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有限公司,重慶 400020)

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

橋面，防水層，裂縫，疲勞試驗

水泥混凝土橋面仍是橋梁的主要鋪裝方式，然而隨著時間的推移，水泥混凝土橋面的鋪裝層的裂縫病害日趨嚴重[1，2]，水泥混凝土橋面防水層不僅要承受拉區的彎拉變形，同時也要承受荷載、溫度在裂縫處產生反復的溫度及荷載應力[3]。橋面鋪裝防水粘結體系質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理論，裂縫可以分為拉裂型、剪裂型以及撕裂型。通過對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生拉裂、剪切裂縫。其中以引起的拉裂裂紋危害最為嚴重，此時會導致材料的整體性脆性加大，導致結構失穩。

1.2 裂紋尖端奇異場

假定裂縫在X軸負方向，r0表征XY平面的一個微小范圍，此時該處范圍只包括原點處的頂端。在線彈性范圍內，求解裂紋尖端的位移場、應力場方法有多種，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象，按照Westergaard復變函數方法可求得線彈性斷裂力學中拉裂裂紋尖端奇異場為：

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

1.3K準則和斷裂韌度K拉裂C

對于不同的構件，如果采用同一種材料的話，當裂紋尖端應力強度因子K達到某一臨界值K拉裂C時，迅速失穩。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擴展的能力。K準則就是基于這一假設所確定的構件極限應力一般小于σb或σs。

拉裂裂紋失穩擴展的表達式：

χ=(3-χ)/(1-χ)。

1.4 確定應力強度因子

應力強度因子確定的方法一般采用在裂紋尖端近旁的位移或應力來進行估計，初步認為當裂紋尖端近旁到裂紋尖端距離數量級不超過1/100裂紋長度，應力場和位移場的近似公式是適用的。此時應力場表達式要求θ=0，r→0，位移場表達式中令θ=π，r→0，即求得相應的應力強度因子。θ=0或π分布對應裂紋擴展或閉合。

應力解：

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，對外展現的是受拉現象。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遠小于其受到的抗拉強度[8]，按照這一理論在研究過程中將防水層材料的本構關系取為線彈性，將抗拉強度采用楊氏模量。防水層材料對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，設置防水層后瀝青鋪裝層層底拉應力明顯減小，這種影響主要表現為層底的拉應力。從圖1可以看出，防水層材料對鋪裝層層底拉應力抑制作用在模量較小的時候不是很明顯；當模量較大時，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開裂后的應力影響非常顯著。

3 防水層抗荷載型裂縫疲勞試驗模擬研究[9]

3.1 試驗條件及準備

1)疲勞試驗時采用應力控制。2)加載波形統一采用正弦加載波形；荷載頻率選取10Hz。3)試驗溫度選擇15 ℃。4)以面層混合料已經開裂破壞作為試件破壞的判斷標準。5)試件成型：將成型好的經過噴砂厚度1cm水泥混凝土試件進行涂刷防水層，然后進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。試驗前試件在(15±0.1)℃下保溫4h以上。

3.2 疲勞試驗

1)荷載水平及疲勞試驗。對每種噴涂不同的防水層材料試件進行荷載破壞試驗，得到破壞應力，按照0.3，0.5兩種應力比計算試驗加載荷載，如表1所示。

表1 不同防水層試件極限應力試驗結果

2)拉裂型疲勞試驗結果。按照0.3，0.5的不同應力比進行拉裂型疲勞試驗，結果如表2所示。

表2 拉裂型疲勞試件試驗結果

3)剪切型疲勞試驗結果。對剪切型疲勞試驗，同樣采用應力比0.3，0.5，分別對刷涂不同種防水層組合試件進行試驗，結果如表3所示。

4 疲勞試驗結果分析

通過對拉裂型和剪切型試件疲勞試驗發現，在水泥混凝土橋面鋪筑結構中設置反應型MMA防水層體系，結構的對裂縫的跨越能力更好，可有效的延緩裂縫的發展。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驗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抵抗型抗裂，僅考慮拉伸

模量的情況下，根據對國內防水材料抗拉模量調研獲得資料，預估防水層抵抗水泥混凝土板裂縫疲勞性能優良排列(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結果

5 結語

根據以上分析可知，在水泥混凝土橋橋面板裂紋尖端附近產生明顯的應力集中現象，可以通過在水泥混凝土橋面板與鋪裝層之間設置防水粘結中間層，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性能，材料拉伸模量越大，抗荷載疲勞開裂性能越優。重點考慮防水層對于裂縫的抗疲勞開裂性能，在選用防水材料時，應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.水泥混凝土路面早期裂縫的形成機理[J].西南交通大學學報，2003,38(3)：304-308.

[2] 孫家瑛.水泥混凝土路面裂縫成因及預防治理措施[J].國外公路，1999，19(5)：19-25.

[3] 蔡靖驊，胡川林.瀝青混凝土鋪裝層的疲勞性能[J].中國科技信息，2009(7)：66-67.

[4] 劉志華.橋面水泥混凝土鋪裝層疲勞性能的研究[J].山西交通科技，2007(1)：39-41.

[5] 李祖仲，陳拴發，張登良,等.應力吸收層材料拉伸與拉壓疲勞試驗[J].公路，2007(10)：190-194.

[6] 廖衛東，陳拴發，劉 剛.疲勞荷載下瀝青加鋪層抗反射裂縫試驗研究[J].武漢理工大學學報，2005，27(12)：30-33.

[7] 黃耀英.基于線彈性斷裂力學的裂縫穩定性分析[J].水電能源科學，2002，20(4)：4-7．

[8] 吳 浩.橋面混凝土裂縫處防水層抗拉分析[J].長安大學學報(自然科學版)，2008，28(3)：40-43．

[9] 謝 軍，李宇峙，邵臘庚.荷載型反射裂縫的APA疲勞模擬試驗研究[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

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