度初凝时间 终凝时间 3 d 强度( 肝a ) 指标安定性 ( g c m 3 ) ( )( h )( h ) 抗压 抗折 4 2 5 。3 1 2 52 6 32 2 3 4 5 5合格3 1 95 2 2 沥青的技术性质 本试验所用沥青采用克拉马依9 0 。重交通石油沥青，试验用沥青的技术指示 符合公路工程沥青及沥青混合料试验规程( j t j 0 5 2 2 0 0 0 ) 的有关要求。其技 术性质见表2 2 ： 表2 - 2沥青的技术性质 检验项目检验结果a h 9 0 技术标准 针入度( 2 5 。1 0 0 9 ，5 s ) o 0 1 m 8 6 38 0 1 0 0 2 5 1 5 01 0 0 延度、不小于5 c m m i n ( 锄) 1 5 1 l o1 0 0 软化点( 环球法) ( ) 4 8 54 2 5 2 溶解度( 三氯乙烯) 不小于( ) 9 9 29 9 o 质量损失( ) - o 0 7 1 0 07 5 延度不小于 1 5 8 3 f 闪点( 开口式) 3 0 0 2 3 0 密度g c m 3 0 9 9 3 碎石的技术性质 用于建造露石水泥混凝土桥面板及沥青铺装层所用碎石应具有更加优良的 性能，试验用碎石的技术力学性质见下表： 裹2 - 3碎石的技术指标 集料类型)视密度( g c m 3 ) 吸水率( )压碎值( )针片状含量( ) 9 5 3 1 5 料2 7 2 0 5 5 1 0 2 4 5 4 7 5 9 5 料2 7 0 o 4 5 3 8 细集料 2 6 9o 3 3 2 3 2 试验所用材料配合比 1 材料配合比 为了使直剪试验具有代表性，铺装层所用沥青混凝土的级配采用规范公路 沥青路面施工技术规范中的中粒式a c 一1 6 集料级配曲线的中值，沥青最佳用量 的确定这里不再赘述，如下表所示： 表纠 o _ ，鹰沥青混合料级酸 筛孔尺寸 通过百分率( ) ( m ) 1 91 61 3 29 54 7 52 3 61 1 80 6o 3o 1 5o 0 7 5 级配通过率 1 0 0 9 5 8 47 04 8 3 42 4 51 7 51 2 59 5 6 油石比 4 5 为使水泥混凝土露石纹理尽量一致，减小试验误差，本试验所用的水泥混凝 土级配采用9 5 一1 9 啪的单级配，有关水泥混凝土配合比的确定不再叙述，结果 见表2 5 所示 表2 - 5水泥混凝土级配硬配合比 筛孔尺寸 粗集料通过下列筛孔的百分率( ) ( 珊) 2 6 5 1 9 1 69 54 7 5 级配通过率 0 7 5 5 07 52 5 水泥混凝土配合比 水泥砂碎石砂率水灰比 材料用量 4 8 06 6 01 2 0 03 0 o 4 5 第三章层问界面对层问稳定性影响研究 3 1引言 桥面铺装直接铺筑在桥面板上，其受力、变形及使用环境较道路路面要复杂 的多，若是处理不当，桥面铺装层极易出现各种早期病害。理论分析发现混凝土 桥面铺装一般在铺装层与桥面板之间的层间粘结处为最薄弱环节，铺装结构由于 层间结构的稳定性不足而造成的推移、拥包病害占桥面铺装全部病害的很大一部 分比例。桥面铺装层与桥面板间的粘结力和界面同的摩阻力是铺装层的附着基 础，如果桥面板的约束或界面间结合能力差，铺装层在轮载及振动冲击作用下将 会与桥面板分离，出现脱层，这种现象可以认为是桥面铺装的完全破坏。另外， 层间结构还是桥面板与铺装层之间的应力、应交过渡层。层间粘结性好时，由于 最接近层间连续状态，其承受的沥青层传递的剪切力也最大，分担了面层的一部 分荷载压力，这将直接影响铺装的耐久性能，有利于提高路面的使用寿命。因此， 层间稳定性是桥面铺装正常工作的关键。 增加层问结构的稳定性可以从不同的角度去考虑。在材料选择方面，应选择 弹性模量大、抗剪性能好的面层混合料结构类型，以减小层间结构内部剪应力； 防水粘结层方面，应选用粘结性和防水效果好的防水材料，如现今比较常用的高 分子防水材料；在工程中还要通过界面处理的方法提高沥青铺装层与桥面板间的 层问摩阻力以达到提高层间稳定性的目的，最常用的处理方法是水泥混凝土表面 的凿毛、刻槽、拉毛等工艺。总的来说，这些方法在一定的程度上达到了提高层 间粘附力的目地，但是普遍存在一些问题，如采用高性能材料增加了成本，并且 对施工工艺有着十分严格的要求，一般的施工单位无法达到，工程反映的效果也 末必最佳。传统界面处理方法有相当大的弊端，详见第七章。 针对目前存在的问题，本课题组在大量借鉴国内外有关经验的基础上，创造性 的将有关露石水泥混凝土的技术理论运用到改善桥面铺装层间结构稳定性方面，提 出了高摩阻界面抗推移混凝土桥面铺装结构( 施工工艺详见第七章) 。同时，本章 将以层间抗剪强度为评价指标，对不同界面铺装结构进行系统的试验研究，并通过 室内试验进一步说明露石界面铺装结构对提高层间结构稳定性方面的可行性及优 越性。 1 6 3 2 层间接触条件对层间稳定性的影响 混凝土桥面沥青铺装由于层间抗剪强度不足常在温度和车辆荷载的作用下 发生疲劳破坏。我们通过室内模拟试验，采用层间剪切强度来评价层间结构体系 的稳定性能。并分别就环境温度、垂直压力、剪切速率及沥青面层混合料性能对 不同界面处理方式的桥面铺装结构层间抗剪强度的影响规律进行探讨，进而说明 不同界面接触条件对层间结合状况的影响及露石桥面铺装对提高层间稳定性方 面的优越性。 3 2 1 温度对不同层阎界面结合状态的影响 桥面铺装层间结构的防水粘结层一般是沥青质或是高分子防水材料，这些材 料是典型的弹粘性体，在低温时粘度大，层间粘结性能好。但时，当环境温度升 高时( 有时已超过材料的软化点) ，层间材料表现出更多的粘性状态，层间又是 富油区，防水材料在层间起到了润滑的作用，使层间抗剪强度下降，导致层间发 生剪切变形。因此，层间结构对温度的敏感性是桥面铺装能否保持稳定性的关键。 试验分为a 方案和b 方案：a 方案是在层间不铺设防水层，桥面板表面采用 2 2 2 1 节所述的四种界面处理方法，即混凝土表面进行露石、刻槽、凿毛和原 状处理；b 方案为层间铺设防水层，界面处理方法同a 方案。在o 、2 5 、6 0 温度下，对a 方案和b 方案进行直剪试验，以研究温度对层间稳定性的影响规 律。三种温度分别模拟低温、常温、高温时路面的实际温度。试验前分别将试件 在温控箱中保温4 小时以上，并同时打开h s - s si 型直剪仪的温控室，将温度设 置在所需的试验温度上。剪切试验统一采用鼬i n 的剪切速率，竖向荷载为 o 2 职a 。试验结果见表3 1 和表3 2 ： 表3 _ 1a 方案剪切试验结果 弋方案名称 a 方案 温泌 露石( 碉p a )刻槽伽勘凿毛( 肝a )原状( 肝a ) o o 7 8 10 5 1 6o 5 6 40 3 1 0 2 5 o 3 1 20 1 6 0o 2 1 2o 1 3 0 6 0 0 1 9 0o 0 9 00 1 2 0 表3 - 2b 方案剪切试验结果 方案名称 b 方案 哙 温度n 露石( 肝a )刻槽伽p a )凿毛a )原状o i p a ) o o 9 0 l0 7 7 3 o 7 8 1 o 5 5 6 2 5 o 3 9 30 3 0 10 3 3 0o 2 6 9 6 0 0 2 3 70 1 6 1o 1 8 00 1 1 3 对于a 方案，在o 试验条件下，界面分别采用露石、刻槽、凿毛、原状处 理工艺时，试件层间剪应力随位移的增加而增加，当层润的剪应力增大到层间所 能容许的最大值时，层间发生突然的脆性破坏，力值迅速减少至零。层间最大剪 应力的排序依次为露石 凿毛 刻槽 原状。由些可见，0 时当桥面板采用露石 界面时，层间的剪应力最大，而末经处理的原状界面的剪应力相反最小，凿毛和 刻槽界面介于两者之间。由于温度较低，四种界面的层闻抗剪能力比较高，一般 都会满足层问抗剪的使用要求，但是其它性能的差别还有待进一步的研究；当试 验温度为6 0 时，沥青混合料及层间的防水粘结层表现出了更大的粘弹性，水 泥混凝土与沥青铺装层层间的剪应力大幅下降，对于原状界面，试件在搬运的过 程中产生的扰动就使沥青层与水泥混凝土试块发生脱离，而无法测其层间剪应力 的数值。对于其它界面状况，剪应力大小排序没有变化，依次为露石 凿毛 刻槽。 试验温度为2 5 时的层间粘结状况介于o 和6 0 之间，剪应力大小捧序仍没 有变化，露石界面最大，凿毛次之，之后是刻槽，原状界面最小。由表3 1 可知， 在高温时，不同界面铺装结构的层间剪应力衰减程度不同，其中，露石界面衰减 的程度最小，温度从2 5 到6 0 时只有6 4 ，而刻槽和凿毛别分为7 7 8 和 7 6 7 。不同温度下层间剪应力的递减情况见图3 1 所示。 对于b 方案，在三种试验温度条件下，露石界面的层间最大剪应力相对其它 界面型式要大的多。0 试验条件下，四种层间界面结构在直剪试验进行中同样 发生突然的脆性破坏，力值迅速减少至零，剪应力大小排序依次为露石 凿毛 刻槽 原状；在2 5 时，不同界面型式的层间最大剪应力大小排序没有发生变化， 露石界面相对凿毛、刻槽和原状界面层间最大剪应力提高百分率分别为：1 9 1 、 3 0 6 和4 6 ；当试验温度为6 0 时，四种界面型式的铺装层层间剪应力都大幅 1 8 下降，下降的幅度大于a 方案。四种界面在6 0 时的层问剪应力相对2 5 时下 降幅度的捧序为原状 刻槽 凿毛 露石，下降百分率分别为：1 3 8 1 、8 7 0 9 6 、8 3 o 和6 5 8 。由此可见，露石界面结构下降的幅度最小，原状最大，凿毛和刻槽界 面介于二者之间，露石界面结构受温度的影响最小，凿毛和刻槽界面受到的影响 次之，原状界面最显著不同温度下层闻剪应力的递减情况见图3 2 。 从表中的数据可以看出，当层问铺设防水粘结层时，四种界面形式的层间剪 应力都有不同程度的提高，提高的幅度顺序为原状 刻槽 凿毛 露石。由此可见， 原状界面的层间防水粘结层对层间剪应力的影响最大，露石界面影响最小，刻槽 和凿毛介于二者之间。这可能由于原状界面的层间摩阻力最小，层间剪应力主要 由防水粘结层提供，同时，层问的防水粘结层与混凝土界面和沥青铺装界面为面 一面接触，接触面积较其它兰种界面形式要大，粘结力也就最大。另外几种界面 型式的层问防水层材料在最佳用量时与混凝土界面和沥青铺装界面主要是点一面 接触，这在露石界面中表现的最为突出，因此，在这些界面型式中，防水粘结层 对层间剪应力的贡献要比原装界面小的多。防水材料对层间粘结力的影响规律详 见本章3 2 5 节。露石界面的层问剪应力主要是由层闻的摩阻力提供的，因此， 露石界面层间摩阻力对层问剪应力的供献要大于它三种界面型式，如2 5 时， 露石、刻槽、凿毛和原状四种界面层闻摩阻力的供献率分别是：7 9 9 6 、5 3 、6 4 和4 8 ，0 时分别为：8 7 、6 7 、7 2 9 6 和5 眺，这从另一方面说明了露石界面对 高温敏感性较小，对提高层间的高温性能十分的显著 圈3 - l 方案不同温度层问剪应力直方围 圈3 - 2b 方案不同温度层间剪应力直方围 3 2 2 正压力对不同层问界面结合状态的影响 路面在不同等级的车辆荷载作用下层间表现出不同的力学性能，因此分别采 用0 肝a 、o 2 m p a 、0 5 船a 和0 7 肝a 四个荷载等级来分析正压力对不同层间界面 结合状态的影响。层间界面处理方式同上，试验温度为2 5 ，剪切速率定为5 m m i n 。直剪试验结果见表3 3 所示，不同界面结构在各级竖向力作用下的层问 剪应力随位移变化的曲线圈如图3 3