水泥混凝土橋面防水層裂縫疲勞性能研究

謝 伯 川

(重慶特鋪路面工程技術(shù)有限公司,重慶 400020)

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水泥混凝土橋面防水層裂縫疲勞性能研究

謝 伯 川

(重慶特鋪路面工程技術(shù)有限公司,重慶 400020)

利用斷裂力學(xué)理論，分析了不同類型防水層在梁體裂縫反復(fù)開合情況下疲勞開裂機(jī)理，研究了影響防水層抗荷載型疲勞裂縫的因素，并進(jìn)行了防水層抗荷載型裂縫疲勞模擬試驗(yàn)，為水泥混凝土橋面瀝青鋪裝防水層的設(shè)計(jì)提供了參考。

橋面，防水層，裂縫，疲勞試驗(yàn)

水泥混凝土橋面仍是橋梁的主要鋪裝方式，然而隨著時(shí)間的推移，水泥混凝土橋面的鋪裝層的裂縫病害日趨嚴(yán)重[1，2]，水泥混凝土橋面防水層不僅要承受拉區(qū)的彎拉變形，同時(shí)也要承受荷載、溫度在裂縫處產(chǎn)生反復(fù)的溫度及荷載應(yīng)力[3]。橋面鋪裝防水粘結(jié)體系質(zhì)量的好壞直接影響了橋梁的使用壽命，只有在橋面鋪筑良好的防水層，才能為橋面未來提供良好的使用性能，并提高耐久性，減少或延緩病害發(fā)生[4-6]。因此，開展水泥混凝土橋面鋪裝防水層抗荷載型裂縫疲勞性能研究十分必要。

1 斷裂力學(xué)理論及橋面鋪裝層荷載型反射裂縫分析[7]

1.1 橋面鋪裝裂縫類型

基于線彈性斷裂力學(xué)理論，裂縫可以分為拉裂型、剪裂型以及撕裂型。通過對(duì)水泥混凝土橋面鋪裝行車位置與裂縫形式分析，交通荷載在橋面鋪裝中一般產(chǎn)生拉裂、剪切裂縫。其中以引起的拉裂裂紋危害最為嚴(yán)重，此時(shí)會(huì)導(dǎo)致材料的整體性脆性加大，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。

1.2 裂紋尖端奇異場(chǎng)

假定裂縫在X軸負(fù)方向，r0表征XY平面的一個(gè)微小范圍，此時(shí)該處范圍只包括原點(diǎn)處的頂端。在線彈性范圍內(nèi)，求解裂紋尖端的位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)方法有多種，本文研究過程中以橋面鋪裝裂紋中最常見的拉裂型裂紋為研究對(duì)象，按照Westergaard復(fù)變函數(shù)方法可求得線彈性斷裂力學(xué)中拉裂裂紋尖端奇異場(chǎng)為：

其中，G為含裂紋彈性體的剪切模量；χ-KI≥KIC：平面應(yīng)力；3-4μ:平面應(yīng)變；μ為泊松比；r，θ均為以原點(diǎn)的極坐標(biāo)；K拉裂為拉裂裂紋應(yīng)力因子。

1.3K準(zhǔn)則和斷裂韌度K拉裂C

對(duì)于不同的構(gòu)件，如果采用同一種材料的話，當(dāng)裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子K達(dá)到某一臨界值K拉裂C時(shí)，迅速失穩(wěn)。這種情況下，臨界值K拉裂C可以用來表征材料阻止裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的能力。K準(zhǔn)則就是基于這一假設(shè)所確定的構(gòu)件極限應(yīng)力一般小于σb或σs。

拉裂裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的表達(dá)式：

χ=(3-χ)/(1-χ)。

1.4 確定應(yīng)力強(qiáng)度因子

應(yīng)力強(qiáng)度因子確定的方法一般采用在裂紋尖端近旁的位移或應(yīng)力來進(jìn)行估計(jì)，初步認(rèn)為當(dāng)裂紋尖端近旁到裂紋尖端距離數(shù)量級(jí)不超過1/100裂紋長度，應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)的近似公式是適用的。此時(shí)應(yīng)力場(chǎng)表達(dá)式要求θ=0，r→0，位移場(chǎng)表達(dá)式中令θ=π，r→0，即求得相應(yīng)的應(yīng)力強(qiáng)度因子。θ=0或π分布對(duì)應(yīng)裂紋擴(kuò)展或閉合。

應(yīng)力解：

位移解：

2 防水層抗荷載型疲勞裂縫的影響因素研究

防水層材料在橋面鋪裝體系中防止橋面板反射裂縫，對(duì)外展現(xiàn)的是受拉現(xiàn)象。大量研究表明水泥混凝土橋面常用的防水材料在受到拉力作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其受到的抗拉強(qiáng)度[8]，按照這一理論在研究過程中將防水層材料的本構(gòu)關(guān)系取為線彈性，將抗拉強(qiáng)度采用楊氏模量。防水層材料對(duì)加鋪裝層的抗裂性影響較為明顯，在原路面開裂的情況下，在荷載作用下，設(shè)置防水層后瀝青鋪裝層層底拉應(yīng)力明顯減小，這種影響主要表現(xiàn)為層底的拉應(yīng)力。從圖1可以看出，防水層材料對(duì)鋪裝層層底拉應(yīng)力抑制作用在模量較小的時(shí)候不是很明顯；當(dāng)模量較大時(shí)，才具有較為顯著的作用。因此，水泥混凝土板瀝青鋪裝層在采用較高模量的防水層對(duì)開裂后的應(yīng)力影響非常顯著。

3 防水層抗荷載型裂縫疲勞試驗(yàn)?zāi)M研究[9]

3.1 試驗(yàn)條件及準(zhǔn)備

1)疲勞試驗(yàn)時(shí)采用應(yīng)力控制。2)加載波形統(tǒng)一采用正弦加載波形；荷載頻率選取10Hz。3)試驗(yàn)溫度選擇15 ℃。4)以面層混合料已經(jīng)開裂破壞作為試件破壞的判斷標(biāo)準(zhǔn)。5)試件成型：將成型好的經(jīng)過噴砂厚度1cm水泥混凝土試件進(jìn)行涂刷防水層，然后進(jìn)行鋪裝瀝青混合料層，其中防水材料選用熱熔型APP、溶劑型粘結(jié)劑AMP、水性瀝青基防水材料FYT、改性瀝青SBS、甲基丙烯酸樹脂MMA、橡膠瀝青膠砂LQSJ。試件切割成300mm×50mm×50mm小梁。試驗(yàn)前試件在(15±0.1)℃下保溫4h以上。

3.2 疲勞試驗(yàn)

1)荷載水平及疲勞試驗(yàn)。對(duì)每種噴涂不同的防水層材料試件進(jìn)行荷載破壞試驗(yàn)，得到破壞應(yīng)力，按照0.3，0.5兩種應(yīng)力比計(jì)算試驗(yàn)加載荷載，如表1所示。

表1 不同防水層試件極限應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)果

2)拉裂型疲勞試驗(yàn)結(jié)果。按照0.3，0.5的不同應(yīng)力比進(jìn)行拉裂型疲勞試驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。

表2 拉裂型疲勞試件試驗(yàn)結(jié)果

3)剪切型疲勞試驗(yàn)結(jié)果。對(duì)剪切型疲勞試驗(yàn)，同樣采用應(yīng)力比0.3，0.5，分別對(duì)刷涂不同種防水層組合試件進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如表3所示。

4 疲勞試驗(yàn)結(jié)果分析

通過對(duì)拉裂型和剪切型試件疲勞試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在水泥混凝土橋面鋪筑結(jié)構(gòu)中設(shè)置反應(yīng)型MMA防水層體系，結(jié)構(gòu)的對(duì)裂縫的跨越能力更好，可有效的延緩裂縫的發(fā)展。另外在面層鋪筑5cm瀝青混合料的情況下，MMA防水層的抗裂效果更加明顯。

從不同類型防水層抗荷載裂縫疲勞試驗(yàn)驗(yàn)證可以得出防水層的抗疲勞開裂性能排序：MMA>APP>LQSJ>AMP>SBS>FYT。與全部將已選型防水層看作增強(qiáng)抵抗型抗裂，僅考慮拉伸

模量的情況下，根據(jù)對(duì)國內(nèi)防水材料抗拉模量調(diào)研獲得資料，預(yù)估防水層抵抗水泥混凝土板裂縫疲勞性能優(yōu)良排列(MMA>APP>LQSJ>XJFC>SBS>AMP>FYT)基本相同，僅SBS與AMP抗疲勞性能有所差異。

表3 剪切型疲勞試件試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)語

根據(jù)以上分析可知，在水泥混凝土橋橋面板裂紋尖端附近產(chǎn)生明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，可以通過在水泥混凝土橋面板與鋪裝層之間設(shè)置防水粘結(jié)中間層，起到防治或延緩裂縫的反射到瀝青鋪裝層的作用。

不同類型防水層抗荷載裂縫疲勞開裂性能與材料的抗拉模量具有很好的相關(guān)性能，材料拉伸模量越大，抗荷載疲勞開裂性能越優(yōu)。重點(diǎn)考慮防水層對(duì)于裂縫的抗疲勞開裂性能，在選用防水材料時(shí)，應(yīng)選用具有較高拉伸模量的防水材料。

[1] 吳國雄，姚令侃，易志堅(jiān).水泥混凝土路面早期裂縫的形成機(jī)理[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2003,38(3)：304-308.

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[6] 廖衛(wèi)東，陳拴發(fā)，劉 剛.疲勞荷載下瀝青加鋪層抗反射裂縫試驗(yàn)研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，27(12)：30-33.

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[9] 謝 軍，李宇峙，邵臘庚.荷載型反射裂縫的APA疲勞模擬試驗(yàn)研究[J].公路交通科技，2003(6)：5-7，12．

Load fatigue type crack resistance research on cement concrete bridge deck pavement waterproof layer

Xie Bochuan

(ChongqingSpecialEngineeringTechnologyCo.,Ltd，Chongqing400020,China)

Applying fracture mechanics theory, the paper analyzes fatigue cracking mechanism of different waterproof layer under beam crack repeatedly opening and closing conditions, studies factors influencing waterproof layer anti-loading fatigue crack, and carries out simulation test of waterproof layer anti-load crack, which has provided some guidance for asphalt paving waterproof layer design of cement concrete deck.

deck, waterproof layer, crack, fatigue test

1009-6825(2016)26-0174-02

2016-07-05

謝伯川(1983- )，男，工程師

U443.31

A