机场水泥混凝土双层道面夹层材料试验方法研究.pdf

第 3 8卷第 1期 2 0 1 2年 2月 四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 1 71 机场水泥混凝土双层道面夹层材料试验方法研究 苏建康， 翁兴中， 颜祥程， 贾建强， 李清浩 ( 空军工程大学工程学院， 陕西 西安7 1 0 0 3 8 ) 摘要： 为了改进机场混凝土双层道面夹层材料选取方法， 采用室内双层小梁模拟双层道面的状况， 建立了夹层材 料试验方法， 提出结合系数 作为夹层材料判断指标。并对无夹层材料、 两布一膜、 无纺布和不同厚度的卷材作为 夹层材料进行了试验， 得出不同夹层材料的结合系数 K 。试验结果表明， 夹层材料结合系数与现行设计方法中规 定的结合系数是一致的。夹层材料的试验结果， 可为工程中对夹层材料的选取提供参考。 关键词： 双层道面； 夹层材料； 结合系数； 挠度； 应变 中图分类号： T U 5 2 8 4 5 文献标识码 ： A 文章编号： 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 2 ) 0 1 1 7 1 0 4 Re s e a r c h o n t e s t me t h o d f o r i n t e r l a y e r m a t e r i a l i n a i r p o r t c e me n t c o n c r e t e d o u b l e c o mb i n i n g p a v e me n t S U J i a n k a n g ， WE N G X i n g z h o n g ， Y A N X i a n g c h e n g ， J I A J i a n q i a n g ， L I Q i n g h a o ( E n g i n e e ri n g I n s ti t u t e ， A i r F o r c e E n g i n e e n n g U n i v e r s i t y ， X i a n 7 1 0 0 3 8 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： I n o r d e r t o i mp r o v e h o w t o c h o o s e t h e i n t e r l a y e r ma t e ria l u s e d t o a i r p o r t c e me n t c o n c r e t e d o u b l e c o mb i n i n g p a v e me n t ， t h e ma t e ri a l t e s t me t h o d i s f o u n d e d t h r o u g h d o ub l e l a y e r b e a m s i mu l a t i n g d o ubl e c o mb i n i n g p a v e me n t ， a n d a t t a c h me n t c o e ffic i e n t i s c o n s i d e r e d t o be t h e j u d g m e n t i n d e x t o c h o o s e i n t e r l a y e r m a t e ri a1 D i ff e r i n t e r l a y e r ma t e ri al， s u c h a s n o n - w o v e n ， c o il e d m a t e ri a l i s t e s t T h e e x p e rime n t r e s ult s s h o w t h a t i n t e r l a y e r ma t e ri al a t t a c hm e n t c o e ff i c i e n t a g r e e s w i t h t h e d e s i g n c ri t e ri o n An d t h e t e s t r e s ult s ma y b e u s e d t o c h oos e i n t e rla y e r ma t e r i a1 Ke y wo r d s ： d o u b l e c o mb i n i n g p a v e me n t ； i n t e rl a y e r ma t e ri al； a tt a c h me n t c oeff i c i e n t ； fl e x i b i l i t y；s t r a i n 0 引 言 我国2 O世纪5 0 ， 6 O 年代修建的机场道面， 绝大 部分为水泥混凝土结构。这些道面经过飞机荷载和 自然因素的长期作用， 都有不同程度的损坏。有的 机场道面板块损坏严重， 承载能力降低， 已不能满足 使用要求； 有些机场道面虽然使用年限不长， 但由于 飞机的 日趋重型化 ， 交通量的迅速增加， 也导致现有 道面不符合使用要求； 有些机场道面虽然板块没有 断裂 ， 但使用品质( 表面粗糙度、 平坦度 ) 太差 ， 影响 飞行安全和舒适性 1 J 。为了提高现有机场道面的 承载能力， 改善道面的使用品质， 需要在旧道面上修 建加厚层( 俗称“ 盖被” ) 。在水泥混凝土道面上修 建的加厚层 ， 可以是水泥混凝土结构 ， 也可修成沥青 混凝土结构或其他类 型 J 。在我 国， 水泥混凝土道 面破坏的修补多采用沥青罩面， 这样既影响道面的 美观 ， 同时也不是解决问题的根本方法。因此 ， 利用 收稿 日期 ： 2 0 1 0 7 - 2 8 作者简介： 苏建康( 1 9 8 5一 ) ， 男， 甘肃康乐人， 硕士研究生， 主要从事 机场道面的研究。 E m a i l ： y x e 3 0 7 1 2 6 c o m 混凝土材料对原有混凝土道面进行罩面， 是对传统 技术的一个挑战， 将提高行业的技术水平， 具有显著 的经济效益和社会效益 4 。 。 目前 ， 双层道面夹层材料 的选取主要是凭 经验 选取， 设计和施工单位主要是根据工程使用经验确 定夹层材料 J 。这种确定方法往往会造成局 限性 ， 不能根据道面结构、 机场所处的环境( 主要是温度 的变化) 对 夹层材料 的要求来选取。因此 ， 本文根 据有夹层材料双层道面的变形特点 ， 建立 以小梁试 件的双层梁测试方法 ， 对广泛采用的夹层材料进行 实测， 研究夹层材料对双层道面的影响， 为夹层材料 的选取提供技术依据。 1 夹层材料测试 方法 为了研究不 同夹层材料对双层道面结构中上 、 下板的影响， 采用室内双层小梁试件试验模拟双层 道面的状况 。小梁采用机场水泥混凝土道面设计抗 弯拉强度进行配合比设计， 设计抗弯拉强度通常采 用5 0 M P a 。上、 下梁采用同一种配合比同时进行 拌合、 振捣、 成型、 养护， 可以认为两根小梁试件的抗 弯拉强度和抗弯拉弹性模量是相等的。待混凝土小 梁养护2 8 d 后， 作为上、 下梁进行夹层材料的测试。 1 7 2 四川建筑科学研究 第 3 8卷 1 1 试验原理 在两个标准小梁试件 ( 1 5 c m X 1 5 e m X5 5 e m) 的中间加入夹层材料。采用两分点进行加载， 在荷 载作用下， 上、 下梁则产生相应的应变和挠度， 如图 1所示。通过测定上、 下梁的最大挠度和最大应 变 值 ， 分析夹层材料对上、 下梁 的作用， 可以推断出夹 层材料在双层道面 的作用。根据上、 下梁 的最大挠 度和最大应变值计算出夹层对双层道面下板应力状 况的影响。 百分表l 百分表2 图 1 夹 层 材 料试 验 原 理 不 意 F i g 1 S c h e ma t i c d i a g r a m o f t e s t f o r i n t e r l a y e r ma t e r i a l 1 2试验设备 为了进行夹层材料的测试 ， 在空军工程大学工 程学院机场建筑工程系道面实验室进行夹层材料的 试验。利用道面实验槽 的反力架和千斤顶 ， 对小梁 试件进行加载。 采用千分表测定上、 下梁的挠度。千分表的测 点和固定方法是： 用扁钢弯成直角粘贴在上、 下梁中 间的底部 ， 将千分表的测点放置在扁钢上， 用磁性表 座和支架固定千分表。 将应变片粘贴在上、 下梁 中间的底部。应变片 的型号为 B x l 2 0 4 O A A， 电阻值 为 1 9 9 9 0 1 Q， 灵敏系数 2 1 7 ， 工作温度的范 围为 一3 O一+6 0 C。 应变仪采用 Y J 一 2 2型静态应变测量处理仪( 华东 电子仪器厂) ， 该应变仪是一种带有 8 0 3 9单片微处 理机的应变仪 ， 配合 Y Z一2 2型转换箱可进行 自动 测量 。它具有测量热电势 自动补偿的动能 ， 具有单 片桥路补偿及 自动调零功能。为了消除由于温度变 化而引起的应变片的测量误差 ， 需要进行温度补偿。 在应变片测量时 ， 采用半桥测量 ， 对温度补偿采用桥 路补偿法。 整个测试设备如图 2所示。 图 2 夹层材料试验装置 Fi g 2 Te s t i n g r i g o f i n t e r l a y e r ma t e ria l 1 3 测试步骤 加载大小按混凝土上、 下梁所产生的拉应力与 设计弯拉强度之比控制在 0 5确定。小梁混凝 土的 配合 比是按设计强度为 5 0 M P a进行设计的， 可计 算出加载的大小为3 5 t 。试验中， 采用荷载大小为 3 5 t 作为测定小梁挠度和应变的标准荷载。 加载前， 预压2 5 t ， 消除间隙， 保证试件与夹层 材料紧密接触。在加载前读取千分表和应变的数值 作为初读数， 加载至3 5 t ， 稳定 1 2 m i n ， 读取千分 表和应变的数值作为终读数。终读数与初读数之差 为该次加载所产生 的挠度 和应变值。重 复试验三 次， 三次的平均值作为试验结果。 1 4夹层材料 根据 目前军用机场水泥混凝土双层道面广泛使 用的夹层 ， 选用卷材和土工布作为夹层 材料进行室 内试验测试。各夹层材料的技术指标见表 1 ， 2 - 6 J 。 表 1 1 2 0卷材系列产 品及技术性能 Ta b l e 1 Te c h n i q u e c a p a b i l i t y t a b l e o f 1 2 0 c o i l e d ma t e ria 单位质量 ( g m ) 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 伸长率 撕裂强度 N 复合强度 粘接剥离强度 摩擦性 产品幅宽 m 5 O 1 o o 1 o 4 1 3 0 1 5 0 2 1 0 2 4 O 2 7 O 1 2 N mm 1 5 N mm 粘士 O 4 5 ， c =6 5 k P a ； 砂 0 6 2， c= O 1 1 53 2 0 表 2 复合土工布技 术标 准 Ta b l e 2 Te c h nic al s t a n d a r d o f c o mp l e x g e o c l o t h 2 0 1 2 N o 1 苏建康 ， 等： 机场水泥混凝土双层道面夹层材料试验方法研究 1 7 3 2数据分析 度的卷材作为夹层材料的双层道面小梁进行了试 验， 在不同夹层材料时， 上、 下梁挠度与应变值见表 分别对无夹层材料 、 两布一膜 、 无纺布和不同厚 3 ， 4 。 表3 不同夹层材料上、 下梁挠度值 T a b l e 3 Amo u n t o f d e fl e c t i o n f o r u p b e a m a n d u n d e r b e a m o f d i f f e r e n t i n t e r l a y e r ma t e r i a l 从上、 下梁的挠度差比较可知， 挠度差的大小按 两布一膜、 一布一膜( 光面朝上) 、 一布一膜( 光面朝 下) 、 1 5 1 T I 1 T I 1 2 0卷材、 无纺布 、 4 0 0 g 1 2 0卷材、 3 5 0 g 1 2 0卷材、 塑料薄膜、 无夹层排序。下、 上梁挠度之 比 下 大小排序为无夹层、 塑料薄膜、 4 0 0 g 1 2 0 卷材 、 3 5 0 g 1 2 0卷材 、 1 5 m m 1 2 0卷材 、 无纺布、 一 布一膜( 光 面朝下 ) 、 两 布一膜 、 一 布一膜 ( 光面朝 上) 。上梁挠度的大小与夹层材料的弹性模量和夹 层与上、 下梁之间的摩擦系数大小有关。上梁的挠 度包括梁本身的位移与夹层材料压缩位移之和。当 夹层材料较软时， 易产生变形 ， 则上梁的挠度就大。 如两布一膜， 由于在聚乙烯薄膜上、 下都粘有短纤针 刺非织造布。该布密度小， 易产生变形。在荷载作 用下夹层产生的变形大， 故采用两布一膜作夹层时， 上梁的挠度就大。 塑料薄膜作为夹层时， 由于塑料薄膜厚度小， 不 易产生变形， 其挠度差在所有的夹层中是最小的， 挠 度之比仅小于无夹层时的挠度比。单从挠度变形分 析 ， 其作为夹层材料是最有利的。但由于塑料薄膜 表面光滑 ， 与 昆 凝土表面的摩擦系数小 ， 相应产生的 摩擦力就小， 其作为夹层时， 上、 下梁越接近分离状 态 ， 相应所 产生的最大 弯拉应 变 比无夹层时要大。 所以， 用塑料薄膜作为夹层材料时， 虽然其产生的挠 度值及上、 下梁的挠度差小， 但由于其水平约束为 零， 夹层的结合面接近于分离式状态， 导致上、 下梁 的应变值大， 其弯拉应力也大。因此， 塑料薄膜不是 理想的夹层材料。 针对塑料薄膜 的弱点 ， 在塑料薄膜一面粘贴短 纤针刺非织造布形成一布一膜 ， 在正反面粘贴短纤 针刺非织造布形成二布一膜。由于布的存在， 当作 为夹层材料时， 结合面处的水平和竖向力发生了变 化， 导致产生的挠度和应变的不同， 挠度值和挠度差 增大。从上面数据分析说明， 由于布的存在， 引起夹 层结构发生了很大的变化， 表现为挠度增大， 上梁的 应变值减少， 下梁的应变值增大。整个双层结构由 分离式 向部分结合式转变。这对整个双层结构是有 利的。二布一膜由于膜的双面都存在布， 其挠度值 及挠度差比一布一膜大， 上、 下梁的应变值相近。当 采用一布一膜作为夹层材料时， 膜朝下与膜朝上放 置对上、 下梁的影响是不 同的。当膜 的摩擦 系数小 时， 膜朝上对上梁的约束小， 上梁产生的应变就相应 增大， 对下梁的约束增大， 下梁产生的应变就相应减 少； 反之， 膜朝下对上梁的约束增大， 上梁产生的应 变就相应减少， 对下梁的约束减小， 下梁产生的应变 就相应增大。在道面结构设计时 ， 对于双层道面应 该从控制上、 下板的应力决定一布一膜是膜朝下还 是膜朝上。 1 2 0卷材与一布一膜相 比， 其抗拉强度低 ， 胶断 延伸率大， 即强度较低， 变形较大。作为夹层材料 时， 上、 下梁的挠度差随卷材厚度的增加而增大， 厚 度 由0 5 m m增至 1 5 m m时 ， 挠度差 由 0 1 0 6 m m 增大到 0 1 4 6 m m， 增加了 3 8 ， 上梁的应变值 由2 2 1 0 I 6 减少到 1 9 3 x 1 0 ， 而下梁的应变值则 由 2 5 71 0 增 大到 5 81 0 I ” 。卷 材 的厚 度增 大， 上 、 下梁的挠度差增大 ， 上梁的应变值减少 ， 下梁 的 应变值增大 ， 说 明竖向压缩变形增大， 而水平的约束 力也增大， 即上、 下梁的结合面的结合程度提高， 使 得下梁的应变值增大 。 3 结合系数 K的计算 无论选择塑料薄膜、 复合土工布、 无纺布 、 防水 卷材等材料作夹层时， 其厚度应不大于 1 0 m m， 一 般情况下， 厚度为 0 4 0 7 m m之间。 由于夹层 的 厚度很薄， 其竖向的压缩变形是很小的。因此， 决定 上 、 下板的应力 、 应变状况主要是夹层材料与上、 下 板之间的结合状况， 其结合状况主要是由夹层材料 与上、 下板之间的摩擦系数和所承受的竖向压力决 定的。所以， 可以用部分结合式的应力计算公式， 求 出不同夹层材料的结合系数。 与直接式( 部分结合式) 双层梁抗弯刚度相等 的当量单层梁( 弹性模量为 E ： ) 的厚度 h 。 按式( 1 ) 和( 2 ) 计算： 1 7 4 四川建筑科学研究 第 3 8 卷 h 。=y p h ： ( 1 ) 3 + + ( 2 ) 式中 = ； h 卢 ； h ， h 下、 上板的厚度； E ， E 2 下、 上板混凝土弯拉弹性模量 ； 卜结合系数， IH 道面表面光滑为 K = 0 4 0 5 0 ； 旧道面表面粗糙为 K：O 6 00 7 0。 对直接式( 部分结合式) 双层梁， 应按下列公式 进行强度校核： 一 娅 簧 。 ( 3 ) 一 6 面 M k ( 4 ) 一 面 式中M 为双层板中的控制总弯矩( MN 1T I ) ， 即 = PL 由于上、 下梁采用相同的混凝土配合比， 并且同 时拌合和同时振捣， 因此， 上、 下梁的弹性模量是相 同的。采用同样尺寸的梁， 上、 下梁的截面尺寸是相 同的， 即 E1 = E2 = E h 1= h 2 61= b 2 则 = E 1 = 1 h = h 2 1 令Q= ：= ( 5 ) 式中 =Q 一46 E 8 2 ( 2 E 2一Q )； 占 ： 为混凝土上梁的最大拉应变。 根据上、 下梁的应变值， 计算出各夹层材料的结 合系数 ， 见表 4和如图 3所示。 表4 不同夹层材料上、 下梁应变值及结合系数 Ta b l e 4 Amo u n t o f s t r a i n a n d a t t a c h me n t c o e ffic i e n t f o r u p b e a m a n d u n d e r b e a m o f d i ffe r e n t i n t e r l a y e r ma t e r i a l 图3 应变值与结合系数关系 F i g 3 Re l a t i o n s h i p o f s t r a i n v a l u e a n d a t t a c hm e n t c o e 舶ic i e n t 由于 =E e， 应力 与结合系数 的关系如 图4 所示。根据所测得的应变值， 可以计算出某种 夹层材料的结合系数作为判断该夹层材料的好坏。 4 结 论 1 ) 为了选取合理的夹层材料应用于双层道面， 图4 应力值与结合系数关系 F i g 4 Re l a tio n s h i p o f s t r e s s v a l u e a n d a t t a c hme n t c o e ffi c i e n t 需要在室内进行有关夹层材料的试验。本文所建立 的夹层材料试验方法， 可以有效地对上、 下梁的挠 度、 应变进行测试， 通过测试结果反映出夹层材料对 上、 下梁的作用 ， 进而推断出夹层材料对双层道面的 作用。 ( 下转第 2 0 1页) 毛海勇， 等： IJ J l 地区中低强度等级商品混凝土抗碳化性能分析 2 0 1 表9 混凝土抗碳化性能的等级划分 等级 TI T一 T一 T一 TV 碳化深度d J w- - 3 0 2 0 d 3 0 1 0 d 2 0 0 1 d 1 0 d 0 1 m m 4 结论 1 ) 从实验室快速碳化试验数据来看 ， 在混凝土 强度基本满足设计等级的情况下， 采用四J t l 地区常 用原材料配制的强度等级 C 2 5 ( 含) 以上混凝土抗碳 化性能满足 相 当于 自然环境 中 5 0年 的碳 化深 度 ( 2 5 3 5 m m) 的要求。而按照混凝土抗碳化性能 的等级划分 ， 其 5 6 d龄期混凝土至少可满 足 T一 级( 1 0 d2 0 ) 要求。 2 ) 无论是双掺粉煤灰和矿粉， 还是单掺粉煤灰 的混凝土抗碳化性能都与水胶 比成反 比， 即： 水胶 比 越大 ， 相应的混凝土抗碳化性能越差 ； 水胶 比越小 ， 相应的混凝土抗碳化性能越好。 3 ) 无论是双掺粉煤灰和矿粉， 还是单掺粉煤灰 的混凝土抗碳化性能都随混凝土龄期的增长而提 高。而本课题所 做试 验试件均处于标准养护条件 下 ， 因此 ， 在施工过程中， 更应注重现场混凝 土的养 护。 参 考 文 献 ： 1 G B T 5 0 0 8 2 2 0 0 9 普通混凝土长期性能与耐久性能试验方法 S 2 J G J T 1 9 3 2 0 0 9混凝土耐久性检验评定标准 s 3 朱艳芳 ， 王培铭 大掺量粉煤灰混凝土的抗碳化性能研究 J 建筑材料学报， 1 9 9 9 ( 1 ) 4 宋少民， 邢锋， 李红辉 中低等级大掺量粉煤灰混凝土性能 研究 J 武汉理工大学学报， 2 0 0 7 ， 2 9 ( 6 ) 5 陈伟， 田亚坡， 周紫晨 粉煤灰混凝土抗碳化性能及显微硬 度分析 J 武汉理工大学学报， 2 0 0 9 ， 3 1 ( I 1 ) 6 牛荻涛 混凝土结构耐久性与寿命预测 M 北京： 科学出版 社 。 2 0 0 3 ( 上接 第 1 7 4页) 2 ) 通过室内小梁模拟测试装置测得的上、 下梁 的应变值， 计算出结合系数 作为判断该夹层材料 好坏的依据， 它比用夹层材料的法向劲度系数和切 向劲度系数简洁 ， 且与现有 军用机场水泥混凝土 道面设计规范 中规定的设计方法对上、 下板间的 结合系数是相一致 的， 在计算部分结合式双层道面 时 ， 可以采用按本文所建立 的室内小梁模拟测试装 置应变实测值计算出结合系数 K。 3 ) 本文对塑料薄膜、 卷材、 无纺布、 一布一膜、 两布一膜作为夹层材料的测试结果， 可为今后工程 中对夹层材料的选取提供参考 。 参 考 文 献 ： 1 翁兴中 机场道面加铺沥青面层的荷载应力分析 J 中国公 路学报 ， 1 9 9 4， 4 ( 7 ) ： 2 0 - 2 5 2 余定选 部分结合式双层水泥混凝土道面板的计算 J 工程 力学 ， 1 9 8 5 ( 2 ) 3 Zt J l l 锋 混凝土路面超薄罩面层的配合比及性能研究 D 重 庆 ： 重庆交通 大学 ， 2 0 0 9 4 陆涛， 陈小琪 沪宁高速公路( 上海段) 拓宽工程夹层材料防 治反射裂缝的力学机理分析 J 上海公路 ， 2 0 0 9 ( 3 ) 5 冷培义， 余定选 双层水泥混凝土道面的试验研究 D 西安： 空军工程学院 ， 1 9 8 8 6 土工合成材料工程应用手册编写组 土工合成材料工程应用 手册 M 2 版 北京： 中国建筑工业出版社， 2 0 0 0