混凝土桥面防水粘层材料最佳用量与层间抗剪强度分析.pdf

混 凝 土 桥面 防 水 粘 层材 料 最 佳 用量 与 层 间 抗剪 强 度 分 析 程道虎 1 ,韩 森 2 ,李 娜 2 ,郭黎黎 2 (1.陕西省交通厅基本建设工程质量监督站,陕西 西安710075 ; 2.长安大学新型路面研究所,陕西 西安710064) 摘 要:为研究混凝土桥面板防水粘结材料最佳用量和层间抗剪强度,选取3种典型的桥面板表面纹理及3 种防水粘层材料,通过直接剪切试验分别确定不同防水粘层材料与不同纹理混凝土桥面板组合时的防水粘层材料 最佳用量及层间抗剪强度。试验结果表明,防水粘层材料最佳用量随桥面板表面纹理的丰富程度而提高,露石界 面的防水粘层材料的最佳用量较大;对于3种类型表面纹理,常温下丙烯酸酯类防水粘层材料的层间抗剪强度大 于SBS改性沥青和SBR改性乳化沥青的;对于同种防水粘层材料,露石界面的层间抗剪强度最大;温度对层间抗 剪强度影响显著,当试验温度由25℃ 上升到60℃ 时,3种界面的层间抗剪强度均有大幅下降,但露石界面的层间 抗剪强度随温度变化的敏感性较小。 关键词:桥面铺装;混凝土;防水粘层材料;表面纹理;最佳用量;层间抗剪强度 中图分类号: U443. 33文献标志码:A文章编号:1671 - 7767 (2010) 02 - 0055 - 04 收稿日期 作者简介 程道虎(63) ,男,高级工程师,年毕业于陕西省交通学校公路与桥梁专业,6年毕业于西北大学经济管理专业,获学士 学位,年毕业于西安交通大学工商管理专业,获硕士学位(22@ 63 )。 1 概 述 目前,我国桥梁建设已经达到了世界先进水平, 但桥面铺装方面的研究却比较滞后,对其一般不作 专门的设计分析。但是桥面铺装处于复杂的应力、 应变状态,由于铺装层与混凝土桥面板之间的界面 粘附力过小,在车辆荷载作用下,层间产生较大的剪 切应力,当其超过粘结层的极限抗剪强度时,层间就 会破坏,在桥面上就产生了推移、 拥包等病害[ 1 ]。这 些病害不仅影响桥面的美观,而且影响桥梁结构的 耐久性,使桥梁存在严重的安全隐患。近几年,为改 善桥面耐久性,一方面选用抗剪性能好的沥青铺装 结构型式,如改性SMA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,主要方法有 喷洒防水粘层、 布加强筋和表面粗糙处理。本文主 要针对目前混凝土桥面铺装层间抗剪强度不足的问 题,通过试验分析防水粘层材料最佳用量和层间抗 剪强度,以提出改善桥面铺装耐久性的技术措施。 2 试验材料、 方法及试件的制作 2. 1 防水粘层材料 桥面铺装中的防水粘层材料具有封水、 粘结作 用,其用量直接影响到层间的应力、 应变状态。如果 防水粘层材料用量过少,则会由于其无法形成连续 的薄膜而影响防水效果与层间粘结力;如果其用量 过大,则层间的摩阻力减小,抗剪强度降低,在车辆 水平力作用下层间易出现滑动面。由于防水粘层材 料的用量与混凝土桥面板的表面纹理有着密切的关 系,因此,试验时选用了3种具有代表性的混凝土桥 面板表面纹理:露石界面、 凿毛界面、 刻槽界面。选 用3种常用防水粘层材料:SBS改性沥青、SBR改 性乳化沥青以及丙烯酸酯高分子防水涂膜材料。 (1)SBS改性沥青。SBS是三元嵌段聚合物, 其高劲度的聚苯乙烯 “节点” 及超韧性的聚丁二烯 “链” 克服了沥青自身缺陷,大大增强了沥青的低温 变形能力及耐高温性能。本次试验选用国创SBS 改性沥青,其技术指标满足 《公路沥青路面施工技术 规范》(J TG F40 - 2004)SBS改性沥青I- C要求。 (2)SBR改性乳化沥青。SBR改性乳化沥青 具有优良的粘结性能,并且具有良好的高温性能。 试验选用PCR型SBR改性乳化沥青,其技术性质 满足规范要求。 (3)丙烯酸酯高分子防水涂膜。丙烯酸酯高分 子防水涂膜具有优良的粘结力,整体防水性能好。 这类材料使用时只需冷作业,不污染环境。 2. 2 层间剪切试验方法 本文采用自行研发的层间直剪试验机 [2 ] ,其竖 向荷载的施加采用杠杆加载原理(见图1),即按照 所需竖向荷载的大小,在调平好杠杆加力装置的一 端加上相应的砝码以施加竖向荷载,通过压力杆和 压头施加到试件上,可保证所施加的竖向荷载恒定 55混凝土桥面防水粘层材料最佳用量与层间抗剪强度分析 程道虎,韩 森,李 娜,郭黎黎 :2009 - 12 - 09 :19-1984199 2000E mail :cheng dao hu1. com 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 准确、 不受剪胀的影响,且加载装置易于操控。环境 箱可实现温控范围为(251)～(601)℃,以便于 模拟常温和高温路面的工作情况。试验数据自动采 集,并由专门配套软件绘制位移～剪切力变化曲线。 图1 层间直剪试验机杠杆原理示意 根据位移～剪切力变化曲线,得到剪切力最大 值和相应的位移值,通过下式计算层间抗剪强度: τ=F/ S(1) 式中,τ为层间抗剪强度(MPa) ;F为直剪仪测定的 剪切力值(kN);S为层间剪切面积(m 2) 。 本文试验采用的竖向荷载为0. 2 MPa ,剪切速 率为5 mm/ min。 2. 3 试件制作 成型顶面具有相应纹理的 <152 mm80 mm 的圆柱体水泥混凝土试件。露石界面露石深度控制 在3～4 mm ,构造深度约2 mm ,按照相应的露石混 凝土形成方法成型 [ 3 ,4 ] ;刻槽界面的刻槽深度控制 在3 mm左右,槽间距为1. 5 cm;凿毛界面的凿毛 点深度为2～3 mm ,清除水泥混凝土光滑面积达 80 %以上。混凝土试件成型养生至少7 d后,将试 件表面吹干后将防水粘层材料均匀地涂抹于试件 上,然后在混凝土试件上静压成型 <152 mm80 mm的沥青混凝土试件,最后形成标准试件的尺寸 为 凿毛界面>刻槽界面。 4 各种因素对层间抗剪强度的影响 4. 1 防水粘层材料用量的影响 由表1可知,3种界面中,层间抗剪强度随3种 防水粘层材料用量的增大而增加,但当用量超过某 一界限时,层间抗剪强度却随着防水粘层材料用量 的增加而减小。这是因为随着防水粘层材料用量的 增加,层间的粘结力增大,抗剪强度也随之增大,当 防水粘层材料用量过大时,在层间形成了一个滑动 层面,所以层间抗剪强度随着防水粘层材料用量的 增加而减小 [ 5] 。 4. 2 界面类型和防水材料品种的影响 采用露石、 凿毛、 刻槽3种界面形式,不同界面 取防水粘层材料最佳用量进行直剪试验,试验温度 为25℃,剪切速率为5 mm/ min。试验结果见表3。 由表3可知,对于露石界面,常温下丙烯酸酯类 防水粘层材料的层间抗剪强度相对SBS改性沥青 以及SBR改性乳化沥青的层间抗剪强度分别提高 了38. 5 %和27. 6 % ,对于凿毛界面则分别提高了 37. 0 %和17. 9 %,对于刻槽界面则分别提高了 38. 5 %和21.5 %。因此,对于本文研究的3种防水 粘层材料,丙烯酸酯类防水粘层材料效果较好,实际 工程中可优先选用。 当防水粘层材料相同时,不同界面的层间抗剪 强度不同,露石界面层间抗剪强度最大,刻槽和凿毛 的相对较小。主要是因为露石水泥混凝土桥面板丰 富了桥面板的表面纹理,增加了桥面板的宏观和微 观构造,进而提高了层间粘附力。 表1 不同粘层材料及用量时的层间抗剪强度MPa 类型 不同SBS改性沥青用量时的层间抗剪强度 0.6 kg/ m21.0 kg/ m21.4 kg/ m21.8 kg/ m2 露石界面63 凿毛界面 刻槽界面55 不同SBR改性乳化沥青用量时的层间抗剪强度 0.6 kg/ m21.0 kg/ m21.4 kg/ m21.8 kg/ m2 333633 5 33 3 36 不同丙烯酸酯用量时的层间抗剪强度 0.5 kg/m21.0 kg/ m21.5 kg/ m22.0 kg/ m2 3 363355 35333 6355 3356333 5 65世界桥梁 2010年第2期 0 .2180 .280 . 410. 291 0 .2280 .2880 .2780. 228 0 .1880 .2410 .210. 17 0 .2 80 .290 .0.2 0 .2 10 .2880 . 20. 279 0 .190 .270 .2890. 228 0.00 .440 .4 10 . 0.0 . 940 . 70 . 0.280 .0 .70 . 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表2 不同防水粘层材料的最佳用量kg/m2 类型 最佳用量 SBS改性沥青SBR改性乳化沥青丙烯酸酯 露石界面1. 391.481. 31 凿毛界面1. 191.341. 27 刻槽界面1. 141.271. 10 表3 25℃ 时防水粘层材料最佳用量下 的层间抗剪强度MPa 类型 层间抗剪强度 SBS改性沥青SBR改性乳化沥青丙烯酸酯 露石界面0. 3510.3810. 486 凿毛界面0. 2890.3360. 396 刻槽界面0. 2570.2930. 356 4. 3 温度的影响 桥面铺装层间粘结材料为沥青类或高分子类材 料,是典型的粘弹性体。在高温时这些材料劲度降 低,粘度减小,抗变形能力减弱。因此,桥面沥青铺 装推移往往发生在高温季节。 为了分析研究高温时桥面铺装层间抗剪强度, 采用SBS改性沥青防水粘层材料,针对露石、 凿毛、 刻槽3种界面形式相应的SBS改性沥青最佳用量, 在试验温度为60℃ 下,进行层间直剪试验。25℃ 和60℃ 下的层间抗剪强度试验结果见表4。 表4 25℃ 和60℃ 时SBS改性沥青 最佳用量下的层间抗剪强度MPa 温度/℃ 层间抗剪强度 露石界面凿毛界面刻槽界面 250.3510.2890. 257 600.1820.1350. 113 由表4计算可知,露石界面层间抗剪强度比刻 槽界面提高61 %,比凿毛界面提高35 %,由此看出 表面纹理对层间抗剪强度有很大的影响,露石界面 显示出极大的层间抗剪优势。所以在实际工程中, 桥面混凝土应以露石为界面,以提高层间抗剪强度。 从表4还可以看出,温度对层间抗剪强度影响 非常显著,当试验温度由25℃ 上升到60℃ 时,3种 不同界面的层间抗剪强度均有大幅下降,露石界面 的抗剪强度降低了48 %,凿毛界面降低了53 %,刻 槽界面降低了56 %,由此看出,露石界面的层间抗 剪强度随温度变化的敏感性均小于凿毛和刻槽 界面。 5 结 论 (1)对于不同界面的桥面板,防水粘层材料都 存在最佳用量,其中,表面纹理较丰富的露石界面的 防水粘层材料的最佳用量最大。 (2)温度对层间抗剪强度影响非常显著,当试 验温度由25℃ 上升到60℃时,3种不同界面的层 间抗剪强度均有大幅下降,但露石界面的层间抗剪 强度随温度变化的敏感性均小于凿毛和刻槽界面。 (3)在实际工程应用中,建议桥面板以露石为 界面,优先选用丙烯酸酯类防水粘层材料。 参 考 文 献: [1]王京元.水泥混凝土桥面沥青混凝土铺装早期病害原因 分析和结构设计方法(硕士学位论文)[D].大连:大连 理工大学,2003. [2 ]长 安 大 学.路 面 层 间 剪 切 试 验 仪:中 国, ZL 200620079418. 4[P]. 2007 - 08 - 01. [3]韩 森.露石水泥混凝土路面研究(博士学位论文) [D].西安:长安大学,2006. [4 ] Eterson C. Tip s on Producing Exposed Aggregate Flat2 wo rk Finishes [J ].Abetdeen’ s Concrete Constrution , 1990 , 35 (8) : 689 - 694. [5] Kevin K, McGhee P E. Factors Affecting Overlay Ride Quality[C]/ / National Research Co uncil Transportation Research Record No. 0021198.Washingshington D C, 2000 : 1 - 17. Analysis of Optimal Usage of Waterproof Binding Materials and Interlayer Shearing Strength of Concrete Bridge Deck CH ENG Dao2hu 1 , HAN Sen 2 , LI N a 2 , GUO Li2li 2 (1. Capital Construction Project Quality Supervision Station , Department of Transport , Shanxi Province , Xi′an 710075 , China ; 2. Institute of New Roadway Pavement , Chang′an University , Xi′an 710064 , China) Abstract : To st udy the optimal usage of waterproof binding materials and t he interlayer shearing strength of concrete bridge deck , three kinds of the typical surface textures of deck slabs and three kinds of the waterproof binding materials were selected. Through t he direct shearing ,fy ffffx2 75混凝土桥面防水粘层材料最佳用量与层间抗剪强度分析 程道虎,韩 森,李 娜,郭黎黎 teststhe optimal usage othe binding materials and t he interla er shearing strength at t he time the dierent binding materials were bo und with the deck slabs with di erent te tures were re 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m spectively determined. The results of the test s indicate that the optimal usage of the binding ma2 terial increases with rich degrees of t he surface textures of the deck slabs and the usage amount of the binding materials at the aggregate2exposed deck is fairly great . For the three kinds of the sur2 face textures , the interlayer shearing strength of the acrylic resin type binding material under normal temperature is greater than that of the SBS mo dified asphalt and SBR modified emulsified asphalt . For the same kind of the binding materials , the interlayer shearing strengt h of the mate2 rials at the aggregate2exposed deck is the greatest and the temperatures have significant influence on the interlayer shearing strength. At the time the testing temperature rises from 25C to 60 C , the interlayer shearing strength of the three kinds of the surface textures will greatly de2 crease , however , t he sensitivity of the interlayer shearing strengt h at the aggregate2exposed deck changing with temperatures is little. Key words : deck pavement ; concrete ; waterproof binding material ; surface texture ; optimal usage; interlayer shearing strength (上接第54页) 较大时较常规桩柱式墩柱有更好的受荷性能。 (3)在可能的情况下,可以通过增加钢管壁的 厚度,减少地震时由于地震能量大导致的上、 下部结 构脱离的破坏情况,将灾害降低至最低程度。 (4)钢管混凝土叠合柱计算方法有待通过试验 进一步完善、 验证。 参 考 文 献: [1 ] J TG D62 - 2004 ,公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵 设计规范[ S]. [2] CECS 20188 - 2005 ,钢管混凝土叠合柱结构技术规程 [ S]. [3] JTJ 004 - 89 ,公路工程抗震设计规范[S]. [4] SSRC79 ,美国SSRC的容许应力设计[S]. [5]丰定国,王社良.抗震结构设计[ M].武汉:武汉工业大 学出版社, 2001. [6 ]范立础.桥梁延性抗震设计[ M].北京:人民交通出版 社,2001. Analysis of Mechanical Behavior of CFST and Concrete Composite Column Pier ZENG Yan1, ZEN G Yong2, ZHAO Shun2bo1 (1 . College of Civil and Transportation Engineering , North China Institute of Water Conservancy and Electric Power , Zhengzhou 450011 , China ; 2.Henan Shiji Botong Engineering Consulting Co., Ltd. , Zhengzhou 450008 , China) Abstract : To reduce the water resistance area of bridge pier , the intermediate pier of the Dayoucun North Bridge crossing the trunk cannel of the Central Line of the South2to2North Water Diversion Project was designed as a circular co ncrete2 filled steel tube(CFST)and concrete com2 posite column pier. The finite element method was used to calculate , analyze and study the influ2 ential laws of several factors like the steel tube wall thickness and axial stress ratio , bending stress ratio , shear stress ratio , combined stress ratio , displacement under loading and natural vi2 bration cycle of the composite column pier. The results of the study show that the compo site col2 umn pier can meet the existing load bearing capacity requirement just with small diameter and has better economy and seismic resistance performance than those of the common co ncrete pile column K y;2f;;2 y;; f 85世界桥梁 2010年第2期 pier. ewords : pierconcrete illed steel tube structurecomposite columnload bearing capaci tseismic resistanceinite element method 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m