土木英文文献翻译Mechanical properties of a waterproofing adhesive layer used on concrete bridges译文.docx

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土木英文文献翻译Mechanicalpropertiesofawaterproofingadhesivelayerusedonconcretebridges译文

Mechanicalpropertiesofawaterproofingadhesivelayerusedonconcretebridgesunderheavytrafficandtemperatureloading

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在交通拥挤和温度荷载下的混凝土桥梁上使用的防水粘接层的力学性能

前言：

基于在上海沪杭高速公路拓宽改造工程由混凝土箱梁桥收集的数据，在实验室测试中，利用现场温度监控和有限元法共同进行研究了用于混凝土桥甲板和柏油混合物路面之间的防水粘合层（WAL）的粘合行为。

首先，对苯乙烯-丁二烯-苯乙烯（SBS）改性的沥青，SBS改性乳化沥青，橡胶沥青，和FYT-1桥防水涂料这些分别用作防水粘合层的材料进行了剪切强度和拉伸强度测试并相较。

然后，用传感器监测路面的温度。

最后，对桥的有限元模型的开发是为了分析在车辆和温度负载影响下界面的剪切应力和拉伸应力。

结果表明，SBS改性沥青和橡胶沥青SAMI可以被认为是防水粘合层的材料。

当荷载移动在四分之一跨度的路面上方时最大拉应力出现，而当载荷移动在跨度中央的路面上方时最大剪应力出现。

随着环境温度升高，安全系数（强度/应力）显著降低。

对环境温度、WAL材料的喷涂量和粘结点的表面粗糙度的影响进行了研究并分别计算路面和WAL厚度，接口摩擦的影响。

1.介绍：

在运输行业，沥青混合料路面通常用作混凝土桥面的磨损层。

当剪切应力或正常的拉伸应力超过界面剪切强度或拉断强度时，将会发生路面剥离。

为了防止这种问题，可以在桥面和沥青混合物路面的层间放置一个防水粘合层（WAL）防止水的渗透和提高界面密合性。

为了评估WALS的工程特性，分别在实验室和现场测试进行了研究，其中包括由美国国家高速公路合作研究计划（NCHRP）所进行的那些在美国的研究[1，2]。

测试WALS工程特性包括抗张强度，耐用性，韧性，弹性，防水抗渗，抗穿刺性，温性等等。

在英国，为了评估在现场施工的材料性能和维修技术的实验室测试方法进行了全面的考察[3-5]。

在丹麦，丹麦公路研究所提出了WAL对混凝土桥梁的重要性和技术要求[6]。

在中国，则讨论了温度、剪切速度和不同的层间界面和表面纹理深度上的接口粘结WAL后对混凝土桥梁的强度的影响[7-9]。

然而，评估WALS的好处的主要性能标准是界面的粘合强度。

由于施加在桥和作为夹层的WALS膜结构的复杂的多态负载条件，去有效衡量在WAL和桥面或路面之间的剪切和正常拉伸应力是非常困难的。

因此，通过数据模拟捕获这些临界应力将是非常有意义的。

在中国，也有一些研究致力于结构建模和应力分析[10-12]。

使用和不使用WAL的混凝土桥梁的有限元模型被建立用来计算WAL的应力状态。

通过荷载，路面厚度和弹性模量，界面摩擦的影响对WAL的力学响应进行了分析。

温度梯度，即由路面的深度不同造成的温度变化，导致产生了温度应力。

到目前为止，WALS的力学响应受到路面温度梯度的影响很少受到人们重视。

因此，研究这些关键因素对WALS的力学性能的影响被认为是为了设计出更可靠的材料和结构所必不可少的。

因此，本文旨在介绍WALS用于混凝土桥面上时的胶粘性能。

测试四种不同的材料，研究在三种不同的环境温度下的WAL的剪切强度和拉伸强度，并且其中的一个将被推荐。

WAL的数量和表面粗糙度（SR）对WAL粘结性能的影响被研究。

通过现场监测和有限元（FE）建模技术，在考虑温度梯度情况下对WAL的力学响应进行了研究，并分析了路面厚度、界面摩擦和WAL厚度对WAL的应力状态的影响。

根据研究结果，WAL的材料和结构设计还需讨论。

2.实验计划：

2.1结构和材料的说明

以中国的上海沪杭高速公路简支预应力混凝土箱梁桥拓宽改造工程作为工程背景。

每隔30米的标准跨度的桥上有一个九芯截面。

反式节膜片位于两个每个跨度的结束支撑件之间。

研究的路面结构由一个8厘米厚的放置在箱梁上钢筋混凝土桥面、3毫米厚的粘结到桥面的WAL和一个10厘米厚的置于WAL上方的石基质沥青（SMA）路面构成，如图1。

在这项研究中，苯乙烯-丁二烯-苯乙烯（SBS）改性沥青，SBS改性乳化沥青，橡胶沥青，和FYT-1桥防水涂料被选择作为防水粘合层的替代材料。

SBS改性沥青是通过改性沥青与SBS而被发现，SBS改性乳化沥青则是通过改性乳化沥青与SBS而被生产。

橡胶沥青是由普通沥青和“胶粉”均匀混合而成。

二手轮胎是由分离外壳，面料和钢结构加工。

FYT-1桥面防水涂料是由作为基体的优质沥青，乳剂，和经过各种特殊的高分子材料改性的水性涂料组成。

实验室试验，包括直接剪切和拉断试验，这些试验的进行是用来测量用于混凝土桥面上的WALS的界面粘合力。

实验室试验温度选择的是通过监测到的空气温度，如3,27和40℃。

2.2斜剪试验

斜剪切试验的目的是利用万能试验机（UTM）确定界面剪切强度[13]，如图2所示。

在该试验中，分别制备了两个70毫米（宽度）、50毫米（长度）和50毫米（高）的混凝土板和沥青混合物板。

WAL材料被加热并附着到PCC板的顶部。

同样地，所制备的沥青混合料板也被加热，然后压紧到WAL上。

因此，沥青混合物板固定在钢箱中，并在其中一个的顶部施加压缩力，一个在侧边施加剪切力。

施加以50mm/min的剪切速率[10]。

图1.路面上的混凝土桥

图2.斜剪强度测试

图3.拉伸强度测试

2.3拉伸试验

拉伸试验的目的是为了确定界面的拉伸强度，如图3所示。

试验样品包括一个混凝土圆柱体和沥青混合料圆柱体，其直径为100毫米，高度为80mm。

在混凝土和沥青混合物圆柱体粘接一个带有WAL的中间层，用剪切强度测试中说明了的同样的方法。

施加以100-200N/S的拉伸速率[14]。

2.4试验结果

2.4.1环境温度的影响

为讨论界面剪切强度和拉伸强度受环境温度的影响。

将上述四种材料以1.0升/平方米的喷洒量喷洒于桥面表面上，并保持单一变量。

试验结果表明，环境温度对剪切强度有显著影响。

如表1所示，剪切强度明显随着环境温度的升高而降低。

例如，当SBS改性沥青的温度从3℃升高到40℃时，剪切强度降低90.74％。

这种趋势在其他三种材料的试验中也观察到了。

沥青是一种粘弹性材料，它的力学性能是取决于温度；因此随着温度的升高，沥青的剪切模量降低。

其结果是，界面剪切强度降低。

另外，还发现，环境的温度对抗张强度也有明显的影响。

如表2所示，拉伸强度随环境温度的升高而急剧下降。

（即SBS改性沥青的环境温度从3℃升高到40℃时，拉伸应力减小85.71%）。

这种趋势与其他的WAL材料的结果一致。

这个结果是由于沥青材料的粘弹性质如前所述。

在温度相同的条件下，根据本剪切试验的结果，SBS的剪切强度改性沥青和橡胶沥青几乎相同，并明显高于SBS改性乳化沥青和FYT防水涂料。

从表2中可以看出四种不同材料的拉伸强度之间没有明显的差异。

SBS改性沥青和橡胶沥青可推荐用于防水粘合层材料，并且SBS改性沥青被选作在以下的试验分析中使用。

表1

表二

2.4.2WAL材料的量的影响

讨论喷涂WAL数量对界面剪切强度的影响，喷在桥面表面的SBS改性沥青喷洒量分别为0.8，1.0，1.3，1.5，和1.7L/M2，并保持单一变量。

斜剪试验在27℃下进行。

从图4中可以看出，存在一个最佳喷涂量。

界面剪切强度随WAL材料的喷涂量的增大而先增大后减小。

它表明，当喷洒量为1.3L/m2时，剪切强度达到最大值。

2.4.3桥面SR（表面粗糙度）的影响

为了研究WAL和桥面之间的界面粘结表面粗糙度的影响，粗糙化技术被用来改变桥面的表面。

以1.3L/m2的喷洒量的SBS改性沥青用于WAL，在270℃下歪斜剪切试验的结果如图5所示。

实验发现，存在一个合适的表面粗糙度。

随着SR的增大，由于改进后的联锁效应，界面剪切强度也增大；然而，当桥面表面过于粗糙，沥青膜不能有效地渗透到桥面的深槽；结果便是WAL和桥面表面之间的实际接触面积减少，在其中的界面剪切强度下降。

因此，有必要设计一个适当的SR，以实现高的粘合强度。

图4WAL材料在不同喷涂量下的剪切强度。

图5不同表面粗糙度的剪切强度

3.温度监控

沥青混合料是一种热敏性路面材料且具有相对低的拉伸强度。

监测的目的是研究WAL的力学性能受路面温度应力的影响。

TES电气电子公司的TP-KO1型表面热电偶和TES1310数字温度计被用来监视和读取路面的温度。

首先，进行路面取心和钻孔。

然后，将热电偶附着到不同深度路面样品的孔内。

热电偶的位置如图6所示。

监测点5位于路面的底部，这可以被视为WAL的温度的代表。

在冬季（11月）和夏季（8月）的几天中，不同深度路面的温度每隔一小时被记录。

在11月17日和8月3日时的不同深度的路面温度变化如图7所示。

监测结果表明，在11月17日，路面的温度在快到中午的时候达到高峰，在8月3日，路面温度的峰值出现在深入路面1.5厘米的下午。

路面温度通常比空气温度高。

图6路面上的温度传感器的监测点

图7路面温度分布：

（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的热应变由下式给出

其中，α是热膨胀系数（1/=C），φ0是初始温度，φ是稳定温度或瞬时温度。

φ可以通过基于φi插值来获得;这可以通过热分析得到。

该方程可以表示如下：

考虑热应变，应力-应变关系可以如下确定：

由于材料的特性取决于基准温度，我们将考虑一个轴对称的弹性层状半空间问题。

在圆柱形坐标系中的均衡方程是[15]：

考虑弹性模量时，泊松比和热膨胀系数是温度的函数，应力和应变的关系可以写成：

在方程（4）和（5）中，u，w分别为水平和垂直位移，σγ，σθ，σz则分别是γ，θ，z方向上的应力和τzr是剪切应力。

其中，E（φ）是弹性模量，U（φ）是泊松比，α（φ）是热膨胀系数。

下面的等式可以通过应用公式来获得。

（3）为虚位移原理的计算公式：

用于解决热应力的问题最小电势的原理的函数方程可以由下获得：

通过应用最小势能的原理，有限元法求解下面的公式：

包括温度荷载矢量的P可被表示如下：

其中PZO为可通过公式计算出的的荷载项，Pf为主要由交通繁忙引起的其他荷载项。

4.2.模型结构

自动动态增量非线性分析（ADINA）方案被用于建立一个全规模，三维，有限元模型（3D-FE）来模拟桥梁，如图8所示。

8节点实体单元（3DSOLID）用于模拟钢筋混凝土桥面、混凝土箱梁和SMA路面。

四节点膜元件（SHELL）被用来WAL的建模。

在有限元模型中，假设该项目刚刚完成时，WAL和桥面之间的接口被认为是完全粘合的。

在箱梁与桥墩连接的底部节点被固定在有限元模型中。

图8混凝土梁桥上路面系统的有限元模型

Table3

路面的计算参数

4.3.材料模型

混凝土是一种脆性材料，并且以小到没有达到其最大强度的弹性应力方式承受力的作用。

假设C40钢筋混凝土和C50混凝土为线性弹性模型。

WAL在被破坏前主要表现为弹性行为[16]。

因此，WAL在有限元模型中被假定为弹性材料。

所确定的材料参数列于表3[16-18]。

沥青混合物是粘弹性塑料材料，其力学性能非常依赖于时间和温度。

在一般情况下，当它受到一个小的应变时，沥青混合料没有显示出明显劣化的线性粘弹性性能。

Witczak模型[19]是用来预测MA路面随温度变化的动态模量。

图9给出了SMA路面在11月17日和8月3日的动态模量。

图9动态模量：

（a）11月17日;（b）8月3日

4.4.荷载模型

由于应力集中，主要是因为车轮荷载，根据通用的公路桥涵设计规范（JTGD60-2004）[18]，双矩形均匀分布压力用于模拟有限元模型中一级公路负荷的单后桥，如图10和11所示。

在中国，标准轮胎-地面接触压力的值是0.707兆帕[20]。

路面负载的接触区域通过由两个有10cm的空间的矩形对两个轮胎进行了模拟，并且每个矩形具有20厘米（宽），23厘米（长）的尺寸，如图11所示

[21-23]。

轮胎路面摩擦系数可以在车辆加速或制动时达到0.5[24]。

为了产生轮胎摩擦力，卡车被假定为突然制动，这会导致在沥青路面的表面上施加额外的明确的力。

为了证明流量负载位置对路面应力的影响，轮胎接触区域的横向和纵向载荷位置如图12所示。

在有限元模型中，为了确定最不利的载荷位置，车轮载荷在不同的桥的位置纵向和横向移动。

图10I级公路负荷的布局：

（a）侧视图；（b）规划表

图11单后桥的均布荷载面积

图12负载位置：

（a）横向负载的位置;（b）纵向载荷位置

4.5.计算结果

模拟结果表明，WAL的最大拉伸应力发生在横向载荷位置3和纵向载荷位置b处。

同时，最大界面剪切应力出现在横向负载位置1和纵向载荷位置a处。

在图13中，横轴的“1，2，3，4”表示横向载荷位置和标记有“a，b，c”的数据表示纵向载荷位置。

为了获得机械指数，在有限元分析中，交通负载和温度负载一整天都被施加在路面结构上。

1月17日和8月3日的最大拉伸和剪切应力1如图14所示。

因为8月3日温度的变化率大于11月17日的，所以8月3日的WAL的剪切力和拉伸应力大于11月17日的，如图14所示。

根据图13可知，在只考虑车辆荷载情况下，WAL的最大剪应力和拉应力分别为0.13和0.04兆帕。

从图14中可以看出，在考虑车辆荷载和温度梯度情况下，WAL的最大剪应力和拉应力分别为0.32和0.21兆帕。

温度梯度被考虑到所计算的应力中时，最大剪应力增加了146％，最大拉伸应力减小了425％。

因此，温度梯度的影响不能在路面设计时被忽略。

图13WAL在不同的装载位置的力学响应峰值：

（a）拉应力;（b）剪切应力

图14一整天中WALL的力学响应峰值：

（a）拉应力;（b）剪切应力

4.6.影响因素分析

在27℃的环境温度下，路面厚度、路面和甲板之间的界面摩擦、WAL的厚度对WAL的力学响应的影响被分析。

测试强度与计算出的应力进行了比较，并在不同的环境温度下对测试强度至FE的最大应力的比率进行了分析。

4.6.1.路面厚度的影响

结果表明，路面厚度对最大剪切应力和最大拉伸应力都有一个显著的影响。

随着路面厚度的增加，最大剪切应力和最大抗拉应力显著减小，并且减少率逐渐下降，如图15所示。

此外，路面厚度的影响对最大剪切应力比最大拉伸应力更加明显;例如，当路面厚度从4厘米增加到20厘米时，最大剪应力降低了60.47％，而最大拉伸应力则降低了21.05％。

此结果解释如下：

施加在路面车辆轮胎摩擦力是界面剪切应力首要原因，并且对其上界面剪切应力的影响随着路面厚度的增加而减少。

然而，通过增加路面厚度从而减少剪切应力的效果将逐渐下降，直到增加到14厘米后达到最小或可忽略。

因此，考虑到工程成本和施加在桥主梁路面结构的附加重量负载，不建议设计一种路面厚度比14厘米更高的混凝土桥。

图15界面应力-路面厚度

4.6.2.界面摩擦的影响

在一般情况下，WAL和路面之间的界面粘结比WAL和桥面之间的更强。

因此，在有限元模型中，如果WAL和桥面之间的界面发生脱粘，则该界面被视为摩擦接触面。

然而，WAL和路面之间的接口被认为完全粘合。

非线性的表面对表面接触模型被用来模拟WAL和桥面的摩擦接触面。

有限元建模的结果表明，最大剪应力随着界面的摩擦系数增大而增大，并且达到在完全接合状态中的最大值。

然而，最大剪切应力的增加速率持续下降，并且当摩擦系数达到0.5的值时，最大剪切应力值几乎是一个常数，如图16所示。

图16界面剪切应力-摩擦系数

4.6.3.WAL厚度的影响

结果表明，WAL的厚度对最大剪应力有一个显著的影响。

随着WAL厚度的增加，最大剪切应力显著降低，如图17所示。

当WAL厚度从0.5增加至8mm时，最大剪应力降低了29.58％。

这个结果可作如下解释：

较厚的WAL可以改进WAL和桥面之间的剪切应力状态。

然而，由于WAL厚度关系到WAL材料的量，所以界面剪切强度随WAL厚度的增加而先增大后减小。

为了得到更安全的结构，确定最佳WAL厚度是有必要的。

4.6.4.环境温度对安全系数的影响

人们普遍认为一个更安全的结构应该有较高的强度和较低的应力，这个试验剪切强度和FE中的最大剪切应力之比而得到的安全系数可被用作来评估WAL安全性的指标。

为了研究这个属性，我们对三种环境温度下的安全系数进行了计算，如图18所示。

对SBS改性沥青而言，安全系数随着环境温度的增加而急剧减小，这表明，界面在较高温度下的破坏概率比在较低温度下的概率要高得多。

5.结论

本文对用于在流量和温度荷载下的混凝土桥梁上的WAL的粘合行为进行了研究。

剪切和拉伸强度被测试以验证有限元分析。

从测试和建模的结果得出以下结论：

·随着环境温度的升高，界面剪切强度和拉伸强度都显著下降。

·由于剪切/拉伸强度可满足有限元分析结果设计的要求，SBS改性沥青和橡胶沥青SAMI被推荐用于混凝土桥梁防水粘结层材料。

·界面剪切强度随着WAL材料喷涂数量的增大而先增大后减小，并且最佳的喷洒量为1.3L/M2。

·界面剪切强度随桥面的SR的增大而先升高后降低，并且有必要设计一个适当的SR，以实现高的粘合强度。

·当载荷移动路面上方的四分之一跨度时，最大拉应力的出现，并且单后桥在横向方向的梯形框的一端的上方。

·当荷载移动到路面上方的中央跨度时，最大剪应力的出现，并且单后桥在横向方向的湿接缝上。

·增加路面和WAL的厚度显著降低了界面剪切和拉伸应力。

·安全系数（强度/应力）随环境温度的升高而降低，这表明在较高温度下，界面破坏具有高得多的机会发生。

因此，提高在高温下的WAL的粘附强度，会成为设计材料和结构的主要目标之一。

致谢

该工作由中国国家自然科学基金（NO.51108157）、中国博士后科学基金会支持（NO.20110491342）和江苏规划项目的博士后研究基金提供资金支持（NO.1101018C）。

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