第1期(总第164期) 2013年2月 中圄彳丛z CHINA MUNICIPAL ENGINEERING No.1(SeriaI No.1 64) Feb.2013 DOI:10.3969/j.issn.1004—4655.2013.01.030 水泥混凝土桥面铺装层问界面剪切性能试验研究 王 伟 ,孟庆营’,周卫峰’,张红兵’。张 娟 (1.天津市市政工程研究院,天津300074;2.长安大学特殊地区道路教育部重点实验室,陕西西安710064) 摘要:为减少推移、拥包、铺装层脱落等桥面铺装剪切破坏,建立了足尺力学实体模型,利用有限元软件ANSYS 分析了桥面铺装体系内的剪应力分布状况,然后针对层间界面这一薄弱环节,利用直剪试验对层间界面剪切性能 进行了深入研究。试验结果表明:双SMA倒装结构(上面层SMA一16/下面层SMA一13)在层间抗剪强度上具有较 为明显的优势;溶剂型黏结剂与SBS改性沥青和水性沥青基涂料相比,具有较好的抗剪性能;在浸水和冻融试验 条件下,3种界面的抗剪强度存在显著差异,刷毛>凿点>刻槽;试验条件对层间界面的抗剪强度有十分重要的影 响:抗剪强度干燥状态时>冻融状态时>浸水状态时;在不施加正压力的情况下,下界面层间抗剪强度:公称最 大粒径较小的混合料>较粗的混合料。 关键词:道路工程;剪切性能;直剪试验;层间界面;桥面铺装 中图分类号:U443.33 文献标志码:A 文章编号:1004—4655(2013)01—0087—05 在桥面铺装体系中,常见的剪切破坏有两种 1-2]。 一铺装层力学分析时采用均布荷载,荷载作用面 积依据规范 将轮胎接地面形状由圆形面积等效转 换成矩形面积0.15 rn×0.30 m,保持两轮中心间距 25 em不变。取标准轴载轮胎接地压强为0.707 MPa。 根据桥面板及梁的几何尺寸和计算荷载接地 面的几何尺寸,分别在中间横隔板之间的L/2和 种是铺装上、下层之间以及铺装下层与桥面板之 间黏结层的剪切破坏,不仅降低了桥面板和铺装层 的复合作用,加速铺装层的损坏,而且给修复工作 带来极大的困难,常见的类型是铺装层脱落;另一 种是在行车荷载引起的垂直力和水平力的综合作用 下,铺装层内产生的剪应力超过铺装层材料的抗剪 L/4的3个行车道上布置计算荷载,分别记作荷位 强度,在铺装层内产生剪切破坏,常见的类型是搓 L/2—1、L/2—2、L/2—3和L/4—1、L/4—2、L/4—3。 板、拥包等。因此,很有必要对桥面铺装体系内的 剪应力分布状况及桥面铺装体系的抗剪切破坏能力 进行研究。 在上述6种荷位分别加载,依次计算铺装上下 层之间横l ̄Z'12ym 纵向z12ymax,铺装下层与桥 面板之间横向 3 m 纵向"g'23ymax,铺装上层内 1桥面铺装体系剪应力分布状况计算 18.35 m,包括4个横隔板,每个横隔板厚35 em, 间距为6m;总宽38.6m,设有斜腹板,厚度取40 cm。 边界采用在两端横隔板的底端固结。桥面铺装体系 各部分结构计算参数如表1所示。 表1桥面铺装体系各部分结构计算参数 结构层次 桥面板 铺装上层 铺装下层 厚度/cm 30 40 60 模量/MPa 36O0o 2000 l 8o0 泊松比 0.15 O_3O 0-3O 的 1max和铺装下层内的 max。铺装体系的最大剪 层间的剪应力明显大于层内的剪应力,且层问的横 向剪应力明显大于层间的纵向剪应力。其中以铺装 下层和桥面板之间的横向剪应力最大,铺装层之 间的横向剪应力次之。 表2铺装体系最大剪应力汇总表 荷位 Z'12 max 2"12vmax r23 ma】【 r23ymax 1ma)【 三,2—1 三,2—2 三,2—3 0.505 0.5O6 0.5O6 0.256 0.254 0.255 0.632 0.632 0.633 0.341 0.342 0.340 0.167 0.168 0.167 ANSYS有限元足尺力学实体模型 J,总长 切应力计算结果见表2。由表2可知:同一荷位处, MPa max 0.300 0.298 0.299 三,4—1 0.506 0.5O6 0.255 0.255 0.632 0.633 0.341 0.343 0.167 0.166 0.297 0.301 收稿日期:2012—12—03 三,4—2 L|4—3 0.506 0.255 0.632 0.341 0.167 0.299 第一作者简介:王伟(1985一),男,山东省齐河县人,工 程师,工学硕士。 对于双层铺装方案而言,采取分层铺筑,层间 87 中国彳盎=靠 王伟,孟庆营,周卫峰,等:水泥混凝土桥面铺装层间界面剪切性能试验研究 结构 编号 I—l一1 201 3年堑 抗剪强度 平均 /MPa /MPa 设有黏结层,是用来增强铺装体系复合整体作用 表3铺装层0.7 MPa正应力直剪试验结果 剪切力/N 面积/m 的,改善了铺装层的受力状态。但层间出现了材料 的变异性,相应的层间受力状态也会发生突变(剪 应力集中)。层间2种材料的性质差别越大,在层 间界面产生的应力突变就越明显,所以,层间特别 是铺装下层与桥面板间的剪应力一般比较大,如果 层间的剪应力超过了黏结层的抗剪强度,铺装层就 会发生剪切滑移破坏。同时,由于桥面板本身就具 6090 0.0081 0.752 上面层SMA一13 I—l一2 下面层SMA5 934 5 81l 5 876 O.008l O.0H081 O.oo8l 16 I一1—3 I一1—-4 0.733 0732 .0.717 0.725 I一2_一1 6 732 O.0081 0.831 上面层SMA一13 I一2—2 下面层SMA一6 345 6422 5 904 6 294 0.0081 O.0081 O.008l 0.0081 10 I一2-一3 I一2—_4 I一3—1 0.783 0784 .0.793 0.729 0.777 有2%的横向坡度,在车轮荷载的水平力作用下会 上面层SMA一16 I一3—2 6 837 0.0o8 1 O.84_4 0增加铺装层发生横向相对滑移的趋势,从而使得铺 装体系的横向剪应力大于其他方向的剪应力,所以 横向的最大剪应力大于纵向最大剪应力。 综上可知,桥面铺装的层间界面(上下面层之 间、下层与桥面板之间)的剪应力较大,是桥面铺 装体系的薄弱环节,更容易出现剪切破坏。因此, 选取桥面铺装层间界面剪切性能作为研究对象,进 行深入研究。 2铺装上、下层层间界面的剪切性能试验研究 界面剪切力包括摩阻力及黏结力两部分。层问 界面错动时,两层之间产生很强的摩擦作用,因此, 受正压力影响,界面剪应力线性增加无峰值出现, 摩阻力随正压力的增加而成正比例增加,黏结力变 化过程没有反映出来,表明在有正压力存在的直剪 试验过程中,摩阻力构成了界面剪切力的主要部 分。而不同的结构组合通过相同的黏结层材料粘结 在一起之后的界面嵌挤摩擦状态的差异,主要体现 在界面摩阻力上。因此,选择有正应力的直剪试验 来考察不同结构组合之间的层间界面剪切性能 。 试验条件:试验温度为60℃,正应力为0.7MPa, 加载速度为50 mm/min,试件采用全厚式车辙板钻 芯得到。 不同结构组合条件下的0.7 MPa直剪试验结果 如表3所示。 1)双SMA结构具有较高的抗剪强度,较其他 结构组合有较明显的优势。在双SMA的3种结构 中,倒装结构(1-2、I一3)比正常结构(I一1)的 抗剪强度高。这是因为铺装层直剪试件的成型过程 的碾压使得上、下面层界面上相互嵌挤,分层模糊, 形成较为稳定的一体,破坏时上下面层均有剪切破 坏,因此在上面层受到水平力作用时,公称最大粒 径较大的混合料骨架结构发挥更大的作用,具有较 大的抗剪强度。 88 下面层SMA.一13 I一3—3 6723 0.o081 0.830 803 I一3—4 6 147 0.0081 0.759 Ⅱ一1—1 5 972 0.0o81 0.737 上面层SMA一13 Ⅱ一1—2 5 643 0.0081 0.697 0下面层AC10 Ⅱ.一1—3 5 747 0.008 l O.710 717 Ⅱ一1—_4 5 883 0.o081 0.726 上面层橡胶粉、 Ⅲ一1一l 5 883 0.0081 0.726 SBS综合改性 SMAⅢ一1—2 5 421 0.0081 0.669 0.707 一13 Ⅲ一1—3 5 636 0.0081 0.696 下面层AC10 Ⅲ一1—_4 5 952 O.0o81 0.735 Ⅳ一1—1 3 672 O.0H081 0.453 上面层ACI3 下面层AC16 Ⅳ一Ⅳ1—2 3 946 0.0081 0.487 0.1—3 4oo6 0.0081 0.495 486 Ⅳ一1—_4 4 l17 0.o081 0.508 2)通过比较II、III 2种结构可知,掺加橡胶 粉改性的相同结构的抗剪性能差别不大。可是,由 于橡胶粉的加入,使得细集料相应增多,在一定程 度上影响了混合料骨架结构的作用,因此抗剪强度 稍稍降低,但变化不大。 3)通过比较I一2和III 2种结构可以知道,虽 然上面层结构对抗剪强度的影响最大,但是当上面 层相同、下面层为不同沥青混合料时,抗剪强度相 差也较大。其中,下面层为SMA的双SMA倒装结 构在抗剪强度上具有较为明显的优势。 3铺装下层与桥面板层间界面的剪切性能试验研 究 由于防水黏结层位于模量及硬度较大的水泥混 凝土桥面板和沥青混合料铺装层之间,且沥青混合 料的集料具有较多尖锐的棱角。在有正压力的直剪 试验中,当层间发生滑动时,铺装层混合料的集料 与水泥混凝土板之间产生很强的摩擦作用,防水黏 结层结构将遭到破坏 j。因此,可采用无正压力 的直剪试验,来评价铺装下层与桥面板层问界面的 剪切性能。 在进行方案设计时,主要考虑防水材料类型、水 泥混凝土界面、试验条件、沥青混合料类型等4种 因素的影响,每种因素各考虑若干种水平(见表4)。 中圄彳丛z 王伟,孟庆营,周卫峰,等:水泥混凝土桥面铺装层间界面剪切性能试验研究 201 3年第1期 表4剪切试验考虑因素及水平 因素 水平 强度如图2所示。由于受到各种因素之间交互作用 的影响,很难分出界面的优劣,需要通过方差分析 防水材料类型 溶剂型黏结剂、水性沥青基涂料、SBS改性沥青 水泥混凝土界面 刻槽、凿点、刷毛 试验条件 25℃、4O℃、60 ̄C、浸水、冻融 沥青混合料类型 SMA一13、SMA一10 注:浸水试验是指将试件在25℃的水浴中浸泡48 h;冻融是指将试 件在常温水中浸泡30 arin后在一18℃的冰柜中冻24 h,然后在25℃ 的水浴中融化5-6 h。浸水和冻融后的剪切强度都是在25℃下测得 的。3种温度,即25℃、40℃、60℃,是指将试件在25℃、4O℃、 60℃的烘箱中保温5-6 h,使整个试件温度均匀。 3.1防水材料类型对防水黏结层抗剪强度的影响. 本次试验中使用了溶剂型黏结剂、水性沥青基 防水涂料和5%SBS改性沥青等3种涂膜类防水黏 结材料。在试验中抗剪强度如图1所示,表现出不 同的性能(混凝土界面为刻槽) 。 0.7 对0.6 皇0.5 0.4 驰 0.1 l1 |1 |] I] ● 1] 1] ・溶剂型黏结剂 -水性沥青基涂料 a SBS改性沥青 0 l I f l谣 fl J I超 导8 导8 ‘SMA—l3 SMA一10 图1 3种防水材料在不同试验条件下的抗剪强度 由图1可以看出,溶剂型黏结剂中加入了多种 树脂,与混凝土桥面之间具有良好的黏结性能,在 25℃和40℃时的抗剪强度明显高于另2种材料, 但是受高温作用的影响较大,6O℃时溶剂型黏结 剂的抗剪强度低于SBS改性沥青。这是因为SBS 改性剂在沥青中形成的三维网状结构,高劲度的聚 苯乙烯“节点”及超韧性的聚丁二烯“链”克服了 沥青自身的缺陷,大大增强了沥青的低温变形能力 及耐高温性能,使得SBS改性沥青具有“刚柔并济” 的力学特性 J。经受雨雪侵蚀后,溶剂型黏结剂 的抗剪强度比另2种材料的抗剪强度高 。 总体而言,溶剂型黏结剂和SBS改性沥青的 抗剪性能优于水性沥青基涂料,溶剂型黏结剂除 60℃时的性能不如SBS改性沥青外,在其他试验 条件下都具有较好的抗剪性能。 3.2水泥混凝土界面处理对防水黏结层抗剪强度的 影响 考虑到干燥状态和潮湿状态时界面的影响可能 不同,因此可以将3种不同温度(干燥)时界面的 影响和潮湿状态时界面的影响分开来分析。 在干燥状态时,3种材料在不同界面时的抗剪 来确定界面的影响,分析得出:在干燥状态下界面 的改变对试验结果没有显著影响。 O.7 O.6 山 0.5 0.4 一刻槽 器o.s -凿点 。刷毛 0.2 O.1 O SMA一13 SMA一1O 图2干燥状态时不同界面的抗剪强度 浸水和冻融时的抗剪强度如图3所示。对潮湿 状态时的抗剪强度试验结果也进行方差分析,得出 柔 醐忙 怔 在潮湿状态下界面状态对试验结果有显著影响。从 好榱 图4潮湿状态时3种界面下的抗剪强度均值可看出: 刷毛>凿点>刻槽,且刷毛与凿点、刷毛与刻槽之 间存在显著差异,凿点与刻槽之间没有显著差异。蚂挺副 艇 葵 醐怛 翅暮 0.7 日0.6 怛鼹掣 ∽∞∞趣皇0.5 0.4 一刻槽 幂好 暖0.3 -凿点 求O.2 。刷毛 0.1 O 把 姆 爨 榱 副 (力 ∞ 建 ∽ * 冻融 冻融 3 0 图3浸水和冻融时不同界面的抗剪强度 O.48 0.47 0.46 螽o嘿0..444 5 羹0_43 O.42 O.4l 0.4O 刻槽 凿点 刷毛 图4潮湿状态时不同界面的抗剪强度 89 安 ∽∞∞ 缝 幂媳 中圄彳 z 王伟,孟庆营,周卫峰,等:水泥混凝土桥面铺装层间界面剪切性能试验研究 201 3年第1期 3.3试验温度对防水黏结层抗剪强度的影响 干燥状态时的抗剪强度有明显下降,这是由于长时 间浸泡在水中的水泥混凝土的表面是潮湿的,黏结 作为桥面铺装层间结构的防水黏结层一般是沥 青质材料。这些材料是典型的黏弹性体,在低温时 力:潮湿状态<干燥状态。总的来说,各种材料的 黏度大,层间黏结性能好。但是,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 更多的黏性状态,层间又是富油区,防水材料在层 降幅都在1O%以上。 试件在冻融后防水黏结层的抗剪强度比干燥状 态时的抗剪强度有明显下降,这是由于沥青质材料 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¨ ¨J。 图5为SMA一13时各种防水材料在不同温度 在低温下劲度增大,应力松弛能力减弱,材料发脆, 黏结性能下降,经过较长时间的冰冻作用即使恢复 到常温后,其黏结性能也不能完全恢复。所以黏结 下的抗剪强度。由图5可以看出,3种材料对温度 都非常敏感,并随着温度的升高抗剪强度迅速下 降。抗剪强度:溶剂型黏结剂和水性沥青基涂料 40℃时是25℃时的2/7,SBS改性沥青40℃时是 25 oI二时的1/3;溶剂型黏结剂60℃时是25℃时 的1/25,水性沥青基涂料6O℃时是25℃的1/16, SBS改性沥青60℃时是25℃时的1/11。 芝 暖 图5不同温度下3种材料的抗剪强度 3.4浸水和冻融对防水黏结层抗剪强度的影响 浸水试验是指将成型好的试件在25 cC水中浸 泡48 h后进行剪切;冻融试验是为了模拟冬季冰 冻天气对防水黏结层的影响,通过与25℃时干燥 状态试件抗剪强度的比较来确定雨雪对防水黏结层 抗剪强度的影响¨ 。25℃(干燥)、浸水和冻融 试验结果如图6所示。由图6可以看出无论何种防 水材料在何种界面条件和混合料类型下,抗剪强 度:干燥状态时>冻融状态时>浸水状态时。 O.7 O.6 髂 aM剂型黏结剂 -水性沥青基涂料 o SBS改性沥青 0.2 0.1 O O 图6干燥、浸水和冻融时的抗剪强度 试件在浸水48 h后防水黏结层的抗剪强度比 力:冻融状态时<干燥状态时。 除溶剂型黏结剂外,沥青混合料的公称最大粒 径较小时的下降幅度低于公称最大粒径较大时的下 降幅度。总的来说,各种材料的降幅都在10%以下, 冻融对防水黏结层的抗剪强度有一定影响,但是影 响程度低于浸水。 3.5沥青混合料类型对防水黏结材料抗剪强度的影 响 用SMA一13和SMA一10两种混合料来评价混 合料类型对抗剪强度的影响。当混凝土界面为刻槽 时,不同试验条件下的抗剪强度如图7所示。对 3种材料来说,在不同试验条件下SMA一10的抗剪 强度均大于SMA一13时的抗剪强度。 日 宴 照 _SMA~13 _SMA~1O 螺 I蘖 ・’} 一●I..-怛 窭 ¨ _恤 iI 好 菇 恤 屣 橥 l 葵’扭 瑚 嘏 捌5】 瑚 桴 瑚 }瑚 恤 副 怔 副 怔 副 翎贮 副 蟪 (∽∞,) 媳 斑 c∽∞,) 艇 鸯囊 ∽ l∞ ∽ 缝 25 40 60℃ 授水 冻融 图7不同沥青混合料类型的抗剪强度 有研究表明,在不施加正压力的直剪试验中, 较粗的混合料的嵌挤作用不能充分体现,此时黏结 力对抗剪强度的变化起主要作用。与防水层的有效 接触面积:较细的混合料>较粗的混合料,因此抗 剪强度:较细的混合料>较粗的混合料。 4结语 1)足尺力学实体模型的有限元分析结果表明: 在行车荷载作用下,铺装各层所受的剪应力受荷位 的影响不大;同一荷位处,层间的剪应力>层内的 中圄彳丛工有 ・王伟,孟庆营,周卫峰,等:水泥混凝土桥面铺装层间界面剪切性能试验研究 201 3年第1期 剪应力,铺装下层的剪应力>铺装上层的剪应力, 冻后水泥混凝土的表面是潮湿的,水泥混凝土的黏 层间的横向剪应力>层间的纵向剪应力。其中以铺 结力:防水层与潮湿状态<干燥状态。 装下层与桥面板之间的横向剪应力T23 mx最大,铺 浸水条件下抗剪强度损失是由于长时间(48 h) 装层之间的横向剪应力次之。 浸泡在水中的水泥混凝土的表面是潮湿的,水泥混 2)通过正应力(0.7 MPa)直剪试验考察的6 凝土的黏结力:防水层与潮湿状态时<干燥状态时。 种不同结构组合之间的层间界面剪切性能,结果 6)在不施加正压力的直剪试验过程中,公称 表明:双SMA倒装结构(上面层SMA一16/下面层 最大粒径较大的混合料的嵌挤作用不能充分体现, SMA一13)在抗剪强度上具有较为明显的优势。 此时黏结力对抗剪强度的变化起主要作用。抗剪强 3)在不同试验条件下,考察了3种不同防水黏 度:公称最大粒径较小的混合料>较粗的混合料。 结层材料对层间界面剪切性能的影响。结果表明: 溶剂型黏结剂和SBS改性沥青的抗剪性能优于水 参考文献: [1]高雪池.滨州黄河公路大桥桥面铺装研究[D].南京:东南大学, 性沥青基涂料,溶剂型黏结剂除6O℃时的性能不 2006. 如SBS改性沥青外,在其他试验条件下都具有较 [2]梁志标,何惠红.桥面铺装过早损坏的原因分析及处置对策[J]. 好的抗剪性能;抗剪强度对温度都非常敏感,并 中南公路工程,1997(2):25—29. 随着温度的升高迅速下降;60 oC的溶剂型黏结剂 [3]肖维.五河口大桥沥青混凝土铺装层力学分析及结构组合研究 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