几种水泥混凝土桥面防水粘结层的疲劳性能试验分析.pdf

公路 交通技术2 0 1 2年 8月 第4期T e c h n o l o g y o f Hi g h w a y a n d T r a n s p o r t A u g ． 2 0 1 2 N o ． 4 几种水泥混凝土桥面防水粘结层 的疲劳性能试验分析 王笃喜， 陈仕周 ， 周丽丽 ( 重庆交通大学 ， 重庆4 0 0 0 7 4 ) 摘要： 目前国内还没有桥面防水粘结层疲劳性能的研究方法， 故采用桥 面板产生反射裂缝时防水粘结层的疲劳性 能来评价 防水 粘结材料 的疲 劳特性 。选取 6种典型水泥混凝土桥 面防水粘 结层进 行试验研 究 ， 研 究发现 ， 桥 面板 带 裂缝 工作 时可以真实反 映桥 面防水粘结层 的疲 劳和 阻裂性 能， 对 水泥混凝 土桥 面防水粘 结层 的选取具有 一定 的指 导作 用。 关键 词 ： 水泥 混凝 土桥 ； 防水粘结层 ； 阻裂 ； 疲劳 文章 编号 ： 1 0 0 9 — 6 4 7 7 ( 2 0 1 2 ) 0 4 — 0 0 9 8 — 0 3 中图分 类号 ： U 4 4 3 ． 3 3 文献标识码 ： B E x p e r i me n t a l An a ly s i s f o r F a t i g u e Pr o p e r t i e s o f So me W a t e r p r o o f Bo n d i n g L a y e r s f o r Ce me n t Co n c r e t e De c k W ANG Du x i ．CHEN S h i z h o u．ZHOU Li l i 防水粘结材料铺装在桥面板上 ， 在车辆荷载作 用下桥面铺装结构会产生一定的挠度 。由于桥面板 本身具有很大的刚度 ， 这种挠度在防水层底部产生 的拉应力很小 ， 一般不会造 成防水粘结材料破 坏。 但是 ， 在桥面板产生裂缝时， 裂缝会向桥面铺装层扩 展 ， 加上行车荷载的作用 ， 防水粘结层会出现疲劳破 坏 ， 使防水粘结材料失去应力吸收能力 ， 而一旦 防水 粘结层出现破坏 ， 裂缝会逐渐扩展至面层并形成反 射裂缝 ， 最后造成面层开裂。 1 桥面反射裂缝产生和发展的力学分析及开裂机理 桥面板在浇筑及养护过程中， 由于温缩等 因素 的作用不可避免地要产生微小裂缝 。研究表 明在水 泥混凝土桥面加铺防水粘结层和沥青层后裂缝发展 大致要经历 3 个 阶段 ： 1 )起裂 阶段。由混凝土板 的 缺陷造成。2 )稳定扩展阶段 。从车辆荷 载和温度 荷载引起的应力集 中点开始 向上发展并最终贯穿整 个铺装。3 )破裂阶段 。桥面出现贯通裂缝 。 根据断裂与损伤力学 ， 可将反射裂缝 的扩展形 式分为 3种 ： I型， 张开模式 ； I I 型， 剪切模式 ； I I型， 撕开模式。反射裂缝按照影响因素分为温度型和荷 载型。当车辆荷载驶经裂缝正上方时以张开模式引 发反射裂缝 ， 在裂缝一侧时 以剪切模式引发反射裂 缝 。笔者所做的疲劳试验考虑荷载位于裂缝正上面 的情况 ， 试验原理见图 1 。 收稿 日期 ： 2 0 1 2 - 0 2 — 2 4 作者简介 ： 王笃喜 ( 1 9 8 2 一 ) ， 男 ， 山东省东平县人 ， 在读研究生 图 1 疲劳试验原理 沥青混凝土 防水粘结层 水泥混凝土板 2防水粘结层的阻裂机理 防水粘结材料是一层柔软的薄层 ， 它除了具有 粘结和防水功能外 ， 还是桥 面的应力吸收层 。它可 以吸收桥面板水平位移导致 的高应力 ， 阻止桥面板 裂缝尖端延伸至面层 。由断裂损伤力学原理可知 ， 裂缝尖端有一个奇异尖端 应力场 ， 此处 的应力无限 大， 一旦裂缝产生 ， 就会 向面层延伸。由于防水粘结 层的存在 ， 防水粘结层和混凝土粘接部位会发生脱 空并产生拉伸 ， 吸收一部分应力 ， 具有一定 的阻裂作 用。国外研究表 明， 防水粘结层具有延缓裂缝产生 的功能 3 试验方法设计 采用 3点疲劳试验方法对铺装结构进行疲劳 I生 能研究。 3 ． 1 荷载控制模式 疲劳试验一 般有应力控制 和应变控 制 2种模 式。应力控制模式是指试验过程 中保持 应力不变 ， 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 2年 第 4期 王笃喜 ， 等 ： 几种水泥混凝土桥面防水粘结层的疲劳性能试验分析 9 9 试件破坏时应力重复作用的总次数就是试件的疲劳 寿命。应变控制模式是指试验过程中保持应变不变， 当劲度模量降到一定程度时 ， 荷载的重复作用次数就 是防水粘结层材料的疲劳寿命 。两者相 比较， 应力控 制模式的试件破坏标准相对直观。本文采用应力控 制模式 ， 将沥青混合料破坏时的应力作为试验应力。 3 ． 2 加载波形及频率 大量研究结果表明， 加载波形对疲劳性能影响 不大 ， 移动的车轮荷载对路面产生接近于正弦 曲线 的应力应变效应 ， 故本次试验采用正弦加载波形 ， 且 完全处于压力一侧 ， 即半正矢波 。同时为加快试验 速度 ， 相邻波形之 间无间歇时间。 试验频率的变化直接体现为荷载在试件上变化 的作用时问。对于实际路面而言 ， 加载时间和路面 行车速度有直接关系。车轮荷载的加载时问可以根 据 V a n d e r P o e l 公式来确定 ： t =1 ／ 2 式 中， t 为作 用时间 为加载频率。当加载频率为 1 0 H z 时 ， t = 1 ／ 2 = 0 ． 0 1 6 S 。0 ． 0 1 6 S 的加载时间对沥青混合料 路面表面的作用大致相当于车辆 以6 0～ 6 5 k m ／ h的 速度通 过 ， 现行 J J G B 0 1 --2 0 0 3 《 公路 工程 技术 标 准》 规定高等级公路的计算行车速度范围为 6 0— 1 2 0 k m ／ h ， 由此可见选择 1 0 H z 荷载频率是合适的 ， 且国内外大多数试验研究也选择类似的加载频率。 3 ． 3 试 验 温度 美 国 S HR P研究报告建议对沥青类材料不考虑 2 0 C C以上 的疲劳试验 ， 故本次弯 曲疲劳试验的试验 温度选择 1 5℃。 3 ． 4 荷载水平 荷载水平在一定程度上代表实际桥面所承受车 辆荷载作用的大小程度。本文只是为了研究几种 防 水粘结材料 的疲劳性能 ， 无需作 出疲劳方程 ， 因此根 据试件的极限应力选择一个水平进行试验 ， 需至少 进行 3次平行试验。 3 ． 5试验判断标准 疲劳试验的判别标准很多 ， 既可以采用 防水粘 结层粘结界面是否出现裂缝为疲劳破坏标准 ， 也可 以采用反射裂缝反射到面层 ， 试件完全断裂作 为疲 劳破坏标准 ， 破坏标准下对应 的次数 即为该材料 的 疲劳寿命 。第 1 种标准在钢桥面铺装防水粘结层疲 劳试验方法中经常被采用。本次试验采用面层出现 裂缝作为试验判断标准， 此时对应 的次数即为防水 粘结层的疲劳寿命 。考虑到疲 劳寿命结果 离散性 大 ， 同一种材料要做 4次平行试验 ， 取其平均值作为 该防水粘结层的最终疲劳寿命 。 4疲劳试验结果分析 对 6种防水粘结材料进行了疲劳性能试验 ， 结 果见表 1 。 卷材防水粘结材料在试验次数约为 9 1 0次时 ， 卷材与混凝土板层间轻微脱开， 随后裂缝 向上扩展 ， 有 1条主裂缝 ， 周围伴随几条细微裂缝 ， 最后面层出 现反射裂缝达到疲劳寿命 ， 整个试验过程 中卷材没 有出现破坏 ， 防水层完好 ， 面层裂缝较大。S B S改性 沥青和 A MP 一 1 0 0这 2种防水粘结层 的破坏基本相 同， 试验过程中没有 出现层问脱开现象 ， 随着疲劳次 数增加 ， 裂纹出现后迅速均匀向上扩张， 且只有 1 条 主裂缝 ， 抗裂效果较差。环氧沥青+ 碎石+ A MP 一 1 0 0 防水粘结层在加载次数达到约 7 4 0次 时， 环氧沥青 与混凝土板轻微脱开 ， 整个破坏过程中也 只有 1 条 主裂缝 。橡胶沥青 砂胶 防水 粘结层 面层 出现裂缝 时， 沥青砂胶未发生破坏 ， 随着试验次数增加， 裂缝 扩展 ， 裂缝处砂胶 出现拉 长断裂 现象。MMA+ 反应 性树脂粘层在试 验次数达到约 2 5 0 0次 时， 面层 沥 青混凝土开始 出现裂缝 ， 裂缝细长 ， 并逐渐 向上 扩 展 ， 整个过程 中没有出现伴 随裂缝 ， MM A防水层没 有出现破坏。试验分析得知， MMA防水层的抗裂效 果明显好于卷材 。卷材疲劳破坏状态见图 2 。 图 2 卷 材疲 劳破坏 表 1 6种防水粘结材料的疲劳试验结果 次 ( 下转第 1 0 8页) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 0 8 公路交通技术 2 0 1 2年 4结论 1 )盾构区间端头加固方法很多 ， 需根据工程具 体地质情况及施 工条件等 因素来选择 ， 以保 证工程 质量及工程施工顺利进行 。 2 )素混凝土桩在盾构 区间端头加固的应用很 好地解决 了高压旋喷桩法用于卵石层中加固所遇到 的问题 ， 对同类工程具有参考意义。 3 )采用素混凝土桩加 固方法 ， 加固后的抗剪强 度和抗弯性能均满足盾构进 出洞要求 ， 工程质量可 得到保证 。 参 考 文 献 [ 1 ] 张凤祥 ， 朱合华． 盾构隧道[ Mj ． 北京： 人民交通出版 社 ， 2 0 0 4 ． 孙魁． 盾构区间端头地层的水平加固技术 [ J ] ． 科技 资讯 ， 2 0 0 8 ( 1 9 ) ： 7 7 — 7 8 ． 周文波． 盾构法隧道施工技术及应用 [ M] ． 北京 ： 中国 建筑 工业 出版 社 ， 2 0 0 4 ． 潘茜， 王丽丽． 盾构区间端头加固的设计探讨 [ J ] ． 山西建筑， 2 0 0 9 ( 1 ) ： 3 4 5 — 3 4 6 ． 朱学银， 李章林． 越江隧道盾构段施工技术综述[ J ] ． 现代交通技术， 2 0 1 l ， 8 ( 6 ) ： 5 7 — 5 9 ． 胡新朋， 孙谋． 软土地区地铁盾构施工端头土体加 固要求探讨[ J ] ． 隧道建设 ， 2 0 0 6， 2 6 ( 5 ) ： 1 1 — 1 3 ． 李广信． 高等土力学 [ M] ． 北京： 清华 大学 出版社， 2 00 4． 北京城建设计研究总院． G B 5 0 1 5 7 --2 0 0 3 地铁设计 规范[ S ] ． 北京： 中国计划出版社， 2 0 0 3 ． 中国建筑科学研究院． G B 5 0 0 1 0 --2 0 1 0 混凝土结构 设计规范[ S ] ． 北京： 中国建筑工业出版社 ， 2 0 0 2 ． 0●( )●0● ● ()● ●●0●0●‘： )●◇●0● ◇●0●0●() ●◇● ● ●◇● o●o●0●o●<0 - o●o● ●() ●● o●0●◇●0●夺‘ 0●◇● 。◇●( > o●(> ● ◇●0●0● ◇● ( 上接 第9 9页) [ 2 ] 孙松 ， 徐瑞霞． 级配碎石过渡层在旧水泥路面加铺 5 结语 从试验分析可 以看 出 ， 卷材类 和 MMA防水粘 结层具有 良好 的疲劳特性 和延缓裂缝 扩张的能力 ， 但在同样铺装 5 c m沥青混合料 的情况下 ， MMA防 水层 的抗裂效果明显好于卷材。环氧碎石类 、 A MP 一 1 0 0和 S B S改性 沥青 防水粘 结层 的抗疲 劳能力较 差 ， 阻裂作用不明显 ， 因此 ， 建议根据桥梁的防水等 级选用防水粘结层， 对于大桥 、 特大桥优先选用 M MA 防水粘结层。 参 考 文 献 [ 1 ] 李丹雷， 孔笑． 对沥青混合料疲劳性能研究[ J ] ． 中 国科技博 览 ， 2 0 1 1 ( 2 7 ) ： 5 6 — 6 0 ． 沥青层中防裂机理分析[ J ] ． 科技探索， 2 0 1 1 ( 6 ) ： 1 3 0 ． 王晓琴， 赵 岩． 桥面防水粘结材料关键指标对 比试 验研究[ J ] ． 公路与汽运， 2 0 1 1 ( 5 ) ： 1 4 9 — 1 5 1 ． 赵俐， 高爽． 沥青混合料疲劳损伤机理研究 [ J ] ． 交通标 准化 ， 2 0 0 9 ( 1 1 ) ： 9 - 1 1 ． 周庆华． 9 0 。 剥离仪在评价桥面防水材料疲劳性能方面 的应用[ J ] ． 现代交通技术 ， 2 0 0 6 ( 2 ) ： 6 7 — 6 9 ． 裴建中． 桥面柔性防水材料技术性能研究[ D] ． 西安： 长安大学 ， 2 0 0 1 ． 张军伟， 韩杰． 水泥混凝土桥面铺装层病害分析及 防治措施[ J ] ． 山西建筑 ， 2 0 0 7 ( 1 6 ) ： 3 2 0 — 3 2 1 ． 王娟． 水泥混凝土桥 面沥青 } 昆凝 土铺装 防水粘结 层 的性能研究[ D] ． 南京： 东南大学 ， 2 0 0 4 ． 李新杰， 侯卫红． 高速公路沥青混凝土路面水损研究 [ J ] ． 四川兵工学报 ， 2 0 0 9 ( 1 ) ： 1 2 7 — 1 2 8 ． 1 j 1 j 1 J 1J 1 』] 』] j 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m