1、Mechanical properties of a waterproofing adhesive layer used on concrete bridges under heavy traffic and temperature loading英文文檔可以去下載pdf版，此為翻譯內(nèi)容：在交通擁擠和溫度荷載下的混凝土橋梁上使用的防水粘接層的力學(xué)性能前言：基于在上海滬杭高速公路拓寬改造工程由混凝土箱梁橋收集的數(shù)據(jù)，在實驗室測試中，利用現(xiàn)場溫度監(jiān)控和有限元法共同進行研究了用于混凝土橋甲板和柏油混合物路面之間的防水粘合層（WAL）的粘合行為。首先，對苯乙烯 - 丁二烯 - 苯乙烯（SBS）改性的瀝

2、青，SBS改性乳化瀝青，橡膠瀝青，和FYT-1橋防水涂料這些分別用作防水粘合層的材料進行了剪切強度和拉伸強度測試并相較。然后，用傳感器監(jiān)測路面的溫度。最后，對橋的有限元模型的開發(fā)是為了分析在車輛和溫度負載影響下界面的剪切應(yīng)力和拉伸應(yīng)力。結(jié)果表明，SBS改性瀝青和橡膠瀝青SAMI可以被認為是防水粘合層的材料。當荷載移動在四分之一跨度的路面上方時最大拉應(yīng)力出現(xiàn)，而當載荷移動在跨度中央的路面上方時最大剪應(yīng)力出現(xiàn)。隨著環(huán)境溫度升高，安全系數(shù)（強度/應(yīng)力）顯著降低。對環(huán)境溫度、WAL材料的噴涂量和粘結(jié)點的表面粗糙度的影響進行了研究并分別計算路面和WAL厚度，接口摩擦的影響。1.介紹：在運輸行業(yè)，瀝青混合

3、料路面通常用作混凝土橋面的磨損層。當剪切應(yīng)力或正常的拉伸應(yīng)力超過界面剪切強度或拉斷強度時，將會發(fā)生路面剝離。為了防止這種問題，可以在橋面和瀝青混合物路面的層間放置一個防水粘合層（WAL）防止水的滲透和提高界面密合性。為了評估WALS的工程特性，分別在實驗室和現(xiàn)場測試進行了研究，其中包括由美國國家高速公路合作研究計劃（NCHRP）所進行的那些在美國的研究1，2。測試WALS工程特性包括抗張強度，耐用性，韌性，彈性，防水抗?jié)B，抗穿刺性，溫性等等。在英國，為了評估在現(xiàn)場施工的材料性能和維修技術(shù)的實驗室測試方法進行了全面的考察3-5。在丹麥，丹麥公路研究所提出了WAL對混凝土橋梁的重要性和技術(shù)要求6。

4、在中國，則討論了溫度、剪切速度和不同的層間界面和表面紋理深度上的接口粘結(jié)WAL后對混凝土橋梁的強度的影響7-9。然而，評估WALS的好處的主要性能標準是界面的粘合強度。由于施加在橋和作為夾層的WALS膜結(jié)構(gòu)的復(fù)雜的多態(tài)負載條件，去有效衡量在WAL和橋面或路面之間的剪切和正常拉伸應(yīng)力是非常困難的。因此，通過數(shù)據(jù)模擬捕獲這些臨界應(yīng)力將是非常有意義的。在中國，也有一些研究致力于結(jié)構(gòu)建模和應(yīng)力分析10-12。使用和不使用WAL的混凝土橋梁的有限元模型被建立用來計算WAL的應(yīng)力狀態(tài)。通過荷載，路面厚度和彈性模量，界面摩擦的影響對WAL的力學(xué)響應(yīng)進行了分析。溫度梯度，即由路面的深度不同造成的溫度變化，導(dǎo)致

5、產(chǎn)生了溫度應(yīng)力。到目前為止，WALS的力學(xué)響應(yīng)受到路面溫度梯度的影響很少受到人們重視。因此，研究這些關(guān)鍵因素對WALS的力學(xué)性能的影響被認為是為了設(shè)計出更可靠的材料和結(jié)構(gòu)所必不可少的。因此，本文旨在介紹WALS用于混凝土橋面上時的膠粘性能。測試四種不同的材料，研究在三種不同的環(huán)境溫度下的WAL的剪切強度和拉伸強度，并且其中的一個將被推薦。WAL的數(shù)量和表面粗糙度（SR）對WAL粘結(jié)性能的影響被研究。通過現(xiàn)場監(jiān)測和有限元（FE）建模技術(shù)，在考慮溫度梯度情況下對WAL的力學(xué)響應(yīng)進行了研究，并分析了路面厚度、界面摩擦和WAL厚度對WAL的應(yīng)力狀態(tài)的影響。根據(jù)研究結(jié)果，WAL的材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計還需討論。

6、2.實驗計劃：2.1結(jié)構(gòu)和材料的說明以中國的上海滬杭高速公路簡支預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋拓寬改造工程作為工程背景。每隔30米的標準跨度的橋上有一個九芯截面。反式節(jié)膜片位于兩個每個跨度的結(jié)束支撐件之間。研究的路面結(jié)構(gòu)由一個8厘米厚的放置在箱梁上鋼筋混凝土橋面、3毫米厚的粘結(jié)到橋面的WAL和一個10厘米厚的置于WAL上方的石基質(zhì)瀝青（SMA）路面構(gòu)成，如圖1。在這項研究中，苯乙烯 - 丁二烯 - 苯乙烯（SBS）改性瀝青，SBS改性乳化瀝青，橡膠瀝青，和FYT-1橋防水涂料被選擇作為防水粘合層的替代材料。SBS改性瀝青是通過改性瀝青與SBS而被發(fā)現(xiàn)，SBS改性乳化瀝青則是通過改性乳化瀝青與SBS而被生產(chǎn)

7、。橡膠瀝青是由普通瀝青和“膠粉”均勻混合而成。二手輪胎是由分離外殼，面料和鋼結(jié)構(gòu)加工。FYT-1橋面防水涂料是由作為基體的優(yōu)質(zhì)瀝青，乳劑，和經(jīng)過各種特殊的高分子材料改性的水性涂料組成。實驗室試驗，包括直接剪切和拉斷試驗，這些試驗的進行是用來測量用于混凝土橋面上的WALS的界面粘合力。實驗室試驗溫度選擇的是通過監(jiān)測到的空氣溫度，如3,27和40。2.2斜剪試驗斜剪切試驗的目的是利用萬能試驗機（UTM）確定界面剪切強度13，如圖2所示。在該試驗中，分別制備了兩個70毫米（寬度）、50毫米（長度）和50毫米（高）的混凝土板和瀝青混合物板。WAL材料被加熱并附著到PCC板的頂部。同樣地，所制備的瀝青混

8、合料板也被加熱，然后壓緊到WAL上。因此，瀝青混合物板固定在鋼箱中，并在其中一個的頂部施加壓縮力，一個在側(cè)邊施加剪切力。施加以50mm / min的剪切速率10。 圖 1.路面上的混凝土橋圖2.斜剪強度測試圖3.拉伸強度測試 2.3 拉伸試驗 拉伸試驗的目的是為了確定界面的拉伸強度，如圖3所示。試驗樣品包括一個混凝土圓柱體和瀝青混合料圓柱體，其直徑為100毫米，高度為80mm。在混凝土和瀝青混合物圓柱體粘接一個帶有WAL的中間層，用剪切強度測試中說明了的同樣的方法。施加以100-200 N / S的拉伸速率14。 2.4試驗結(jié)果2.4.1環(huán)境溫度的影響為討論界面剪切強度和拉伸強度受環(huán)境溫度的影

9、響。將上述四種材料以1.0升/平方米的噴灑量噴灑于橋面表面上，并保持單一變量。試驗結(jié)果表明，環(huán)境溫度對剪切強度有顯著影響。如表1所示，剪切強度明顯隨著環(huán)境溫度的升高而降低。例如，當SBS改性瀝青的溫度從3升高到40時，剪切強度降低90.74。這種趨勢在其他三種材料的試驗中也觀察到了。瀝青是一種粘彈性材料，它的力學(xué)性能是取決于溫度；因此隨著溫度的升高，瀝青的剪切模量降低。其結(jié)果是，界面剪切強度降低。另外，還發(fā)現(xiàn)，環(huán)境的溫度對抗張強度也有明顯的影響。如表2所示，拉伸強度隨環(huán)境溫度的升高而急劇下降。（即SBS改性瀝青的環(huán)境溫度從3升高到40時，拉伸應(yīng)力減小85.71%）。這種趨勢與其他的WAL材料的

10、結(jié)果一致。這個結(jié)果是由于瀝青材料的粘彈性質(zhì)如前所述。在溫度相同的條件下，根據(jù)本剪切試驗的結(jié)果，SBS的剪切強度改性瀝青和橡膠瀝青幾乎相同，并明顯高于SBS改性乳化瀝青和FYT防水涂料。從表2中可以看出四種不同材料的拉伸強度之間沒有明顯的差異。SBS改性瀝青和橡膠瀝青可推薦用于防水粘合層材料，并且SBS改性瀝青被選作在以下的試驗分析中使用。 表1 表二 2.4.2 WAL材料的量的影響討論噴涂WAL數(shù)量對界面剪切強度的影響，噴在橋面表面的SBS改性瀝青噴灑量分別為0.8，1.0，1.3，1.5，和1.7 L / M2，并保持單一變量。斜剪試驗在27下進行。從圖4中可以看出，存在一個最佳噴涂量。界

11、面剪切強度隨WAL材料的噴涂量的增大而先增大后減小。它表明，當噴灑量為1.3 L/m2時，剪切強度達到最大值。 2.4.3 橋面SR（表面粗糙度）的影響為了研究WAL和橋面之間的界面粘結(jié)表面粗糙度的影響，粗糙化技術(shù)被用來改變橋面的表面。以1.3L/m2的噴灑量的SBS改性瀝青用于WAL，在270下歪斜剪切試驗的結(jié)果如圖5所示。實驗發(fā)現(xiàn)，存在一個合適的表面粗糙度。隨著SR的增大，由于改進后的聯(lián)鎖效應(yīng)，界面剪切強度也增大；然而，當橋面表面過于粗糙，瀝青膜不能有效地滲透到橋面的深槽；結(jié)果便是WAL和橋面表面之間的實際接觸面積減少，在其中的界面剪切強度下降。因此，有必要設(shè)計一個適當?shù)腟R，以實現(xiàn)高的粘

12、合強度。圖4 WAL材料在不同噴涂量下的剪切強度。圖5 不同表面粗糙度的剪切強度3.溫度監(jiān)控瀝青混合料是一種熱敏性路面材料且具有相對低的拉伸強度。監(jiān)測的目的是研究WAL的力學(xué)性能受路面溫度應(yīng)力的影響。TES電氣電子公司的TP-KO1型表面熱電偶和TES1310數(shù)字溫度計被用來監(jiān)視和讀取路面的溫度。首先，進行路面取心和鉆孔。然后，將熱電偶附著到不同深度路面樣品的孔內(nèi)。熱電偶的位置如圖6所示。監(jiān)測點5位于路面的底部，這可以被視為WAL的溫度的代表。在冬季（11月）和夏季（8月）的幾天中，不同深度路面的溫度每隔一小時被記錄。在11月17日和8月3日時的不同深度的路面溫度變化如圖7所示。監(jiān)測結(jié)果表明，

13、在11月17日，路面的溫度在快到中午的時候達到高峰，在8月3日，路面溫度的峰值出現(xiàn)在深入路面1.5厘米的下午。路面溫度通常比空氣溫度高。圖6 路面上的溫度傳感器的監(jiān)測點圖7 路面溫度分布：（a）11月17日; （b）8月3日4. 有限元建模4.1.分析方法 路面和WAL的熱應(yīng)變由下式給出 其中，是熱膨脹系數(shù)（1 /= C），0是初始溫度，是穩(wěn)定溫度或瞬時溫度?？梢酝ㄟ^基于i插值來獲得;這可以通過熱分析得到。該方程可以表示如下：考慮熱應(yīng)變，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系可以如下確定：由于材料的特性取決于基準溫度，我們將考慮一個軸對稱的彈性層狀半空間問題。在圓柱形坐標系中的均衡方程是15：考慮彈性模量時，泊松比和

14、熱膨脹系數(shù)是溫度的函數(shù)，應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系可以寫成：在方程（4）和（5）中，u，w分別為水平和垂直位移，z則分別是，z方向上的應(yīng)力和zr是剪切應(yīng)力。 其中，E（）是彈性模量，U（）是泊松比，（）是熱膨脹系數(shù)。下面的等式可以通過應(yīng)用公式來獲得。（3）為虛位移原理的計算公式：用于解決熱應(yīng)力的問題最小電勢的原理的函數(shù)方程可以由下獲得：通過應(yīng)用最小勢能的原理，有限元法求解下面的公式：包括溫度荷載矢量的P可被表示如下：其中PZO為可通過公式計算出的的荷載項，Pf為主要由交通繁忙引起的其他荷載項。4.2.模型結(jié)構(gòu)自動動態(tài)增量非線性分析（ADINA）方案被用于建立一個全規(guī)模，三維，有限元模型（3D-FE）來模

15、擬橋梁，如圖8所示。8節(jié)點實體單元（3D SOLID）用于模擬鋼筋混凝土橋面、混凝土箱梁和SMA路面。四節(jié)點膜元件（SHELL）被用來WAL的建模。在有限元模型中，假設(shè)該項目剛剛完成時，WAL和橋面之間的接口被認為是完全粘合的。在箱梁與橋墩連接的底部節(jié)點被固定在有限元模型中。圖8 混凝土梁橋上路面系統(tǒng)的有限元模型 Table 3 路面的計算參數(shù) 4.3.材料模型混凝土是一種脆性材料，并且以小到?jīng)]有達到其最大強度的彈性應(yīng)力方式承受力的作用。假設(shè)C40鋼筋混凝土和C50混凝土為線性彈性模型。WAL在被破壞前主要表現(xiàn)為彈性行為16。因此，WAL在有限元模型中被假定為彈性材料。所確定的材料參數(shù)列于表3

16、16-18。瀝青混合物是粘彈性塑料材料，其力學(xué)性能非常依賴于時間和溫度。在一般情況下，當它受到一個小的應(yīng)變時，瀝青混合料沒有顯示出明顯劣化的線性粘彈性性能。Witczak模型19是用來預(yù)測MA路面隨溫度變化的動態(tài)模量。圖9給出了SMA路面在11月17日和8月3日的動態(tài)模量。 圖9 動態(tài)模量：（a）11月17日; （b）8月3日4.4.荷載模型由于應(yīng)力集中，主要是因為車輪荷載，根據(jù)通用的公路橋涵設(shè)計規(guī)范（JTG D60-2004）18，雙矩形均勻分布壓力用于模擬有限元模型中一級公路負荷的單后橋，如圖10和11所示。在中國，標準輪胎 - 地面接觸壓力的值是0.707兆帕20。路面負載的接觸區(qū)域通過

17、由兩個有10cm的空間的矩形對兩個輪胎進行了模擬，并且每個矩形具有20厘米（寬），23厘米（長）的尺寸，如圖11所示21-23。輪胎路面摩擦系數(shù)可以在車輛加速或制動時達到0.524。為了產(chǎn)生輪胎摩擦力，卡車被假定為突然制動，這會導(dǎo)致在瀝青路面的表面上施加額外的明確的力。為了證明流量負載位置對路面應(yīng)力的影響，輪胎接觸區(qū)域的橫向和縱向載荷位置如圖12所示。在有限元模型中，為了確定最不利的載荷位置，車輪載荷在不同的橋的位置縱向和橫向移動。圖10 I級公路負荷的布局：（a）側(cè)視圖；（b）規(guī)劃表圖11 單后橋的均布荷載面積圖12 負載位置：（a）橫向負載的位置;（b）縱向載荷位置4.5.計算結(jié)果模擬結(jié)果

18、表明，WAL的最大拉伸應(yīng)力發(fā)生在橫向載荷位置3和縱向載荷位置b處。 同時，最大界面剪切應(yīng)力出現(xiàn)在橫向負載位置1和縱向載荷位置a處。在圖13中，橫軸的“1，2，3，4”表示橫向載荷位置和標記有“a，b，c”的數(shù)據(jù)表示縱向載荷位置。為了獲得機械指數(shù)，在有限元分析中，交通負載和溫度負載一整天都被施加在路面結(jié)構(gòu)上。1月17日和8月3日的最大拉伸和剪切應(yīng)力1如圖14所示。因為8月3日溫度的變化率大于11月17日的，所以8月3日的WAL的剪切力和拉伸應(yīng)力大于11月17日的，如圖14所示。根據(jù)圖13可知，在只考慮車輛荷載情況下，WAL的最大剪應(yīng)力和拉應(yīng)力分別為0.13和0.04兆帕。從圖14中可以看出，在考

19、慮車輛荷載和溫度梯度情況下，WAL的最大剪應(yīng)力和拉應(yīng)力分別為0.32和0.21兆帕。溫度梯度被考慮到所計算的應(yīng)力中時，最大剪應(yīng)力增加了146，最大拉伸應(yīng)力減小了425。因此，溫度梯度的影響不能在路面設(shè)計時被忽略。圖13 WAL在不同的裝載位置的力學(xué)響應(yīng)峰值：（a）拉應(yīng)力;（b）剪切應(yīng)力圖14 一整天中WALL的力學(xué)響應(yīng)峰值：（a）拉應(yīng)力;（b）剪切應(yīng)力 4.6.影響因素分析在27的環(huán)境溫度下，路面厚度、路面和甲板之間的界面摩擦、WAL的厚度對WAL的力學(xué)響應(yīng)的影響被分析。測試強度與計算出的應(yīng)力進行了比較，并在不同的環(huán)境溫度下對測試強度至FE的最大應(yīng)力的比率進行了分析。4.6.1.路面厚度的影響

20、結(jié)果表明，路面厚度對最大剪切應(yīng)力和最大拉伸應(yīng)力都有一個顯著的影響。隨著路面厚度的增加，最大剪切應(yīng)力和最大抗拉應(yīng)力顯著減小，并且減少率逐漸下降，如圖15所示。此外，路面厚度的影響對最大剪切應(yīng)力比最大拉伸應(yīng)力更加明顯;例如，當路面厚度從4厘米增加到20厘米時，最大剪應(yīng)力降低了60.47，而最大拉伸應(yīng)力則降低了21.05。此結(jié)果解釋如下：施加在路面車輛輪胎摩擦力是界面剪切應(yīng)力首要原因，并且對其上界面剪切應(yīng)力的影響隨著路面厚度的增加而減少。然而，通過增加路面厚度從而減少剪切應(yīng)力的效果將逐漸下降，直到增加到14厘米后達到最小或可忽略。因此，考慮到工程成本和施加在橋主梁路面結(jié)構(gòu)的附加重量負載，不建議設(shè)計一

21、種路面厚度比14厘米更高的混凝土橋。圖15 界面應(yīng)力-路面厚度 4.6.2.界面摩擦的影響在一般情況下，WAL和路面之間的界面粘結(jié)比WAL和橋面之間的更強。因此，在有限元模型中，如果WAL和橋面之間的界面發(fā)生脫粘，則該界面被視為摩擦接觸面。然而，WAL和路面之間的接口被認為完全粘合。非線性的表面對表面接觸模型被用來模擬WAL和橋面的摩擦接觸面。有限元建模的結(jié)果表明，最大剪應(yīng)力隨著界面的摩擦系數(shù)增大而增大，并且達到在完全接合狀態(tài)中的最大值。然而，最大剪切應(yīng)力的增加速率持續(xù)下降，并且當摩擦系數(shù)達到0.5的值時，最大剪切應(yīng)力值幾乎是一個常數(shù)，如圖16所示。圖16 界面剪切應(yīng)力 - 摩擦系數(shù) 4.6.

22、3.WAL厚度的影響結(jié)果表明，WAL的厚度對最大剪應(yīng)力有一個顯著的影響。隨著WAL厚度的增加，最大剪切應(yīng)力顯著降低，如圖17所示。當WAL厚度從0.5增加至8mm時，最大剪應(yīng)力降低了29.58。這個結(jié)果可作如下解釋：較厚的WAL可以改進WAL和橋面之間的剪切應(yīng)力狀態(tài)。然而，由于WAL厚度關(guān)系到WAL材料的量，所以界面剪切強度隨WAL厚度的增加而先增大后減小。為了得到更安全的結(jié)構(gòu)，確定最佳WAL厚度是有必要的。 4.6.4.環(huán)境溫度對安全系數(shù)的影響人們普遍認為一個更安全的結(jié)構(gòu)應(yīng)該有較高的強度和較低的應(yīng)力，這個試驗剪切強度和FE中的最大剪切應(yīng)力之比而得到的安全系數(shù)可被用作來評估WAL安全性的指標。

23、為了研究這個屬性，我們對三種環(huán)境溫度下的安全系數(shù)進行了計算，如圖18所示。對SBS改性瀝青而言，安全系數(shù)隨著環(huán)境溫度的增加而急劇減小，這表明，界面在較高溫度下的破壞概率比在較低溫度下的概率要高得多。 5.結(jié)論本文對用于在流量和溫度荷載下的混凝土橋梁上的WAL的粘合行為進行了研究。剪切和拉伸強度被測試以驗證有限元分析。從測試和建模的結(jié)果得出以下結(jié)論：隨著環(huán)境溫度的升高，界面剪切強度和拉伸強度都顯著下降。由于剪切/拉伸強度可滿足有限元分析結(jié)果設(shè)計的要求，SBS改性瀝青和橡膠瀝青 SAMI被推薦用于混凝土橋梁防水粘結(jié)層材料。界面剪切強度隨著WAL材料噴涂數(shù)量的增大而先增大后減小，并且最佳的噴灑量為

24、1.3 L / M2。界面剪切強度隨橋面的SR的增大而先升高后降低，并且有必要設(shè)計一個適當?shù)腟R，以實現(xiàn)高的粘合強度。當載荷移動路面上方的四分之一跨度時，最大拉應(yīng)力的出現(xiàn)，并且單后橋在橫向方向的梯形框的一端的上方。當荷載移動到路面上方的中央跨度時，最大剪應(yīng)力的出現(xiàn)，并且單后橋在橫向方向的濕接縫上。增加路面和WAL的厚度顯著降低了界面剪切和拉伸應(yīng)力。安全系數(shù)（強度/應(yīng)力）隨環(huán)境溫度的升高而降低，這表明在較高溫度下，界面破壞具有高得多的機會發(fā)生。因此，提高在高溫下的WAL的粘附強度，會成為設(shè)計材料和結(jié)構(gòu)的主要目標之一。致謝該工作由中國國家自然科學(xué)基金（NO.51108157）、中國博士后科學(xué)基金會

25、支持（NO.20110491342）和江蘇規(guī)劃項目的博士后研究基金提供資金支持（NO.1101018C）。參考1 Van Til CJ, Carr BJ, Vallerga BA. Waterproof membranes for protection of concrete bridge decks-laboratory phase. NCHRP Report 165. Washington, DC:National Research Council; 1976.2 Manning DG. Waterproofing membranes for concrete bridge decks.

26、Washington, DC: National Academy Press; 1995.3 Price AR. Laboratory tests on waterproofing systems far concrete bridge decks Report 248. Crowthorne. United Kingdom: TRL: 1990.4 Price AR. Waterproofing of concrete bridge decks: site practice and failures.Report 317. Crowthorne, United Kingdom: TRL; 7

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28、mance of concrete bridge deck pavement. Journal of Changan University (Natural Science Edition) 2009;29:17-20.8 Wang YL, Zhou YL, Yao AL, Zhang YL. Test of shear and pull-off between asphalt and concrete on bridge deck pavement structure. Journal of Changan University (Natural Science Edition) 2009;

29、29:15-8.9 Zhu HW, Xiang q Influence factors analysis for shear characteristics of bridge deck interlayer. Journal of Shijiazhuang Railway Institute (Natural Science) 2009;22:79-81.10 Dai YH. Research on waterproof and cohesive layer of concrete bridge deck asphalt pavement. Southeast University: 200

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