水泥混凝土路面填缝料疲劳试验方法研究.pdf

公路 交通技 术2 0 1 2年 6月 第 3期T e c h n o l o g y o f H i g h w a y a n d T r a n s p o r t J u n 2 0 1 2 N o 3 水泥混凝土路面填缝料疲劳试验方法研究 王 宝松 ， 王进 勇， 龙丽琴 ( 招商局重庆交通科研设计院有限公司， 重庆4 0 0 0 6 7 ) 摘要： 水泥混凝土路面填缝料在实际应用中， 受气候、 机械外力作用产生疲劳老化， 使用寿命下降。填缝料疲劳导 致地表 水渗入基层是 水泥混凝 土路 面破 坏的重要 原 因之一 。现有填 缝料评价 体 系中无体现 疲 劳性 能的评价 指标 。 基于对现有水泥混凝土路面接缝料的力学研究和室内试验， 提 出适合于水泥混凝土路面填缝料疲劳性能检测的试 验 方法和仪 器 ， 其对 于水泥混凝土路面填缝料的研 究及应 用具有重要意 义。 关键词： 水泥混凝土路面； 填缝料 ； 疲劳试验方法； 疲劳试验仪 文章编号 ： 1 0 0 9 6 4 7 7 ( 2 0 1 2 ) 0 3 0 0 0 1 0 5 中图分类号 ： U 4 1 6 2 1 6 文献标识码 ： A Re s e a r c h o n F a t i g u e Te s t Me t h o d s f o r J o i n t Se a l i n g Ma t e r ia l s f o r Ce me n t Co n c r e t e Pa v e me n t WANG Ba o s o n g ，WAN G J i n y o n g ，L ONG L i q i n Ab s t r a c t ：J o i n t s e a l i n g ma t e r i a l s f o r c e me n t c o n c r e t e p a v e me n t i n p r a c t i c a l a p p l i c a t i o n p r o d u c e f a t i g u e a g i n g u n d e r e f f e c t o f c l i ma t e a nd me c h a ni c a l f o r c e a n d t h e s e r v i c e l i f e d e c r e a s e s Pe n e t r a t i o n o f s urfa c e w a t e r i n t o b a s e c o u r s e c a u s e d b y f a t i g u e o f j o i n t s e a l i n g m a t e r i a l s i s o n e o f i m p o rt a n t r e a s o n s for d a m a g e t o c e m e n t c o n c r e t e p a v e m e n t E x i s t i n g e v a l u a t i o n s y s t e m for j o i n t s e a l i n g ma t e r i a l s h a s n o e v a l u a t i o n i n d i c e s f o r f a t i g u e p e rf o r m a n c e O n t h e b a s i s o f me c h a n i c a l r e s e a r c h a n d i n d o o r t e s t f o r j o i n t s e a l i n g ma t e r i a l s for c e me n t c o n c r e t e pa v e me n t ，t h i s p a pe r p r o p o s e s t e s t me t ho d s a n d i n s t r u me n t s s u i t a b l e f o r d e t e c t i o n o f f a t i g u e p e r f o rm a n c e o f j o i n t s e a l i n g ma t e r i a l s f o r c e m e n t c o n c r e t e p a v e m e n t ，w h i c h s h o w i m p o r t a n c e s i g n i f i c a n c e fo r r e s e a r c h a n d a p p l i c a t i o n o f j o i n t s e a l i n g ma t e r i a l s fo r c e m e n t c o n c r e t e p a v e m e n t Ke y w o r d s ：c e m e n t c o n c r e t e p a v e m e n t ；j o i n t s e a l i n g ma t e r i a l s ；f a t i g u e t e s t me t h o d s ；f a t i g u e t e s t ns m l m e nt s 夏季温度高 ， 水泥混凝土板块膨胀 ， 接缝填缝材 料受挤压 ； 冬季温度低 ， 水泥混凝土板块 收缩 ， 填缝 材料受拉伸。随着 季节变化 ， 填缝材料经受热压冷 拉的循环应力作用 。如果填缝材料的柔韧性及耐疲 劳能力差 ， 很容易因疲劳而产生老化破坏， 从而脱落 开裂 ， 失去对路面的保护作用 。 水泥路面中， 填缝料除受拉伸压缩循环作用外 ， 还 会受到剪切循环作用 J 。水泥混凝土路面设计基准期 为： 高速公路 、 1 级公路 3 0年， 2级及以下公路 2 0年 J 。 性能优异的填缝料寿命应与混凝土路面寿命相同， 在 混凝土路面的使用周期内不需更换填缝料 J 。接缝处 不仅承受来 自路面板热胀冷缩产生的拉伸压缩应力 ， 还承受车辆荷载产生的弯拉剪切应力， 两者均为受力 最不利状态。 为了模拟这样的受力最不利状态 ， 需要 收稿 日期 ： 2 0 1 1 1 2 2 6 作者简介 ： 王宝松 ( 1 9 8 4一 ) ， 男 ， 山东 省临沂市人 ， 硕士 ， 助工 设计新的试验模型， 为此笔者设计并制作了疲劳试验 仪 ， 并用其进行了填缝料室内疲劳试验。 1 疲 劳试 验仪 开发 1 1 填缝料疲劳试验原理 以前对填缝材料受力 的研究只考虑面板受温度 变化产生的接缝位移及接缝内填缝材料受反复拉压 后的粘结性能与 内聚力 ( 图 1 ) 。在实际路面 中， 填缝材料除受拉伸压缩循环作用外 ， 还受车轮在接 缝一侧 的反复剪切作用( 图 2 ) ， 反复冻融循环及 光照和雨水的侵蚀作用 。 由温度变化引起 的道面板接缝水平位移一般采 用如下计算公式 ： ， J =C L ( O l T )+Z。 ( 1 ) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 2年第 3期 王宝松 ， 等 ： 水泥混凝土路 面填缝料疲劳试验方法研究 3 凝土板作受迫振动， 当外界 的荷载作用频率接近于 混凝土板系统振动频率 ( 固有振动频率 ) 时， 受迫振 动的振幅增长最快 ， 产生共振现象 ， 这种状况是最不 利的。 行车荷载对混凝 土板 产生 的振动频率 范 围为 l 0 4 0 H z ， 混凝土板的 固有振动频率范 围为 4 5 1 3 0 H z 。由此可见 ， 行车荷载对混凝 土板 产生的振 动频率小于混凝土板的固有振动频率 ， 故不会发生 共振现象。填缝料的振动频率取决于行车荷载对混 凝土板产生的振动频率 ， 即填缝料 的振动频率范围 为 l 0 4 O H z 。 原维勃稠度仪振动次数为 2 8 6 0 7 m i n ， 即4 7 6 H z ， 与原定疲劳试验振动频率不同， 因此需对维勃稠 度仪进行改进 ， 将其振动次数改为 2 4 0 0 m i n ， 即 4 0 Hz 。 1 2 3疲劳试验仪振幅 本疲劳试验仪 振幅为 5 m m， 其垂 直振 幅 0 5 m m， 模拟的最不利弯沉值 为5 0 ( 0 0 1 mm) 。一般认 为 ， 弯沉值为 2 0 ( 0 0 1 mm) 时 ， 混凝 土板脱空 ； 弯沉 值为 5 0 ( 0 0 l m m) 时 ， 路面板 已严重脱空 ， 濒临断板 的危险。 1 2 4 疲 劳试验 时 间 采用高速公路重载交通的累计标准轴载次数作 为本试验的疲劳次数 。高速公路重载交通 的累计标 准轴载次数为 1 0 02 0 0 0万次 ， 取 1 0 1 0 作为疲 劳试验基准次数 ， 对应的时间为 6 9 4 h 。 2 试件制备 2 1 填缝料选择 根据 国内工程实例或经验 ， 选择 了2种填缝料 ， 并根据 J T T 2 0 3 -1 9 9 5 公路水泥混凝土路 面接缝 材料 进行基本性能试验， 试验结果如表 1 所示。 表 1 填缝料试验检测结果 从表 1可知 ， 选 用的填缝料均满足 J T G F 3 0 2 0 0 3 4 公路水泥混凝 土路面施工技术规范的技术 要求 。 2 2 试件制备 2 2 1 水泥混凝土试件成型 为了与现场实际相符 ， 水泥混凝土 配合 比设计 方法采用道路配合 比设计方法 ， 设计抗弯拉强度采 用重交 通路 面设计 强度标 准值 5 0 M P a 。按 J T E E 3 o -2 o o 5 ( 公路工程水泥及水泥混凝土试验规程 进行拌和 ， 成 型后放入养 护室养护 2 8 d后取 出备 用 。 2 2 2实验室标准条件 疲劳 I生能试验在实验室内进行 。实验室标准试 验条件为 ： 温度 ( 2 3 2 ) ， 相对湿度( 5 0 5 ) 。 2 2 3 填缝料灌缝 1 )根据 J T G F 3 0 -2 0 0 3 ， 横 向施 工缝 宽 71 0 m m 。对于特重和重交通公路， 缩缝应采用假缝加传 力杆方式 ， 缩缝宽 7 1 0 m m。对于普通混凝土路面， 胀缝视集料温度膨胀性大小 、 当地年温差和施工季节 综合确定 ： 高温施工， 可不设胀缝； 常温施工， 集料温 缩系数和年温差较小时 ， 可不设胀缝。综上所述 ， 接 缝宽度设为 1 0 mm。根据水泥混凝土路面接缝 的受 力特点， 不设传力杆的伸缩缝位置为最不利位置。因 此 ， 试件接缝宽度设为 1 0 mm， 不设传力杆。 2 )将混凝土试件固定 ， 浇筑填缝料。对 于加热 式填缝料， 应边不断搅拌边加热至规定温度。为方便 浇筑 ， 可将混凝土试块长度加长 ， 一次性浇筑多个试 件 ， 成型养护后再切割成标准试件。填缝料试件标准 尺寸为长度 ： 宽度 ： 厚度= 7 0 m m ： 2 5 m m： 1 5 m m。 3 )灌缝时 ， 边灌边用铁钩来 回钩动 ， 让缝 壁上 残存 的少量灰尘混入填缝料 中， 避免填缝料与混凝 土板 间形成夹层 ， 保证填料与板壁粘附紧密。灌 注 成型后的试件如图 6所示。 图 6 填缝料试件切割成标准试件 3 填缝料疲劳试验 3 1 填缝料疲劳试验步骤 根据水泥混凝土路面接缝 的受力特 点， 不设 传 力杆的伸缩缝位置为最不利位置 ， 荷载作用下 2板 之间上下错 台变形 最大。在最 不利状 态 ( 伸长 率 1 0 0 ， 垂直振动幅度 5 m m) 下进行疲劳试验 ( 图7 ) 。 当试验 时问达到 6 9 4 h时， 停止试验 ， 仔细观察试 件是否发生破坏 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 公路交通技术 2 0 1 2丘 图 7 试件固定在疲 劳试验仪上 1 )制作水泥混凝土试件 ， 浇筑填缝料并进行标 准养护。 2 )养护后 ， 将疲劳试件夹于 2夹具之间， 拧紧 固定螺帽。 3 )旋动活动夹具侧面的螺帽， 将疲劳试件匀速 拉伸至规定伸长率 ( 1 0 0 ) ， 并 固定滑动夹具 于底 座上 。 4 )启动维勃稠度仪并记录开始时问 ， 当试件出 现破坏或试验时间达到 6 9 4 h时 ， 停止试验， 记录 试验时间和试件破坏状态 ， 并拍照留档。 5 )6个试件为 1组 ， 以 6个试件测值 的算术平 均值为测定值。若 3个测值中最大值或最小值 中的 一 个与中间值之差超过 中间值 的 1 5 时， 则取 中间 值为测定值 ； 如最大值和最小值与 中间值之差均超 过 间值的 1 5 ， 则该组试验结果无效 。 3 2 一 试 验结果 分析 聚氨酯及改性沥青疲劳试验结果见表 2， 表 3 、 表 4分别为聚氨酯填缝料疲劳前后粘结拉伸试验结 果 。 从表 24数 据 可 以看 出， 聚氨 酯疲 劳试 验 6 9 4 h后仍未见疲劳损坏迹象 ， 其在疲劳试验前后 的粘结强度分别为 0 3 MP a以上 、 0 1 M P a左右 ， 说 明聚氨酯抗疲劳性能 良好 ， 适用于重载交通。改性 沥青在疲劳试验进行 至 5 2 h时即发生破坏 ， 疲劳 试件破坏没有明显 的规律 ， 说 明改性沥青填缝料只 适用于中等交通 ， 聚氨酯填缝料抗疲劳性能优于改 性沥青抗疲劳性能。 3 3疲劳 对 比试 验 水泥混凝土路面接缝填缝材料 ( 非定型类 ) 的 物理性质和使用条件与 G B T 1 3 4 7 7 4 建筑密封材料 试验方法 第 1 2部分“ 同一温度下拉伸一压缩循环 后粘结性的测定” 的密封材料类似 ， 因此 ， 可 以借鉴 其试验方法进行试验 。 冷拉热压试验( 即冬天受拉 ， 夏天受压 ) 的 目的 在于模拟路面在四季气候不断交替变化时 ， 水泥混 凝土路面填缝料在循环交替的冷拉热压加载后 的路 用性能。采用冷拉热压循环试验方法 ， 使填缝材料 在高温下挤压 ， 低温下拉伸 ， 同时经受气候变化 、 机 械外力的疲劳老化， 模 拟填缝材料在水泥混凝土路 面上拉伸挤压 状况 ， 以测试填 缝材料 的耐久性 能。 聚氨酯填缝料及改性沥青填缝料冷拉热压后的粘结 拉伸试验结果分别见表 5 、 表 6 。 表 2 填缝料疲劳试验结果 注： 1 、 2 、 3为序号， 表示每组试件进行 3次平行试验， 最后取 3次试验结果的平均值为最终测定值， 下同。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 2年第 3期 王宝松 ， 等： 水泥混凝土路 面填缝料疲劳试验方法研究 5 由表5 、 表6数据可知 ， 聚氨酯填缝料进行冷拉热 压后的粘结性能优于改性沥青填缝料， 说明聚氨酯填 缝料的抗疲劳l生能优于改性沥青填缝料 ， 这与利用 自 行设计的疲劳试验仪器进行疲劳试验得 出的试验结 果相同。因此笔者设计 的疲劳试验仪器用于填缝料 疲劳试验是切实可行的， 其试验结果是可信的。 4 结语 采用笔者设计的填缝料疲劳试验仪进行填缝料 疲劳试验 ， 并将其与冷压热拉试验进行对 比分析 ， 取 得了预期效果 ， 得到如下结论 ： 1 )聚氨酯填缝料疲劳试验至 6 9 4 h后仍未见 疲劳损坏迹象 ， 说明其抗疲劳性能 良好 ， 适用于重载 交通 。改性沥青填缝料疲劳试验进行至 5 2 h时即 发生破坏 ， 且试件破坏无 明显规律 ， 故改性沥青填缝 料只适用于中等交通。 2 )冷拉热压后 ， 聚氨酯填缝料的粘结性能优于 改性沥青填缝料 ， 说 明聚氨酯填缝料 的抗疲劳性能 优于改性沥青填缝料 ， 与填缝料疲劳试验结果一致 ， 因此笔者设计 的疲劳试验仪用于填缝料疲劳试验是 成 功 的 参 考 文 献 1 寿崇琦， 尚盼， 康杰分， 等 水泥混凝土路面填缝材料的 抗疲劳老化l生 能研究 J 公路， 2 0 0 7 ( 6 ) ： 1 7 2 1 7 4 2 刘晓曦， 王硕太 机场 昆凝土道面封缝材料疲劳特性 J 交通运输工程学报， 2 0 0 6 ( 1 ) ： 4 4 4 7 3 中交公路规划设计院 J T G D 4 0 -2 0 0 2 公路水泥混凝 土路面设计规范 S 北京 ： 人 民交通 出版社 ， 2 0 0 2 4 张东长 ， 龙丽琴 ， 刘茂 光 新 型长 寿命 填缝 料的开发 研 究 J 公路交通技术， 2 0 0 9 ( 6 ) ： 5 2 5 5 5 谢水友 ， 郑传超 水平荷载对沥青路 面结构 的影响 J 长安大学学报 ： 自然科学 版 ， 2 0 0 4， 2 4 ( 2 ) ： 1 4 - 1 7 6 赵鸿铎 ， 姚祖康 ， 张长安 ， 等 飞机除冰液对停机坪水 泥混凝 土的影 响 J 交通 运输工程学 报 ， 2 0 0 4 ， 4 ( 2 ) ： 1 5 7 L E E S W ， S T O F F E L S S ME f f e c t s o f E x c e s s i v e P a v e m e n t J o i n t O p e n i n g a n d F r e e z i n g o n S e a l a n t s J J o u r n a l o f T r a n s p o r t a t i o n E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 3 ， 1 2 9 ( 4 ) ： 4 4 4 4 5 0 8 K E T C H A MS A S t r u c t u r a l Me c h a n i c s S o l u t i o n s f o r B u t t J o i n t S e al s i n C o l d C l i m a t e s R S 1 ： C R R E L ， 1 9 9 6 9 孙艳娜 水泥混凝土路面嵌缝料剪切特性的研究 D 上海 ： 同济大学 ， 2 0 0 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m