（水利工程专业论文）水泥混凝土桥面沥青铺装应用技术研究.pdf

摘要 本文通过借鉴固内外有关经验，针对桥面防水粘结层的性能要求、破坏特性 和工程使用现状，选_ i f 不同种类的柔性防水粘结材料，通过室内对比试验分析不 同层间界面结构类型、防水材料种类及用量对层问稳定性的影响规律；桥面铺装 层问稳定性、铺装层路用性能。通过试验研究得出，改性热沥青作为防水粘结层 其l 铺筑沥青砂的防水粘结层结构，在物理力学性能方面要优于其他结构。利用 a n s y s 有限7 i 工程分析软件对不同界面形式桥面铺装结构进行力学分析，表明 $ b s 改性热沥青粘结层上铺筑沥青砂的防水层结构相对于普通的防水层结构可 以减小层问剪应变及节点的相对位移，大幅提高了桥面铺装结构层层问的稳定 性，减少了混凝土桥面铺装产生推移、拥包病害的可能性，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：桥两铺装s b s 改性沥青防水层有限元路用性能 a b s t r a c t i na l l u s i o nt oc a p a b i l i t yr e q u i r e m e n t 、d e m o l i s hc h a r a c t e r i s t i ca n de n g i n e e ru s i n g a c t u a l i t yo fw a t e r p r o o f i n gl a y e rt h i sp a p e rr e f e r r i n gt o t h ed o m e s t i ca n df o r e i g n r e l a t e de x p e r i e n c e s ，t h i sa r t i c l eh a sc a r r i e do nr e s e a r c ho fi n f l u e n c er e g u l a ro f s t a b i l i z a t i o no fd i f f e r e n ti n t e r f a c es t r u c t u r et y p ea n dw a t e r p r o o fm a t e r i a lt h r o u g ht h e i n d o o re x p e r i m e n tb ys e l e c t i n gd i f f e r e n tg e n d e rw a t e r p r o o f i n gm a t e r i a la n ds t u d i e d t h er e g u l a ro fp e r f o r m a n c ei n f l u e n c e db yc o n t a c tc o n d i t i o no fl a y e r sa l s o t h et e s t i n d i c a t e dt h a tt h ew a t e r p r o o fp l a y e rw h i c hb e i n gb u i l db ys p r e a d i n go u ta s p h a l ts a n d o ns b sm o d i f i e db i t u m e np r e c e d i n gi np e r f o r m a n c eo fm e c h a n i c s c a p a b i l i t y m e c h a n i c sa n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o no fd i f f e r e n tc o n t a c ts u r f a c ef o r ma r ec a r r i e do ni n t h i s a r t i c l eb ya n s y sf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e t h e o r e t i c a la n a l y s i si n d i c a t e dt h a tt h e w a t e r p r o o fp l a y e rw h i c hb e i n gb u i l db ys p r e a d i n go u ta s p h a l ts a n do ns b sm o d i f i e d b i t u m e nc a nr e d u c et h er e l a t i v e l yc o n t r a p o s i t i o no fn o d ea n ds h e e rm e t a m o r p h o s e t h e ne n h a n c i n gt h e c a p a b i l i t yo fs t a b i l i z a t i o nb e t w e e nl a y e r sl a r g e l y , r e d u c e t h e p o s s i b i l i t yo fp r o c e s sa n dp a c k a g eo fb r i d g ed e c kp a v e m e n ts t r u c t u r e ，a n dc a n i m p r o v et h er o a dp e r f o r m a n c eo f b r i d g ed e c kp a v e m e n ta n dp r o l o n gt h es e r v i c el i f eo f i t k e yw o r d s ：b r i d g ed e c kp a v e m e n t s b sm o d i f i e db i t u m e n w a t e r p r o o f i n gl a y e r p a v e m e n tp e r f o r m a n c e f i n i t ee l e m e n t 水泥混凝+ 桥面沥青铺装应用技术研究 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科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或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；本人授权山东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，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 新虢数日帆型型：墨 水泥混凝p 桥血洳青铺致心用投术酬究 1 1 课题研究背景 第一章绪论 随着我国经济的持续快速发展，交通运输业作为国民经济的基础产业，亦到 了快速发展时期。高速公路、城市主干道路、城市立交的大量兴建，极大的改善 了公路及城市交通运营质量，随着交通量的猛增，汽车载重量越来越大，工程结 构( 桥梁) 的超负荷运营致使桥梁经常性的带病害运营，因此很多桥梁，在通车 不久即出现了诸如：裂缝、拥包、车辙、脆裂、脱落等现象，桥面铺装层的早期 破坏成为一个亟待解决的问题。根掘调查显示，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硐】应变状念中，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i 日j 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| 日j 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j 下常交通，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| 日j 良好的稳定性，是桥面铺装体系功能实现的必要条件。 目的我国对钢桥面铺装的研究丌展的比较广泛，对于提高桥面铺装层的层问 抗剪能力也取得了一定研究成果。但对数量较多的混凝上桥及组合桥桥面铺装的 柙关研究主要集中在分析钠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锚装的抗剪能力、提高层i 日j 稳定性及路面使 用性能、增加桥面钏j 装使用寿命的效果有时却不太显著。根拚：研究，影响桥f l ；】铺 装层f u j 执剪能力的囚素手要有二个方i l 【i ，即桥而板韦秘的表皿纹理提供的层问摩 阻力干防水层门身的或与沥占铺装层和桥向板m 的层问 i j j 绵力。在车辆荷找作用 f ，层叫的胯叭力随着7 = 辆竖向荷我的增加i 而增加，而联i r l j 防水车f ，纡i 层提供的料 结力变化1 i 大，而j ，层n i j 的摩阻力 ii 在丘：川执剪能力方- t ，卡导竹用。钠装 压：层n l j 睁附力通常又取决丁- 桥面板表由l 凭料f e l j n 丌放窄川、孔隙年沟似形成的宏 水泥混糍十桥血汕青铺皴戊h 】技术矾究 观构造以及水平方向o 0 5 m m 、垂直方向0 0 2 m m 微小的微观构造。因此，我 们可以通过对桥面板表面进行丰凡糙处理，增加混凝上表而的宏观构造和微观构 造，以达到提高层问抗剪性能的目的。本论文就是通过在防水材料热沥青上铺撒 沥青砂以达到增强桥面板与铺装层之问的粘结力和柔韧性，使其更好的抵抗外部 荷载的破坏。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 桥面铺装研究概述 桥面铺装作为桥梁结构的附属部分，与桥梁建设及交通运输的发展是紧密结 合在一起的。国外，尤其是一些发达国家，其交通建设发展较早，在桥面铺装方 面技术较成熟。随着我国桥梁建设的发展，桥面钠装技术的研究也逐渐受到重视， 并逐渐丌展了广泛而深入的研究。各困道路工作者主要从铺装结构分析、材料设 计、及施工等方面进行桥面铺装的研究工作。通过桥面铺装结构力学分析明确铺 装层结构的受力状态，进而确定铺装层材料的性能指标要求。按照铺装层材料刚 度桥面铺装可分为刚性桥面铺装和柔性桥面铺装。刚性桥面铺装主要是水泥混凝 土桥面铺装；柔性桥面铺装主要是沥青混凝土桥面铺装。普通水泥混凝土桥面铺 装抗裂性能、行驶舒适性、韧性及耐久性较差，加之维修不方便，目前主要用于 小型桥梁的桥面铺装。沥青混凝土桥面铺装相对水泥混凝上桥面铺装，具有良好 的柔韧性、抗裂抗疲劳性能及行驶舒适性，且具有维修方便、自重轻等优点，在 大中型桥梁桥面铺装中应用较多。 国外经过几十年的实践与探索，结合各自国家和地区的具体情况，在水泥混 凝土桥面铺装方面选用的结构类型与厚度不尽相同，一般采用沥青混凝土铺装 层，包括防水层和沥青混凝七面层，概况见下表1 。 水泥混凝f 桥i 白】；l l i 青铺装脚用拙术叫究 表l困外部分水泥混凝土桥面铺装结构 防水层血层 国家 表曲层成厚度 类型结台料厚度，m m血层粘结层中_ 甚及厚度 渤青混艇十3 5 沥青混凝十4 0 渤青砂j 垃3 0 沥青砂歧3 0 5 0 汕青混凝十，l o 十顾扦 洳肯醒凝t 4 0 汕青砂股渤青股 8 一1 2 洳青砂砾( l5 0 ) 水泥混凝十5 0 + 渤青渤青混凝_ i - 4 0 混凝十3 5 瑞典 泐青混凝十3 5 渤青混凝1 - 4 0 预制板渤青胶 2 _ i ! l 青混凝十1 0 + 顶抖渤青混凝十4 0 渤青砂砾( 1 5 0 ) 水泥混凝r l ：5 0 + 沥青 菏膜沥青膏 i o 沥青混凝t 4 0 混凝十2 i k g m 2 薄膜 4 5 l k e t 1 1 泐青涂层或硬 渤青混凝十5 0 澳人利开 社l j 青2 i 埘i i l 2 坝制层 2 河馆# + 完沥青混凝十5 0渤青混凝十5 0 地汕青砂股 1 0 乳化渤青 伞独0 j 丢泐青混凝十s b c 2 5渤青混艇土s b c r 2 5 崽人利 2 3k g m 2渤青混凝十6 0沥青混凝十3 0 薄膜 树脂 热铺台成橡 顶制层i 青漆 5 沥青混凝十6 0渤青混凝七3 0 胶泐青 胶粘清 地洳青砂股漆+ 部分 4摊铺沥青混凝十2 6 8 摊铺抛青混凝土2 2 渤青混凝十 饭 独立层 例外情况为特别 法国 铺装禽f 聚脂类 树脂1 5 3 或纤维或摊铺汹 薄膜 青混凝t - 5 0 - 1 0 0 胺粘清4 摊铺沥青混凝土 漆 4 6 摊铺渤青混凝十+ 洳青 完伞1 5 混凝十 用十单新整 地0 n 青砂胶 形) 3 0 独，层 1 0 泐青混尉十+ 用十年靳 泐青混凝 l l , p j 时 整彤的批奇混凝1 ；3 0 3 0 或5 0 溉青混凝十_ 用十单新 颅m 0 甚脞粘清漆 2 5 整形的咖青混凝十3 0 口j 能独0 地m 青砂觳 2 0 热 t 地汕青3 0 歧 的行层 英田 热村地汕甫川h l ( 职j 去) 歧水泥；m 根制甚般 出奇席 35 或6 地汕肯砂f x 护甚 凝il5 0 3 水泥混凝十桥血渤青铺致脚用技术硝究 n 本一般采用如下的铺装结构形式： 沥青层+ 板状防水材料+ 沥青橡胶粘结剂+ 水泥混凝土板 水泥混凝土桥面沥青铺装层损坏的i u j 题在我困同益严重，但对于这方面的研 究，目前还比较欠缺。交通部公路桥涵设计通用规范( j t j 0 2 1 8 9 ) 规定：钢 筋混凝土桥面板与铺装层之间是否设置防水层，应视当地的气温、雨量、桥梁结 构和桥面铺装的型式等具体情况确定，桥面在主梁受负弯矩作用处应设胃防水 层。建设部城市桥梁设计准则( c j j l l 9 3 ) 指出：桥面顶面产生拉应力，则全 桥面( 包括行车道部分) 均需设胃防水层；实腹拱桥侧墙背面、拱圈项面需设置防 水层。但目静，我国有关部门尚未确立关于桥面防水的排水、防水措施的具体规 范。 我国公路沥青路面设计规范( j t j 0 1 4 9 7 ) 对水泥混凝土桥面上设置沥 青混合料铺装层时，提出了沥青面层应与混凝土桥面板粘结牢固、防水渗入、抗 滑耐磨、低温抗开裂、高温抗车辙、抗剥离的性能要求。铺装结构应由粘结层、 防水层及沥青面层组成，高速公路铺装层厚度为6 8 c m ，采用双层结构。而我国 公路桥涵设计通用规范( j t j 0 2 1 - 8 9 ) 对混凝土桥面上的沥青混合料铺装层 的结构设计与材料要求规定较少，没有具体可行的设计要求。对桥梁结构的设计 和施工都十分重视，但对桥面铺设技术没有引起足够的关注，从而引起部分混凝 土桥面沥青混凝土面层损坏严重，为此交通部萨在对钢桥面沥青混凝土铺装技术 进行研究。问题较多，数量较大的水泥混凝土桥面上的沥青混凝土铺装技术也应 进行研究，以提高桥面的行车使用性能和使用寿命。 在提高铺装层层i 日j 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 在桥而铺装巾得到了广泛应用的改性s m a 沥菏混合料、环氧树脂薄层铺装等；另 一方面从界面处王! ! 方面入手，主要的方法有喷洒防水粘结层、却加强筋和衷丽卡1 1 糙处理。在梁板 奉表面喷洒高效的防水粘结层可达到增加铺装层j 刁梁板体问的粘 结力的作用；在粱板体表面植入铺筋，可增强铺装层与粱扳体问的结合，| j j ll l ：脱 层羊荆移：对于表面相糙处胖方曲，幽外h 丽比较流 j 的方法足喷砂清i q ! 江、抛 九处理及睃蚀法等。i 填砂清理足j 1 j 沽沽，f 缩窄气推动作岛速运动的粕细腓 ： 冲 水泥混凝十桥曲i l i j 青铺装脚用技术研究 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、- 簪硬且无其他杂质；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凹收利用。经抛丸处理过的混凝土表面洁净而又孥 硬，掘有比较均匀的纹理；酸蚀通常使用一定浓度的盐酸溶液使混凝土表面羊| l 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 m p a 以上) ，机械式钢丝刷刷毛等表面处理方法也具有很好的使用效果。我国混 凝土桥面板表面袒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，已不适合当盼我国 桥梁建设发展的需要。 国外一些先进的改善层问稳定性的技术方法由于工艺过于复杂、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问 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。 近年来我国市政部门与公路部门也对水泥凝土桥面沥青混凝土面层铺装技 术进行了一些研究工作，作了一些有益的探讨。 1 9 9 4 年北京市市政工程设计研究总院针对城市立交桥桥面柔性铺装防水材 料性能进行了一些研究。过去由于没有一定的评价方法来选择桥面柔性南装防水 材料( 防水卷材) ，出现了桥面渗水和氯化物渗入对桥梁结构的损坏严重，如北 京的西直门立交不得不进行早期加固、天宁寺立交的桥面铺装层损坏达4 0 0 0 m 2 ， 每年都在维修等情况。由此提出一套评价和选用桥面柔软性铺装防水材料的试验 手段和性能指标体系，并对几类防水材料的防水性能、粘结性能、抗剪切能力等 进行评价，为北京市的桥f i i 铡装设计与施工科学选材提供依据，存北京两j l ：；- - - 坏 道、首都机场高速公路工程、西客站市政配套工程、东三环道路发行改造工程、 西北三邱道路改造工程中进行应用。 通过近年凋有、试验研究，现北j 矗市立交桥桥而防水已初步形成一绍食的施 。披术舰w 干质鞋检验力法，并l l 】( 得了l 抛裂的使川效果。日f i l i l ：；床币立交桥桥i 斫 阢水材料上要使 h 阳离子氯丁胶乳化沥占涂料，部分使j 1 j 防水卷材、防水卷利 水泥混凝f 桥曲泐青铺裂脚用投术州究 型聚氮脂防水涂料等。 1 9 9 6 年上海市内环线工稃建设处针对内环线高架道路桥面防水涂层技术进 行研究。为内环线高架道路桥面防水的需要，研制了以沥青为基料的1 w p - 1 和 j w p _ 2 型桥面防水涂料，同时配套研究了大面积防水涂料机械化施工工艺，并在 上海内环线高架桥中应用6 0 余力平方米，取得了良好的防水效果。 1 9 9 2 年中国化学建筑材料公司苏州防水材料研究所专门为上海南浦大桥桥 面防水工程研制y a w p 大桥防水涂料，并在南浦大桥、杨浦大桥、内环线高架桥 桥面防水工程中进行应用，取得了较好的效果。 1 9 9 9 年西安公路交通大学针对广东佛丌高速公路水泥凝土桥面混凝土铺装 结构的损坏，采用s b s 复合改性沥青修筑桥面沥青混凝土铺装层，取得了良好的 应用效果。 2 0 0 0 年西安公路交通大学通过对常见防水层材料和层b j 结合料进行直剪试 验，采用弹性层状体系理论和有限元方法对水泥混凝土铺装设计方法，并结合防 水层、平整度、施工工艺和车辙指标的要求，提出桥面沥青混凝土铺装层厚度的 计算方法，在此基础上推荐桥面面层结构与厚度范围。 1 2 2 桥面铺装层结构分析方面的研究状况 国外对铺装层的力学分析主要集中在经验分析上，并辅以试验论证。而各国 气候地理条件差异较大，车辆荷载组成也不同，这也决定了不可能完全照搬国外 经验。因此在借鉴国外经验的同时，有必要结合我国具体情况对桥面铺装体系进 行力学性能分析，明确其受力特性，以便为桥面铺装设计提供相应理论依据。在 桥面铺装结构分析方面进行的试验研究1 2 1 2 2 l ，一般假定桥面铺装层与桥丽板为连 续的弹性层状体，运用线弹性理论分析铺装体系在荷载作用下的应力及变形状 态。文献1 2 i 对一简支梁桥进行了实桥静力与动力测试，并进行了分析计算，其 结论为桥面铺装层的强度不是桥面铺装破坏的原因，而桥面铡装与桥面板之问粘 结层强度不足可能是桥面铀装层破坏的原因，并强调应对桥面铺装进行疲劳试验 研究。文献1 2 2 1 根掘结构弹十牛理论对简支梁桥梁端处桥而铺装层在汽车荷载和温 度作i jf 的变形和应力进行了分析，给j h 了相应的计算公式。文献2 3 1 考虑了枯 结防水层的影响，分析了铺装以j 甲度及粘结层模鼍, qj 丢- 问翦力的影响，并捉 i 了 以层叫抗剪姒皮为指标的沥占濉；疑l 。桥向铖装设计力| ；上。文献应用线弹一r f i 水泥混烈十桥血洳青铺裂脚用技术研究 论，考虑桥面铺装层本身的功能要求，对铺装层的受力模型进行了简化，提出了 以粱板体的最大弯矩为基础，以桥面铺装丌裂和剥离为控制指标的水泥混凝土桥 面铺装的计算方法。以上研究主要是针对局部的桥面板分析，并且没有考虑轮载 的水平作用。桥面铺装在轮载作用下，处于十分复杂的应力状态，目前困内针对 大跨径的水泥混凝土桥梁桥面板结构及桥面铺装局部进行系统的力学分析相关 研究文献还很少。而对钢桥面铺装的力学分析相对较多，虽然混凝土桥面与钢桥 面有较大不同，但其分析方法可以借鉴用于混凝土桥面铺装结构分析。桥面铺装 结构也应考虑非力学因素的影响，尤其是水分对层问连续性的破坏也是沥青混凝 土桥面铺装的一个主要病害，沥青混凝土的高温稳定性也是目前桥面铺装的主要 病害之一。因此应从粘结层、铺装层混合料设计等方面保证铺装层与桥面板间的 紧密粘结，具有可靠的抗水损害性能，并应增强铺装层沥青混凝土的高温稳定性 及耐久性。这些方面桥面铺装的问题也有待于进一步深入研究解决。 1 3 主要研究内容 ( 1 ) 针对桥面防水粘结层的性能要求、破坏特性和工程使用现状，选用沥 青砂阳离子氯丁胶乳化沥青涂料f y t 、s b s 改性沥青，改性乳化沥青三种柔性防 水粘结材料，在防水材料上面铺筑一层沥青砂，进行室内外试验，分析层i 日j 界面 对铺装结构层问稳定性的影响及桥面板防水层材料对层问抗剪性能影响。筛选出 性能优越、经济合理的防水粘结材料推荐工程实践。同时，对试验方法及参数指 标进行探讨，为工程技术人员合理选择防水粘结材料提供依据。 ( 2 ) 结合水泥混凝土沥青铺装层的破坏形式和原因，应用有限元法，建立 力学分析计算模型，从理论上计算各结构层的层问最人剪应力，分析不同参数变 化对鳃j 衄力的影响，为设计和施工提供理论指导。 水泥混凝十桥由泐青铺杖脚用投术研究 2 1 研究方案 第二章研究方案与试验方法 对桥面铺装防水粘结层进行研究，主要包括层i 日j 界面对层问稳定性的影响研 究、防水材料对层问稳定性影响、研究层r j 接触条件对沥青铺装层路用性能影响 研究。对各结构层之问的联结方式进行研究，选择合适的结构层问联结方式，使 各结构层联结为完整的受力整体。通过对几种粘结层材料物理力学性能进行室内 研究，选择适合于水泥混凝土桥面沥青混凝土铺装的粘结层类型及结构形式，提 出改善沥青铺装与桥面板层间粘结稳定性的具体措施。通过数学模型在实验室内 对各结构层之间的联结力学性能进行分析，选择合适的各层问联结方式。 2 2 试验方法 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。在选择、使 用防水粘结材料时盲目性大，无法根据不同实际情况来操作，导致桥面防水粘结 措施不当、质量控制无章可循。为此，需要来对桥面防水粘结材料进行试验研究， 希望能够提出反映桥面防水粘结实际性能的试验方法与合适的评价指标。 2 2 1 铺装层结构层问结合稳定性试验 混凝土桥面沥青混凝土铺装最主要的病害时面层的剥落、松散、拥包等，咎 其原因，主要是由于层问抗剪和粘结强度不足引起的。通过室内直剪试验和拉拔 试验，分析影响层日j 稳定性的冈素。 1 层| 日j 直剪试验 直剪试验用以确定防水层抵抗水平剪切能力，评价沥青混凝上与防水层、混 凝上桥而与防水层之i 日j 的粘结力，建立剪切指标，以供选择防水材料，评价层i u j 粘结十牛能。试驹防水层材料包括s b r 改性乳化沥青，s b s 改性沥青及离了氯j 。 胶乳化沥青涂料f y t 。并网舀防水丰于料上钠筑沥占砂的j ：i l 结层进行对比试验，分 机比较不h 防水层。盱能的优劣。 ( 1 ) 主要试验仪器 水泥混凝十桥由；l j 青铺麸脚用技术研究 使用长安大学研制丌发的h s s s i 路面材料剪切试验仪进行直剪试验。本仪 器由单片机控制，水平方向由步进式电动机驱动，试验数掘( 包括力值与位移) 山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。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。 图2 1 层间直剪试验 ( 2 ) 试件制备 根据剪切仪剪切部件特点，试件尺寸为圆柱体，成型水泥混凝土的试模尺寸 为a 1 5 2 m m 8 0m m 的圆杜体，成型| j i 应在试模内壁四周涂抹机油以便于脱模。 水泥混凝土试件采用马歇尔模具制备，大小与沥青马歇尔试件相同，养生7 天后 脱模，2 8 天后可进行试验。等水泥混凝土试件达到规定龄期后，将其干燥，表 面要处理干净；然后在表面涂刷高聚物防水材料，要根掘试验情况控制涂料用量， 涂刷结束后涂料一般要有七天的养生期，保证涂膜达到足够的强度。将两个马歇 尔模具上下连接起来，用胶带固定。把带涂膜的水泥砼试件放入模具下半部，防 水膜一面朝上，将拌和好的沥青砂倒入模且内，压实成型，然后将拌用i 蚵的泐青 混合料倒入模具内，按照马歇尔试件插捣方法捅捣，之后立即将复合试什用静压 法压实成型，本部分试验j e 力统一达到5 0 k n ，静压三分钟；沥青混合料级配类 型，拌和及成型温度均根捌试验内容而定，j 上实时沥青混合料质器要保持定值， _ 于i 且通过拧制毕块压入深度水保证沥占混合料试件密发的一致。j j j 实成，钽后，等 其温度降剑窜温后，拆模，即- l j 进 j 试验。 ( 3 ) 卡婴试骀步骤 水泥混凝十桥由；j ，j 青铺效脚用技术研究 预先把直剪仪的参数设置在试验条件下，将法码放霄在加力杠丰t 的一端， 并用杠杆水平调甲器将杠杆调平固定； 将成型好的标准试件从控温箱巾取出，并将试件用剪力央环固定。然后在 试件的上端放置压头，将压力杆调到预压状态，旋丌杠卡t 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： ( 4 ) 试验影响因素及结果处理 试验结果处理原则 试验时需观察的剪切特性包括涂膜各种条件下的破坏面特征、抗剪强度、各 个具体试验条件等。剪应力计算公式如下： f ：一f t ，2 - i ) f = 一 z ， s 式中：f 剪应力( m p a ) f 剪力( n ) s 剪切面积( m 2 ) ； 剪切试验结果会受到不同阕索的影响，这些影响因素u j 概括为商聚物防水 材料单位用量、剪切速度，环境条件、人为因素等。涂料单位用量和剪切速度不 同，试验结果就不同；环境条件包括环境温度、水泥混凝七试件表向状况和沥青 混合料压实成型时的温度；人为凶素指插捣沥青混合料时是否规范，称量时是否 保证质量相同，压实时是否保证沥青混合料密度的一敛，以及把剪切试件放剑翦 切部什中是否保证防水材 ：l 所处处的平面与剪切面一致等。 成型好的杯准试什的尺寸为g 】5 2 r a mx 1 6 0 i r m 。成型用的模子及成j 掣的扔i 计j ： 试件如f 图2 2 所_ i ： i ) 水泥混凝卜桥曲洳青铺裟一用技术研究 ( a ) 成型用的标准试模 ( b ) 成型的标准试件 图2 - 2 标准试模和标准试件 ( c ) 凿毛界面纹理图( d ) 原状界面纹理图 图2 - 3 混凝土表面纹理图 2 拉拔试验 一般认为在桥面铺装中，梁板与沥青混凝土的粘结强度对铺装体的抗疲劳特 性有很大影响，所以采用拉拔试验来确定防水粘结层与梁板和沥青混凝土的粘结 力状况，检测高聚物防水材料与水泥混凝土桥面及沥青混合料面层问的粘结强 度，考察粘结力不足时的破坏面特征，研究不同外部环境因素对层| i b j 粘结力的影 响规律。同时，它也能反应两层混合料分层施工时层1 日j 的粘结力。 ( 1 ) 主要试验仪器 拉拔试验采用长安大学研制的l g z 一1 型结构层材料强度托拔仪。它可用丁二 路而、建筑防水层 口拔试验，可存贮2 0 个试验数掘。仪器可以没定拉拔速度并 控制马达自动 件，现场采集数抓、存储、显示、处理、保拍峰值，r s 2 3 2 接u 近垃p c 机处删。其它还自拉拔船、弓歇尔模具、能保持一定静压压力的爪力机、 沥南混合 ：i 搅抖锅等。 水泥混凝十桥由汕青铺皱府用技术圳究 ( 2 ) 试验步骤 按照杯准的马歇尔试件尺寸成型水泥混凝土试件，) t - i i j 时对混凝土表面进 行磨光、凿毛及原状处理； 把基面的表面、拉拔试件两个表面清理干净，对三种不同界面型式的圆柱 体试件表面涂刷防水粘结层，之后用静压法在其上粘结沥青胶砂，然后再在其上 粘结沥青混合料； 0 待沥青混凝士冷却脱模后，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。 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，将拉拔仪 各传感器连接好，丌机后拨动编码开关设置拉拔参数，设置拉拔速度、试件编号， 然后按“确定”键，等屏幕显示“p r e s ss t a r tt or u n ”后表示仪器已经准备好。 然后将拉拔仪放置到试件上方并通过连接部件把拉拔盘连接好。如有需要，可通 过r s 2 3 2 接口连接电脑，把试验所获得的数据及力值与位移对应曲线传到电脑 上。试验时要确保试件不要偏心受拉。 拉拨试验结束后，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： f c = 二-( 2 2 ) s 式中：c 一层问粘结力( m p a ) ； f 一拉拨仪测定的拉力值( k n ) ： s 一层问剪切面积( m 。) 。 试验影响因素 拉拔试验影响l 大】素可总结为：高聚物材料单位用量、拉拔速度，环境条件、 人为i 大1 素。涂料单位用量和拉拔速度不同，试验结果就| i 同。环境条件包括环境 温度、水泥混凝土试竹表面状况和沥占混合料压实成型时的温度；人为i 川素主要 指插捣沥青混合 ： 叫足规范，称量时是否保证质量相同，压文州足行f 椭l ，泐i 与 混合料的密度一敛，拉拔过程一p 足否保汁扣扳方向与阢水材 ： f i ；j 丫d 币血管。 水泥混；艇十桥向汕青铺驶膨用技术研究 3 不透水性能 试验采用的不透水仪为z h y 结构层材料渗透仪，主要试验步骤： 图2 - 4z h y 结构层材料渗透仪 成型3 0 c m 3 0 c m ，高度为5 c m 的水泥混凝土板，表面进行粗稳处理后在上面 涂抹防水层。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 0 0 ) t 0 7 0 3 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，然后在其上铺一层2 3 c m 的沥青胶砂。 将试样放在底座区中间位置，带有防水层的一面朝上； 将带加压筒的压板( 带o 型密封圈) 放在试样上并与底座对准； 用下加紧螺栓将压板与底座联结起来，并用扳手拧紧； 给加压桶加水至筒的2 3 处，将加压桶上盖与加压筒用螺栓联结并加紧； 给加压筒用打气筒充气至预定压力，保持至规定时日j ； 观察车辙板侧面的渗水情况，并记录丌始渗水时间。 水泥混凝十桥咖汕青铺裴廊用技术研究 第三章层问稳定性影响因素分析 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而要复杂 的多，若处理不当，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问的层间粘结处为最薄弱环节，此层作为粘结 铺装层和混凝土桥面的粘结层，又作为铺装层的防水层，在行车作用下，一方面 承受循环水平剪切应力，另一方面，桥面铺装层在荷载的反复作用下底面产生拉 应变造成丌裂，会对其产生力的撕裂作用，加速了层问的剪切破坏。特别是箱梁， 桥面板的变形使纵向肋、横隔梁等刚性大的部位与桥面板连接出成为高应力区， 并在这些位置处的铺装层内产生较大的负弯矩，此处成为应力集中区，在高频率 的弯拉应力作用下，防水材料不断地反复拉伸变形，再随桥面混凝土协同变形的 同时，其与混凝土的粘结力不断衰减，随着循环应力的增加，此区域有不断扩大 的趋势，铺装层会出现疲劳破坏。 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问的粘结力和界面| 日j 的摩阻力是 铺装层的附着基础，如果桥面板的约束或界面问结合能力差，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，层问结构还是桥面板与铺装层之| 日j 的应力、应变过渡层。层| 日j 粘 结性好时，由于最接近层| - 日j 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。冈此，层i h j 稳定性是桥面铺装正常工作的关键。 增加层问结构的稳定件可以从不同的角度去考虑。舀：材料选择方面，应选择 弹性模量大、抗剪性能好的丽层混合料结构类趔，以减小层f l i j 结构内部剪应力； 防水粘结层方而，应选用粘结性干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1 科中还要通过界而处理的方法提高 j ) ! j 吉铺装层与桥i 百i 板问的 层m 摩阴力以达到提高层问稳，定性的r i 的，最常什j 的处蹦! 方江址水泥混；疑j ：表i i 的尚毛、刻栅、拉毛等一 艺。总的水说，返些方法在一定的“艘卜达到了提岛层 m 丰i o ，附力的f f j 。引对i = | 前仃在的题，本文在大量借举u 、j | j 外仃叉经骀的艰础卜， 水泥混艇十桥口i 】洫青铺致府用技术州究 通过试验研究分析影响层问界面稳定性的因素，通过在热沥青上铺撒沥青砂，沥 青砂跟沥青混凝土及水泥混凝土桥面板能够紧密地结合在一起，提高了层| 日j 的稳 定性。 3 1 原材料 3 1 1 水泥的技术性质 本课题试验用水泥采用山东省某品牌4 2 5 。水泥，水泥的具体性质及力学指标 如表3 1 所示： 表3 - l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( m p a ) 指标安定性 ( g c m ) ( ) ( h ) ( h ) 抗压抗折 4 2 5 。3 1 2 82 6 2 92 2 44 5 6 合格 3 1 85 1 3 1 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3 - 2 ： 表3 - 2沥青的技术性质 检验项目检验结果a h 一9 0 技术标准 针入度( 2 5 ，l o o g ，5 s ) 0 o l m m 8 7 18 0 1 0 0 2 5 1 5 01 0 0 延度、不小y - 5 c m m i n ( c m ) 1 5 1 1 01 0 0 软化点( 环球法) ( ) 4 94 2 5 2 溶解度( 二氯乙烯) 不小3 - ( )9 9 49 9 0 质苷损火( ) 一o 0 6( 1 o 加热_ l 亓针入度不小于( ) 7 7 5 0 薄膜加热试验1 6 3 ，5 h 加热后 2 5 1 0 07 5 延j 立、小j ： 1 5 8 3 闪点( j | | 1 j ) ： ( h l 2 ： ( j 曹膻g c m 0 9 9 水泥混凝十桥口玎渤青铺袋府用技术圳z 3 1 3 碎石 用于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 用碲石的技术力学性质见下表： 表3 - 3碎石的技术指标 集料类型) 视密度( g c m )吸水率( ) 乐碎值( )针片状含带( ) 9 5 3 1 5 料 2 7 30 4 5 1 0 2 4 2 4 7 5 9 5 料 2 7 0o 6 4 3 6 细集料2 6 90 7 3 3 2 材料配合比 3 2 1 原材料配合比 为了使直剪试验具有代表性，铺装层所用沥青混凝士采用s m a 一1 3 ，沥青最 佳用量的确定这里不再赘述，如下表所示： 表3 - 4s m a - 1 3 沥青混合料级配表 筛孔尺寸 通过白分率( ) ( m m ) 1 3 29 54 7 52 3 6 1 1 8o 6 0 ，3 0 1 50 0 7 5 1 91 6 级 c 通过率1 0 01 0 09 36 7 52 9 22 42 11 7 21 4 11 2 2 1 0 1 油i l 比6 1 表3 - 5水泥混凝土级配及配合比 筛孔尺寸 祖集料通过r 列筛孔的白分率( ) ( m m ) 2 6 51 9 1 6 9 54 7 5 级配通过二簪 07 55 07 52 5 水泥混凝十配合比 水泥砂 碎i 砂率水从比 材料刖颦 4 8 06 6 0 1 2 0 0 3 0 04 5 6 水泥混凝i 。桥面渤青铺装j 却f i 】拙术研究 3 3 桥面铺装防水层材料的选择 防水材料粘结到桥面板上形成具有良好弹性的防水薄膜，隔断水与混凝土的 接触，起到了防水粘结的作用，同时，防水层与桥面板共同协调作用，增加了桥 面铺装的稳定性性和耐久性。在选择桥面铺装防水层材料时，要考虑以下方面。 ( 1 ) 优良的温度适应性 桥面防水材料温度适应性主要包括两方面：防水层施工后，沥青层铺筑阶段 的温度环境；防水层运营期| 日j 的温度环境。热沥青混合料铺到防水材料后，其温 度会急剧上升，作为有机材料，受到这种热冲击，会出现不同程度的老化，此时， 防水膜变软，很容易被热集料刺破。另外，防水层运营期日j ，由于温度环境的交 替变化，防水材料不断的遭受冻融循环破坏，也加快了老化速度。因此，防水层 材料要保证防水效果，必须有良好的温度适应性。防水材料的感温性能主要分为 高温性能和低温性能。防水层材料一般是粘弹性体，因此在高温时应保证不流淌， 层问的剪应力不应衰减太多。在低温时，防水材料的收缩受到限制，防水材料的 拉应力加大，因此，要求防水层掘有很好的低温性能，所选的防水层材料在低温 时不发生严重的扭曲变形，不会显示出硬化的趋势。s b s 改性热沥青、s b r 改性 乳化沥青和目前有很大发展| j i 景的高分子防水涂膜都掘有良好的高温性能和低 温性能，桥面铺装中。但是，这些材料的固体含量要加以严格控制，避免在涂洒 时产生流淌，造成防水涂膜不均匀，影响防水效果。 ( 2 ) 良好的层问粘结力 桥面铡装层与桥面板问的粘结力丧失是桥面铺装损坏的一种主要表现，各国 研究者在这方面进行了广泛的研究3 2 。4 i 。一旦出现脱层现象，桥面铺装层将很 快发生破坏，桥面铺装层与桥面板之问脱层可以认为是桥面铺装的完全破坏。桥 面铡装层与桥面板问的粘结力是铺装层的附着基础，如果没有桥面板的约束，铺 装层在轮载的振动冲击作用下与桥面板分离，并很快发生破坏。因此层问料i 结力 是桥面铺装i f 常t 作的关键。 ( 3 ) 优良的耐久性 防水材料系仃机物，其耐久悱包括化学和物川两方面：经长时问外部条什作 川后，它们的化学成分和物删寸，l 赝j 妊没仃人的变化，或虽变化但小致使其各项 竹，能变衔人差。防水层应只有良灯的耐久十牛，下少应7 i 不低 j 桥而澌i i l d 装层使 水泥混凝十桥由沥青铺致廊用拙术研究 用年限的寿命( 约8 1 0 年) ，当混凝土桥由i 板丌裂 2 3 2 3 延度( c m 5 c )6 84 1 ，3 沥青含晕( ) 6 3 26 5 2 蒸发残留物软化点( )4 5 25 0 3 1 5 2 6 3 6 针入度 2 5 8 l1 j 5 低温存储稳定件无车h 颗粒、结块无桃黝绊i 、耋i ! i 块 3 3 3f y t 桥面二涂防水粘结材料 f y t 桥晴1 涂防水 彤材 ： 腻j 家成一j ：要化学成分为刚离f 氯j 股乳化 水泥混凝十桥血i j ，j 青铺裂j 西用技术研究 沥青。f y t 桥面二涂防水粘结层在江苏省应用较广，分为l 号料和2 号料两种， 施工时l 号底层料喷涂第一层，用量1 4 5 一1 5 2 k g m 2 ，实干后，用2 号料， 按0 1 0 1 5k g m 2 用量喷涂第二层，整体平均厚度在实干后为0 5 0 6 m m 。 喷涂结束后养护2 4 小时以上，经检查实干进行沥青混凝土铺装层施工。f y t 材 料还可以结合胎体使用，胎体一般可用无纺布、玻璃纤维布或者聚酯毡等，具体 可做成一布三涂、二布四涂或者二布六涂。但实际使用表明，胎体施工极易不够 平整，造成层问粘结力不足，本次试验研究不加胎体材料。 3 3 4s b s 改性热沥青 s b s 改性沥青(