水泥-乳化瀝青-水性環(huán)氧復(fù)合膠結(jié)鋼橋面鋪裝材料研究.pdf

1、鋼箱梁具有自重輕、跨越能力大、架設(shè)方便等優(yōu)點(diǎn)是我國橋梁建設(shè)，特別是大跨徑橋梁建設(shè)的主要結(jié)構(gòu)形式。然而，普通瀝青基材料存在高溫穩(wěn)定性不良、與鋼板粘結(jié)性差等問題，易產(chǎn)生推移、擁包等病害。因此，鋼箱梁橋面鋪裝層材料一直是研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。針對鋼箱梁橋面鋪裝材料需要具有良好的柔韌性、高溫穩(wěn)定性及與鋼板粘結(jié)強(qiáng)度的要求，本文開發(fā)出一種水泥-乳化瀝青-水性環(huán)氧樹脂(cement-asphalt-epoxy，CAE)復(fù)合膠結(jié)鋼箱梁橋面鋪裝材料，圍繞材料

2、的組成、結(jié)構(gòu)、性能展開研究，取得了如下成果：
　　 本文提出了水泥-乳化瀝青-水性環(huán)氧樹脂復(fù)合膠結(jié)鋼箱梁橋面鋪裝層材料的設(shè)計(jì)原理：在固化劑分子中引入醚基、羥基，與環(huán)氧樹脂混合攪拌乳化成水性環(huán)氧樹脂。水泥顆粒既吸附乳化瀝青形成結(jié)構(gòu)瀝青，又與水性環(huán)氧樹脂發(fā)生化學(xué)鍵合，被瀝青與環(huán)氧樹脂包裹，起連接介質(zhì)作用，調(diào)控水泥、乳化瀝青、水性環(huán)氧樹脂的種類、顆粒尺寸及摻配比例，使之硬化后形成以水泥為連接介質(zhì)的瀝青與環(huán)氧樹脂互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)以瀝

3、青為連續(xù)相，使材料具良好的柔韌性，可與鋼板協(xié)調(diào)變形；環(huán)氧樹脂為改性相，形成網(wǎng)絡(luò)穿插于瀝青中，提高了材料的高溫穩(wěn)定性和與鋼板的粘結(jié)強(qiáng)度；水泥作為連接介質(zhì)提高了材料的勻質(zhì)性及水穩(wěn)定性能，克服了環(huán)氧樹脂(極性)與瀝青(非極性)相容性差而分層離析的問題，并能夠常溫下拌合、澆注施工，改善了環(huán)氧瀝青需要高溫拌合碾壓施工，固化速度快，施工可操作時間短的問題。
　　 分析研究了水泥的礦物組成、細(xì)度、種類，乳化瀝青、水性環(huán)氧樹脂的電荷類型、顆粒尺

4、寸以及水泥、乳化瀝青、水性環(huán)氧樹脂三者間的摻配比例等因素，對CAE膠漿勻質(zhì)性、水穩(wěn)定性能、固結(jié)時間、回彈模量、與鋼板的粘結(jié)強(qiáng)度、高低溫性能的影響規(guī)律，確定了原材料的選配原則，提出了CAE膠漿及混凝土的設(shè)計(jì)與制備方法。運(yùn)用XRD、IR、SEM、EDXA、水化熱分析等測試手段，系統(tǒng)研究了CAE膠漿硬化機(jī)理及界面特性。CAE膠漿硬化過程主要包括瀝青膠結(jié)、環(huán)氧樹脂交聯(lián)固化和水泥水化三個部分，在該體系中水泥水化速率、水化放熱量以及水化程度受瀝青和

5、環(huán)氧樹脂的影響均較低。CAE膠漿硬化后形成了水泥-瀝青、水泥-環(huán)氧樹脂、瀝青-環(huán)氧樹脂三個界面。水泥-瀝青、瀝青-環(huán)氧樹脂界面間主要靠物理吸附和機(jī)械嚙合作用；水泥-環(huán)氧樹脂界面間粘結(jié)主要依靠化學(xué)鍵合和環(huán)氧樹脂極性基團(tuán)的強(qiáng)吸附作用。水泥顆粒被環(huán)氧樹脂和瀝青包裹，與集料相隔離，CAE膠漿與集料界面組成主要為瀝青和環(huán)氧樹脂。
　　 CAE混凝土屬于粘彈性材料，其靜態(tài)模量與SMA瀝青混凝土接近，抗剪強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度優(yōu)于SMA瀝青混凝土，與

6、鋼板的粘結(jié)性能、抗疲勞性能達(dá)到了環(huán)氧瀝青混凝土的水平。采用蠕變試驗(yàn)，解析出CAE混凝土伯格斯方程中各力學(xué)參數(shù)，并根據(jù)參數(shù)的變化規(guī)律，探討了水泥和水性環(huán)氧樹脂對于CAE混凝土粘彈性力學(xué)的影響規(guī)律：水泥和環(huán)氧樹脂均有利于降低材料的流動變形、延遲變形及提高溫度穩(wěn)定性，且水泥較環(huán)氧樹脂作用更為明顯。研究了不同溫度、頻率、材料組成對CAE混凝土的動態(tài)模量的影響規(guī)律，建立了CAE混凝土動態(tài)模量預(yù)測模型；基于現(xiàn)象力學(xué)法，建立了CAE混凝土彎曲疲勞方程

7、，探討了材料組成變化對彎曲疲勞壽命的影響規(guī)律；通過熱氧老化和光氧老化試驗(yàn)，分析了材料組成與老化性能之間的關(guān)系；研究成果為新型鋼箱梁橋面鋪裝材料的設(shè)計(jì)與制備提供了參考依據(jù)。
　　 系統(tǒng)研究了CAE混凝土的使用性能，在A/C=2、A/E=5/3時，80℃動穩(wěn)定度達(dá)到22600次/mm，-10℃低溫彎曲應(yīng)變達(dá)到2873με，浸水殘留穩(wěn)定度、凍融劈裂強(qiáng)度比大于90％，與鋼板界面抗剪強(qiáng)度可以達(dá)到1.1MPa，具有優(yōu)異的路面使用性能。

8、>　　 根據(jù)線彈性理論和層狀體系理論，采用ANSYS有限元分析了鋼箱梁橋面鋪裝層彈性模量及厚度的變化對其受力特性的影響規(guī)律：隨著CAE混凝土鋪裝厚度的增加，橫向最大拉應(yīng)力、橫向最大拉應(yīng)變、豎向最大位移顯著下降，縱向最大拉應(yīng)力、縱向最大拉應(yīng)變變化不明顯；鋪裝層材料與鋼板項(xiàng)面之間的剪應(yīng)力先增大后減小。滿足鋪裝層結(jié)構(gòu)受力要求，且有較高安全系數(shù)的CAE混凝土合適鋪裝厚度為60mm。綜合考慮鋪裝層的經(jīng)濟(jì)性、抗滑特性及抗疲勞性能，針對依托工程，提