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沥青混凝土与水泥混凝土界面剪应力分析

发布时间:2017-05-18
在桥面铺装、隧道加铺以及旧水泥混凝土加铺工程中,沥青混凝土与水泥混凝土界面之间黏结性能的好坏直接影响路面的使用性能。采用有限元计算方法,分析了水泥混凝土与沥青混凝土界面之间的剪应力随荷载状况、加铺层厚度变化的影响;并选用3种界面黏结材料进行室内模拟试验研究,得到了其界面之间剪应力的一些变化规律。
    为了提高桥面和隧道路面的行车舒适性,一般都要在隧道、水泥混凝土桥面上加铺沥青混凝土。但因沥青混凝土和水泥混凝土材料的强度、变形及相容性等均存在较大的差别,两种路面结构界面的黏结技术显得非常重要。据调查,凡是有刚柔路面结构的桥面铺装发生早期病害的情况普遍存在,这可能是设计方面认识不足,或界面黏结材料性能参差不齐,或超载交通的普遍存在,或施工缺陷等,影响因素较多。当然也有使用环境和自然气候的原因,特别是桥梁结构,变形大,温差大,对黏结材料的适应性要求高。另一方面,黏结层还应有防水的功能,一般沥青混凝土铺装层只有4cm 厚,路面水易于通过空隙渗透到界面层,在荷载作用下,形成高压水流,冲击界面结构,造成早期病害。
    目前,高速公路向西部延伸,向山区进发,桥隧比占线路总长50%以上,有的达到80%,桥隧铺装层界面处治受到行业内广泛关注。而界面处治技术中,界面抗剪尤为重要,本文采用有限元方法,计算分析了水泥混凝土与铺沥青混凝土界面之间的剪应力随铺装层厚度变化及随荷载影响的变化规律;同时,选用当前市面上常用的几种防水黏结材料进行室内试验,得到了一些较为重要的结论,对相关工程实践有参考价值。
 
1 有限元方法分析沥青混凝土与水泥混凝土界面剪应力
1.1 沥青混凝土与水泥混凝土界面接触模型
(1)水泥混凝土路面加铺沥青混凝土面层,其理论模型既区别于弹性层状体系,也不同于弹性地基上的板,为便于理论分析,结合一些实际情况,采用如下假设:
①各层为均质的各向同性的线弹性体;
②每一层之间的接触面为完全连续的;
③不计路面结构的自重影响。
(2)汽车荷载采用双圆均布垂直荷载,标准轴载BZZ-100,轮胎内压为0.7MPa。
1.2 沥青混凝土加铺层厚度对界面剪应力的影响水泥混凝土与沥青混凝土铺装层之间的受力状况是比较复杂的,特别是高温季节,桥面比一般路面温度高,要求铺装层有优良的高温稳定性;由于沥青混凝土与水泥混凝土材料的相容性差,两者界面间的黏结性能显得更为重要,黏结性能直接影响着这种复合路面的使用性能。所谓黏结性能在水平方向就是抗剪能力。有资料报道,增加沥青混凝土加铺层的厚度,可以增加其与水泥混凝土界面间的黏结性能,可在一定程度上防止沥青混凝土面层相对于水泥混凝土板的滑移。但单纯依靠增加沥青混凝土加铺层的厚度是不现实的:一方面增加加铺层厚度可能受到路面标高的限制;另一方面增加加铺层厚度,必将大幅增加路面造价。因此,需要寻找其他经济可行的方法来增强沥青混凝土与水泥混凝土界面的黏结强度。
    本文从3.5cm 厚铺装层开始计算,每增加2cm,层间剪应力有明显的下降,但当厚度达到10cm后,剪应力下降不明显。不同沥青混凝土加铺层厚度对界面间剪应力的影响见表1所示。
表1 不同沥青混凝土加铺层厚度对界面间剪应力的影响
加铺层厚度cm
3.5
6
8
10
12
14
τmax/MPa
0.36
0.28
0.21
0.17
0.16
0.16

1.3 超载对沥青混凝土与水泥混凝土界面剪应力的影响伴随着公路建设的蓬勃发展,交通量的迅猛增加,疲劳荷载应力会大幅提高。当然,更重要的是超载交通,在过境交通中,出现了许多特大型的运输车辆,总载重可达1 200kN,单轴轴重达240kN。受经济利益的驱动,载货车辆中,除空车外,80%有超载现象,特别是一些运煤车辆及矿业车辆超载率从50%~200%不等。路面结构在重载及超载的作用下会产生加速破坏,尤其是桥面、隧道铺装,层间剪应力受超载交通影响比较敏感。
以加铺4cm沥青混凝土层路面为例,计算沥青混凝土与水泥混凝土界面剪应力随荷载变化的情况。轮胎压力为1.1MPa时,剪应力为0.44MPa,这相当于标准荷载超50%的情况,而重载车超50%是常事。当荷载压应力从0.6~1.1MPa变化时,剪应力增加了41.9%,而且没有减弱的趋势(如表2所示)。有文献报道,采用能量法简化计算出,层间最大剪应力可达0.778MPa,这一数值已经接近常温状态下沥青混合料极限抗剪强度。
 
表2 沥青混凝土与水泥混凝土界面剪应力随胎压接地压强增加的变化
 
轮胎压力/MPa
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
τmax/MPa
0.31
0.34
0.37
0.39
0.42
0.44

因此,在界面之间采取加强措施是改善水泥混凝土与沥青混凝土界面的必然要求。
 
2 界面处理材料对沥青混凝土与水泥混凝土界面抗剪强度影响试
验选取3种界面处理材料进行试验,拟对沥青混凝土与水泥混凝土界面进行对比分析。
选取的3种界面处理材料分别是乳化沥青、水性沥青基防水涂料以及溶剂性防水黏结涂料。
2.1 试件的制备与试验结果试验需要的试件一共2组8块,每组分别是未涂刷任何界面处理材料的水泥混凝土与沥青混凝土试块(以下简称试块)1块,以及所选3种界面处理
材料试块各1块。具体制备方法如下:
在抗车辙试模中成型3.5cm 厚沥青混凝土试件共2组8块,经过养生周期(28d)后每组各选取1块试块不做界面处理,其余每组3块试块涂刷界面处理剂(300g/m2);干燥后换上7cm 高的模具,在水泥混凝土试件上面再成型3.5cm 厚的沥青混凝土试件;冷却后成模,切割成100mm×100mm 的试块;将100mm×100mm__________试块在要求的试验温度下恒温3h,做压剪实验。
2.2 试验结果分析
试验结果表明:水泥混凝土与沥青混凝土界面无黏结材料处治,20℃温度条件下,界面黏结力仅0.36MPa,且界面出现滑移现象;当温度达到50℃时,界面几乎没有黏结了,界面沥青混合料出现松软状态。分别用乳化沥青、水性沥青基防水涂料和溶剂性防水黏结涂料处理界面后,其黏结强度都有明显提高。其中溶剂性防水黏结涂料效果最好,常温情况下达到1.18MPa,50℃时,也有0.27MPa的黏结力。从界面破坏状况看,黏结界面均出现滑移,表明尽管用了优质黏结材料进行界面处理,但沥青混凝土与水泥混凝土之间仍然是薄弱环节,在工程中应引起高度重视。
 
3 结语
加铺的沥青混凝土面层与旧水泥混凝土路面的黏结是否良好,直接影响着该路面的使用性能,提高两者界面的黏结抗剪力具有重要的实际意义。
参考文献:
[1] 黄晓明,赵永利,高英.高速公路沥青路面设计理论与
方法[M].北京:人民交通出版社,2006.
[2] JTG D50-2006公路沥青路面设计规范[S].北京:人
民交通出版社.2006.
[3] 郝金东.旧水泥混凝土路面沥青加铺层反射裂缝的成
因及防治措施[D].重庆:重庆交通大学,2010.
[4] JTG D40-2002公路水泥混凝土路面设计规范[S].
北京:人民交通出版社,2002
 
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