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基于疲劳特性的环氧沥青混合料设计研究

作　者: 薛连旭
导　师: 张肖宁
学　校: 华南理工大学
专　业: 结构工程
关键词: 钢桥面铺装 环氧沥青 粘弹特性 冲击韧性 疲劳
分类号: U414
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


环氧沥青是将环氧树脂加入沥青中,经与固化剂发生硬化反应,形成不可逆的固化物,这种固化物从根本上改变了普通沥青和其他热塑性的改性沥青的热塑性质。由于其良好的路用性能,已经在大跨径桥梁,特别是钢箱梁桥桥面铺装中得到了广泛的应用。我国对环氧沥青混凝土钢箱梁桥桥面铺装的研究与应用时间起步较晚,对于环氧沥青的研究除生产商规定的一些技术指标外,多关注环氧沥青的粘温曲线。对环氧沥青的流变学特性则研究较少;对于环氧沥青混合料的配合比设计以马歇尔试验为主,最佳油石比的确定一般由体积指标最终控制,即多以满足目标空隙率要求的油石比作为最佳油石比;对铺装层疲劳开裂的机理、部位、发展规律有比较一致的认识,但对于环氧沥青混合料的疲劳特性、疲劳方程研究不够深入,特别是对于影响混合料疲劳性能的油石比、级配等因素缺乏系统的研究。本文在现有研究的基础上,通过技术调研、理论分析、室内试验相结合的方式,对环氧沥青混凝土在大跨径钢桥面铺装的应用进行了以下几个方面的研究:国内目前对环氧沥青和环氧沥青混合料的的研究主要集中在其低温疲劳、高温稳定性、马歇尔指标等路用性能方面,对其粘弹特性的研究则较少。本文应用动态粘弹力学的理论和方法,对环氧沥青进行了不同应力、应变、温度和时间条件下的流变学性能试验研究。试验结果表明,与普通改性沥青相比,其蠕变柔量小约4个数量级;复数模量随频率降低(温度升高)而降低并与贮存模量共同趋于定值,而在高频(低温)条件下则显示出一定的粘性特征;各项粘弹性参数远远大于改性沥青和普通沥青,具有很好的抵抗流动变形能力。分别对环氧沥青混凝土的主要力学参数模量和强度进行了试验、分析和讨论。动态弯曲模量由于其试验加载方式和铺装层实际受力状态基本一致,而且测试方式模拟了荷载作用下材料应力和应变的实际过程,相对而言更适合作为桥面铺装力学分析时的模量。对于常温下的环氧沥青混凝土铺装,其力学分析计算的模量值变化幅度应为500～15000Mpa。从安全取值、破坏模式的一致性考虑,推荐采用15℃弯拉破坏最大拉应变εB作为其极限拉应变。通过频率扫描的方法得到环氧沥青混合料的40℃主曲线,其形状与普通沥青混合料同样近似呈“S”型,但环氧沥青混合料主曲线跨越的数量级要比普通沥青混合料窄,说明环氧沥青混合料的松弛范围相对较小,粘弹区间窄。通过有限元计算,分析了大跨径钢桥钢桥面铺装的受力特点和使用技术要求,研究了桥面系统各项参数对铺装层的敏感性。通过对钢桥面铺装层间剪应力分析,铺装层模量在500~15000MPa时,铺装层与桥面板间粘结层剪应力在0.5~1.6MPa之间,环氧沥青无论在高温还是常温下均可满足粘结层抗剪强度的要求,应为铺装粘结层的首选材料。对铺装层模量分析表明,铺装层模量变化对铺装层横向应变影响并不成线性关系,铺装层模量从500MPa增加5000MPa,铺装层横向应变水平显著降低;当铺装层模量增加到5000~6000MPa后,铺装层模量对铺装层横向应变得影响水平已经不显著,较为典型的环氧沥青混凝土钢桥面铺装结构其表面最大拉应变约为300～400με。这个应变水平在重复车辆荷载反复作用下会发生疲劳破坏。因此,必须通过混合料的设计来解决环氧沥青混凝土的疲劳耐久性问题。桥面板厚度对铺装层顶面的影响比加劲肋的厚度影响显著,应进行桥面板厚度、加劲肋厚度的经济和技术两方面比较优化的组合设计。依据断裂力学理论与能量原理,提出用冲击韧性(冲击荷载作用下的荷重-位移曲线下的面积),作为评价环氧沥青混合料疲劳性能的指标。冲击韧性值越大,疲劳性能越强;通过用矿料主骨料空隙体积填充法进行了环氧沥青混合料配合比设计,并在控制混合料体积指标的情况下,改变混合料沥青用量,从而考察混合料在各种油石比条件下的冲击韧性及疲劳性能。研究发现冲击韧性与表征材料疲劳性能的指标疲劳剩余模量基本成线性关系,且相关性非常好。环氧沥青混合料的冲击韧性可以作为评价疲劳性能的指标。在冲击荷载作用下小梁三点弯曲试验可以作为评价混合料疲劳性能的试验方法。

全文目录


摘要  5-7
ABSTRACT  7-14
第一章 综述  14-24
  1.1 研究背景  14-17
  1.2 国内外大跨径钢桥面铺装应用现状  17-21
    1.2.1 浇注式沥青混凝土铺装  17-18
    1.2.2 SMA 铺装  18-19
    1.2.3 环氧沥青混凝土铺装  19-21
  1.3 国内外环氧沥青钢桥面铺装研究的进展和存在的不足  21-22
  1.4 研究思路  22-23
  1.5 本文研究内容以及主要研究技术路线  23-24
第二章 环氧沥青力学特性试验研究  24-36
  2.1 试验材料与方法  24-25
    2.1.1 环氧沥青材料的制备  24
    2.1.2 试验方法  24-25
    2.1.3 试验内容  25
  2.2 试验结果分析  25-32
    2.2.1 粘度  27-28
    2.2.2 蠕变试验  28-31
    2.2.3 主曲线  31-32
  2.3 粘弹性参数分析  32-33
  2.4 环氧沥青的微观结构  33-35
  2.5 本章小结  35-36
第三章 环氧沥青混合料力学参数研究  36-48
  3.1 环氧沥青混合料不同试验方法模量的比较分析  37-42
    3.1.1 抗压回弹模量  38-39
    3.1.2 动态剪切劲度模量  39-40
    3.1.3 劈裂劲度模量  40
    3.1.4 静态弯拉劲度模量  40-41
    3.1.5 动态弯曲劲度模量  41-42
  3.2 关于环氧沥青混合料的强度  42-43
  3.3 环氧沥青混合料粘弹性能研究  43-46
    3.3.1 试验材料及参数  43
    3.3.2 试验过程  43-44
    3.3.3 试验结果及分析  44-45
    3.3.4 环氧沥青混合料主曲线  45-46
  3.4 本章小结  46-48
第四章 钢桥面铺装力学分析研究  48-79
  4.1 整桥结构变形作用下桥面铺装受力分析  49-53
    4.1.1 主梁挠度分析  51
    4.1.2 主梁桥面板应变分析  51-52
    4.1.3 整桥桥面板应变分析小结  52-53
  4.2 桥面铺装局部受力分析  53-59
    4.2.1 桥面铺装应变分析的子模型法  53-55
    4.2.2 桥面铺装粘结层剪应力分析  55-59
    4.2.3 桥面铺装层间剪应力分析小结  59
  4.3 钢桥面铺装层内力分析  59-73
    4.3.1 研究内容  59-60
    4.3.2 建立有限元计算模型  60-61
    4.3.3 铺装层应变有限元计算分析  61-73
  4.4 正交异性桥面板结构对桥面铺装的受力影响分析  73-77
    4.4.1 钢桥面铺装结构体系参数  73-74
    4.4.2 钢桥面顶板、加劲肋厚度敏感性分析  74-77
  4.5 本章小结  77-79
第五章 环氧沥青混合料的冲击韧性研究  79-96
  5.1 冲击韧性  80-82
  5.2 研究思路  82-83
  5.3 体积填充法进行配合比设计  83-87
    5.3.1 矿料级配  83-84
    5.3.2 试验材料与试验方法  84-85
    5.3.3 配合比计算  85-86
    5.3.4 马歇尔试验  86-87
  5.4 冲击韧性试验及结果分析  87-94
    5.4.1 试件的制备  87-88
    5.4.2 试验仪器  88
    5.4.3 试验程序  88-89
    5.4.4 数据处理  89
    5.4.5 试验方案  89-90
    5.4.6 冲击韧性试验结果分析  90-94
  5.5 本章小结  94-96
第六章 环氧沥青混合料疲劳特性及路用性能研究  96-110
  6.1 环氧沥青疲劳性能试验研究  96-103
    6.1.1 疲劳性能试验方法与参数设计  96-101
    6.1.2 试验步骤  101-102
    6.1.3 疲劳试验结果  102-103
  6.2 冲击韧性与疲劳性能之间的关系  103-104
  6.3 环氧沥青混合料路用性能研究  104-108
    6.3.1 马歇尔稳定度  104-105
    6.3.2 高温稳定性  105-106
    6.3.3 低温抗裂性  106-108
  6.4 本章小结  108-110
第七章 工程应用  110-117
  7.1 工程背景  110
  7.2 虎门大桥钢桥面铺装病害原因及特点分析  110-111
    7.2.1 病害原因分析  110-111
    7.2.2 病害特点分析  111
  7.3 维修方案及材料选择研究  111-113
    7.3.1 维修方案研究  111
    7.3.2 材料比选研究  111-113
    7.3.3 铺装层结构方案  113
  7.4 维修方案实施  113-115
    7.4.1 原材料及配合比设计  113-114
    7.4.2 施工控制要点  114-115
  7.5 虎门大桥钢桥面TAF 铺装性能表现  115-116
  7.6 本章小结  116-117
结论与展望  117-120
参考文献  120-125
攻读博士学位期间取得的研究成果  125-126
致谢  126

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