（材料学专业论文）多功能桥面铺装水泥基复合材料的制备、性能和机理分析.pdf

摘要 当前我国正处于基础工程大规模建设时期，各种重大桥梁工程、大型隧道工程、高速公 路等工程对结构材料提出了更高的要求。目前常用的桥面铺装材料主要有水泥混凝土铺装和 沥青混合料铺装两大类。水泥混凝土材料虽然受压承载能力强，但抗弯拉强度低、脆性大， 行车舒适性差，易出现铺装层开裂和破坏，在铺装材料中应用受到限制：沥青混凝土铺装材 料具有表面平整、无接缝、行车舒适等优点，但其强度普遍较低，温度敏感性强、水损害严 重，疲劳性能差，后期维修费用高。环氧沥青混凝土作为铺装材料有着明显的优势，但国内 环氧沥青性能差，且我国没有自主知识产权，从国外进口环氧沥青价格昂贵，从而增加了建 设成本，导致资金外流，直接影响着我国公路交通的可持续发展。 通过对传统的水泥混凝土和沥青混凝土桥面铺装材料进行大量的调查和研究，提出了新 型多功能桥面铺装材料的力学性能指标。运用复合材料设计原理，在水泥基体中分别加入功 能组分橡胶粉和陶粒，采用有机与无机复合，纤维与颗粒复合，制备了新型多功能水泥基复 合桥面铺装材料。新型多功能桥面铺装材料不仅具有良好的力学性能和疲劳性能，还具有一 定的吸声耐磨等功能性和良好的性价比，对于废物利用和环境保护也有着积极的意义。 在新型桥面铺装材料的设计制备过程中，研究了单掺不同纤维以及混杂纤维对砂浆力学 性能的影响、不同橡胶粉掺量对纤维增强水泥砂浆力学性能的影响和不同偶联剂掺加方式对 纤维增强橡胶粉水泥砂浆力学性能的影响，并研究了纤维对轻集料混凝土的增强增韧效果。 最终优选出两种新型桥面铺装材料，并对其吸声和耐磨性能进行了功能性研究和疲劳性能研 究。通过微观性能试验研究了橡胶粉与水泥基体的界面形貌和孔结构，分析并得出了s i - 6 9 硅烷偶联剂的作用机理。 纤维增强橡胶粉水泥砂浆具有良好的力学性能。在纤维增强砂浆中掺入橡胶粉，强度普 遍降低。随着橡胶粉掺量的增加，材料的抗压强度和弹性模量呈线性下降趋势，橡胶粉掺量 为1 5 时，抗压强度比未掺橡胶粉降低3 0 以上。对于抗折强度和轴拉强度，尽管加入橡 胶粉后也有所降低，但当橡胶粉掺量为1 0 时，两种强度仍然能达到设计指标，同时韧性 也能得到一定的改善。 混杂纤维增强轻集料混凝土用作桥面铺装材料具有较好的前景。纤维增强轻集料混凝土 自重比普通混凝土低2 5 ，弹性模量降低4 0 ，由于轻集料的微泵效应，界面粘结良好， 具有较高的抗弯拉强度和良好的疲劳性能，韧性提高显著。 新型桥面铺装材料还具有一定的吸声性能和良好的耐磨性能。两组优选配比的平均吸声 系数分别为0 1 2 和o 1 3 ，远高于普通水泥基材料，吸声性能得到极大改善，但仍不属于吸 声材料。对于耐磨性能，两组配比磨耗5 0 0 次后质量损失分别为6 0 2 和9 5 2 ，比普通水 泥基材料也有显著提高。相比而言，纤维增强橡胶粉水泥砂浆的耐磨性能更佳，但纤维增强 轻集料混凝土的自重仅为1 8 0 0 k g m 3 ，弹模仅为2 1 4 8 g p a ，对于用作桥面铺装材料十分有利。 通过对不同偶联方式的橡胶粉砂浆进行微观性能试验，研究了橡胶粉与水泥基体的界面 形貌和不同偶联方式下橡胶粉砂浆的界面孔结构。未改性时橡胶粉与水泥基体界面存在明显 缺陷，采用偶联剂与橡胶粉直接拌和后砂浆界面良好，无明显缺陷。对孔结构进行分析，虽 然使用偶联剂改性后试样的总孔隙率有所增大，但是改性后橡胶粉与水泥基体界面的最可几 孔径明显减小，并且采用偶联剂与橡胶粉直接搅拌改性的试样能明显改善孔径分布，多害孔 明显减少，孔向小尺度偏移。通过对偶联剂主要成分分子结构进行研究，分析得出了s i 一6 9 硅烷偶联剂的作用机理，并结合微观试验结果，解释了不同偶联方式造成性能显著差异的原 因。 关键词：桥面铺装；橡胶粉；轻集料；p v a ；力学性能；疲劳：吸声；耐磨；偶联 a b s t r a c t a tp r e s e n t t h ec o n s t r u c t i o no f c i v i le n g i n e e r i n gp r o j e c t si n0 1 1 1 - c o u n t r yi sc a r r y i n go u th o t l y t h e h j g h e r r e q u i r e m e n t o f s m l c t u r e m a t e r i a l s i s p u t f o r w a r d b e c a u s eo f v a r i o u s k e y b r i d g ee n g i n e e r i n g p r o j e c t ，l a r g e - s c a l et u n n e le n g i n e e r i n gp r o j e c ta n dh i g h w a ya n de x p r e s s w a yp r o j e c t ，e t c c e m e n t c o n c r e t ea n da s p h a l tm i x t u r ea r et h et w oc o m m o nb r i d g ep a v e m e n tm a t e r i a l sc u r r e n t l y c o m p a r e d t ot h eh i g hc o m p r e s s i o ns t r e n g t h t h ef l e x u r e - t e n s i o nr e s i s t a n tp e r f o r m a n c eo fc e m e n tc o n c r e t ei s p o o r d u e t oi t sb r i t t l e n e s s ，p o o rr i d eq n a l i t yo f v e h i c l e sa n de a s i l yh a p p e n e dc r a c k sa n dd a m a g e i np a v e m e n tl a y e r , c e m e n tc o n c r e t ei sr e s t r i c t e dt ob eu s e da sp a v e m e n tm a t e r i a l s t h e r ea r e v a r i e t i e so fa d v a n t a g e si na s p h a l tc o n c r e t e ，s u c ha sf l a ts u r f a c e ，n oc o n n e c t i o nj o i n t sa n d c o m f o r t a b l er u n n i n g w h i l et h e r ea r es e v e r a ld i s a d v a n t a g e s ，l i k et h er e l a t i v e l yp o o rm e c h a n i c a l a n df a t i g u ep e f f o r m a n c e s ，h i g hs e n s i t i v i t yt ot e m p e r a t u r e ，鹬w e l la ss e r i o u sw a t e rd a m a g e c o m p a r i n gw i t ht h et w om a t e r i a l sa b o v e ，e p o x ya s p h a l tc o n c r e t eh a st h ed o m i n a n c e h o w e v e r , t h ed o m e s t i ce p o x ya s p h a l ti sn o ta sg o o da st h eo n ei m p o r t e df r o ma b r o a d f u r t h e rm o r e i td o e s n o to w na n yi n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t s w i t ht h eh i g hp r i c eo fi tb r o u g h ti nf r o mf o r e i g n c o u n t r i e s ，t h ec o n s t r u c t i o nc o s ti se n h a n c e d a st h ef u n do u t f l o w s ，i tb r i n g sn e g a t i v ee f f e c t so n t h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n ts t r a t e g yf u rh i g h w a yt r a n s p o r t a t i o ni nc h i n a t r a d i t i o n a lb r i d g ed e c kp a v e m e n tm a t e r i a l ss u c ha sc e m e n tc o n c r e t ea n db i t u m i n o u sc o n c r e t e h a v eb e e ni n v e s t i g a t e da n ds t u d i e d s u b s e q u e n t l y , t h em e c h a n i c a lp e r f o r m a n c ei n d e xo ft h en e w m u l t i f u n c t i o n a lb r i d g ed e c kp a v e m e n tm a t e r i a l si ss u g g e s t e d b a s e do nd e s i g np r i n c i p l eo f c o m p o s i t em a t e r i a l s ，s o m ef u n c t i o n a lc o m p o n e n t ss u c ha sr u b b e rp o w d e ra n dc e r a m s i t ea r e i n t r o d u c e di n t ot h em a t r i x ，a n dn e wm u l t i f u n c t i o n a lc e m e n t i t i o u sb r i d g ed e c kp a v e m e n t c o m p o s i t e sa r ep r e p a r e d a l o n gw i t hg o o dm e c h a n i c a lp e r f o r m a n c ea n df a t i g u ep r o p e r t i e s ，t h e s e n e wm a t e r i a l sa l s oe x h i b i ts o m ef u n c t i o n a lp e r f o r m a n c el i k es o u n da b s o r p t i o np r o p e r t i e sa n d a b r a s i o nr e s i s t a n c e b e s i d e s ，t h eu s a g eo f w a s t e dr u b b e rp o w d e rc a nd og o o dt ot h ee n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n i nt h ep r o c e s so fd e s i g n i n ga n dp r e p a r i n gn e wm u l t i - f u n c t i o n a lb r i d g ed e c kp a v e m e n t m a t e r i a l s ，t h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n tf i b e rh y b r i dm o d eo nm o r t a rm e c h a n i c a lp e r f o r m a n c e ，t h e e f f e c to f d i f f e r e n ta d d i t i o na m o u n t so nm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f h y b r i df i b e rr e i n f o r c e dm o r t a ra n d t h ed i s t i n c t i o n si nm e c h a n i c a lp e r f o r m a n c eo fh y b r i df i b e rr e i n f o r c e dr u b b e rp o w d e rm o r t a r c a u s e db yc o u p l i n ga g e n ta d d i n gw a ya r es t u d i e ds y s t e m a t i c a l l yt h es t r e n g t h e n i n ga n d t o u g h e n i n ge f f e c to fh y b r i df i b e ro nl i g h ta g g r e g a t ec o n c r e t ei sa l s oi n v e s t i g a t e d t w og r o u p so f m i xp r o p o r t i o n sa r eo p t i m i z e df i n a l l y t h a n ，t h e i rs o u n da b s o r p t i o np r o p e r t i e s ，a b r a s i o nr e s i s t a n c e a sw e l la sf a t i g u ep e r f o r m a n c ea r et e s t e d m i c r o - s t r u c t u r et e s t i n gt e c h n i q u ei sa d o p t e dt 0 o b s e r v et h ep o r es t r u c t u r ea n dm o r p h o l o g yo ft h ei n t e r f a c eb e t w e e nr u b b e rp o w d e ra n dm a t r i x t h u s ，t h em e c h a n i s mo f s i 一6 9 ，t h es i l a n e - e o u p l i n ga g e n t ，i se x p l a i n e d f i b e rr e i n f o r c e dm b b e rp o w d e rm o r t a rp o s s e s s e sg o o dm e c h a n i c a lp e r f o r m a n c e a d d i n g r u b b e rp o w d e rw i l lb r i n gad e c r e a s et ot h es t r e n g t ho ff i b e rr e i n f o r c e dm o r t a r c o m p r e s s i o n s t r e n g t ha n de l a s t i cm o d u l u sd e c r e a s el i n e a r l yw i t hr o b b e rp o w d e rp r o p o r t i o ni n c r e a s i n g m e a n w h i l e ，b e n d i n ga n dt e n s i l es t r e n g t hd i s p l a yad e s c e n d i n gt r e n d w h i l et h ep r o p o r t i o no f r u b b e rp o w d e ru pt o1 5 ，t h ec o m p r e s s i o ns t r e n g t hd r o p sm o r et h a n3 0 w h e nt h ep r o p o r t i o n o fr u b b e rp o w d e ri s1 0 ，t h eb e n d i n ga n dt e n s i l es t r e n g t hs e e r n sr e l a t i v e l yh i g h a l lt h e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sr e a c ht h ed e s i g ni n d e x t h o u g ht h es t r e n g t hi sal i t t l eb i tl o w e rc o m p a r i n g i i w i t hf i b e rr e i n f o r c e dm o r t a rw i t h o u tr u b b e rp o w d e r , t h et o u g h n e s si si m p r o v e d f i b e rr e i n f o r c e dl i g h ta g g r e g a t ec o n c r e t ei sq u i t ef i tf o rt h eb r i d g ed e c kp a v e m e n tm a t e r i a l i t sw e i g h ti sa b o u t7 5 o fo r d i n a r yc o n c r e t e w h i l et h ee l a s t i cm o d u l u sd e c r e a s e sb y4 0 d u e t om i c r o - p u m p i n ge f f e c to fc e r a m s i t e ，t h ei n t e r f a c i a lb o n d i n gb e t w e e na g g r e g a t ea n dm a t r i xi s v e r yf i r m t h e r e f o r e ，t h eb e n d i n ga n dt e n s i l es t r e n g t ha r er e l a t i v e l yh i g h ，a n di td i s p l a y se x c e l l e n t f a t i g u ep e r f o r m a n c e b e s i d e s ，t o u g h n e s so ff i b e rr e i n f o r c e dl i g h ta g g r e g a t ec o n c r e t ei m p r o v e s s i g n i f i c a n t l yc o m p a r e dw i t ho r d i n a r yc o n c r e t e t h et w on e wm a t e r i a l sa l s od i s p l a ys o u n da b s o r p t i o np r o p e r t ya n dg o o da b r a s i o nr e s i s t a n c e t h ea v e r a g ea b s o r p t i o nc o e f f i c i e n t so ft h et w oo p t i m i z e dg r o u p sa r e0 1 2a n do 1 3 r e s p e c t i v e l y , m u c hh i g h e rt h a no r d i n a r yc e m e n t i t i o u sm a t e r i a l s t h a ti st h e i rs o u n da b s o r p t i o np e r f o r m a n c e sa r e i m p r o v e dg r e a t l y , t h o u 【g hs t i l lc a n tb ec a l l e ds o u n da b s o r b i n gm a t e r i a l s i na b r a s i o nr e s i s t a n c et e s t , t h et w og r o u p so f m a t e r i a l sl o s e6 0 2 a n d9 5 2 i nw e i g h tr e s p e c t i v e l ya f t e r5 0 0c y c l e sa b r a s i o n w h i c hi sm u c hl o w e rt h a no r d i i l a r yc e m e n t i t i o u sm a t e r i a i s f i b e rr e i n f o r c e dr u b b e rp o w d e r m o r t a ri sm u c hb e t t e rt h a nf i b e rr e i n f o r c e dl i g h ta g g r e g a t ec o n c r e t ei na b r a s i o np e r f o r m a n c e h o w e v e r , t h a n k st ot h ed e n s i t yo f1 8 0 0 k g m a n dt h ee l a s t i cm o d u l u so f2 1 4 8 g p a t h el a t t e ri s r e l a t i v e l ym o r eb e n e f i c i a lf o rb r i d g ed e c kp a v e m e n tm a t e r i a l s a i m e da tt h ep o r es t r u c t u r e sa sw e l la st h ei n t e r f a c em o r p h o l o g yb e t w e e nr u b b e rp o w d e ra n d m a t r i x ，m i c r o s t r u c t u r et e s ta r ec a r r i e do u to ns e v e r a lr u b b e rp o w d e rm o r t a r sw h i c ha r ed i f f e r e n ti n t h ea d d i n gw a yo fc o u p l i n ga g e n t w i t h o u tm o d i f i c a t i o n ，d e f e c t se x i s tb r o a d l yi nt h ei n t e r f a c e s b e t w e e nr o b b e rp o w e r sa n dm a t r i x h o w e v e r , m i x i n gr u b b e rp o w d e r sw i t hc o u p l i n ga g e n tw i l l i m p r o v et h ei n t e r f a c e sa n dn 0o b v i o u sd e f e c t se x i s t a f t e ra n a l y z i n gt h ep o r es t r u c t u r e s ，i t sf o u n d t h a tt h em o d i f i c a t i o ni n t t o d u c e db ya d d i n gc o u p l i n ga g e n tw i l li n c r e a s et h et o t a lp o r o s i t y , b u tt h e m o s tp r o b a b l ep o r es i z ei nt h ei n t e r f a c ei sr e d u c e d i no t h e rw o r d s ，t h em o d i f i c a t i o nc a ni m p r o v e t h ep o r es i z ed i s t r i b u t i o nb yr e d u c i n gt h ea m o u n to fp o r e sw i t hg r e a th a r ma n dt h i n n i n gt h ew h o l e s i z es y s t e m a f t e rs t u d y i n gm o l e c u l es t r u c t u r e ，a c t i o nm e c h a n i s mo fs i - 6 9s i l a n e - c o u p l i n ga g e n ti s e x p l a i n e d t h e nc o m b i n e dw i t hm i c r ot e s t sr e s u l t s ，t h ec a u s eo f d i s t i n c t i o n si nm o r t a r sp r o p e r t i e s l e a d e db yd i f f e r e n tw a yo f a d d i n gc o u p l i n ga g e n ti sg i v e no u ti nt h ee n d k e y w o r d s ：b r i d g ed e c kp a v e m e n t ，r u b b e rp o w d e r , l i g h ta g g r e g a t e ，p v a ，m e c h a n i c a lp e r f o r m a n c e ， f a t i g u e ，s o u n da b s o r p t i o n ，a b r a s i o n ，c o u p l i n g i i l 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。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过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： l 蕴土蕉避日期：2 艘a 主：i 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：阻导师签名： 豇碰日期：勉越： 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 桥面铺装是桥梁建筑的重要组成部分，它的好坏直接影响到行车的安全性、舒适性、桥 梁耐久性以及投资效益和社会效益。而作为桥面铺装的材料，是影响其质量的重要因素。由 于桥面铺装层直接铺设在水泥混凝土或正交异性钢板上，在行车载荷、风载、温度变化及地 震等因素影响下，受力和变形远比普通沥青路面复杂。桥面铺装材料应该具有较好的抵抗高 温变形和低温开裂能力，以及良好的抗疲劳、抗老化、抗水损坏性能，并保持与桥面良好的 粘结性及变形适应性”o j 。 目前常用的桥面铺装材料主要有沥青混合体系材料和水泥基铺装材料。传统的沥青体系 材料和水泥基铺装材料都有各有优缺。 当今我国处于基础工程大规模建设时期，随着城市化建设的快速推进，各种工程对结构 材料提出了更高的要求。水泥基复合材料作为理想的结构材料，从发明至今已有半个世纪。 由于水泥基复合材料的原材料资源丰富、荷载承受能力强、耐久性好、性价比高，从而使水 泥基材料成为应用面最宽、量最大的最主要的土木工程材料。然而水泥基复合材料作为不可 缺少的主要结构材料，也具有其本身的局限性。长期的实践和使用结果表明：水泥混凝土的 抗弯强度、轴拉强度低，脆性大。作为路面或桥面铺装材料，其刚性过大，且伸缩缝较多， 行车舒适性相对较差，容易出现铺装层开裂和破坏，且病害一旦形成，修复起来非常困难。 目前，传统水泥混凝土的低弯拉强度和高脆性特征，己成为当今制约其更广泛应用的关键因 素p 4 1 。近年来，在桥面铺装中采用钢纤维混凝土的研究有相关报道。由于钢纤维混凝土具 有优异的抗裂性能、抗冲击性能、抗弯拉强度、抗压强度，因此能大大提高桥梁的疲劳寿命。 但是，钢纤维混凝土刚度大，行车舒适度远远低于传统的沥青混凝土铺装材料。 传统的沥青混凝土作为桥面铺装材料，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，但是普通沥青混凝土存在温度敏感性强、水损害严重、抗剪能 力弱、建设成本高等缺点”j 。 为了克服普通沥青混凝土作为铺装材料的诸多缺点，国内一些学者采用环氧沥青取代普 通沥青或者改性沥青，对环氧沥青混凝土进行了许多研究。大量研究结果表明，环氧沥青混 凝土具有优良的力学性能，较目前采用的其他沥青混合料有着无法比拟的优点和良好的可变 形能力。环氧沥青混凝土是一种热固性材料，高温时只会变软而不会有多余的沥青渗出，而 且其抗油浸蚀的能力远远高于其他沥青混合料，尤其在高温条件下不易产生破坏，抵抗车辙 变形能力非常优越。环氧沥青混合料与普通沥青混合料相比有较高的强度、耐久性、粘结性 和抗疲劳性能。但是，由于相关专利技术都需要从国外引进，其4 5 5 万元吨的昂贵价格 致使应用推广产生很大的困难”。 1 2 国内外研究现状 目前世界上常用的桥面铺装材料主要有沥青混合体系和水泥基复合材料。 1 2 1 沥青桥面铺装材料的研究 目前世界各国常采用的桥面铺装技术基本上均采用沥青混合体系，根据选用的材料类 东南大学硕士学位论文 型和施工工艺主要有浇注式沥青混凝土( m a s t i ca s p h a l t ) 、沥青玛蹄脂碎石( s t o n em a s t i c a s p h a l t ，简称s m a ) 和环氧沥青混凝土( e p “y a s p h a l t ) 三种。其中沥青玛蹄脂碎石一般用于上 面层，而环氧沥青混凝土则同时用于上下两层。这三种铺装材料与普通混凝土相比，不仅材 料组成上根本不同，而且在性能和施工技术上也有很大的区别”。 1 2 1 1 浇注式沥青混凝土 浇注式沥青混凝土属于热塑性材料，起源于法国，在德国称为g u s s a s p h a l t ，荷兰称为 g i e t a s p h a l t ，英国称为m a s t i ca s p h a l t ，日本称为高温拌和式摊铺沥青混凝土。浇注式沥青混 凝土施工时通常采用聚合物改性沥青或由普通石油沥青与天然沥青配合使用，添加高剂量矿 粉，与集料在2 2 0 以上高温条件下经过长时间拌和，配制成既粘稠又有良好流动性的沥青 混合料。浇注后用木制镘刀抹平即可，而不需要压路机碾压，同时又有极好的粘韧性，适应 变形能力强，与钢桥面变形有很好的随从性，因而适用于大中型桥梁，尤其是大跨径斜拉桥 和悬索桥的桥面铺装。世界上最早采用此技术进行桥面铺装的是1 9 2 9 年修建的苏丹尼罗河 大桥，目前在欧洲和日本被广泛用于桥面铺装。我国江阴长江大桥、香港青马大桥、台湾新 东大桥和高屏溪大桥以及东海大桥的也采用了此技术进行铺装【j 。 1 2 1 2 沥青玛蹄脂碎石 沥青玛蹄脂碎石( s m a ) 是在浇注式沥青混凝土基础上解决车辙问题而发展起来的新 型材料，是一种由沥青、纤维稳定剂，矿粉及少量的细集料组成的沥青玛蹄脂，填充间断级 配得粗骨料骨架间隙而形成的密室结构混合料。由于具有优异的抵抗高温变形能力，其自二 十世纪六十年代在德国出现后，迅速在欧洲和美国得到应用和推广。我国采用此技术进行桥 面铺装的有汕头海湾大桥、厦门海沧大桥、虎门大桥、重庆鹅公岩长江大桥、武汉军山长江 大桥、崖门大桥、东海大桥等”“。 1 2 1 3 环氧沥青混凝土 环氧沥青混凝土是壳牌石油公司在二十世纪五十年代后期，为抵御航空燃料和喷气尾流 对机场跑道的损坏而发明的特殊沥青产品。1 9 6 7 年，美国粘和工程公司在横跨旧金山海湾 的s a n m a t e oh a y w a r d 大桥上，将环氧沥青混凝土作为桥面铺装的第一次商业应用，至今仍 保持良好的使用性能。它是将环氧树脂加入沥青中，经与固化剂发生硬化反应，形成不可逆 的固化物。这种固化物从根本上改变了沥青的热塑性质，而赋予沥青完全新的优良物理、力 学性能。通过对环氧沥青混凝土各方面力学性能的试验研究发现，环氧沥青混凝土具有优良 的力学性能，而且在低温条件下仍具有很好的变形能力，其强度是普通沥青混凝土或其他桥 面铺装用的沥青混合料( s m a 、浇注式沥青混凝土) 的7 8 倍，其温度变形系数接近钢板。 因此，环氧沥青混凝土作为钢桥面铺装材料较之其他种类材料具有很大的优越性【l ”。其具 体工程实例可参看我国的舟山桃天门大桥、上海青浦大桥、天津沽口大桥、江苏润扬大桥、 南京长江二桥和南京长江三桥等工程项目。环氧沥青具有优异的稳定性、抗疲劳、抗老化及 耐腐蚀性能，适用于桥面铺装，特别是正交异性桥面铺装及超重载交通路面的理想材料”“。 1 2 2 水泥基桥面铺装材料的研究 桥面铺装是铺筑在行车道板上的保护层，其作用是防止车轮直接磨耗行车道板，保护 主梁免受雨水及其他有害物质的侵蚀，并起到扩散荷载的作用。桥面铺装质量的好坏和使用 性能及耐久程度将直接影响到汽车的行驶质量和桥梁的使用寿命。 但是水泥混凝土具有抗拉强度低、极限应变小、弯曲韧性差、抗渗性差、动载冲击与 2 第一章绪论 疲劳性能差、脆性大、易开裂等缺点，难以适应目前超重、特大交通量及高速超重载行车的 现状，因此水泥混凝土桥面铺装存在病害严重、使用功能低、寿命衰减迅速等缺陷。如何改 善混凝土性能，使其满足当前形势下高等级公路路面与桥面铺装结构的特殊要求，是我们必 须尽快解决的技术难题”。 现阶段报道过的水泥基桥面铺装材料主要有钢纤维混凝土、p v a 纤维水泥基复合材料、 混杂纤维增强混凝土、和轻集料混凝土等，橡胶混凝土用于路面铺装材料近几年国内外专家 也有一些研究。 1 2 2 1 钢纤维混凝士 钢纤维混凝土( s t e e lf i b e rr e i n f o r c e dc o n c r e n t 简称s f r c ) 是一种由水泥、粗细集料 和随机分布的短钢纤维组合而成的复合材料。钢纤维混凝土的应用始于2 0 世纪6 0 年代，并 且随着旌工技术的提高和改进，从8 0 年代开始在欧洲、北美、澳洲、印度、日本等国都得 到广泛应用。我国从2 0 世纪7 0 年代开始对钢钎维混凝土进行研究，8 0 年代才有了专门生 产的钢纤维产品，但由于当时纤维品种、数量和施工性能限制，工程应用甚少，近l o 年来， 我国钢纤维混凝土的研究和应用发展异常迅速，各方面都取得了很大的进步，并逐步用于公 路桥粱的建设。 钢纤维的品种及性能是影响钢纤维混凝土质量的主要因素，钢纤维主要有以下几种： 切断钢纤维、剪切钢纤维和熔抽钢纤维。钢纤维混凝土中的钢纤维呈三维乱向分布，沿每个 方向都有增强和增韧的作用，尤其对复杂应力区增强非常有效，可使混凝土物理力学性能产 生质的变化，大大提高混凝土抗裂性能和抗冲击性能，使原本脆性的混凝土材料呈现很高的 延性和韧性，以及优良的抗冻、耐磨性能。钢纤维对混凝土的增强表现在当混凝土基体刚刚 出现微裂缝时，钢纤维混凝土并未立即破坏，而是随着裂缝的稳定扩展，承载力继续上升， 直到裂缝宽度增大到一个临界值时，钢纤维逐渐拔动或拔出，钢纤维混凝土才由于发生突然 性的裂缝失稳扩展而破坏。为防止钢纤维混凝土因钢纤维被拉断而失去强度，钢纤维的抗拉 强度不低于3 8 0 k p a ，锈纤维表面不得有油污和其他妨碍钢纤维与水泥浆粘结的杂质。钢纤 维内含有的铁屑及杂质总量不得超过1 【1 5 , 1 6 。 钢纤维混凝土因其具有良好的抗裂性、抗弯曲性、耐冲击性、耐疲劳性的特点，在桥 面铺装中使用较一般水泥混凝土具有以下几点优势： 第一，减薄镝装厚度。钢纤维混凝土在相同荷载条件下铺装厚度可减少3 0 5 0 ， 这样既减少了工程量又降低了桥梁恒载。 第二，加强桥面铺装与伸缩缝的连接强度。桥面伸缩缝是整个桥面的薄弱环节，在车 辆的行驶过程中，由刚性桥面过度到柔性伸缩缝再到刚性桥面，不可避免地产生强烈的震动， 震动释放出的巨大能量对伸缩缝与混凝土连接结构极具破坏性。钢纤维混凝土因其较强的耐 冲击性保证其与伸缩缝连接钢筋牢固粘结，使伸缩缝发生的变形、位移、或翘曲都较小，大 大提高了伸缩缝的使用寿命。 第三，延长了桥面的使用寿命。在重交通荷载作用下，钢纤维混凝土桥面开列要比普 通混凝土缓慢得多，其桥面裂缝宽度小，不连续开列后延性仍很好，混凝土剥落、坑槽现象 很少。这都有利于桥面和桥梁的使用寿命，改善了车辆的行驶条件”。 钢纤维的阻裂机理，建立在对混凝土的初期固结、收缩的微观研究的理论基础上。从微 观角度看，任何密实的混凝土都有微裂缝，这些裂缝存在于相与相之间( 石、砂、水泥胶体 三相) 和水泥微颗粒之闻。正常的微裂缝肉眼是看不到的。在混凝土凝结和硬化过程中，微 裂缝经历发生和发展的过程。这种微裂缝的形成和发展在3 7 天龄期内即可大致完成。此 时混凝土的抗拉强度小于1 m p a ，相对而言，具有8 0 0 m p a 抗拉强度的钢纤维在混凝土中当 然可以大显身手，阻止混凝土内那些细微裂缝的形成与发展。由于钢纤维的作用可以有效抑 东南大学硕士学位论文 制混凝土早期干缩微裂缝以及离析裂缝的产生和发展，极大地减少了混凝土的收缩裂缝，尤 其是有效地抑制了连通裂缝的产生；均匀分布在混凝土中的大量纤维单丝起到了“承托”骨 料的作用，降低了混凝土表面的析水与集料的离析，从而使混凝土的孔隙大大降低。推迟宏 观初裂缝的产生，因而能有效的提高混凝土的强度8 l 。 1 2 2 2p v a 纤维增强水泥基材料 p v a 纤维水泥基材料是一种由水泥、粗细集料和随机分布的p v a 纤维组合而成的复合 材料。其p v a 纤维以聚乙烯醇为主要原料，经过特殊工艺处理而成。作为一种新型纤维除 了具有常规维纶纤维良好的耐酸碱性、耐候性、分散性外与一般常见的合成纤维相比，还具 有很高的弹性模量与抗拉强度，与高弹性模量纤维如钢纤维相比，具有易施工且不易损坏施 工设备的特点。p v a 纤维有很多优点：抗拉强度和弹性模量高；与波特兰水泥有良好的化 学相容性：亲水性好，使p v a 纤维能均匀地分散在水泥基质中：高强度p v a 纤维与水泥基 质问具有良好的界面结合力，原因在于：纤维的非环形和不规则截面有助于扩大p v a 与水 泥基质的成键面；机械性能良好，可提高建筑材料的韧性和抗冲击强度。建筑材料的挠曲强 度可以提高2 0 0 ，弯曲强度也有大幅提高，抗弹性疲劳也可以提高，且可以防止龟裂；p v a 纤维耐酸碱性好，适用于各种等级的水泥；分散性好建筑材料表面可长时间保持光滑亦无 剥落现象；复合材料构件的耐寒性可提高5 0 ；混凝土的透气性低，可防止钢筋的腐蚀， 因此复合材料不易风化，不易受气候影响。 由于p v a 纤维的弹性模量略低于水泥基体的弹性模量，因此在p v a 纤维增强水泥基材 料出现裂缝前，载荷主要由水泥基体承担，而p v a 纤维几乎不承担荷载，即增强纤维对复 合材料的力学性能几乎没有贡献。这样，增强纤维表面化学性质和微观结构的改变，不会影 响复合材料的弹性模量和屈服强度。但是，纤维增强复合材料出现裂缝后，p v a 纤维承担 起裂缝处的全部载荷，使复合材料的极限弯曲强度有较大提高。因为p v a 分子链中有很多 羟基，与周围水泥材料之间的化学胶结作用非常强，当荷载继续增加，超过极限强度时，纤 维不易被拔出，而是被拉断，因此复合材料的应变能力较弱即使在复合材料中纤维体积含 量达到4 ，极限应变仍限于0 5 1 之间。过去几年里，大量的研究都集中在如何提高 p v a 复合材料的延性上，主要是改变纤维的几何特征和物理特性，如进行热处理，在材料 中加入粉煤灰等。 v i c t o rc l i 用适量润滑油对纤维进行表面处理，制备出新型的工程水泥基材料( e c c ) ， 降低了纤维与水泥材料的化学胶结力，使部分纤维在裂缝继续发展的时候不是被拉断，而是 被拔出，使e c c 材料的极限应变达到4 5 ，材料在破坏过程中表现出明显的应变硬化 过程，从而使材料具有极大的延性和能量吸收能力口“”j 。 1 2 2 3 混杂纤维增强混凝士 单一纤维增强混凝土自2 0 世纪7 0 年代以来，得到了许多国家的高度重视，其理论研 究和工程应用得到了迅速的发展。纤维混凝土具有比素混凝土优异的力学性能，若选用不同 性能以及掺量的纤