CN113670709A - 一种防水黏结层及桥面铺装复合结构抗疲劳性能评价方法 - Google Patents

一种防水黏结层及桥面铺装复合结构抗疲劳性能评价方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种防水黏结层及桥面铺装复合结构抗疲劳性能评价方法，将三层结构测试试件装入设备上，在“试件尺寸”界面输入试件长、宽、高，在“测试参数”界面输入控制应变和加载频率；启动设备，对测试试件进行加载，将第50次循环劲度模量作为初始模量。选择一定循环次数作为防水黏结层疲劳性能丧失的结束条件，进行防水黏结层的黏结强度测试，并与未经疲劳测试的测试试件作对比，用循环加载后黏结强度下降情况评价防水黏结层的抗疲劳性能。同时，选择劲度模量衰减到一定比例时停止加载，根据试验加载次数，以及加载过程中载荷、弯曲劲度模量变化情况等评价桥面铺装结构的疲劳寿命。本发明测试方法贴近实际，所得结果科学、准确。

Description

一种防水黏结层及桥面铺装复合结构抗疲劳性能评价方法
技术领域
本发明涉及桥面铺装层性能检测技术领域，尤其是涉及一种防水黏结层及桥面铺装复合结构抗疲劳性能评价方法。
背景技术
目前的混凝土桥面铺装结构大多自下而上依次为混凝土桥面板、防水黏结层和沥青铺装层。由混凝土桥面板、防水黏结层和沥青铺装层构成的桥面铺装结构作为一个整体来协同受力、协调变形、维持车辆载荷。车辆的每次载荷均会引起桥面铺装结构的微小应变，对桥面结构造成微小破坏，图1所示的就是在车辆载荷情形下桥面结构发生形变的示意图。随着时间推移，破坏不断累积，沥青面层与桥面板之间的疲劳寿命会逐渐下降，防水黏结层黏结性能下降，最终会导致路面结构整体性变差，进而引起沥青路面出现早期病害。
目前，国内外相关规范仅涉及对沥青混合料的疲劳性能研究，而综合评价整个混凝土桥面铺装结构的疲劳性能（寿命），对本行业来说目前尚未有明确的定量评价方法与标准。
防水黏结层作为重要组成部分，起到将混凝土板和沥青面层连接起来的作用，目前对防水黏结层的研究仅仅集中于喷洒之前进行黏结强度测试，对于行车载荷后黏结层的性能变化情况尚无明确标准。同时，混凝土桥面铺装结构作为一个整体，能长期维持车辆载荷是所有铺装结构共同作用的结果，任何一个结构层失去作用，桥面结构都将无法发挥正常作用。鉴于此，亟需一套操作简单，能有效反映实际桥面铺装结构（包括防水黏结层）疲劳状态的抗疲劳性能评价方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种方便、可靠的防水黏结层及桥面铺装复合结构抗疲劳性能评价方法。
为实现上述目的，本发明可采取下述技术方案：
本发明所述的防水黏结层及桥面铺装复合结构抗疲劳性能评价方法，使用沥青混合料四点疲劳试验夹具作为测试设备，其具体步骤如下：
第一步，制作多个混凝土＋防水黏结层＋沥青混合料的三层结构测试试件；
第二步，将测试试件分为两批；首先将第一批测试试件装入测试设备的夹口内并夹紧；
第三步，在测试设备的“试件尺寸”界面输入测试试件的长度L、宽度d和高度h；在“测试参数”界面分别输入不同的测试控制应变、加载频率和终止条件；
第四步，启动测试设备，对测试试件进行加载，拉/压力传感器和位移传感器实时记录试件状态，并自动计算每个循环状态的劲度模量，将第50次循环劲度模量作为初始模量；
第五步，待第一批被检测试件进行一定次数的循环加载后，将测试试件切割成宽65mm、长65mm的拉拔试件，进行防水黏结层的黏结强度测试，并与未经疲劳测试的测试试件作对比，用循环加载后黏结强度下降情况评价防水黏结层的抗疲劳性能；
第六步，将第二批测试试件装入测试设备的夹口内并夹紧，依照第三、第四步的方法，待被检测试件发生疲劳破坏，或劲度模量衰减到一定比例时，停止加载，计算机自动记录试验加载次数，以及每次加载过程中的载荷、弯曲劲度模量变化情况；利用第二批试件的加载次数、弯曲劲度模量变化情况评价桥面铺装结构的疲劳寿命。
在上述步骤中，本发明采用第一批试件循环加载后黏结强度下降情况评价防水黏结层的抗疲劳性能；利用第二批试件的加载循环次数、弯曲劲度模量变化情况评价桥面铺装结构的疲劳寿命，通过两方面指标全面评价桥面铺装复合结构的抗疲劳性能。
本发明制作的测试试件高h=50mm，宽d=65mm，长L=380mm，成品测试试件的三层结构与实际桥面铺装复合结构相同，自下而上依次为混凝土板、防水黏结层和沥青混合料面层，其中混凝土和沥青混合料的厚度相同。将其作为一个协同受力整体，最大程度模拟真实的桥面铺装结构。
第三步输入的控制应变选定为100、200、300με，加载频率分别设定为5、10、15Hz，使测试试件的变形→恢复循环过程与桥面铺装复合结构在常见车辆荷载作用下的受力状态基本一致，最大程度模拟桥面铺装结构在行车载荷下的变形情况。
第五步中循环进行2万次时停止加载，即选择2万次循环加载后进行防水黏结层的拉拔强度试验。
第六步中劲度模量丧失到30%时停止加载，即选择劲度模量丧失到30%作为桥面铺装结构疲劳寿命丧失的结束条件。
另，在第六步中，计算机除自动记录试验加载次数外，还要通过位移传感器和拉/压力传感器记录测试试件每个循环过程的实时状态，用以完整分析铺装结构整个寿命周期内各阶段力学状态。
本发明的优点体现在：
将与桥面铺装结构相同的测试试件作为一个协同受力整体进行测试，利用与车辆载荷相近的控制应变、加载频率等试验条件，使测试试件每个循环过程与桥面铺装复合结构在常见车辆荷载作用下的受力状态基本一致，最大程度模拟了真实桥面铺装结构的形变状态。对进行一定疲劳循环次数的测试试件的防水黏结层的黏结强度进行测试，根据黏结性能下降程度，有效的评价防水黏结层的抗疲劳性能；同时还能根据桥面铺装结构的疲劳次数、劲度模量衰减变化趋势，分析寿命周期内各阶段的力学状态，更加合理有效的对混凝土桥面复合铺装结构的疲劳状态进行评价。
本发明测试试件成型及测试方法简单、可靠，贴近实际，所得结果科学、准确；采用试验室常备的沥青混合料四点疲劳试验夹具作为测试设备，无需另行设计制造新的测试设备，节省了测试成本。
附图说明
图1是车辆载荷下桥面结构发生形变示意图。
图2是成型切割后的测试试件。
图3是四点疲劳试验夹具示意图。
图4a、图4b是小梁试件发生弯曲变形的示意图。
图5是复合件拉拔试验示意图。
图6是对桥面铺装复合结构建立的有限元模型。
图7是各铺装层最大纵向拉应变随水平力系数的模拟计算情况。
图8是经疲劳作用后复合试件的抗拉拔强度变化情况。
图9是测试试件的疲劳性能测试结果。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明所述的防水黏结层及桥面铺装复合结构抗疲劳性能评价方法做更加详细的说明，以便于本领域技术人员的理解和应用。
实施例1 制备测试试件
利用400mm×300mm×80mm的车辙试模成型和实际桥面板材料相同的400mm×300mm×40mm混凝土板，按照要求养护完成后，涂抹水性环氧沥青、橡胶沥青、SBS改性沥青等不同的防水黏结层材料；然后在试模成型腔上部的空余部分加入规定质量的AC-20改性沥青混合料，并使用轮碾仪进行碾压；最后使用双刀片切割机垂直于宽度切割试件，最终形成如图2所示的约高度50mm、宽65mm、长380mm的混凝土101+防水黏结层102+沥青混合料103三层结构（与实际桥面铺装结构相同）的测试试件（简称SJ），其中混凝土101和沥青混合料103的厚度相同。
实施例2 确定测试设备
为降低测试成本，本发明评价方法采用的测试设备为试验室常备的沥青混合料四点疲劳试验夹具，其结构如图3所示：包括底座1，在底座1两侧固设有两组用于固定测试试件SJ的固定支杆2.1、2.2，固定支杆2.1、2.2上设置有夹紧组件，位于固定支杆2.1、2.2之间的测试试件SJ中部间隔设置有支撑杆3.1、3.2，支撑杆3.1、3.2上同样设置有夹紧组件，带有拉/压力传感器4和位移传感器5的振动机构通过轴承6.1、6.2固定在支撑杆3.1、3.2的顶部，振动机构的两个平衡支点7.1、7.2以及中间的位移传感器5的触点紧贴测试试件SJ的上表面；测试时，在动力电机（图中未画出）的带动下，主轴8以设定的加载频率和控制应变带动支撑杆3.1、3.2上下循环移动，测试试件SJ以设定频率和应变发生上下弯曲变形循环。
实施例3 对测试试件SJ进行抗疲劳性能评价
本发明的防水黏结层及桥面铺装复合结构抗疲劳性能评价方法包括下述步骤：
第一步，装入测试试件SJ
将实施例1制作完成的测试试件SJ装入实施例2的测试设备的夹口内，使混凝土面101在下，沥青混合料面103在上，利用固定支杆2.1、2.2上的夹紧组件将测试试件SJ夹紧，然后将测试设备的振动机构通过支撑杆3.1、3.2上的夹紧组件也固定在测试试件SJ上，如图3所示；
第二步，参数输入
在测试设备的“试件尺寸”界面输入测试试件SJ的长度L、宽度d和高度h；在“测试参数”界面输入测试的加载频率、控制应变和终止条件等；
室内模拟实验结果表明，实际道路上行驶的车辆车速变化范围很大，不同的行车速度对应路面结构不同的载荷作用时间，等效于载荷的加载频率不同，在30~100km/h的常见车速下，车速与加载频率如表1所示。
表1 不同车速对应加载频率
Figure 172741DEST_PATH_IMAGE001
基于有限元方法对桥面铺装结构应力进行响应分析，对桥面铺装复合结构建立有限元模型如图6所示，各铺装层最大纵向拉应变随水平力系数的变化情况如图7所示。沥青铺装下面层作为与防水黏结层直接接触的结构层，最大纵向拉应变随着水平力系数的增加而增大，不同水平力系数下，沥青铺装下面层在车辆荷载下产生的最大纵向拉应变在100~300με之间，应变控制根据模拟计算结果选取为100、200、300με。分别选择控制应变100、200、300με、加载频率5、10、15Hz等参数试验条件下，试件产生的变形→恢复循环过程，与桥面铺装复合结构在常见车辆荷载作用下的受力状态基本一致，能最大程度模拟桥面结构的变形状态。
第三步，启动试验
系统就绪情况下，点击“start”按钮，启动测试设备，主轴8以设定的加载频率和控制应变带动支撑杆3.1、3.2及振动机构上下循环移动，测试试件SJ以设定频率和应变发生上下弯曲变形循环，如图4a和图4b。拉/压力传感器4和位移传感器5记录测试试件的实时状态，并自动计算每个循环状态的劲度模量，寻找平衡状态，将第50次循环劲度模量作为初始模量。
第四步，防水黏结层抗疲劳性能试验
以循环次数2万次作为试验结束条件，进行疲劳性能试验后，将测试完毕的测试试件切割成宽65mm、长65mm的复合试件，进行防水黏结层黏结强度结果测试，分析疲劳测试前后黏结强度变化情况，评价防水黏结层抗疲劳性能。
黏结强度主要由复合件剪切和拉拔强度评价，其中剪切强度受层间摩擦影响，很难准确评价黏结强度变化结果，因此选用复合试件拉拔强度试验评价防水黏结层的黏结性能（如图5所示），并与未经疲劳测试的测试试件作对比，结果如图8所示：随着应变水平不断增加，受疲劳作用影响，不同防水黏结层的黏结强度均出现不同程度降低：水性环氧黏结强度迅速降低，作为防水黏结材料抗疲劳性能较差；橡胶沥青和SBS沥青黏结强度下降较缓慢。
第五步，桥面铺装结构疲劳寿命试验
在测试设备的夹口内重新放入新的测试试件，待检测试件SJ的劲度模量衰减到30%以后，检测试件SJ已完全无法作为一个整体来协同受力，沥青粘附性降低，防水黏结层性能下降。故而，将劲度模量丧失到30%作为铺装结构疲劳寿命结束条件。
根据拉/压力传感器4和位移传感器5的实时监测数据，记录下每个循环状态的劲度模量，完整分析铺装结构整个疲劳周期内劲度模量变化情况。被检测试件发生疲劳破坏，或应力衰减到设定终止条件时，停止加载，计算机自动记录试验加载循环次数，及弯曲劲度模量变化趋势等，如图9所示，当复合试件劲度模量降低至30%时，不同防水黏结层材料的疲劳寿命具有显著差异：
橡胶沥青复合试件疲劳寿命接近8万次，并且劲度模量衰减较均匀。水性环氧沥青结构在应用初期能保持较低的疲劳衰减速度，衰减超过50%以后，开始迅速下降。SBS沥青结构劲度模量在稳定以后开始稳定下降，疲劳寿命在4万次以上。通过上述试验，得到最终的评价结论是：橡胶沥青和SBS沥青作为防水黏结层的桥面铺装复合结构具有较高的抗疲劳性能。
针对混凝土桥面铺装结构的种类、材料不同，不同应变水平，经历相同循环疲劳次数，防水黏结层的黏结性能下降程度也不同，导致防水黏结层抗疲劳性能有巨大差异。根据试件循环次数、劲度模量衰减变化趋势综合评价混凝土桥面铺装结构的疲劳寿命。通过防水黏结层抗疲劳性能和桥面铺装结构疲劳寿命两方面评价桥面铺装复合结构的抗疲劳性能。
采用本发明的评价方法，可以对设计的混凝土桥面铺装结构，特别是其中的防水黏结层的黏结性能进行定量评价，为桥面铺装结构的设计和施工提供了真实有效的参考。

Claims (6)

1.一种防水黏结层及桥面铺装复合结构抗疲劳性能评价方法，其特征在于：使用沥青混合料四点疲劳试验夹具作为测试设备，其具体步骤如下：
第一步，制作多个混凝土＋防水黏结层＋沥青混合料的三层结构测试试件；
第二步，将测试试件分为两批；首先将第一批测试试件装入测试设备的夹口内并夹紧；
第三步，在测试设备的“试件尺寸”界面输入测试试件的长度L、宽度d和高度h；在“测试参数”界面分别输入不同的测试控制应变、加载频率和终止条件；
第四步，启动测试设备，对测试试件进行加载，拉/压力传感器和位移传感器实时记录试件状态，并自动计算每个循环状态的劲度模量，将第50次循环劲度模量作为初始模量；
第五步，待第一批被检测试件进行一定次数的循环加载后，将测试试件切割成宽65mm、长65mm的拉拔试件，进行防水黏结层的黏结强度测试，并与未经疲劳测试的测试试件作对比，用循环加载后黏结强度下降情况评价防水黏结层的抗疲劳性能；
第六步，将第二批测试试件装入测试设备的夹口内并夹紧，依照第三、第四步的方法，待被检测试件发生疲劳破坏，或劲度模量衰减到一定比例时，停止加载，计算机自动记录试验加载次数，以及每次加载过程中的载荷、弯曲劲度模量变化情况；利用第二批试件的加载次数、弯曲劲度模量变化情况评价桥面铺装结构的疲劳寿命。
2.根据权利要求1所述的防水黏结层及桥面铺装复合结构抗疲劳性能评价方法，其特征在于：所述测试试件高h=50mm，宽d=65mm，长L=380mm，成品测试试件的三层结构与实际桥面铺装复合结构相同，自下而上依次为混凝土板、防水黏结层和沥青混合料面层，其中混凝土和沥青混合料的厚度相同。
3.根据权利要求1所述的防水黏结层及桥面铺装复合结构抗疲劳性能评价方法，其特征在于：第三步输入的控制应变选定为100、200、300με，加载频率分别设定为5、10、15Hz，使测试试件的变形→恢复循环过程与桥面铺装复合结构在常见车辆荷载作用下的受力状态基本一致。
4.根据权利要求1所述的防水黏结层及桥面铺装复合结构抗疲劳性能评价方法，其特征在于：第五步中选择2万次循环加载后进行防水黏结层的拉拔强度试验。
5.根据权利要求1所述的防水黏结层及桥面铺装复合结构抗疲劳性能评价方法，其特征在于：第六步中，劲度模量丧失到30%作为桥面铺装结构疲劳寿命丧失的结束条件。
6.根据权利要求1所述的防水黏结层及桥面铺装复合结构抗疲劳性能评价方法，其特征在于：第六步中，计算机除自动记录试验加载次数外，还要采用位移传感器和拉/压力传感器记录测试试件每个循环过程的实时状态，用以完整分析铺装结构整个寿命周期内各阶段力学状态。
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