高黏高弹防结层在天宁寺桥大修中的应用

来源: www.sblunwen.com 发布时间:2016-10-17 论文字数:38962字
论文编号: sb2016100517510816024 论文语言:中文 论文类型:硕士毕业论文
本文是建筑论文,本文针对天宁寺桥桥面铺装层层间病害特征,在分析损坏成因和受力状态后,根据近年来桥面铺装层的科研基础与修筑经验,研究用于桥面铺装高黏高弹改性沥青混合料摊铺。
第 1 章  绪论 
 
1.1  研究背景及意义 
随着交通量及轴载日益增大、拥堵造成的慢速交通及频繁启动和刹车、城市热岛效应造成的高温持续和瞬间巨量降水,致使道路桥梁桥面铺装层出现较多病害的情况在我国大型城市普遍存在,这不但会造成巨大经济损失,还极大影响了城市道路桥梁的服务品质。因此,桥面铺装问题近年来受到了各方面的普遍重视。 北京市区拥有全国最多的城市道路混凝土桥梁,且长期处于繁重的交通条件下,如果出现病害将严重影响交通出行,对于首都的经济、政治都有较大的负面作用。所以,高性能、高质量的混凝土桥面沥青铺装层材料与结构的研究十分必要。 由于在材料性能上沥青混凝土铺装层与水泥混凝土桥桥梁结构差异较大,即“一柔一刚”,桥面铺装普遍结构为:主梁+8~12cm 水泥混凝土整平层+防水层+9cm 沥青面层,这样导致结构总体受到的应力和形变是不连续的。此外,温度应力显著,震动剧烈,桥梁挠度大,甚至还出现负弯矩,综合受力状态比路面中材料所受的更加复杂。因此,城市道路桥面沥青铺装较早地出现了推移、开裂、脱落、唧浆等病害[1-4]。水泥混凝土桥面沥青铺装层的损坏成因一般有以下四个方面:柔性铺装层与桥梁结构之间的黏结对桥面铺装层起到非常重要的作用。这一层次在兼顾桥面防水层的同时,还应起到承上启下的过渡功能。由于该层处于柔性沥青铺装层与刚性桥板之间,属于薄弱的带,受到很大的剪切力,容易产生滑动,进而诱发许多损坏。粘层材料材料软化点一般都偏低,一旦用油量偏高,在高温作用下软化,使得该层变成润滑层,产生病害;同时这种防水层在摊铺上层沥青混合料后,存在集料刺破防水层问题,造成这种黏结是网状点接触。采用防水卷材,很容易在桥面板与沥青铺装层之间形成隔离层,由滑移还可导致桥面撕裂、脱皮等损坏。因此,黏结层除了能够防水外,同时还必须具备足够的黏结性能,而常规的防水卷材或沥青涂料往往难以满足使用要求[5]。
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1.2 研究现状 
本项目旨在解决天宁寺桥桥面铺装层间黏结不佳及由此产生诸多病害的问题,研究的问题主要涉及混凝土桥梁桥面铺装病害特点、防水材料特性,在此基础上研究高黏高弹沥青混合料用于桥面铺装的适应性。在交通负担相对较重的道路,车辙、拥抱会在沥青桥面铺装处不同程度的显现,行车道处出现轮迹带下陷,轮迹带外部被拥起,这样的道路状况容易导致交通事故的发生。超载和沥青混合料配合比及施工不佳是引起沥青层出现车辙、拥包的主要原因。具有弹塑性能的沥青层材料,在碾压作用下,内部发生蠕变,在反复受到挤压后逐渐形成车辙,同时超负荷载重会加速车辙的形成。车辙、拥包的产生一般与双层式铺装层的上、下层结合不良或铺装层与桥面黏结不牢引起。沥青混合料的性能决定了其疲劳寿命与沥青用量之间存在一个最佳关系值,在最佳沥青用量附近,沥青混合料的集料与沥青之间的粘聚力最佳,表现出的抗车辙能力也较强。当配合比设计不合理时,结构性能不足,进而加速车辙的形成[11]。 桥面铺装层收缩应力的产生主要有两方面因素:①水泥浆干缩的内部限制,主要表现为水泥浆体受到的集料的约束,其收缩率被限制了高达 90%,因此,出现混凝土存在干缩裂缝的状态;②铺装层干缩的外部限制,主要为面层和预制梁板的约束。水泥混凝土板块结构处于限制状态,其本身应变(徐变应变 Ee、拉应变 Ec)与硬化干燥过程的应变(自由收缩 Ef)不相适应时,即 Ef>Ee+Ec 时,会导致混凝土裂缝的产生[12]。 
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第 2 章  天宁寺桥桥面破损概况及传统材料分析 
 
2.1  天宁寺桥破损概况 
天宁寺立交桥位于北京城区西南角天宁寺,西便门地区,本立交为四层式交通枢纽,由 13 座桥梁组成,分别为二环路南北桥、宣武西大街桥、2#匝道桥、5#匝道桥、1#匝道桥、1#匝道东桥、1#匝道西桥、1#匝道支线桥、3#匝道桥、4#匝道桥、3、4#匝道东桥、辅路(1)支线桥、辅路(2)支线桥。立交桥总面积为 38000  平米。二环路桥在上层解决南北方向交通,宣武西大街桥在中层贯通东西向交通,其余十一座桥梁在中下层实现其他方向的交通转向。天宁寺二环主路桥建成至今已使用运营 21 年,桥面铺装出现了严重损害,水泥面层出现板块断裂,修复面极度不平整,严重影响了当地交通情况,给车辆通行带来了交通隐患,因此决定对其表面进行修补,同时添加防水粘结层。由于在北京城区,所以施工要求不能断交通施工,且要快速开放交通,为施工带了很大难度。 
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2.2  传统桥面防水粘结材料分析 
桥面防水材料对桥面铺装的质量具有至关中国重要的作用,目前我国道路桥梁桥面铺装主要的防水材料是卷材类,即防水油毡。同时,为了快速施工的需要,也出现了喷涂类,主要是喷涂树脂类材料。还有将砂粒式沥青混合料用于桥面防水的,即摊铺类。近年来,防水卷材被广泛应用于旧路改造、桥面铺装防水粘结层中,但其自身仍存在较多缺陷。 防水卷材在防水施工中需要根据基面面积大小进行剪裁与拼接,而相互搭接处的黏结难度较大,容易出现拼接处平整度差或拼接处裂缝导致漏水现象的发生;再则防水卷材在施工后的维修亦是难题,防水卷材与基面无论以哪种形式黏结,卷材与基面之间都容易产生空隙层。常用的涂抹型类防水黏结材料包括环氧树脂、各类改性沥青、橡胶沥青等;喷洒型防水材料多以各类乳化沥青为主。喷涂类防水黏结材料具有较好的成膜性、延伸率大、黏结力较强、耐油、耐酸碱,施工过程较为简单[19]。 研究表明这些喷涂类材料作为水泥混凝土桥面防水黏结材料具有超出其他材料的优良抗剪切和抗拉拔性能,可以改善桥面铺装与水泥面板的黏结状态,避免因黏结层的强度不足导致黏结层剪切破坏,从而导致脱层病害;同时避免了防水粘结层破损导致铺装和桥面板严重的水损害病害,可以有效延长铺装寿命。 喷涂类防水材料施工灵活、便捷,是市场上主流的防水黏结材料,但其在施工过程中要求基层表面清洁干燥,不得有浮尘、污物、油脂、积水等物质,增加了施工难度,并且由于基层表面不平,极易引起防水材料喷涂厚度不均匀,导致桥面在使用过程中,层间剪切力分布不均,影响其耐久性;况且,当面层沥青混合料摊铺压实时,大骨料将刺穿这种刚性较大的防水油膜,严重影响防水效果。 
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第 3 章  天宁寺桥桥面受力分析 .......... 13 
3.1 市管桥梁情况 ....... 13 
3.2 交通荷载......... 14 
3.3 受力分析......... 15 
3.3.1 计算模型 .... 15 
3.3.2 计算结果 .... 17 
3.4 防水粘结层技术要求 ......... 18 
3.5 小结 .......... 19 
第 4 章  高黏高弹防水粘结层混合料配合比设计 ......... 21 
4.1  原材料性能 .......... 21 
4.2 高黏高弹防水粘结层混合料设计 ......... 23 
4.3  小结 ......... 26 
第 5 章  高黏高弹防水粘结层性能研究及结构优化 ..... 27 
5.1 混合料性能 .... 27 
5.2  结构优化........ 37 
5.2.1  组合车辙试验 ......... 37 
5.2.2 汉堡车辙试验 .......... 39 
5.3 小结 .......... 40 
 
第 5 章  高黏高弹防水粘结层性能研究及结构优化 
 
5.1 混合料性能 
高黏高弹改性沥青混合料作为水泥混凝土桥面板上的防水层,其技术特性与普通热拌沥青混合料有较大差别,采用目前热拌沥青混合料的评价方法不完全适应防水粘结层的评价。结合高黏高弹改性沥青混合料的特点,针对水泥混凝土铺装大修工程中沥青加铺层下,快速施工的防水层所要求具备的技术性能,推荐了高温性能、低温性能、水稳定性和疲劳性能等评价方法,并对高黏高弹改性沥青混合料进行了综合性能检验[23]。相对于面层的沥青混合料,高黏高弹改性沥青混合料粒径偏小,属于砂粒式,集料偏细,矿粉和沥青用量偏多,属于悬浮密实结构。因此,该混合料的强度是以沥青与矿粉组成的胶浆和集料之间的黏结力为主,特别是胶浆的黏韧性起了主要作用,集料颗粒间的嵌挤力和内摩阻力对于强度的贡献相对较小。 对于用于桥面铺装的高黏高弹混合料,考虑到其特殊的要求及其作用,特别是在结构中位于接缝或裂缝的部位,受到较大的剪应力作用,因此防水粘结层的抗剪性能也是其高温稳定性的评价指标。 单轴贯入试验就是在试件上通过钢压头进行加压,压头直径相对试件直径足够小,其受力状态应与实际路面的较为一致。 抗剪强度的试验温度应能反映夏季高温的路面温度,试验环境温度为 60℃±2℃,试件内部温度为 60℃±0.5℃。抗剪强度的加载速率为 1mm/min,适用于用旋转压实仪压实成型、用取芯机现场钻取的直径为 150mm 或 100mm 圆柱体试件沥青混合料的抗剪强度按式(5-1)   
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结论 
 
本文取得主要研究结论如下: 
1、调查了北京市城市道路桥梁类型、交通荷载及桥面铺装病害的情况,分析了基于简支箱梁的桥面铺装层结构内部应力、应变差异。力学分析发现,高黏高弹沥青混合料防水粘结体系可以改善内部的应力、应变状态。根据天宁寺桥所处的气候、交通荷载情况,提出了该工程对防水粘结层的技术要求。 
2、研究了高黏高弹沥青及混合料设计指标及方法,研发了性能指标满足 PG82-34要求的高黏高弹沥青胶结料,提出采用三阶段的旋转压实设计方法保证了综合路用性能。在基本性能研究基础上,提出专用试验方法,开展了抗疲劳、防水、层间黏结和阻尼等性能的研究,发现高弹黏高弹沥青混合料抗疲劳性能十分优异、防水性能优异、阻尼特征显著、层间黏结性能符合要求。 
3、进行几种结构的抗车辙性能,采用组合车辙试验和汉堡车辙试验进行,温度条件采用 60℃空气浴、70℃空气浴和 50℃水浴,压强采用 0.7MPa、1.0MPa 等水平。研究发现,高黏高弹沥青混合料处于结构层下部,基本不改变上层材料的抗车辙性能,在标高受限和交通量不大的情况下,其上可加铺一层抗车辙性能优异的沥青混合料层,可以保证正常的使用。 
4、基于试验路铺筑,进行了材料设计方法验证和施工工艺研究,尤其是针对桥面铺装施工特点,提出相应的施工要求。跟踪观测发现,二环路天宁寺段桥面铺装沥青路面无破损、裂缝和车辙,路面状况良好。 
5、分析了高黏高弹沥青混合料防水黏结体系的经济性和适用性,与卷材类、喷涂类防水材料相比,摊铺类高黏高弹沥青混合料体系价格略高,但其性能远优于二者。高黏高弹沥青混合料防水粘结体系可广泛用于新建和维修工程,可适应复杂受力环境,尤其适用于水泥混凝土基面平整度不高的工况。
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参考文献(略)

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