（道路与铁道工程专业论文）水泥混凝土桥面铺装材料性能研究.pdf

摘要 水泥混凝土桥是我国现有各等级公路及市政桥的首选形式，但由于铺装层沥青混 合料与桥梁混凝土在性能上的较大差异，易导致铺装层产生早期损坏，特别是在车辆 重载作用及水的侵蚀影响下呈加速破坏态势，这不仅妨碍了交通安全，还会造成巨大 的经济损失。 本文首先通过对桥面铺装的病害调查与分析，明确其病害类型及病害成因，提出 桥面铺装的设计控制指标，并根据桥面铺装的结构特点建立力学模型，分析铺装体系 在轮载作用下的层间应力响应及其影响因素。 然后针对铺装下层抗高温车辙及水稳定性的要求，对其进行组成设计，并以基质 沥青混合料为基础，就s b s 改性沥青混合料和p e 改性沥青混合料的路用性能开展对 比试验研究。 本文还根据防水粘结层材料的技术要求，提出了合理的性能评价指标，选用三种 常用柔性涂膜类材料为研究对象，确定了各自的最佳涂抹量，并进行粘结性能影响因 素分析和不透水性能对比分析。 最后采用硅烷偶联剂和预拌碎石分别作为防水粘结层的底涂剂和保护层，研究其 对层间稳定性的改善效果，确定了偶联剂的最佳用量、保护层碎石的合理撒布量，并 对碎石级配进行了优选。 本文研究成果很好地解决了桥面铺装早期损坏与层间粘结薄弱等问题，具有良好 的实用价值和深远的指导意义。 关键词：桥面铺装、沥青混合料、防水粘结层、抗剪强度、抗拉强度、硅烷偶联 剂、预拌碎石 a b s t r a c t c o n c r e t eb r i d g ei st h ef i r s tc h o i c eo f b r i d g et y p ei na l lk i n d so fh i g h w a ya n dm u n i c i p a l o v e r p a s s ，e a r l yd a m a g ei sa p tt oh a p p e ni nt h ep a v i n gl a y e rb e c a u s eo ft h eb i gd i f f e r e n c eo f p r o p e r t i e sb e t w e e nt h ea s p h a l tm i x t u r eo fp a v i n gl a y e ra n dt h es t r u c t u r eo fc o n c r e t eb r i d g e ， t h ee a r l yd a m a g ew i l la c c e l e r a t e de x p a n du n d e rt h ec o n d i t i o no fo v e r - l o a d i n gv e h i c l e sa n d w a t e re r o s i o n ，t h i sd a m a g ew i l ln o to n l yh i n d e rt h et r a f f i cb u ta l s oc a u s eg r e a tf i n a n c i a l l o s s e s i nt h i sp a p e r , w ea n a l y s e dt h er e a s o no ft h ed a m a g eo fp a v i n gl a y e rc o m b i n i n gw i t ha l a r g en u m b e ro fi n v e s t i g a t i o n , a n dp r e s e n t e dt h ec o n t r o li n d i c a t o r so fb r i d g ed e c kp a v e m e n t w eb u i l tt h em e c h a n i c a lm o d e lo fb r i d g ed e c kp a v e m e n ts t r u c t u r et of i n do u tt h es t r e s s r e s p o n s ea n dt h ea f f e c t i n gf a c t o ro fp a v i n gs y s t e m 埘md i f f e r e n tp a v i n gc o m b i n a t i o n w ec a r r i e do u tt h ec o m p o s i t i o nd e s i g no ft h et h el o w e rp a v i n gl a y e ri no r d e rt om e e ti t s p r o p e r t yo fr e s i s t i n gt h eh i g ht e m p e r a t u r er u t t i n ga n dw a t e rr e q u i r e m e n t s ，a n dm a d e e x p e r i m e n t a ls t u d yt oc o m p a r et h er o a dp e r f o r m a n c eo fs b sm o d i f i e da s p h a l tm i x t u r e sa n d m o d i f i e da s p h a l tm i x t u r e sm i x e d 、析mp e w ep r e s e n t e dt h er e a s o n a b l ep e r f o r m a n c ee v a l u a t i o ni n d i c a t o rb a s e do nt h et e c h n i c a l r e q u i r e m e n to fw a t e r p r o o fa n dc o h e s i v em a t e r i a l ，a n ds e l e c t e dt h r e ek i n d so fc o m m o n f l e x i b l ec o a t i n gw a t e rp r o o fm a t e r i a lt od e t e r m i n et h ea m o u n to ft h e i ro w nb e s tp a i n t i n g ， a n dp e r f o r m a n c ef a c t o r so nb o n dc o m p a r i s o no fp e r f o r m a n c ea n a l y s i sa n di m p e r v i o u s i nt h ee n ds i l a n c ec o u p l i n ga g e n ta n dr e a d y - m i x e ds t o n ea r er e s p e c t i v e l yu s e da st h e w a t e r p r o o fa n dc o h e s i v el a y e ra n dp r o t e c t i n gl a y e ro fw a t e r p r o o fl a y e r p e r f o r m a n c et e s ti s c a r r i e do u tt os t u d yt h es t a b i l i t yo ft h ei n t e r l a y e rt oi m p r o v er e s u l t s ，a n dt od e t e r m i n et h e o p t i m u ma m o u n to fc o u p l i n ga g e n tt op r o t e c tt h eg r a v e ll a y e rr e a s o n a b l ea m o u n to f s p r e a d i n g ，a n dc r u s h e ds t o n ew e r eo p t i m i z e d t h ep r o b l e mo fe a r l yp a v e m e n td a m a g ea n dt h ew e a ki n t e r l a y e rb o n di s s u e sw i l lb e s o l v e db yt h er e s u l tw h i c hh a sg r e a tu t i l i t yv a l u ea n df a r - r e a c h i n gi n s t r u c t i v em e a n i n g k e y w o r d s ：b r i d g ed e c kp a v e m e n t ，a s p h a l tm i x t u r e ，w a t e r p r o o fa n dc o h e s i v el a y e r , s h e a r s t r e n g t h ，t e n s i l es t r e n g t h ，s i l e n c ec o u p l i n ga g e n t ，r e a d y - m i x e ds t o n e i i 长安大学硕士学位论文 1 1 问题的提出 第一章绪论 桥梁工程作为交通得以延续的功能性构造物，在交通事业中占有重要地位，随着 我国交通事业的快速发展，桥梁数量迅速增加，桥梁结构不断创新，桥梁建设已接近 世界领先水平。当前，水泥混凝土桥仍是我国现有各等级公路及市政桥的首选形式， 在我国现代化建设的过程中起到举足轻重的作用。 为了保护桥面板，提高其耐久性和服务寿命，水泥混凝土桥还需设置桥面铺装系 统，一般包括铺装层、防水粘结层及保护层等，如图1 1 所示。铺装层为行车荷载的 直接磨耗层，不仅直接承受行车荷载，还起分布车轮集中荷载的作用，使主梁受力均 匀，同时又起到连接各主梁，达到共同受力的目的；防水粘结层的设置能阻止雨水渗 入桥面板，保证了桥面板与铺装层间的粘结，使得铺装层在荷载作用下不容易发生脱 离，防止桥梁结构遭受雨水的侵蚀，增强铺装结构耐久性；保护层为铺装层沥青混合 料提供施工平台，同时保护防水粘结层不被施工机械破坏，有足够的韧性吸收应力， 适应桥梁结构变形并能抵抗反射裂缝。 图1 1 桥面铺装系统 由于桥面铺装问题介于桥梁与道路两个专业的交叉领域，并且作为桥梁工程的附 属结构，多年来一直被忽视，很少进行针对性的单独设计。 由于沥青铺装层及防水粘结层材料的温度稳定性要比沥青路面高得多；另外，防 水粘结层还应具有更高的粘韧性，以适应桥面上严苛的应力、应变条件，而普通沥青 及普通沥青混合料是很难满足上述要求的。我国已颁布的路桥防水粘结层材料行业标 准中只有部分材料的检测方法和技术要求，没有关于防水粘结层设计、施工方面的内 1 第一章绪论 容，材料的试验操作方法和性能评价指标还不完善，理论研究水平和力学计算分析仍 相对滞后。 在工程实践中，大部分铺装仍采用与路面相同的结构形式，有的直接在水泥混凝 土铺装层上铺设沥青混合料，有的则采用了防水粘结层，但撤布量控制不当。这就为 桥面铺装的早期损坏埋下了巨大隐患，进而会导致行车舒适性急剧下降，需要进行加 固维修甚至重新铺设，造成了材料资源浪费和经济效益损失。 随着我国高等级公路建设日益发展，对桥面铺装的研究亟待加强和完善。本文结 合目前国内外对水泥混凝土桥桥面铺装结构与材料的研究进展，主要开展对铺装层沥 青混合料以及防水粘结层的性能研究，为桥面铺装设计与施工提供可靠依据。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 桥面铺装结构研究现状 发达国家由于交通建设发展较早，对桥面铺装的研究也比较早，因此桥面铺装技 术较为成熟。最早研究的国家是德国，紧接着是法国、美国和日本，法国和日本还制 定了相应的技术规范。经过十几年的发展，国外各国在桥面铺装结构类型虽然不完全 相同，但是基本上都是在桥面板和铺装层之间铺设粘结、防水层【1 1 。 在欧美国家，水泥混凝土桥面板沥青混合料铺装一般采用“防水层+ 面层 双层 式，或“防水层+ 铺装下层十铺装上层三层式铺装结构。 丹麦采用的是“底涂剂+ 防水层+ 保护层+ 联结层+ 铺装上层”这样的铺装结构。将 桥面喷砂处理过后涂环氧树脂作为底涂剂，防水层采用改性沥青卷材，保护层采用 1 5 - - 2 0 m m 的开级配沥青混合料，联结层采用4 0 m m 厚的改性沥青混合料，磨耗层采 用4 0 m m 的沥青混合料或者s m a 混合料。德国和丹麦的桥面铺装结构很相似，为“底 涂剂+ 防水卷材+ 排气层+ 联结层+ 铺装上层 结构。 瑞典采用沥青类材料作为与水泥混凝土桥面板的粘结层，防水材料采用沥青砂胶、 涂膜和卷材类材料，铺装层材料根据防水材料的不同有所差异。 法国采用的铺装结构没有联结层，防水层采用涂膜类或卷材类材料，铺装结构为 “粘结层+ 防水层十保护层十铺装层。粘结层采用改性合成橡胶乳液，防水层采用高 分子聚合物涂膜或卷材类材料，保护层采用2 2 m m 厚的沥青碎石保护层，铺装层采用 7 0 - - - , 1 0 0 m m 厚的沥青混合料。 印度使用“铺装层十磨耗层 的铺装结构。铺装层采用7 5 m m 厚的钢筋混凝土， 2 长安大学硕士学位论文 磨耗层采用8 m m 厚的沥青混合料，分两层铺装。 日本通常采用如下的铺装形式：沥青混合料+ 板状防水材料+ 沥青橡胶粘结剂、沥 青混合料+ 三层氯丁橡胶型防水材料+ 氯丁橡胶粘结剂以及沥青混合料+ 乳化沥青粘结 层+ 改性沥青防水层+ 沥青橡胶粘结剂这三种形式，其结构和铺装层厚度如图1 2 和表 1 1 所示。 趣 图1 2 日本桥面典型结构示意图 表1 1 日本桥面铺装层厚度 机构名称 铺装下层( m m ) 铺装上层( m m ) 合计( m m ) 日本公路管理局 3 54 07 5 首都高速公路管理局 5 03 08 0 阪神高速公路管理局4 03 57 5 东京 4 03 07 0 本州四国联络桥管理局 3 5 4 03 5 4 06 5 7 5 关西国际空港联络桥 3 53 57 0 东京湾跨海大桥3 53 57 0 我国的现有研究，关于理论分析和结构计算的甚少，主要集中在铺装层材料设计 和技术应用等方面【2 1 。 对不设置防水层的小跨径桥梁，直接在桥面板上铺装5 0 - 8 0 m m 的普通水泥混凝 土或沥青混合料( 单层或双层) 。混凝土强度等级与桥面板混凝土相同或提高一级，铺 装时应注意密实、充分振捣，表面应保持一定的粗糙度。沥青混合料铺装层可采用单 层式或双层式，单层式即一次铺装5 0 - 8 0 m m 厚的沥青混合料，双层式即两次铺装， 铺装下层厚度为4 0 - - 5 0 m m ，铺装上层厚度为3 0 - 4 0 m m 。 对设置防水层的桥面铺装，先在桥面板上铺装8 0 - - l o o m m 防水混凝土作为铺装 层，再在其上铺筑2 0 m m 的沥青表面处治层作为磨耗层。如果防水程度要求高，可在 桥面板上设置“三油二毡”的防水层，然后再在其上铺装4 0 m m 厚、强度等级不低于 第一章绪论 c 2 0 的细集料混凝土作为保护层，最后再在其上铺筑沥青混合料或水泥混凝土铺装层。 1 2 2 铺装层材料研究现状 目前世界各国基本上都采用沥青混合料作为桥面铺装层材料，主要分为浇注式沥 青混合料( 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 ca s p h a l t ，简称s m a ) 和环氧沥 青混合料( e p o x ya s p h a l t ) 三种【3 】。其中浇注式沥青混合料通常用于铺装层的下面层，沥 青玛蹄脂碎石一般用于上面层，而环氧沥青混合料则同时用于上、下两层。这三种铺 装材料与普通沥青混合料相比，不仅材料组成上根本不同，而且在性能和施工技术上 也有很大区别。 1 浇注式沥青混合料 浇注式沥青混合料是采用硬质沥青，通常用岩沥青或湖沥青和道路沥青配合使用， 添加高剂量矿粉，与集料在2 2 0 以上的高温下，经过长时间的拌和，配制成一种既 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，不需要压路机碾压。 浇注式沥青混合料起源于法国，在日本则称为高温拌和式摊铺沥青混合料。由于 其密实不透水，耐久性好，同时具有极好的粘附性及变形适应能力，因而广泛适用于 大中型桥梁的桥面铺装。浇注式沥青混合料其沥青用量的试验方法与传统的马歇尔试 验方法不同，德国、日本等国家主要采用贯入量试验、刘埃尔流动性试验、轮辙试验 以及弯曲试验【4 】。 日本1 9 8 7 年建成的东关东公路利根川叠合梁斜拉桥桥面下层，就是采用浇注式沥 青混合料进行桥面铺装，经过若干年使用后，尽管上层桥面出现裂缝，但下层浇注式 沥青铺装层却未见异常现象。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下面层也采用了此项技术进行铺装。 2 沥青玛蹄脂碎石 s m a 是在浇注式沥青混合料基础上为解决车辙问题发展而成的新型材料。s m a 采用间断级配，粗集料多，细集料少，矿粉用量多，沥青用量也多。粗集料间形成骨 架结构，由沥青、矿粉和纤维组成的玛蹄脂填充其空隙，成为一种密实结构的沥青混 合料。s m a 与普通沥青路面相比，具有良好的高温稳定性、耐久性、低温抗裂性、抗 滑性以及良好的抗变形能力。 沥青玛蹄脂碎石混合料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。1 9 9 2 年，我国在建设首都机场高速公路的过程中首次引进采用了s m a 4 长安大学硕士学位论文 技术。 随着改性沥青s m a 路面的不断推广和完善，近几年也逐渐作为桥面铺装材料得 到应用。重庆交通科研设计院从1 9 9 5 年起着手开发改性沥青s m a 桥面铺装技术。其 施工工艺相对简便，工程造价较低。我国采用此技术进行桥面铺装的主要有汕头海湾 大桥、厦门海沧大桥、广东虎门大桥、重庆鹅公岩长江大桥、武汉军山长江大桥、上 海东海大桥等。 3 环氧沥青混合料 环氧沥青是将环氧树脂加入沥青中，经过与固化剂发生硬化反应，形成网络状高 分子聚合物，使沥青由热塑性转变为热固性材料，从而赋予其优良的物理和化学性能， 同温度升高后变软的传统热塑性聚合物改性沥青相比具有非常明显的优势。环氧沥青 一般由a 、b 两种组分组成，其中a 组分为环氧树脂，b 组分为石油沥青与固化剂组 成的混合物，施工时将两种组分配合使用。环氧沥青混合料主要有以下优良特性： 强度高、刚度大；优良的耐疲劳性能；良好的抗腐蚀性。 因而环氧沥青混合料是桥面铺装的理想材料，但是目前环氧沥青的组成及制备方 法在国外大多属于专利技术，2 0 0 0 年南京长江二桥采用环氧沥青混合料铺装桥面，这 在我国尚属首例，采用的是美国技术，连环氧沥青也是直接从美国进口。 国内对环氧沥青的研究起步于9 0 年代，上海市市政工程管理处和同济大学对环氧 沥青混合料的配制方法及物理性能进行了研究，提出了设计和施工指南。长沙交通学 院也在此基础上开展了类似研究，并初步分析了环氧沥青的改性机理。东南大学对环 氧沥青的制备方法和粘弹性能进行了研究，并申请了发明专利。长安大学郝培文教授 对环氧沥青混合料铺装成套技术进行了深入研究，并将此项技术应用到广东珠江黄埔 大桥桥面铺装上。 不同沥青混合料铺装材料，不仅在性能上有差异，而且在施工工艺以及工程造价 上，都有明显区别，表1 2 给出了几种沥青铺装优缺点对比。 表1 2 不同桥面沥青铺装比较 浇注式沥青沥青玛蹄脂 环氧沥青普通混凝土 对比项 混凝土铺装碎石铺装混凝土铺装铺装 变形随从性优良优差 使用寿命良良优差 工艺复杂程度较复杂稍复杂复杂不复杂 工程造价较高较高很高 低 第一章绪论 1 2 3 防水层材料研究现状 2 0 世纪2 0 年代，丹麦和美国堪萨斯州开始在混凝土桥面采用较为原始的防水层， 4 0 、5 0 年代，伴随发达国家大规模的公路建设，防水层逐步得到应用【5 l 。防水系统的 概念在6 0 年代出现，在认识到防水系统对保证桥梁耐久性的重要意义后，英国于1 9 6 5 年开始强制在混凝土桥面设置防水系统，从1 9 7 1 年起，防水材料和防水系统须满足 1 9 7 0 年颁布的道路和桥梁工作规范( d t t m b e 2 7 ) ，自1 9 7 5 年，为了获得b b a r b 使用 资格认证，材料必须接受一系列检测，至1 9 8 6 年，须满足专门的公路工作规范。在这 期间，欧美等国相继制定类似政策，并对防水系统进行了大量的研究，掀起了桥面防水 研究和应用的第一个高潮。不过，与欧洲特别是英国相比，美国对材料、性能试验、 具体设计、施工质量上的要求仍不具体和严格。 尽管防水系统在实际应用中出现了一些问题，但是，长期的工程实践也证明了桥 面防水的重要性，为完善和提高防水系统的使用性能，新一轮的研究和应用高潮开始 在许多国家展开。如英国t r r l 于2 0 世纪8 0 年代末、9 0 年代初开展了一项庞大和系 统的研究计划，美国的s h r p 计划对防水系统的使用性能和无破损检测技术进行了研 究1 6 】，美国的n c h r p 也于1 9 9 5 年对混凝土桥面防水进行了大规模的调查和研究，并重 申了桥面防水系统在新建和改建、维修工程中的重要性。至今，欧美等国仍在对混凝 土桥面防水系统进行着深入和系统的研究。 相比较而言，我国在混凝土桥面防水的研究几乎是空白，大多数地区对桥面防水 的应用仍处于起步阶段。而且，各地区均没有完善的桥面防水设计、施工、检测规范 和标准，尤其在防水材料的选择上缺乏科学性。这造成目前桥面防水系统的材料和施 工工艺主要照搬屋面防水工程，尚未形成一套适用于评价和选用桥面防水材料的性能 指标和试验手段，这导致桥面防水材料市场十分混乱，质量参差不齐，同时已设置防 水层的桥面铺装也产生了不少问题，如防水层与面层和桥面粘结强度不足而产生早期 破坏、防水材料本身质量不过关以致起不到防水作用等。 1 9 9 9 年3 月底，交通部公路司在京主持召开了“桥面铺装结构专题研讨会 ，会 议指出桥面铺装原则上宜设置防水层，并建议对防水层材料、技术指标等进行深入研 究；2 0 0 0 年由交通部公路司立项长安大学主持研究的“水泥混凝土桥面防水系统设计 与施工技术 开始进行，这表明桥面防水已开始在我国引起重视。目前，包括河南、 安徽、福建、云南等许多省市区已开始或大量使用防水层。 6 长安大学硕士学位论文 1 3 主要研究内容 本文是以水泥混凝土桥沥青混合料铺装为研究对象，开展桥面铺装病害调查及成 因分析、桥面铺装受力分析，并通过室内试验着重对桥面铺装材料与性能进行研究。 具体内容如下： 1 桥面铺装病害成因分析 通过现场调查，对桥面铺装病害类型进行归总，分析病害成因。 2 桥面铺装层间受力分析 建立桥面铺装体系的力学模型，通过变化铺装层厚度与模量、防水粘结层厚度与 模量等，对桥面铺装层间受力状态进行比较分析。 3 铺装下层沥青混合料材料性能研究 对铺装下层沥青混合料进行级配设计，并通过s b s 改性和掺加p e 颗粒这两种改性 方式，研究其对普通沥青混合料的性能改善效果。 4 防水粘结层材料性能研究 通过室内试验，对s b s 改性沥青等三种常用涂膜类材料开展性能研究，主要采用 直接剪切试验和拉拔试验，以抗剪强度和抗拉强度作为衡量标准确定其最佳涂抹量， 并就外界环境因素敏感性和不透水性能进行对比分析。 5 。底涂剂及保护层材料性能研究 开展硅烷偶联剂和预拌碎石保护层对防水粘结层性能改善效果的研究，为工程应 用提供依据。 7 第二章桥面铺装病害成因与受力分析 第二章桥面铺装病害成因与受力分析 桥面铺装层是桥梁行车系统的重要组成部分，是桥面板的保护层，它的作用是防 止车轮直接作用在桥面板上，扩散荷载，保护桥面板免受雨水和其它有害物质的侵蚀。 由于沥青混合料铺装层与混凝土桥梁结构在材料性能上差异较大，因此会导致在 外力作用下应力与变形的不连续，若铺装层自身的强度和稳定性不足将易引起沥青铺 装层的早期损坏，随着交通量和重型车辆的增加，沥青铺装层的损坏呈加速态势【7 j 。 这不仅影响了桥面美观，而且给行车安全带来严重危害，增加了维修和养护的费用【引。 本章结合大量的桥面铺装病害调查，分析病害成因，并研究其层间受力状况。 2 i 桥面铺装病害调查 2 i 1 病害调查结果 针对西安市和北京市的主要混凝土桥沥青铺装层出现的病害进行了认真的调查和 系统的统计【9 】，结果见表2 1 和表2 2 ： 表2 1 西安市主要混凝土桥沥青铺装层病害调查表 序号桥梁名称 铺装层材料破坏情况 1 沪河大桥 a c 沥青混合料局部裂缝 2 灞河大桥s m a 沥青混合料裂缝，局部出现大坑槽 3 曹村桥a c 沥青混合料有微小裂缝，局部松散 4 清水河桥a c 沥青混合料局部损坏，松散，坑槽，有波浪变形出现 5 蒲河桥a c 沥青混合料有坑槽，网状裂缝 6 渭河大桥a c 沥青混合料局部裂缝 表2 2 北京市主要混凝土桥沥青铺装层病害调查表 序号桥梁名称铺装层材料 铺装层厚度( c m ) 破坏情况 车辙 l航天桥 沥青混合料 9 程度：一般 纵缝 2 紫竹桥沥青混合料7 程度：严重 横缝、龟裂 3 德胜门桥沥青混合料5 程度：严重 复兴门 横缝、拥包 4 沥青混合料( 中粒式) 4 7 立交桥程度：较严重 大北窑橡胶沥青石屑+拥包、裂缝 5 2 5 + 4 5 立交桥橡胶沥青混合料程度：较严重 2 1 2 病害类型汇总 图2 1 为最常见的沥青铺装层病害的照片。 8 长安大学硕士学位论文 ( a ) 横向裂缝 ( c ) 坑槽 ( e ) 拥包 ( b ) 纵向裂缝 ( d ) 沥青层脱落 ( f ) 推移 ( g ) 车辙 图2 1 铺装层病害图 9 第二章桥面铺装病害成因与受力分析 从调查的情况可以看出，桥面铺装的主要病害类型可以分为以下几种： ( 1 ) 裂缝类 因温度变化并伴随桥面板或梁结构的刚度不够产生较大的挠度而导致沥青铺装层 的开裂，这些裂缝在车辆荷载作用下，使雨水渗入下层铺装甚至穿过粘结层，诱发多 种病害的发生，甚至威胁到梁体结构的安全。 ( 2 ) 变形类 由于沥青铺装层材料的抗剪强度不足，易使桥面产生变形，引起不确定破坏面的 剪切变形；或者由于铺装层与桥面板层间结合面粘结力差，抗水平剪切能力较弱，在 水平方向上产生相对位移，产生同向的车辙、推移和拥包等病害。 ( 3 ) 表面缺陷类 沥青混合料组成设计本身不合理导致的铺装层出现松散、泛油、集料磨光、透水 等破坏。 ( 4 ) 其它类 重车荷载的局部冲击导致桥面铺装层薄弱区域，出现破碎、坑槽等情况。 2 2 桥面铺装病害成因分析 根据桥面铺装病害类型及特点，桥面铺装的病害成因可归纳为以下几点1 0 , 1 1 , 1 2 】： 2 2 1 桥面受力特征 ( 1 ) 超重荷载的作用 美国通过环路试验，研究了重载对路面结构的破坏作用，认为车辆对路面的破坏 性与轴载的n 次方成正比，即重载对路面的破坏具有很大的影响。随着交通量的增大 以及重型汽车的增多，造成动荷载、偏载对桥面的冲击越来越严重，尤其在桥面不平 整或桥面伸缩缝等地方，冲击就更严重了，加速了铺装层的破坏。而且由于交通渠化 的影响，行车道的破坏情况更为加剧。 ( 2 ) 负弯矩的影响 对于连续梁桥、拱桥及悬臂梁桥等结构，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作用而容易出现裂缝。 ( 3 ) 铺装层与主梁混凝土收缩不一致 铺装层施工后由于铺装层与主梁混凝土收缩的不一致，造成铺装层与梁的结合面 1 0 长安大学硕士学位论文 内剪应力及法向应力接近临界状态，局部可能超出规范容许值，易引发桥面病害。 2 2 2 铺装层结构与材料 ( 1 ) 铺装层厚度 铺装层过薄或者过厚时，都不利于桥面承载，由计算分析表明，铺装层厚度为8 c m 时，层间受力最合理，这也是现行规范的推荐值。 ( 2 ) 铺装层沥青混合料级配 当沥青混合料的矿料级配不合理，粗骨料偏少且强度不高，油石比过大，饱水率 偏小时，容易造成沥青混合料的高温稳定性差，从而引起桥面铺装层产生车辙、拥包 等病害。粗骨料偏多或施工过程中混合料离析等原因，使铺装层的局部地方出现很大 的残余空隙率，在动力水的作用下，铺装层沥青混合料将会产生坑洞等破坏现象。 2 2 3 层间粘结状态 混凝土桥面和沥青铺装层之间粘结层施工质量差、粘结力不足容易造成层间滑移， 甚至产生“两层皮现象”，使桥面铺装发挥不了整体作用，在重车荷载作用下易造成桥 面铺装局部产生变形，引起铺装层结构早期破坏。粘结层材料的软化点过低或过高都会 导致粘结力的下降。另外施工时会有局部空鼓，这些密闭的空气遇热膨胀，在车辆荷 载的作用下，产生漂移，使原本粘结好的地方被撕开【1 3 1 。 混凝土桥面板粗糙度不够引起防水粘结层下表面结合不良；由于桥面板表面没处 理干净，有松散砂粒或者泥污，或由于使用的粘结层材料质量较差，洒布不均匀，或 洒布后行车作用把粘结层带起等原因都会造成粘结不良。 2 2 4 气候条件 ( 1 ) 温度的影响 南方高温地区桥面铺装的夏季最高使用温度在6 5 - - - 7 5 之间，而设计施工技术规 范的最高抗车辙温度是按照6 0 制定的，因此有可能造成沥青桥面铺装的抗车辙指标 偏低。 使用期内温差较大容易使沥青铺装层产生横向裂缝，这是沥青混合料的抗变形能 力小于温缩变形所致。或者是由于短期内气温下降速度太快，使沥青混合料表面温度 下降太快，而内部温度下降较慢，在长期的累积作用下，会产生温缩裂缝。 ( 2 ) 水的影响 水是沥青混合料铺装层破坏的一个重要因素。水损害主要表现在两个方面：一是由 1 1 第二章桥面铺装病害成因与受力分析 于沥青混合料的抗水损害能力不足而产生的坑洞，二是当沥青混合料铺装层破坏后， 水渗入到铺装层与桥面板间的接触界面，对桥梁主体结构造成巨大的破坏。渗水造成 层间滞留水分，在车辆荷载的反复作用下层间剥离，加速沥青混合料铺装层破坏，从 而造成沥青铺装的脱层和坑洞。 一 赫 要要罂! 苎! 竺星! 是s 一 ? 7 乙“07 2 ： 图2 2 桥面铺装层水损害机理示意图 如图2 2 所示，桥面铺装层水损害机理可以简要解释为：首先，桥面板水泥混凝 土在塑性期或硬化初期会因为水分的蒸发造成开裂，一般来说，桥面混凝土厚度小， 和空气接触面大，产生的开裂几率也大。水分会透过铺装层渗入桥面板，进而使主体 结构发生钢筋锈蚀和混凝土的碱一集料反应，从而造成混凝土内部开始涨裂破坏，严 重影响桥梁使用的耐久性和安全性，并在冻融的影响下，将破坏迅速扩张到整个桥面 铺装层。 2 3 桥面铺装设计控制指标 为了减少桥面铺装的病害并延长桥面的使用寿命，找出目前桥面铺装主要破坏机 理是关键，由于铺装层沥青混合料疲劳破坏和层间粘结失效是水泥混凝土桥面铺装的 主要破坏类型，下面主要从这两方面来阐述桥面铺装的主要控制指标。 ( 1 ) 沥青铺装层疲劳开裂 由于荷载及温度等其他因素作用，沥青铺装层在设计寿命内产生开裂破坏，为雨 水侵蚀桥面板提供了途径，从而导致钢筋锈蚀并直接威胁到桥梁主体安全。 以疲劳开裂作为桥面铺装的设计控制标准，考虑一定的松弛效应后，铺装层沥青 混合料内的最大拉应力应不超过相应容许值，即： 1 2 长安大学硕士学位论文 叱 = 略一k 岛。曲 ( 2 一1 ) 式中：吒。根据拟定的铺装层厚度和防水粘结层形式，通过有限元分析计算得到 的桥面铺装层沥青混合料内的最大拉应力( m p a ) ； 铺装层沥青混合料的容许拉应力( m p a ) ； 而铺装层沥青混合料的劈裂强度( m p a ) ，由试验确定； 岛与温度疲劳、沥青混合料级配类型相关的沥青混合料抗拉结构系数。 ( 2 ) 桥面铺装层问粘结失效 由于水泥混凝土桥面铺装体系中各结构层的性质、力学参数不一样，造成了结构 层间界面的不连续，行车荷载经过时局部位置将会产生较大拉应力与剪应力，使得层 间界面成为桥面铺装结构中最为薄弱的环节，此时若层间粘结力不足，将直接导致桥 面铺装层的病害。 事实表明，合理的桥面铺装必须具备足够的层间抗剪强度和层间抗拉强度，由于 桥面铺装破坏一般发生在高温季节，因此以下两项设计指标特别适用于高温情况下的 桥面铺装设计。 气。 ( 2 - 2 ) ( 2 3 ) 式中：桥面铺装的层间最大剪立力( m p a ) ，由计算得出； 靠桥面铺装的层间容许抗剪强度( a ) ； 桥面铺装的层间最大拉应力( m p a ) ，由计算得出； 桥面铺装的层间容许抗拉强度( m p a ) 。 以上控制指标可为混凝土桥面沥青铺装的设计方法提供依据。 2 4 桥面铺装力学分析 解决好桥面铺装诸多问题的重要前提是明确桥面铺装结构特别是层间的受力状态 及其影响因素【1 4 , 1 5 】。从整体上讲，国内外研究均偏重于应用方面，关于理论分析和结 1 3 第二章桥面铺装病害成因与受力分析 构计算的研究还很不成熟。目前，国内进行水泥混凝土桥梁设计时，通常假定桥面铺 装不参与梁体受力或仅折算后计入桥面板厚度和桥面板共同受力，般不作专门计算 1 6 , 1 7 】。因此有必要建立桥面铺装的力学分析模型，研究铺装体系在轮载作用下的应力 响应及其影响因素。 2 4 1 力学模型建立 按照弹性层状体系理论建立力学分析模型( 如图2 3 所示) ，并以通用有限元分析软 件a n s y s 作为计算分析工具，运用三维有限元法分析荷载作用下铺装体系的层间应 力响应。图中的互为铺装体系各层材料的弹性模量，q 为其泊松比，红为各层的厚度， = 0 、l 、2 ；f 为弹性半空间等效弹性模量，由桥梁结构形式及铺装层厚度确定。 沥青混合料铺装层( e 2 ，1 ，。m ) 防水粘结层( e - ，u ，h t ) 水泥混凝土板( e o ，l ，o ，i l o ) ，7 磊甬丽瓣菇了万7 7 图2 3 弹性层状铺装体系图 1 基本假设 现对模型的结构特性和材料特性作以下假定： ( 1 ) 桥梁梁体、铺装层和防水粘结层都处于无裂缝工作状态； ( 2 ) 桥面铺装体系层间完全连续接触且所有材料符合线弹性假设； ( 3 ) 铺装层、防水粘结层和桥梁主体一起承受汽车荷载作用； ( 4 ) 考虑竖向轮载由行驶过程中刹车或驱动过程中产生的水平力的影响； ( 5 ) 忽略自身重力、负弯矩及桥梁振动对结构应力的影响。 2 模型建立 模型选取3 m 长，3 m 宽，厚度方向随着桥面铺装结构厚度的变化而改变；边界条 件为：底面上没有z 方向位移，左右两面没有x 方向位移，前后两侧没有y 方向的位 移；层间连续接触时，上下对应节点位移一致。 ( 1 ) 单元选用 对于铺装层、桥梁上部结构等均采用六面体八节点实体单元s o l i d 4 5 模拟；防水 层采用四节点壳单元s h e l l 4 1 模拟。 ( 2 ) 计算荷载 1 4 长安大学硕士学位论文 根据同济大学的孙立军教授的研究成果，荷载作用于路面的接地形状更接近矩形， 因此本文在进行桥面铺装结构受力特性分析时加载方式采用矩形均布荷载，轮载压强 为0 7 m p a ，作用面积为0 2 4 m o 1 5 m 。计算中水平荷载与垂直荷载同时考虑，假定 有重车紧急制动，取制动系数f = 0 5 ，水平荷载q = 0 5 p = 0 3 5 m p a 。 ( 3 ) 网格划分 网格密度从上到下逐渐加大，网格单元如图2 4 所示。 图2 4 划分单元后的模型 ( 4 ) 基本参数 桥面铺装体系各部分结构与材料基本参数见表2 3 和表2 4 。 表2 3 铺装体系结构基本参数 结构参数 ( c m )矗( r a m )红( e r a ) 基本取值 1 029 表2 4 铺装体系材料基本参数 材料参数 e o ( m p a )局( 加) a )q易( m a a )d 2 基本取值3 0 ，0 0 0 o 1 51 5 00 31 8 0 00 2 5 计算参数说明如下：a c ：沥青混合料铺装层；p c c ：水泥混凝土桥面板；m - 粘 结层；a c m ：铺装层和防水粘结层层间；p c c m - 桥面板和防水粘结层层间；tx y ： 层间横桥向剪应力；ty z ：层间顺桥向剪应力；oy ：层间法向拉应力。 1 5 第二章桥面铺装病害成因与受力分析 2 4 2 层间应力分析 1 沥青混合料铺装层模量的影响 铺装层模量岛一般不超过3 0 0 0 m p a ，本文分别采用1 0 0 0 m p a 、1 5 0 0 m p a 、2 0 0 0 m p a 、 3 0 0 0 m p a 四个不同的模量为代表值，对不同模量值下的铺装结构层间的应力依次进行 分析，计算结果见表2 6 ，变化曲线如图2 5 、图2 6 所示。 表2 5 沥青混合料铺装层模量对层间应力的影响 a c mp c c m 易( m p a ) 0ytx yty zo y【x y 1 7 y z 1 0 0 0o 1 9 1 40 1 4 0 20 2 6 1 4 0 0 3 2 4 0 1 2 1 00 2 1 6 8 1 5 0 0 o 1 9 5 0 o 1 4 1 00 2 4 9 3 0 0 3 0 5 0 1 1 1 1 0 2 0 4 7 2 0 0 00 1 9 6 7 0 1 4 2 2 0 2 4 1 50 0 2 8 4o 1 0 4 4o 1 9 4 6 3 0 0 0o 1 9 8 50 1 4 4 60 2 3 7 0 0 0 2 3 3 0 0 9 1 20 1 7 2 4 令 垒 v 趔 r 趟 令 垒 、- 一 趔 r 毯 铺装层沥青混合料模量( 肝a ) 图2 5a c m 层间应力随铺装层沥青混合料模量变化图 铺装层沥青混合料模量( m p a ) 图2 6 p c c m 层间应力随铺装层沥青混合料模量变化图 1 6 长安大学硕士学位论文 计算结果分析如下： ( 1 ) 从图2 5 可以看出，随着铺装层模量的增加，a c m 层间法向拉应力变化不大； 横桥向剪应力在2 0 0 0 m p a 左右时，衰减趋势由大变小；顺桥向剪应力缓慢增加。 ( 2 ) 从图2 6 可以看出，随着铺装层模量的增加，p c c m 层间法向拉应力减小趋势 不明显；横桥向剪应力及顺桥向剪应力大致呈线性锐减趋势。 ( 3 ) 总的来说，a c m 层间各应力值均大于p c c m 层间相对应的应力值；铺装层 模量增加对层间法向拉应力影响较小，但对层间最大剪应力的控制起到很好的效果。 例如，铺装层模量从1 0 0 0 m p a 到3 0 0 0 m p a ，p c c m 层间最大剪应力由0 2 1 6 8 m p a 到 0 1 7 2 4 m p a ，减少了近2 0 。 2 沥青混合料铺装层厚度的影响 铺装层厚度见分别取5 c m 、7 c m 、9 e r a 、l l c m 、1 3 c m 、1 5 c m 来计算分析其对铺装 体系层间应力的影响。不同铺装厚度时层间最大剪应力及法向拉应力计算结果见表 2 6 ，变化曲线如图2 7 、图2 8 所示。 表2 6 沥青混合料铺装层厚度对层问应力的影响 a c mp c c m 红( c m ) 0ytx y 【y z oytx yty z 50 2 0 3 30 1 7 8 90 2 6 9 10 0 3 2 5o 1 4 8 80 2 5 0 6 7o 1 9 9 00 1 5 5 90 2 5 2 10 0 3 0 4o 1 1 7 40 2 1 7 0 9o 1 7 1 80 1 3 2 l0 2 2 3 50 0 2 3 50 0 9 8 lo 1 8 5 2 1 10 1 2 5 lo 1 1 3 00 1 8 8 00 0 2 2 3o 0 8 1 00 1 6 3 9 1 30 0 7 7 70 0 9 2 0o 1 6 3 50 0 2 0 80 0 6 7 5o 1 5 0 8 1 50 0 4 2 90 0 7 6 50 1 2 6 40 0 1 4 10 0 5 5 70 1 2 9 0 0 3 0 2 5 鲁0 2 皇 趔0 1 5 r 毯0 1 0 0 5 0 5 791 l1 31 5 沥青混合料铺装层厚度( c m ) 图2 7a c m 层间应力随沥青混合料铺装层厚度变化图 1 7 第二章桥面铺装病害成因与受力分析 o 3 o 2 5 蛊0 2 皇 j 罾0 1 5 巷叭 0 0 5 o 5791 11 31 5 沥青混合料铺装层厚度( c m ) 图2 8p c c 。m 层间应力随沥青混合料铺装层厚度变化图 计算结果分析如下： ( 1 ) 从图2 7 可以看出，随着铺装层厚度的增加，a c m 层间法向拉应力衰减趋势 由小变大；横桥向和顺桥向剪应力大致呈线性减少趋势。 ( 2 ) 从图2 8 可以看出，随着铺装层模量的增加，p c c m 层间法向拉应力、横桥向 剪应力及顺桥向剪应力衰减趋势明显。 ( 3 ) 当铺装层厚度从5 c m 增加到1 5 c m 时，a c m 及p c c m 层间法向拉应力分别 减少7 8 9 和5 6 6 ，层间最大剪应力减少也都在5 0 以上。由此说明，适当增加沥 青混合料铺装层厚度有利于桥面铺装结构的层间稳定。 3 防水粘结层模量的影响 防水粘结层的模量e 一般在1 0 0 - - 3 0 0 m p a 之间，因此，分别取5 0 m p a 、1 5 0m p a 、 2 0 0 m p a 、3 0 0m p a 来研究模量变化对层间剪应力和拉应力的影响，计算结果见表2 7 ， 变化曲线如图2 9 、图2 1 0 所示。 表2 7 防水粘结层模量对层间应力的影响 a c mp c c