沥青混凝土桥面铺装层间黏结性能的影响研究.pdf

总第 期交通科技 第期 收稿日期：第一作者：李恒（），女，高级工程师。通信作者：孙亮明（），男，副教授，博士。中国市政工 程 西 北 设 计 研 究院有限公司科技研发课 题（）资助沥青混凝土桥面铺装层间黏结性能的影响研究李恒平克磊夏振兴杜思宇孙亮明（中国市政工程西北设计研究院有限公司兰州 ；武汉理工大学土木工程与建筑学院武汉 ）摘要为研究沥青混凝土桥面铺装结构的层间受力状态，采用有限元法建立带有薄层沥青防水黏结层的混凝土箱梁整桥模型及局部梁端子模型，进行层间黏结响应分析，并与涂膜类防水黏结层和卷材类防水黏结层进行对比。考虑防水黏结层厚度及模量对沥青桥面铺装结构层间黏结性能影响，结果表明，采用薄层橡胶沥青防水黏结层的沥青桥面铺装结构，层间黏结性能较其他两类更优，工程应用中具有适应性强，抗变形能力强等优势。防水黏结层厚度的增大可提升沥青桥面铺装结构的层间黏结性能，但提升的效率随厚度的增加而降低。防水黏结层模量的增大对层间黏性性能产生不利影响。关键词层间黏结性能薄层橡胶沥青混凝土箱梁有限元方法中图分类号 桥面铺装层作为桥梁结构的重要组成部分，其主要作用是防止车轮或履带直接磨耗桥面板，保护主梁免受雨水侵蚀，并借以分散车辆的轮载。其质量的好坏对于桥梁建成后在营运期间行车的安全性、舒适性和美观性都起着非常重要的作用。而在桥梁建设发展的同时，人们往往会忽视桥面铺装的问题，将其看作桥梁的一个附属结构，在设计时仅考虑自重的影响。随着近些年交通轴载的加大及交通流的猛增，致使桥梁整体结构及桥面局部结构均发生了大量的病害。研究发现，由于普通沥青的黏性较弱，且在施工过程中受灰尘及界面微裂缝的影响，铺装层和桥面之间会出现黏结力不足的现象，在车辆荷载反复作用下沥青混凝土铺装层与水泥混凝土桥面板会逐渐发展出滑移和脱层的破坏现象。由于桥面板和沥青铺装层二者所用材料属性差异较大，在共同受力时不能很好地协调变形，而通过防水黏结层可以增强界面的附着力，确保铺装层很好地跟随桥面板变形。现今的防水黏结层主要分为涂膜类黏结层、卷材类黏结层、薄层细质沥青混凝土层三类，且聚氨酯、环氧沥青等新材料逐渐被应用于桥面防水黏结层 ，使得桥面铺装的层间抗剪性能、疲劳性能，以及对温度的适应性能大幅提升。虽然桥面防水黏结层的发展日趋成熟，但仍会出现层间黏结失效的问题。本研究通过数值模拟的方法对桥面铺装的层间黏结性能进行分析，得出一种具有一定厚度的薄层橡胶沥青防水黏结层，并与其他类型防水黏结层进行对比，探讨薄层橡胶沥青防水黏结层结构设计参数对层间黏结性能的影响。层间黏结设计控制指标在研究桥面铺装结构层间稳定性时，通常采用拉拔试验和层间剪切试验 。而评价试件的指标为抗剪强度和抗拉强度。根据试验的评价指标，本文采用层间剪应力和层间法向拉应力作为控制指标。层间剪应力根据接触理论，桥面铺装结构的层间剪应力可以看作由界面上的摩阻力和黏聚力组成。根据库仑摩擦理论，摩阻力与界面粗糙程度相关，且随着界面受到的正应力呈正比，而黏聚力只受材料属性和环境的影响，因此在特定环境下，库仑摩擦的层间极限剪应力满足式（）、（）。狆犮（）狘狘 （）式中：为摩擦系数；犮为黏聚力；狆为界面承受的法向应力；为荷载作用下的层间剪应力；为层间极限抗剪强度。层间拉应力与层间剪应力不同，层间拉应力则只由黏聚力来抵抗，为保证层间界面不出现拉拔破坏，必须满足：犮（）狘狘 （）式中：为荷载作用下的层间法向拉应力；为层间极限抗拉强度。局部轮载作用下桥面铺装结构的力学分析橡胶沥青防水黏结层是在混凝土层或调平层之上均匀喷涂橡胶沥青使其形成保护层，由于橡胶沥青的黏性和柔韧性较好，使得路面和桥面的层间抗剪性能及防水性都得到较好提升。但由于其厚度太薄，在施工碾压时很容易被刺破，从而使其性能大打折扣。为了解决这个问题，本文改为在调平层上摊铺一层具有一定厚度的橡胶沥青混合料（后文将其称为薄层橡胶沥青防水黏结层），由于增加了其厚度，可以降低发生刺破的风险并提升防水性能，提升了防水黏结层的变形能力，有利于提升层间黏结性能。为验证其性能，通过数值模拟的方法建立采用薄层橡胶沥青防水黏结层的箱梁模型，计算层间剪应力峰值 和层间拉应力峰值 ，并建立采用涂膜类和卷材类黏结层的箱梁模型计算相应结果进行对比分析。混凝土箱梁整桥模型的建立以某跨径 的简支混凝土箱梁沥青铺装结构为研究对象，进行合理简化，建立混凝土箱梁整桥有限元模型，并遵循以下假定：将铺装上、下层，防水黏结层，调平层，箱梁看作连续均匀，各向同性的弹性材料，各层间始终保持变形协调，看作完全连续的。基本材料参数见表。表材料参数材料厚度弹性模量 泊松比密度（）铺装上层 铺装下层 调平层 箱梁 薄层橡胶沥青防水黏结层属于薄层细质沥青混凝土类防水黏结层，具有独立的抗剪能力和抗拉能力，模拟时将其用实体单元单独建立一层。涂膜类防水黏结层是在调平层表面刷上一层涂料或洒布一层改性沥青黏层油，最终渗入铺装下层和调平层使二者相连，溶液渗入到水泥混凝土材料的孔隙中固化后形成封层。其厚度可以忽略不计，因此建模时不单独考虑此层，将其作用考虑为调平层和铺装下层层间黏结无滑移。卷材类防水黏结层是一种可卷曲成卷状的柔性防水材料，直接或热熔后铺设在调平层上面，起到防水和黏结的作用。其厚度在 ，类似一张薄膜，因此在有限元模型中用壳单元进行模拟。根据文献和资料的调研，列出类防水黏结层典型材料属性参数，见表。表防水黏结层材料属性材料类别弹性模量 泊松比厚度涂膜类 卷材类 薄层橡胶沥青防水黏结层 根据上述假定和材料参数，建立箱梁整桥有限元模型，见图。图箱梁整桥有限元模型箱梁采用简支约束。我国公路桥梁设计规范中所采用的车辆荷载为汽车超 级 重车荷载 ，取其后轴一侧车轮，荷载作用区域为长、宽 的矩形，采用集度为 的均布 荷 载。刹 车 水 平 力 大 小 取 竖 向 荷 载 的。不同防水黏结层的对比经过计算，得到了种不同类型的防水黏结层的层间剪应力峰值 和层间拉应力峰值 ，见表。表不同类型防水黏结层的层间应力 材料类别 涂膜类 卷材类 薄层橡胶沥青防水黏结层 由表可见，涂膜类防水黏结层的 和 相比于其他两类更大，原因在于它仅起到了黏结的作用，不存在自身的变形用以承担部分外力，层间界面直接承受由铺装层传递下来的应力。卷材类防水黏结层的 相比于涂膜类有微小的下降，因为卷材类防水黏结层存在自身的弹性模量和剪切模量等材料属性，可以吸收部分应力，但其李恒等：沥青混凝土桥面铺装层间黏结性能的影响研究 年第期厚度太薄，因此效果并不明显。在工程实际应用中，卷材类防水黏结层是整张致密的膜状结构。而涂膜类防水黏结层是黏结剂或沥青油固化后形成的，甚至不能称作一层，当层间界面上有尖锐集料颗粒时，容易发生刺破的风险，整体性和防水性能不如卷材类防水黏结层。由于涂膜类防水黏结层与桥面的黏结强度较低，容易在使用过程中出现剥离、开裂等问题。且其使用需要基层表面平整、干燥洁净，否则会影响其附着力和使用寿命。而卷材类防水黏结层对施工的要求较高，如果黏结层未正确施工或存在质量问题，会导致黏结不牢固。且其在施工过程中通常需要切割和浪费材料，增加了废弃物的产生量。当卷材类防水黏结层出现局部层间脱黏后，在外力作用下，容易发生褶皱和卷曲，使得层间黏结性能进一步降低，严重时发展成大面积脱空滑移。薄层细质沥青混凝土类型防水黏结层计算所得的层间剪应力峰值 和 都比其他两类更小。其中 减小了，这是因为由沥青和石料组成的混合料经压实后形成单独的一层，且具有一定的厚度和抗弯刚度，减小了桥面的挠曲变形，从而使车轮周围层间受拉的情况也得到改善，这也间接提升了层间的黏结性能。此外，在工程应用中，撒布的石料和沥青在高温下紧密黏合，可以适应不同基层的形状和结构，因此当桥面板存在局部不平整时，其不像涂膜类和卷材类防水黏结层一样在运营前就出现局部脱黏的现象，且其对桥面板的界面处理要求不高，能够适应于各种复杂的施工环境，如潮湿环境、高温低温等。由于它具有一定的厚度和抗弯刚度，因此表现出优异的抗渗水能力和抗变形能力。除此之外，橡胶沥青具有较高的黏性和韧性，使得橡胶沥青能够承受车辆荷载作用导致的反复变形，防止黏结层出现裂纹和破损。防水黏结层结构参数变化对层间黏结性能影响防水黏结层结构设计参数包括材料弹性模量和厚度等。当厚度发生变化时，将会导致层间接触面积和层间应力分布的改变，而当材料的弹性模量发生变化，材料的应力应变也会发生变化，这些变化最终会对层间黏结性能产生影响。为了得出薄层橡胶沥青防水黏结层材料厚度和弹性模量的具体影响，本文通过逐一控制其变化进行分析。厚度的影响薄层橡胶沥青防水黏结层厚度不宜过大也不宜过小，控制其厚度变化幅度在，其他材料属性与表相同，取防水黏结层厚度分别为，组工况，分析层间剪应力和层间拉应力在防水黏结层厚度变化的规律。结果见图。图层间应力随防水黏结层厚度变化由图可见，在防水黏结层厚度变化范围内，调平层上表面的剪应力峰值 始终大于防水黏结层内部的剪应力峰值 和铺装下层下表面的剪应力峰值 。随着防水黏结层厚度的增大，、和 都呈减小趋势，其中 减小得最快，减小幅度约为。铺装下层下表面的拉应力峰值 始终大于铺装下层下表面的拉应力峰值 和 防 水 黏 结 层 内 部 的 拉 应 力 峰 值 。随着防水黏结层厚度的增大，、和 都呈 减 小 趋 势 且 减 小 速 度 逐 渐 加 快，其 中 减小得最快，减小的幅度约为 。注意到在防 水 黏 结 层 厚 度 小 于 时，大 于 ，而当厚度大于 时，变得小于 。这表明，防水黏结层厚度的增大对防水黏结层下表面的层间拉拔性能更有利。根据上述分析，随着防水黏结层厚度的增大，层间剪应力峰值的变化幅度要小于层间拉应力峰值的变化幅度。这可能是因为层间拉应力与防水黏结层挠曲变形关系紧密的原因，反观层间剪应力，其与受剪截面面积大小有关，而厚度的增大与受剪截面面积的增加没有明显的联系，因此可以 年第期李恒等：沥青混凝土桥面铺装层间黏结性能的影响研究得出防水黏结层厚度的变化对层间拉应力的影响要大于层间剪应力。由于随着防水黏结层厚度的增加，桥梁受到的恒载也会增加，对桥梁的承载能力产生不利影响。且在实际工程中，防水黏结层需要协调铺装下层下表面和调平层上表面的变形，厚度的增加使得防水黏结层上、下表面变形差异会增大，导致界面上的连接出现不完全连续的情况。因此，为了提升层间黏结性能的同时充分发挥材料的作用，防水黏结层厚度取 较为合适。模量的影响由于橡胶沥青混凝土是多种材料组合而成的混合料，沥青基质的含量和石料类型、颗粒粒径大小、级配等都会对其材料属性产生影响，宏观上用弹性模量来衡量。本节取防水黏结层厚度为，保持其他情况不变，将防水黏结层的模量参考范围划定为 ，每增加 取一个工况，总共计算个工况，层间应力随防水黏结层模量变化曲线见图。图层间应力随防水黏结层模量变化由图可见，在防水黏结层模量变化范围内，调平层上表面剪应力、防水黏结层内部剪应力 和铺装下层下表面剪应力三者相差非常小且变化规律一致。、的变化主要分为个阶段，第一阶段剪应力先逐渐增大，且增大的速度逐渐减小，当模量增大到 时，进入第二个阶段，剪应力峰值开始减小，且减小的速度也逐渐变缓。这是因为第一阶段时，防水黏结层模量的增大，导致其在整个抗剪刚度中占比逐渐增大，所以其承担的水平剪力也增大，从而出现局部层间剪应力增大的现象。注意第二阶段开始时防水黏结层的模量已经增大到与铺装下层模量相当，此后层间剪应力再出现下降的趋势，因为此时主要受剪界面发生了转移，薄弱层已经不是防水黏结层。而调平层上表面拉应力 、防水黏结层内部拉应力 和铺装下层下表面剪应力 三者变化规律并不相同，其中，随着防水黏结层模量的增大逐渐增大，且增大速率逐渐减小；而 和 在 时先有一个减小趋势，在大于 后呈现增大的趋势，且增大的速度也逐渐减小；当防水黏结层模量为 时，和 大于 ，而在 时，超过 和 ，且随着模量的增大差距逐渐增大，这说明随着防水黏结层模量的增大，拉拔破坏的危险截面由防水黏结层下表面向上表面转移。结语本文针对沥青桥面铺装的层间黏结失效问题，总结并提出一种薄层橡胶沥青防水黏结层，建立了带有薄层橡胶沥青防水黏结层的混凝土箱梁整桥有限元模型，与涂膜类和卷材类防水黏结层进行对比，结论如下。）薄层橡胶沥青防水黏结层相较于涂膜类和卷材类防水黏结层，抗剪性能和抗拉性能都有所提升，对施工环境的适应性更强，不会出现运营前的局部脱黏问题，充分发挥了橡胶沥青的黏性和韧性。因此工程应用中选择薄层橡胶沥青防水黏结层更加合适。）防水黏结层厚度的增大可以提升沥青桥面铺装结构的层间黏结性能，且厚度对层间拉应力的影响比层间剪应力更加显著，厚度从 增大到，调平层上表面拉应力的减小幅度为 。但是厚度的增大会导致桥梁承受的恒载增大，厚度设计在 左右较为合适。）防水黏结层模量的增大会对沥青桥面铺装结构的层间黏结性能造成影响，其中剪应力峰值呈单调增大的趋势，而拉应力峰值先减小后增大，从层间黏结性能方面考虑，模量在 左右较为合适。参考文献王勋涛，封建湖，王虎简支箱梁桥沥青铺装层层间李恒等：沥青混凝土桥面铺装层间黏结性能的影响研究 年第期接触分析武汉大学学报（工学版），（）：杨文明沥青混凝土桥面铺装病害研究西安：长安大学，黄晓明水泥混凝土桥面沥青铺装层技术研究现状综述交通运输工程学报，（）：，：中国公路学报 编辑部中国路面工程学术研究综述 中国公路学报，（）：常艳婷，陈忠达，张震，等桥面沥青铺装环氧乳化沥青黏结层性能研究材料导报，（）：艾 长 发，黄 恒 伟，等基 于 熵 权 的 钢桥面防水黏结材料组合体系优选分析中国公路学报，（）：张锋，李梦琪，王天宇，等水泥混凝土桥面复合防水黏结层的性能哈尔滨工业大学学报，（）：，（）：宋建军，朱家剑，韩丽丽，等基于幂律模型的橡胶沥青松弛模量预估武汉理工大学学报（交通科学与工程版），（）：，公路桥涵通用设计规范：北京：人民交通出版社股份有限公司，犛 狋 狌 犱 狔狅 狀狋 犺 犲 犐 犿 狆 犪 犮 狋 狅 犳 犐 狀 狋 犲 狉 犾 犪 狔 犲 狉犅 狅 狀 犱 犻 狀 犵犘 犲 狉 犳 狅 狉 犿 犪 狀 犮 犲狅 犳犃 狊 狆 犺 犪 犾 狋犆 狅 狀 犮 狉 犲 狋 犲犅 狉 犻 犱 犵 犲犇 犲 犮 犽犘 犪 狏 犻 狀 犵犔 犐犎 犲 狀 犵，犘 犐 犖犌犓 犲 犾 犲 犻，犡 犐 犃犣 犺 犲 狀 狓 犻 狀 犵，犇犝犛 犻 狔 狌，犛 犝犖犔 犻 犪 狀 犵 犿 犻 狀 犵（，；，）犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋：，犓 犲 狔狑 狅 狉 犱 狊：；年第期李恒等：沥青混凝土桥面铺装层间黏结性能的影响研究