同步碎石桥面铺装粘结层层间应力分析与应用研究

摘要

桥面铺装粘结层破坏是导致桥面铺装病害的一个主要原因，铺装层与桥面板间的接触粘结状态比较复杂，层间既包括粘结层材料的粘结力，也存在混凝土集料与桥面板间的摩阻力，确定粘结层的刚度或模量也很困难。在行车荷载、温度应力作用下，铺装层内部产生较大的剪应力，引起不确定破坏面的剪切变形，或者由于铺装层与桥面板层间粘结力差，抗水平剪切能力较弱，在水平方向上产生相对位移以致剪切破坏。 剪切破坏直接导致有害物质下渗，下渗速度的大小又受使用期间桥面铺装层裂缝大小所支配，而粘结层是阻止有害物质下渗到桥面板的最后一道防线，因而分析粘结层的力学控制指标以及材料性能应用研究对防止桥面铺装病害有着很重要的现实意义。 本文通过对沥青混凝土桥面铺装形式、病害的调查，分析其病害与粘结层关系，提出用同步碎石作为沥青混凝土桥面铺装粘结层的优越性。 利用有限元理论，借助ANSYS手段对同步碎石粘结层进行了系统的荷载应力分析；依据桥面铺装温度应力与普通路面温度应力的差异性，计算了同步碎石粘结层温度应力变化。 利用断裂力学理论分析了同步碎石粘结层的抗裂性能，计算出了粘结层的疲劳寿命；通过室内剪切试验、拉拔试验、抗渗性等试验研究确定了同步碎石粘结层沥青、碎石的选材要求以及沥青的最佳撒布量范围，提供了施工工艺参考。 综合其力学状态与直剪试验指标分析，推荐出层间工作状态；以及与其它防水粘结层进行施工技术、经济、社会效益等综合对比分析，得出同步碎石作为沥青混凝土桥面铺装粘结层具有优越的性价比与最为广阔的应用前景。 本文的研究内容主要包括以下几个方面： 1、应用有限元理论对桥面铺装结构进行力学分析，研究了不同桥型沥青混凝土桥面铺装层间应力变化范围。系统而深入的分析了同步碎石粘结层层间荷载、温度应力的变化规律。 2、应用断裂力学理论对桥面铺装和粘结层的抗裂性能和疲劳性能进行计算。当各结构层在车轮荷载及温度作用下产生的应力小于其极限抗拉强度时，得出其在一次荷载作用下的开裂应力和反复荷载作用下开裂的疲劳寿命。 3、模拟桥面板对同步碎石桥面铺装粘结层分别进行剪切试验、拉拔试验、抗疲劳试验、抗渗性试验、温度敏感性试验，由试验数据进行正交分析研究得出：同步碎石作为防水粘结材料具有良好的耐久性、抗渗性、抗高温敏感性以及很强的粘结性能。 4、通过与其他粘结材料进行性能对比分析得出：同步碎石粘结层抗剪强度大，高温抗剪、低温抗裂性能最优，容易满足高温抗剪与低温抗裂的不利要求。 5、通过直剪试验得出：同步碎石粘结层抗剪强度>卷材类>涂膜类；同步碎石粘结层抗剪强度最大可达2.36Mpa；得出常温时[t]=0.60～0.65 Mpa；高温时[t]=0.30～0.40Mpa。 6、综合粘结层层间荷载应力、温度应力以及疲劳寿命，提出同步碎石桥面铺装粘结层的层间应力工作状态：[t]R≥0.4 Mpa；并通过直剪试验验证其正确性，可为设计、施工与选材提供借鉴。 7、利用净现值法对五种桥面防水粘结层技术方案进行经济比较、综合考虑社会效益等因素，得出同步碎石作为防水粘结层时其性价比最高，提出同步碎石粘结层应用前景最为广阔。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪 论

1.1 问题的提出

1.2国内外研究与应用状况

1.2.1国外研究现状

1.2.2国内研究现状

1.3本文主要研究内容及方法

第二章沥青砼桥面铺装常见病害与粘结层关系

2.1桥面铺装病害调查与分析

2.1.1水泥混凝土桥面铺装层构造

2.1.2病害调查

2.1.3病害原因分析

2.2铺装层病害与粘结层关系

2.2.1疲劳开裂

2.2.2粘结层剪切破坏

2.2.3温度裂缝

2.2.4桥面板的反射裂缝

2.3本章小结

第三章层间荷载应力分析

3.1层间应力理论

3.1.1广义模型

3.1.2粘弹性层状体系

3.1.3考虑横向剪切影响的平板弯曲元素

3.2防水粘结层结构分析

3.2.1层间接触条件

3.2.2复合结构体系的解

3.2.3层间应力计算理论

3.3模型建立

3.3.1有限单元方法的基本原理

3.3.2有限元模型

3.4不同荷位计算分析

3.4.1 横桥向不同荷位时桥面铺装层力学特性分析

3.4.2纵桥向不同荷位时桥面铺装层力学特性分析

3.4.3不同轴载时桥面铺装层力学特性分析

3.5层间应力计算分析

3.5.1层间剪应力计算分析

3.5.2桥面铺装结构层间法向拉应力分析

3.5.3沥青混凝土铺装结构荷载弯曲应力分析

3.6本章小节

第四章层间温度应力分析

4.1桥面与铺装层表面温度差异

4.2桥面温度场理论

4.3层间边界条件

4.4铺装层温度场计算

4.5桥面结构温度场解析解

4.5.1桥面结构温度场的数学表述

4.5.2桥面结构温度场解析解

4.6温度场的特征参数及其影响因素

4.6.1桥面最高、最低温度

4.6.2温度速率

4.7温度场解析解的修正

4.8粘结层温度应力分析

4.9桥面铺装层间工作状态

4.10本章小节

第五章 同步碎石粘结层抗裂性能研究

5.1层间裂缝分析

5.1.1裂缝的基本理论

5.1.2荷载等效法分析反射裂缝

5.1.3层间防裂设计

5.2粘结层的抗裂性能

5.2.1 单调荷载作用下的断裂破坏

5.2.2往复荷载作用下的断裂破坏

5.3 同步碎石粘结层的抗裂性能

5.3.1 同步碎石粘结层断裂机理

5.3.2 同步碎石粘结层的疲劳寿命

5.4 同步碎石粘结层疲劳寿命计算

5.5本章小结

第六章同步碎石防水粘结层材料性能试验研究

6.1异步碎石工作原理及其存在的问题

6.2同步碎石作为桥面防水粘结层可行性分析

6.3抗剪性能试验研究

6.3.1试验材料与试验设计

6.3.2试验结果与试验分析

6.3.3层间抗剪强度验算

6.4路用性能试验研究

6.4.1试验过程及原材料选择

6.4.2最优沥青撒布量及石料撒布量确定

6.4.3单一粒径碎石与级配碎石防水粘结层性能对比试验

6.4.4国内常用防水粘结材料性能对比试验

6.5温度稳定性试验

6.6抗老化试验

6.7不透水性能试验

6.8本章小结

第七章同步碎石粘结层施工技术研究

7.1常用施工设备

7.2同步碎石施工技术及注意事项

7.3工程质量验收

7.4与其他材料粘结层相比优缺点

7.5本章小节

第八章结论与展望

8.1研究成果

8.2主要创新点

8.3研究展望

参考文献

攻读博士学位期间取得的研究成果

致谢