（交通运输工程专业论文）聚酯纤维沥青混凝土在桥面铺装中的应用研究.pdf

摘要 沥青混凝土桥面铺装是工程中的常见桥面形式。桥面铺装不同于普通的高等级路面， 由于其结构的特殊性( 正交异性桥面体系及轻薄的沥青面层等) ，亦受外界气候和温度 的影响，因而很容易产生各种病害。这对桥面铺装提出了更高的要求，如高速、安全、 舒适、耐久等。目前，加强沥青桥面，改善沥青桥面的使用品质，以延长路面的使用寿 命和提高投资效益是各国交通部门所面i 临的重要课题。纤维沥青混凝土桥面以其技术性 能优良、施工简单、经济上合理等特点受到人们的关注，具有广阔应用前景。 本文依托江苏省南通市通富北路桥梁桥面铺装工程，通过大量沥青混凝土室内试验 研究，对不同纤维种类、掺量、不同级配类型的混合料进行马歇尔试验，分析其内在变 化规律，并且系统分析纤维对沥青混凝土高温稳定性、水稳定性等路用性能的影响；另 外，结合复合材料理论和界面化学知识，较为全面地阐述了纤维在沥青混凝土中的增强 作用机理。在此基础上，提出了聚酯纤维增强沥青基混合料的设想，并分析内在规律性 及其对桥面铺装性能的影响，探讨其工程可行性。同时对纤维沥青混凝土设计指标的控 制和配合比设计方法，以及纤维增强沥青桥面铺装的施工工艺也进行了必要地探讨。 试验分析表明，聚酯纤维可显著改善沥青桥面铺装性能，综合考虑经济和技术特性， 纤维沥青混凝土具有一定的优势，可以大范围的推广使用。 研究结果可以用于桥梁和桥面铺装层的设计，也可以为进一步分析桥面铺装技术问 题提供理论参考。 关键词：纤维沥青混凝土，桥面铺装，纤维增强机理 a b s t r a c t a s p h a l tc o n c r e t eb r i d g ed e c ki sac o m m o n l yu s e df o r mi nb r i d g ew o r k s b r i d g ed e c k i sd i f f e r e n tf r o mo r d i n a r yh i 曲一g r a d er o a ds u r f a c e b e c a u s eo ft h es p e c i f i c i t yo fi t ss t r u c t u r e ， s u c h 鼬t h eo r t h o g o n a ld e c ks y s t e ma n dt h et h i nl a y e ro fa s p h a l t , e t c ，a n dt h eo u t s i d e i n f l u e n c e so ft h ec l i m a t ea n d t e m p e r a t u r e ，b r i d g ed e c ki se a s i l ye x p o s e dt ov a r i o u sd a m a g e s ( c o r r a s i o n s ) t h e r e f o r eb r i d g ed e c kp a v e m e n t sm u s tb ea d a p t a b l et ot h em o r es t r i n g e n t d e m a n d st h a no r d i n a r yh i 9 1 l - g r a d er o a d ，s u c ha sh i g h - s p e e d , s a f e t y ，c o m f o r t , e n d u r a n c ea n d s o o n i ti sa v e r yi m p o r t a n ti s s u e ，w h i c ht h et r a n s p o r t a t i o ns e r v i c eb r a n c h e sa r ef a c i n gt o d a y , t os u e n g t h e nt h ea s p h a l tb r i d g ed e c ka n dt oi m p r o v et h eu s i n gq u a l i t yo ft h eb r i d g ed e c k a s p h a l ta st oe l o n g a t et h ep a v e m e n ts e r v i c el i f ea n di m p r o v et h er e t u r n so fi n v e s t m e n t s f i b e r a s p h a l tc o n c r e t eb r i d g ed e c ki sw i d e l yc o n c e r n e da n dh a sb r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t sf o ri t s c h a r a c t e r i s t i c ss u c ha si t se x c e l l e n tt e c h n i c a lp e r f o r m a n c e ， s i m p l ec o n s t r u c t i o n , a n d e c o n o m yr a t i o n a l i t y t h i st h e s i si sb a s e do nt h es t u d yo fn o r t ht o n gf ur o a db r i d g ed e c kp r o j e c ti n n a n t o n g , j i a n g s up r o v i n c e t h r o u g hal a r g en u m b e ro fa s p h a l tm i x t u r ei n t e r i o rt e s tt o ，c a r r y o u tt h em a r s h a l lt e s to nm i x t u r eo fd i f f e r e n tf i b e rt y p e ，v o l u m ea n dd i f f e r e n tg r a d a t i o n , t h e s t u d ya n a l y z e dt h ei n h e r e n tc h a n g i n gl a wo ft h ea s p h a l tm i x t u r e a n da l s op e r f o r m e d s y s t e m i ca n a l y s i st h ei m p a c to ft h ef i b e ro np a v e m e n tp e r f o r m a n c es u c ha sh i g h - t e m p e r a t u r e s t a b i l i t ya n dw a t e rs t a b i l i t yo fa s p h a l tm i x t u r e f o l l o w i n gt h ec o m p o s i t em a t e r i a lt h e o r ya n d t h ei n t e r f a c ec h e m i c a lk n o w l e d g e ，t h et h e s i sc o m p r e h e n s i v e l yr e p r e s e n t e dt h ee n h a n c i n g m e c h a n i s mo ff i b e ro na s p h a l tm i x t u r e ，b a s e so nt h ef o r m e rs t u d y ，i tp r o p o s e st h et e n t a t i v e p l a no fp o l y e s t e rf i b e rr e i n f o r c e dp i t c h b a s e dm i x t u r e ，a n a l y z e dt h ei n h e r e n tl a wo ft h e m i x t u r ea n di t si m p a c to nt h ep e r f o r m a n c eo fb r i d g ed e c kp a v e m e n ls oa st oe x p l o r ei t s e n g i n e e r i n gf e a s i b i l i t y f u r t h e rm o r e ，t h et h e s i sa l s od i s c u s s e dt h ec o n t r o l l i n go f f i b e ra s p h a l t m i x t u r ed e s i g ni n d e x ，t h em a t c h i n gr a t i od e s i g nm e t h o da n dt h ef i b e r - r e i n f o r c e da s p h a l t b r i d g ed e c kc o n s t r u c t i o nt e c h n i q u e sn e c e s s a r i l y t h et e s ta n a l y s i ss h o w e dt h a tt h ep o l y e s t e rf i b e r sc a ni m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h e 东南大学硕士学位论文 a s p h a l td e c ko b v i o u s l y c o n s i d e r i n gt h ee c o n o m i ca n dt e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c s ，f i b e r r e i n f o r c e da s p h a l tm i x t u r eh a sc e r t a i na d v a n t a g e sa n dc a nb ep r o m o t e di nl a r g e s c a l e a p p l i c a t i o n t h es t u d yr e s u l t so ft h ea n a l y s i sc a nb eu s e di nb r i d g ea n db r i d g ed e c kd e s i g n i tc a l l a l s op r o v i d eat h e o r e t i c a lr e f e r e n c ef o rf u r t h e ra n a l y s e so nb r i d g ed e c kt e c h n i c a lp r o b l e m s k e yw o r d s ：f i b e ra s p h a l tc o n c r e t e ，b r i d g ed e c lt h ef i b e r r e i n f o r c e dm e c h a n i s m i i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名：圣琵二一日霸：羔竺生易 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阕，可 。 丝公查( 包括刊登) 论文的全部或韶分内容，论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研尧生签名：邑f 盔导师签名： 日期：2 一o o 罗一6 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 按照铺装层材料刚度桥面铺装可分为刚性桥面铺装和柔性桥面铺装。刚性桥面铺装 主要是水泥混凝土桥面铺装；柔性桥面铺装主要是沥青混凝土桥面铺装。普通水泥混凝 土桥面铺装抗裂性能、行驶舒适性、韧性及耐久性较差，加之维修不方便，目前主要用 于小型桥梁的桥面铺装。沥青混凝土桥面铺装相对水泥混凝土桥面铺装，具有良好的柔 韧性及行驶舒适性，且具有维修方便、自重轻等优点，大中型桥梁桥面铺装中应用较多。 随着交通事业的发展，传统桥面材料逐渐暴露出一些缺陷，受外界气候、温度使用 条件的影响，很容易产生各种病害，经常出现破损和开裂，桥面寿命缩短。桥面铺装的 优劣直接影响着行车的舒适性和桥梁的安全使用性。由于缺乏对城市桥梁沥青混凝土铺 装的深入研究，沥青铺装材料的选择本身就存在不足之处。特别是随着交通量的增大， 轴重的增加等，许多的沥青铺装出现了严重的早期破损( 如车辙、开裂等病害) ，从而 使其使用寿命大大缩短，服务水平急剧下降。桥面铺装的经常维修成为了困扰设计者及 工程养护单位的一个难题。 目前，桥面铺装技术已成为建设桥梁的关键性技术之一。桥面铺装不同于普通的高 等级路面，由于桥面铺装体系在行车荷载、梁体变形和环境因素的复合作用下，与一般 沥青混凝土路面相比，受力及使用条件要复杂得多【l j 。 由于公路建设过程中出现了交通量增大、轴重增加、交通渠化等新问题，这就对桥 面铺装提出了更高的要求，如高速、安全、舒适、耐久等。因此提高沥青路面的耐久性、 高强度和稳定性显得十分重要和迫切。怎样改善沥青桥面的质量，减少沥青桥面的车辙、 坑槽、裂缝，延长沥青桥面的检修周期，提高投资经济效益是各国交通部门和投资者面 临的重要课题。 而提高沥青桥面铺装的使用性能，要从优化桥面结构体系、提高表面层的品质、合 理使用材料和提高施工作业水平等几个方面寻求解决办法【2 】。其中组成沥青混凝土的材 料是影响路面使用性能的重要因素，而沥青混凝土是由沥青、集料和矿粉以及其他外掺 剂按一定比例组成的。因此寻找各种途径改善材料的性能和质量是至关重要的。借鉴和 研究国外沥青路面技术发展的动态和做法，采用纤维作为添加剂是加强沥青桥面、提高 桥面质量的一个有效的措施。 东南大学硕士学位论文 目前使用的纤维材料有木质素纤维、聚酯纤维( 涤纶) 、有机纤维和矿物纤维等几 类。其中有机纤维脆性大，拌和困难，不易施工。部分矿物纤维污染环境且对人体有害。 木质纤维和聚酯纤维是经过处理得到的有机质纤维，具有极高的化学稳定性，在处理温 度高达2 5 0 c 以上不变质，一般溶剂及酸、碱也不能对其构成腐蚀，并且此类纤维对人 体没有危害性，不影响环境、不造成公害。经过对纤维加强沥青混凝土的路用性能、环 保和经济效益的综合比较，目前得到工程上认可而广泛采用的纤维是木质素纤维和聚酯 纤维。 聚酯纤维是从石油中提炼的对苯二甲酸与乙二醇经缩聚而得的饱和聚酯，再经特 殊工艺加工而成1 3 】。聚酯纤维同沥青亲和性强，是目前世界上化学性能稳定、强度高、 耐高温最好的聚合纤维。它在一4 0 0 c 一2 5 0 c 的温度内不脆化、不软化变形，每根纤维 都是独立的，具有极强的吸附性，且不缠绕，能够产生巨大的内聚力，可以大大抑制沥 青混凝上的开裂、剥落，最终达到提高桥面铺装质量和延长寿命的效果。 用聚酯纤维加强的热拌沥青混凝土( h m a ) 的生产和施工工艺比较简单：聚酯纤 维只是简单的“掺加，而不用改变矿料级配设计；它对沥青粘结料和矿料无特殊要求； 生产、施工工艺与不掺纤维热拌沥青混凝土基本相同，也不需要大量增加设备和人力， 施工完全能达到技术要求。 聚酯纤维沥青混凝土桥面以其技术性能优良、施工简单、经济上合理等特点受到人 们的关注，具有广阔应用前景。 1 2 国内外研究发展概况 1 2 1 国外桥面铺装研究应用状况 世界上研究桥面铺装比较早的国家是德国，随后英国、日本、美国等国家也开展了 这方面的研究，英国和日本等国家还制定了相应的经验性技术规范。 在混凝土桥面铺装的设计理论、规范方面，“美国公路桥梁设计规范一荷载与抗力 系数设计法中提出选择或设计一个桥面铺装层，应包括：足够的延伸度、足够的疲劳 强度、足够的耐久性、抗渗透性等功能。日本沥青路面规范【4 】和日本高等级公路设 计规范p j 中，将桥面铺装作为特殊场所的路面进行处理，具体要求如下：桥面铺装原则 上采用沥青铺装，其设计厚度标准为7 5 c m 。若桥面板为混凝土面板，则沥青混凝土采 用磨耗层用混合料( 骨料最大粒径1 3 m m ) ；若是用钢桥面板时，应以浇筑沥青与磨耗层混 2 第一章绪论 合料( 骨料最大粒径3 m m ) 组合的路面作为标准。德国主要沿用道路设计中的混合料设计 标准并针对铺装的特殊使用状态相应调整指标，使其厚度满足要求，并对其材料、试验 及施工等方面作了较为详细的规定。 英国自1 9 世纪5 0 年代初期开始对桥面铺装进行系统研究。1 9 8 8 年，英国颁布了 t l a 改性沥青混凝土铺装技术规范，对浇注式沥青混凝土的材料组成与相应的技术指标 进行了较为详细的规定。 各国技术工作者主要从铺装结构分析、材料设计、及施工等方面进行桥面铺装应用 纤维材料增强的研究工作。 1 9 6 0 年加拿大多伦多大学d a v i s n m 发表了关于水泥混凝土路面沥青加铺层反射裂 缝防治措施的文章，首次系统地研究了纤维作为添加材料改善沥青路面抗反射裂缝性能 的问题。1 9 6 2 年t a m b u r r o d a 分析了石棉纤维对沥青路面性能的影响。巴西 r m r o d r i g u e s 教授在论文1 6 】中对开裂的混凝土材料上的加筋沥青面层的工作机理运用 有限元和裂缝结构概念进行了模拟和力学分析。 2 0 世纪7 0 年代法国也在路面材料中加入了石棉纤维，并增大了沥青用量，使较粗 糙的路面结构具有较好的防水性能和耐疲劳强度。另外，m e d i f l e x 超薄路面材料、 d r a i n o f l l e x 排水型沥青材料中都掺加了纤维并取得了预期的效果。到了2 0 世纪8 0 年 代，为适应现代重载交通，对路面材料性能要求相应提高，欧美一些国家开始加强沥青 材料的应用研究，并在纤维加强沥青路面方面作了大量的工作。德国通过对沥青混凝土 掺加d o l a n i t a s ( 德兰尼特) 的研究和观测表明，掺加d o l a n i t a s ( 德兰尼特) 可以改善 沥青混凝土的高温稳定性、疲劳耐久性。并且具有低温抗裂和防止反射裂缝的性能，提 高了沥青混凝土的路用性能。正是由于具有以上优良品质，纤维也被用在机场路面、桥 面铺装、收费站等铺面中。 二十世纪八十年代，国外就着手研制开发聚酯纤维来加强沥青路面，并取得了成功， 在商业化上也得到了广泛应用。据国外资料【7 】【8 1 1 9 介绍，美国、英国、加拿大等国已在 一万多个的路面铺设、改造工程中运用聚酯纤维：美国宾夕法尼亚州桥梁桥面使用聚酯 纤维已超过2 0 座：密歇根州运输部制定了聚酯沥青桥面铺装规范。 美国在路用沥青混凝土设计的基础上，考虑了桥面的某些特殊要求( 如防水等) 加以 改进，对桥面铺装结构做出了专门的规定。1 9 9 0 年派大型代表团到欧洲考察，深受启发， 回国后结合美国具体情况也进行了大规模的纤维加强沥青混凝土的试验研究和推广应 用。 东南大学硕士学位论文 日本进行桥面铺装技术的研究已有三十多年的历史，其中最具有代表性的是本州四 国岛连络桥。日本的桥面铺装研究取得一些成功的经验，并且提出了本州四国连络桥 桥面铺装基准，对桥面粘结层、防水层和铺装层等都作了明确的规定。日本在1 9 9 2 年1 2 月新版的沥青路面纲要中列出了可用于沥青混凝土增强纤维的品种有植物型 纤维和耐高温的合成纤维，如聚乙烯醇、聚酯纤维等。 1 2 2 国内桥面铺装研究应用状况 国内外一些学者和专家对沥青混凝土桥面铺装层进行了力学分析和计算，如我国的 一些学者和专家建立了简化的沥青混凝土桥面铺装层力学模型，日本学者计算了沥青混 凝土铺装层的荷载应力，意大利学者计算了沥青混凝土铺装层的温度应力等。通过桥面 铺装结构力学分析明确铺装层结构的受力状态，进而确定铺装层材料的性能指标要求。 我国从2 0 世纪8 0 年代初开始研究纤维沥青混凝土，同济大学、长安大学、长沙交 通学院、合肥工业大学先后对纤维沥青混凝土的性能进行了大量研究。 由于桥面铺装问题是介于道路与桥梁两个专业的交叉领域，因此，多年来一直被这 两个专业所忽视。道路与桥梁专业方面分别按各自的要求和认识进行设计，没有形成统 一的规范与标准，至今还是基于以前的经验知识进行设计修筑。到目前为止，该方面仍 缺少比较系统的研究工作。罗立峰【lo 】等基于国内外对桥面铺装的研究均偏于应用方面， 计算理论和设计方法的研究还很少，从线弹性理论出发，同时考虑桥面铺装这一功能层 而非结构层的实际情况，通过对桥面铺装行为的分析与研究，将其简化为支承在正交异 性的弹性小挠度薄板上的各向同性大挠度薄板，并根据实际状况提出了若干假定。在此 基础上，提出了以梁板体的最大弯矩为基础，并给出了桥面铺装的平衡微分方程。通过 对该方程及桥面铺装功能的讨论，提出了以桥面铺装开裂和剥离为控制指标的水泥混凝 土桥面铺装的计算方法和设计方法，并给出了算例及适用条件。北京市政工程设计所的 方志禾【l l 】等经过研究认为水泥混凝土桥面铺装层，实质上是支承在桥梁主体结构、桥面 系、柔性防水层及其保护层上的弹性薄板。西安公路交通大学王虎【1 2 】等人利用梁体结构 的线弹性理论，对活载作用下钢筋混凝土桥水泥混凝土桥面铺装层内的弯曲正应力进行 了分析。研究结果表明，桥面铺装层直接承受车辆轮载作用，在构造上和桥面板粘结在 一起，既传递活载于桥面板，又参与桥面板的受力。西安公路交通大学公路学院张占军 f 1 3 】等通过对常见防水层材料和层间结合料进行直剪试验，提出了桥面沥青铺装厚度的计 算方法，在此研究基础上，推荐了桥面铺装结构与厚度范围。 4 第一章绪论 目前我国对大跨径钢桥面的桥面铺装的研究开展的比较广泛，也取得了一定成果： 但对数量较多的大跨径的混凝土桥的沥青混凝土桥面铺装相关的研究及文献相对较少。 随着我国桥梁建设的发展，沥青混凝土桥面铺装技术的研究也逐渐受到重视。2 0 0 4 年长 安大学张占军、王虎等【1 4 】发表水泥混凝土桥面沥青铺装及防水层荷载弯曲应力分析、 2 0 0 5 年东南大学交通学院结合南通市啬园路工程开展了国产聚酯纤维在市政沥青路面 中的应用研究f 15 1 、2 0 0 6 年东南大学黄晓明、高雪池、许涛发表了纤维加筋沥青 混凝土在桥面铺装中的应用，结合滨州黄河大桥桥面铺装研究课题，采用了现场调查、 理论分析和室内试验相结合的方法，对大跨径水泥混凝土桥梁的桥面铺装进行了系统地 研究。逐渐开始了结合道路材料与桥梁工程的专业理论实践对沥青混凝土桥面铺装中采 用聚酯纤维加筋技术的广泛而深入的研究。 1 3 研究内容、方法及技术路线 1 3 1 主要的研究内容和方法 为了提高城市沥青混凝土桥面铺装的建设水平，结合南通市规划设计院承担的通富 北路桥梁等工程，开展“聚酯纤维沥青混凝土在城市桥梁桥面铺装中的应用研究 课题。 本课题的主要内容为： ( 1 ) 查阅关于聚酯纤维沥青混凝土和桥面铺装的文献资料，了解国内外对桥面铺 装、纤维材料的理论研究和实践应用现状，分析该技术的工程应用前景和发展动态。 ( 2 ) 通过简化模型的建立，从理论上分析桥面铺装层的受力特性，分析各种因素 对桥面铺装层受力的影响。 ( 3 ) 根据国内外材料研究的成果，分析纤维在沥青混凝土中的作用及机理，提出 采用在沥青混凝土桥面铺装中掺加聚酯纤维的改良方案， ( 4 ) 通过马歇尔试验比较不同产地、掺量的纤维沥青混凝土的使用性能，比较它 们的高温性能、低温性能差异。 ( 5 ) 结合桥面铺装工程建设，通过混合料配合比设计、施工控制、整体检测及评 价，探讨纤维沥青铺装层的施工方法和施工技术，分析聚酯纤维沥青铺装层桥面的经济 效益和社会效益。 5 东南大学硕士学位论文 1 3 2 技术路线 制定研究方案 i 纤维加强沥青混凝土的理论准备 l 纤维加强沥青混凝土的实验研列 i l 纤维加强沥青混凝土桥面铺装工程应用 l 工程经济评价 l 整理、撰写论文 6 第二章沥青混凝七桥面铺装的受力分析及设计方法 第二章沥青混凝土桥面铺装的受力分析及设计方法 2 1 桥面铺装层的实验模型概述 桥面铺装体系的使用环境及受力特点与一般路面有较大的区别，为了能有效地进行 桥面铺装的设计，必须清楚桥面铺装体系的受力状态及其对于铺装材料力学性能要求。 桥面铺装问题解决的前提是明确铺装层结构的受力状态及特点，目前国内针对大跨径混 凝土桥梁桥面铺装力学分析的研究还较少。目前对于桥面铺装层体系内部应力应变状态 的现场检测还比较困难，而有限元数值模拟计算技术已成为现代结构力学分析的一种简 便而有效的手段。 有限元数值模拟分析的简化模型【17 】给出如下假定： ( 1 ) 模型中用到的所有材料均符合虎克定律。 ( 2 ) 所有的材料都是均匀的、连续的、各向同性的，材料处于无裂缝工作状态。 ( 3 ) 桥梁自重的影响忽略不计。通常铺装层是在桥面板完全安装完毕后才铺装的，因一 此水泥混凝土自重对铺装层的受力无影响。 ( 4 ) 沥青混凝土铺装层与水泥混凝土板的层间接触是完全连续( 位移和力连续) ，其摩擦 形式为滑动摩擦。 参考河北工业大学王伟广的实验模型【1 8 】，结合南通市某桥建立桥面铺装层实验模型。 桥梁全长为1 4 8 5 m ，桥型为3 2 0 + 2 5 + 3 2 0 米的简支梁桥。上部结构采用2 0 米和2 5 米先张法宽幅空心板梁，2 0 米板梁高为o 9 5 米，2 5 米板梁高为1 2 米，主梁宽度为1 5 米，边板悬臂为0 7 5 5 米；下部结构采用桩柱式桥墩、实体桥台接群桩基础，墩桩直径 为中1 5 米，台桩直径为中1 2 米。桥面铺装采用8 c m 厚c 4 0 防水混凝土调平层+ l k m 沥青混凝土铺装层，并在水泥混凝土调平层中设置i i 级直径l o m m 的钢筋网。同时在水 泥混凝土与沥青混凝土之间铺设防水层。 该试验主要分为三个步骤：第一步是通过力学计算得出桥梁在荷载作用下的纵向 最不利位置；第二步是在最不利位置以及其它关键位置贴应变片或埋置振弦计；第三步 为实际加载工况的确定。在试验中选取边跨进行应变仪器的布设，具体的布设位置为顺 桥向在边跨的纵向最不利荷载位置处、边跨1 4 跨径、1 8 跨径位置。横桥向布置为距 道路中心1 7 5 米处空心板的正上方、距道路中心5 2 5 米处空心板的正上方。这些应变 片和振弦计在桥面厚度方向上的布置为：桥面板和水泥混凝土调平层之间、两层铺装层 7 东南大学硕士学位论文 之间。由于铺装层是后来浇注或摊铺的，所以无法贴应变片，在这些位置埋设振弦计来 代替应变片，应变片或钢弦计的埋设均为横、纵两个方向。 试验中采用的车辆为3 0 t 和4 2 t 车，3 0 t 的车即为汽一2 0 中的重车，4 2 t 的车为 3 0 t 的车的各轴重相应的扩大1 4 倍得到。加载工况分为八个：各个工况在顺桥向的位 置均为车辆的重轴作用于各跨的最不利位置，工况一、二、三、四为作用在第二跨，工 况一为3 0 t 的车两侧轮中心作用在距道路中心5 2 5 米处，工况二为为工况一向桥中心 处移动3 5 m ，工况三为4 2 t 的车作用在工况一的位置上，工况四为4 2 t 的车作用在工 况二的位置上。工况五、六、七、八为作用在第三跨，其在横向的位置分别对应于工况 一、二、三、四。 2 2 影响沥青混凝土桥面铺装层受力特性的因素 2 2 1 铺装层厚度对铺装层应力的影响 在桥面铺装设计时，根据不同材料、不同级配组成选取不同的结构组合并确定其相 应的厚度，这是桥面设计的一个重要指标f 1 8 】。 取沥青混凝土铺装层的厚度分别取为4 c m 、6 c m 、8 c m 、1 0 c m 、1 2 c m 、1 4 c m 六种 情况来分析铺装层的受力随铺装层厚度的变化规律。沥青混凝土弹性模量依然取用 1 5 0 0 m p a ，下面的图2 1 给出了在不同厚度情况下沥青铺装层的横向、纵向剪应力的值 及其变化。 0 3 0 o 2 5 o _ t 00 2 0 呈 运0 1 5 r 0 1 0 趟0 0 5 0 0 04 68l o1 21 4 沥青层厚度( c m )劾霄层厚度【 一沥青层横向剪应力一沥青层纵向剪应力 图2 1 沥青铺装层厚度对剪应力的影响 从图2 1 中可以看出在所有的厚度下沥青铺装层的纵向剪应力均大于沥青铺装层的 8 第二章沥青混凝土桥面铺装的受力分析及设计方法 横向剪应力。随着铺装层厚度的逐渐加大，沥青铺装层的最大纵向剪应力逐渐减小，减 小速率几乎为一个常数，用线性函数拟合，其对值为0 9 9 6 5 沥青层的最大横向剪应力逐 渐增大，其增大的速率较为均匀，用线性函数拟合，其对值为0 9 8 2 1 ，说明沥青铺装层 内的最大横向剪应力随厚度的增加成线性增长。另外两者的值的变化范围较大，沥青铺 装层最大横向剪应力由4 e m 时的o 0 5 2 m p a 变化到1 4 c m 时的o 0 8 3 m p a ，增加了5 9 6 ， 同样沥青铺装层的最大纵向剪应力由原来的0 2 5 0 m p a 变到o 1 9 1m p a ，减小了原来的 2 3 6 ，可见厚度的变化对沥青铺装层的剪应力影响很大。 2 2 2 铺装层厚度对铺装层表面弯沉的影响 沥青混凝土路面的弯沉( 回弹弯沉) 是指路面在垂直荷载作用下产生的垂直变形。 路表弯沉是沥青混凝土路面设计的一项重要指标，它不仅能反映路面各结构层及土基的 整体强度和刚度，而且与路面的使用状态存在一定的内在联系，同时弯沉值的测定也比 较方便，所以这项指标得到广泛采用。 水泥混凝土桥的铺装层通常采用薄层沥青混凝土，铺装层的支撑虽然并不是道路上 的基层和土基，而是水泥混凝土桥面板，但铺装层表面的弯沉仍能反映铺装层与水泥混 凝土桥面板的整体强度和刚度，也能反映铺装层的使用性能，因此铺装层的表面弯沉也 可作为水泥混凝土桥桥面铺装层受力分析的一项力学指标。下面的图2 2 给出了铺装层 厚度对铺装层表面弯沉的影响，其中弯沉的单位为m n l 。 星 趔 蜉 静 沥青层厚度( c m ) 图2 2 沥青铺装层厚度对表面弯沉的影响 铺装层表面的弯沉随着厚度的增加成线性增长，表面弯沉与铺装层的压缩变形以及 桥梁整体的竖向位移有关系，其中沥青混凝土铺装层的压缩变形等于表面弯沉与板顶挠 度之差，同理水泥混凝土板的压缩变形等于板顶挠度与板底挠度之差。根据已有的研究 9 东南大学硕士学位论文 成果l l9 l 桥面板顶板、底板挠度，水泥混凝土的压缩变形随厚度的增加均减小，且厚度对 它们的影响很小。这是由于厚度的增加沥青铺装层与桥面板的复合作用增强，再者厚度 的增加对荷载起到了很好的分散作用。可见铺装层表面的弯沉主要取决于沥青层的压缩 变形，在相同的条件下，铺装层内的应力相同，当厚度变大时，相应的变形也要增大， 这符合应变的定义。变形越大越容易形成车辙病害，由此可知铺装层的厚度不宜过大。 2 2 3 铺装层模量对铺装层应力的影响 考虑不同模量对铺装层内各应力的影响，模量分别取6 0 0 m p a 、9 0 0 m p a 、1 2 0 0 m p a 、 1 5 0 0 m p a 、1 8 0 0 m p a 、2 1 0 0 m p a 等六个值，对这些值下的铺装层表面以及层间的剪应力 依次进行分析。沥青铺装层的厚度取为1 0 c m ，荷载的作用位置分别为横向与纵向的最 不利位置，其它的条件如前。下面的图2 3 给出了在不同模量的情况下沥青铺装层各分 析应力的数值。 童黑2 0f ：二= = 二= = 蚕0 。1 0 5 # 矽 o o o 童趸焉f 2 1 = 吾言吞= = ：= 1 盒i 舌5 = = = 专二聂 二二= f 专云云= = 二赢o o 沥青层模量信( m p a ) 一第一主应力一横向正应力 奎纵向正应力 * 横向剪应力+ 纵向剪应力 图2 3 沥青铺装层模量对各应力的影响 由图2 3 可以看到随着模量的加大，沥青层中第一主应力逐渐减小，纵向剪应力几 乎没有变化，其它的各分析应力均有不同的增大，在所有的分析项目中，依然是纵向的 剪应力较其它各应力大。由于混凝土的刚度一定，所以当沥青铺装层的模量变大时，整 个铺装层的刚度也随之加大，铺装层所分配的内力也逐渐增大，这符合结构力学中的等 刚度分配原则。 1 0 第二章沥青混凝土桥面铺装的受力分析及设计方法 2 2 4 铺装层模量对铺装层弯沉的影响 、 星 、 迦 螨 静 沥青层模量值( m p a ) 图2 4 沥青铺装层模量对弯沉的影响 由图2 - 4 可以看到表面的弯沉随着模量的增大而逐渐减小，弯沉值由原来的0 6 7 m m 减d , n0 3 7 r a m ，减小了近4 5 ，可见模量的改变对表面弯沉影响较大。一方面这是因 为随着模量的加大，铺装层的刚度变大，抵抗变形的能力增强；另一方面由于铺装层对荷 载起到了很好的分散作用，使各片主梁共同受力，这使得桥面板顶板的挠度减小，而表 面弯沉值由这两者组成，所以会减小。 2 2 5 其他因素对铺装层受力的影响 ( 1 ) 超载对铺装层受力的影响 大幅提高公路运输车辆轴载重量、总重量以及外形尺寸限值标准现象的出现给桥梁 造成了额外的载重负担，给桥梁的安全性造成了重大的威胁。超载作用会加大主梁的荷 载，加快裂缝的发展，增加主梁挠度，对桥梁的正常使用造成很大的破坏。 随着荷载的加大，沥青层的所有的应力值都有所增大，而且都成线性增长，超载对 沥青层的影响很大，过大的沥青层应力会造成不确定面的剪切变形，对桥面的正常使用 造成不便。随着荷载的不断加大，当超载达到7 5 时，将引起水泥混凝土铺装层的开裂， 从而影响其承载力，而且还会在上层沥青铺装层中产生反射裂缝，当车辆经过时会加大 冲击作用，加速桥面的破坏。 随着超载比例的加大，层间剪应力的变化成线性增长，如果层间的剪应力过大，则 会破坏铺装层与桥面板之间的粘结作用，使铺装层处于漂浮状态，很容易产生推移，拥 包等病害，再者如果有水浸入会在桥面板与铺装层之间形成一个水压面，加大荷载的冲 东南大学硕士学位论文 击作用。 随着荷载的逐渐加大，沥青混凝土表面的弯沉也渐增大，在水泥混凝土铺装层被拉 裂前，沥青混凝土表面弯沉与荷载成线性关系增长；当水泥混凝土铺装层被拉裂后，斜 率有所增大，拉裂部位铺装层的刚度随之减小，沥青层表面的弯沉在荷载作用下值变大。 ( 2 ) 水平荷载对铺装层受力的影响 水平的荷载的获得是通过竖直荷载乘以一个摩阻系数f 得到的，如果摩阻系数f 不 同，则得到的水平荷载就不同。摩阻系数f 跟桥面的粗糙程度、汽车的速度、汽车的轮 胎样式等因素有关。桥面越粗糙摩阻系数就越大，汽车加速或者减速行驶时产生的水平 荷载就越大。 对f = - o 1 ，f = - o 2 5 ，f = - o 5 ，f = o 7 5 时的沥青混凝土层的剪应力和水泥混凝土层的剪应 力进行分析表明，随着摩阻系数的加大，亦即水平荷载的加大，沥青层两个方向的剪应 力和水泥层两个方向的剪应力均有增加，而且变化较大。其中沥青层横向剪应力增幅约 为6 6 。7 ，沥青层纵向剪应力增幅为8 2 9 ，相应的水泥混凝土层的横向和纵向剪应力 的增幅分别为1 0 6 和1 0 7 。 2 3 沥青混凝土桥面铺装层受力特性的总结 上述模型在对计算结果的分析中，主要考虑沥青层内的最大剪应力与沥青层表面的 最大弯沉。通过对这些指标的分析得出如下结论： ( 1 ) 在水平荷载与竖直荷载同时作用下，控制铺装层强度的主要是顺桥向的剪应力。 ( 2 ) 沥青层厚度的加大对沥青铺装层内的应力影响较大，其中沥青层纵向最大应力随 厚度增加而减小，横向最大剪应力随厚度的增加而增加。沥青表面的弯沉随着沥青层厚 的增大而增大，两者有很好的线性关系。厚度的改变对桥梁整体的竖向位移不大。 ( 4 ) 模量的变化对沥青层应力的影响不大，对表面弯沉影响较大。 ( 5 ) 超载是桥面铺装各项指标中影响最大的因素，超载的增大会引起各项应力的增 大，而且还可能使水泥混凝土的拉应力超过其抗拉强度，造成破坏。 ( 6 ) 水平荷载受汽车与桥面之间的摩阻系数的影响，对桥面层的受力有很大的影响。 2 4 沥青混凝土桥面铺装层设计方法 根据上面的分析以及参照当前桥面铺装厚度的设计方法，并根据桥面铺装自身的特 性，给出如下设计方法【1 9 1 ： 1 2 第二章沥青混凝土桥面铺装的受力分析及设计方法 ( 1 ) 铺装材料的选择 桥面铺装能否满足期望的功能要求，除了在结构上的设计合理以外，还要考虑材料 的各项性能。比如这些材料应满足：低温抗裂、高温稳定、抗弯拉、抗剪切、车辙等性能 要求。另外铺装层的上下两层的功能是不一样的，上面的铺装层要满足抗磨、防滑等功 能，而下面的铺装层主要是要有较高的模量，能够很好的抵抗变形。另外还要考虑粘结 层，粘结层一般还有防水的功能，粘结层一般要求是变形能力大的弹性材料，当桥面在 温度变化或行车荷载作用下发生水平向变形时，粘结层可以吸收铺装层和钢板之间部分 相对位移，从而减小铺装层内应力。铺装材料选出以后要根据不同的方案做疲劳试验、 高温抗车辙试验等以保证材料的使用性能。 ( 2 ) 估算桥面的厚度 从上面的分析可以看出，桥面的厚度对铺装的受力有一定的影响，但是单一的改变 桥面的厚度不能使所有的力学指标趋于合理，所以要综合考虑这些力学指标，得到一个 优化的结果，从而得到最佳的铺装厚度。 目前还没有针对桥面铺装的大规模的车辙研究还没有开展，有人借鉴路面车辙的研 究方法，采用弹性理论分析铺装层车辙并建立预估方法。借鉴路面车辙指标的研究结果， 车辙深度( 1 b ) 的计算公式如下： r 1 ) = w p ( i + k l ) c d( 2 1 ) 式中：r d 为车辙深度( m m ) k l 为侧向隆起系数，k l = 0 5 ( 考虑路面的侧向隆起高度影响) c d 为动态修正系数( 考虑车辆荷载动态特性对沥青混凝土变形的影响) w p 为沥青层的竖向永久变形( 即厚度减薄量) ，可由计算得出。 根据车辙要求计算铺装层厚度的思路是：依照容许车辙深度r d 反算出w p ，再根 据w p 与沥青层厚度的关系，求出沥青层满足车辙指标的厚度范围。 根据以上的要求可确定铺装层的初始厚度的大致范围，最终进行力学分析，满足剪 力要求。 综上所述，沥青混凝土铺装层最佳厚度的确定要综合考虑多方面要求，在同时满足 下列要求时，从减少工程造价以及减轻桥梁自重出发，尽量减薄。 乙。 t w 二， w 东南大学硕士学位论文 h 。 h h f 2 d 。 h h 衲 ( 2 2 ) 式中：t 。为铺装层与桥面板问最大剪应力( m p a ) t 为粘结料的容许剪切强度( m p a ) w 二为铺装层表面的最大弯沉( m m ) w 为铺装层表面容许最大弯沉( i 砌) k 为铺装层厚度的最大变形( i 砌) h 为铺装层厚度的容许最大变形( i m ) h ，为铺装层分层摊铺碾压时的分层厚度( c m ) d 。为沥青混凝土集料中的最大集料粒径( c m ) h 为沥青混凝土铺装层厚度( c m ) h 。山为桥面铺装层最终整平所需的最小厚度( e r a ) 1 4 第三章聚酯纤维改善沥青混凝土的作用机理 第三章聚酯纤维改善沥青混凝土的作用机理 3 1 聚酯纤维的性能 聚酯纤维同沥青一样，也是一种典型的石油化工产品。该类纤维具有在很大的温度 变化范围内不脆化、不变形的优点。并且每根纤维都是独立的，可以很好地和沥青结合 在一起口0 1 。 聚酯纤维具有一定的断裂延伸率，这样在昼夜温差的热胀冷缩及外力冲击等的影响 下，聚酯纤维沥青混凝土可以承受很大的拉伸变形，作为沥青混凝土纤维加强筋，能够 很好地提高沥青混凝土桥面铺装的力学性能。另外，其力学性能特点表现为在4 0 一 2 5 0 c 的温度内不脆化、不软化变形，每根纤维都是独立的，具有极强的吸附性，且不 缠绕，能够产生巨大的内聚力，可以大大抑制沥青混凝上的开裂、剥落，最终达到提高 桥面铺装质量和延长寿命的效果【2 l 】1 2 2 。 由于聚酯纤维呈惰性，不受混凝土酸碱性环境影响而衰变，也不吸收湿气，它不随 时间的增长而损失，还具有高强度、高弯曲弹性、高延伸率、高取向性、易拌和等路用 性能。聚酯纤维的断裂延伸率表征纤维的强度及韧性，断裂延伸率越大说明该材料的韧 性越好，不易拉断，这样掺入沥青混凝土中就可提高其抗裂性能。 将这些纤维加入沥青混凝土中，其目的不是为了吸收沥青，而是为了发挥纤维的加 筋稳定作用，对沥青混凝土予以增强，阻碍沥青混凝土内部微裂缝的扩展，阻滞宏观裂 缝的发生和发展，从而改善沥青混凝土的力学性能和耐久性能。这些纤维大都是6 1 0 m m 长的直线状纤维，因其比表面积大，也有一定吸收沥青的作用。但由于纤维表面 比较光滑，沥青吸收量较少，因而沥青混凝土最佳沥青用量增加不多。聚酯纤维由于强 度较高，故在沥青混凝土中的添加量相对较少，一般约0 2 0 3 。通过观测和研究， 聚酯纤维可以在沥青混合物中起到加强筋作用、增加沥青混合物的含油率，提高粘接强 度和稳定性、提高沥青混合物的韧性和抗低温能力、减少永久变形，提高防滑耐磨能力、 减少温度对沥青桥面铺装的影响、提高沥青桥面铺装的水稳定、改善沥青桥面铺装的高 温稳定性，并具有防止反射裂缝和提高耐久性等性能。 用聚酯纤维加强的热拌沥青混凝土( h m a ) 的生产和施工工艺比较简单：聚酯纤 维只是简单的“掺加 ，而不用改变矿料级配设计；它对沥青粘结料和矿料无特殊要求； 生产、施工工