水泥混凝土桥面铺装层间抗剪性能研究

宋国瑞，王笑风，杨博，万晨光，位可可

（1.河南宛龙高速公路有限公司，河南驻马店 463000；2.交通运输行业公路建设与养护技术、材料及装备研发中心，河南郑州 450000；3.河南省交通规划设计研究院股份有限公司，河南郑州 450000）

沥青混凝土铺装层作为水泥混凝土桥的重要组成部分，其与桥面板之间的层间结构严重影响桥面铺装整体结构的使用寿命，是桥面铺装层结构的病害多发区及薄弱区域。沥青混凝土与水泥混凝土的材料属性差异较大，在车辆荷载作用下两结构层会产生不同的变形量。随车辆荷载的反复作用，层间黏结较差的铺筑结构会提前破坏并最终诱发桥面铺装推移、拥抱、脱层等。因此，有必要对水泥混凝土桥面铺装层间结构的抗剪性能进行研究。

目前，对于桥面铺装层的力学分析主要采用室内试验、数值模拟或两者结合的方法。李云良等利用数值模拟的方法，分析了不同条件下的桥面铺装层间受剪状态；王虎等采用数值模拟的方法，分析了不同沥青层厚度、黏结层厚度及接触黏聚力下铺装层的力学响应；Pokorski 等、Raab 等结合室内试验，分析了铺装结构层间剪切特性，但未分析层间抗剪强度；刘云等通过室内剪切与拉拔试验，研究了橡胶沥青、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯（styrene-butadiene-styrene，SBS）改性沥青、SBS 改性乳化沥青、涂膜类防水黏结层等水泥混凝土桥面材料的黏结性能，得出SBS改性沥青和橡胶沥青是混凝土箱梁桥防水黏结层的首选材料；王滔等采用数值模拟的方法建立了桥面铺装三维仿真模型，分析了不同荷载工况下铺装层间剪切状态。综合国内外研究现状，对于桥面铺装层间力学分析研究存在室内试验与数值模拟脱节的问题，研究结果与实际状况存在一定偏差。为此，采用数值模拟与室内试验相结合的方法，利用ABAQUS 软件计算水平荷载及垂直荷载影响下的层间合成最大剪应力，并与室内试验铺装层间抗剪强度建立联系，以期为水泥混凝土桥面铺装设计、防水黏结层的选择及施工提供技术支持。

1 桥面铺装层间受剪性能

1.1 桥梁模型的建立

以T 型梁为研究对象，截面尺寸如图1。选取3片梁并联，采用ABAQUS 有限元软件建立16 m 长桥梁模型。桥面铺装为3 层结构，从上至下依次为4 cm 沥青铺装上面层、6 cm 沥青铺装下面层及10 cm水泥混凝土调平层。为简化力学模型，T型梁马蹄底部限制竖直方向和水平方向的位移，桥梁两端限制水平方向位移。

图1 T形梁截面尺寸（单位：cm）Fig.1 T-beam section size（Unit:cm）

我国现行《公路沥青路面设计规范》（JTG D50—2017）规定，道路路面设计荷载采用双圆荷载，标准轴载为BZZ-100，当量圆直径为21.3 cm，接触面均布压力为0.7 MPa。在实际路面研究过程中，为方便计算，往往将荷载形式简化为正方形或长方形。一般来说，简化后的荷载应可反映实际的轮载作用形式和接地压力。本研究中，将圆形荷载换算成边长为19.2，18.6 cm的长方形均布荷载，具体转化过程如图2。

图2 荷载作用区域的转化（单位：cm）Fig.2 Transformation of loading area（Unit:cm）

不同部位所需的计算精度不同，网格划分的尺寸也不同。对主梁结构采用0.4 m×0.4 m×0.4 m 的网格密度划分，铺装层采用不等间距划分，从桥梁两端逐次向荷载施加区域加密，荷载区域网格尺寸0.01 m×0.01 m×0.01 m，如图3。模型结构层各部位材料参数和所用单元如表1。

表1 结构层基本参数Tab.1 Basic parameters of structural layer

图3 T型梁桥梁铺装计算模型Fig.3 Calculation model of T-beam bridge pavement

1.2 桥面铺装结构层间合成剪应力

选取水平荷载为0.35 MPa、垂直均布荷载分别为0.7，0.8 MPa荷载工况，对铺装层间合成剪应力与层间纵向剪应力及层间横向剪应力的关系进行分析，找到铺装层间最大纵向剪应力位置（图4 中的点1）。该位置处于一个均布荷载内部前端边界线中点，点1连接均布荷载内部另一边界线中点位置（点2），组成正方形路径，如图4。以点1 为起始点，沿正方形路径提取层间纵向剪应力、层间横向剪应力及层间合成剪应力，并绘制剪应力变化曲线，如图5。

图4 路径取值方向Fig.4 Path value direction

图5 剪应力变化曲线Fig.5 Curves of shear stress

由图5可知：水平荷载0.35 MPa、垂直均布荷载0.7，0.8 MPa两种荷载工况下，层间横向剪应力沿正方形路径呈正弦周期变化；纵向剪应力和合成剪应力沿正方形路径呈半正弦周期变化，且变化规律相似，表明层间纵向剪应力对层间合成剪应力的影响较大，即在车辆制动作用下，桥面铺装层间结构易发生剪切破坏。

1.3 水平荷载对层间合成最大剪应力的影响

选取水平荷载（0，0.07，0.14，0.21，0.28，0.35 MPa） 6 个等级、垂直荷载（0.7，0.8，0.9 MPa）3 个等级，利用ABAQUS 有限元软件对桥面铺装层间力学响应进行分析。找到每种水平荷载作用下层间合成最大剪应力的位置，提取该位置层间合成最大剪应力和层间垂直压应力，绘制层间合成最大剪应力和层间垂直压应力随水平荷载的变化曲线，如图6，7。将层间合成最大剪应力和层间垂直压应力拟合回归线，如图8。

图6 层间合成最大剪应力随水平荷载变化情况Fig.6 Variation of synthesis maximum shear stress between layers with the horizontal load

图7 层间垂直压应力随水平荷载变化Fig.7 Vertical compressive stress with the horizontal load

图8 层间合成最大剪应力与垂直压应力拟合曲线Fig.8 Fitting curves of synthesis maximum shear stress and vertical compressive stress between layers

垂直荷载0.7，0.8，0.9 MPa作用下，根据摩尔-库仑理论拟合的层间合成最大剪应力

τ

与层间垂直压应力

σ

方程分别为：

由图6～8及其拟合方程可知：当垂直荷载一定时，层间合成最大剪应力和层间垂直压应力随水平荷载增大而增大；水平荷载影响下，层间合成最大剪应力与层间垂直压应力呈线性关系，且拟合曲线的斜率基本保持不变；当垂直荷载从0.7 MPa增加到0.9 MPa，拟合曲线依次向右移动，即当桥面铺装所受层间垂直压应力相同时，施加的垂直荷载越小，层间合成最大剪应力越大。

1.4 垂直荷载对层间合成最大剪应力的影响

为进一步分析垂直荷载对层间合成最大剪应力与层间垂直压应力的影响，选取垂直荷载（0.7，0.8，0.9，1.0，1.1，1.2 MPa）6 个等级、水平荷载（0.21，0.28，0.35 MPa）3 个等级，对桥面铺装层间力学响应进行分析。找到每种水平荷载作用下层间合成最大剪应力的位置，提取该位置层间合成最大剪应力和层间垂直压应力，绘制层间合成最大剪应力和层间垂直压应力随水平荷载的变化曲线，如图9，10。将层间合成最大剪应力和层间垂直压应力拟合回归线，如图11。

图9 层间合成最大剪应力随垂直荷载变化情况Fig.9 Variation of synthesis maximum shear stress between layers with the vertical load

图10 层间垂直压应力随垂直荷载变化情况Fig.10 Vertical compressive stress between layers with the vertical load

图11 层间合成最大剪应力与层间垂直压应力拟合曲线Fig.11 Fitting curves of synthesis maximum shear stress and vertical compressive stress between layers

水平荷载0.35，0.28，0.21 MPa 作用下，根据摩尔-库仑理论拟合的层间合成最大剪应力

τ

与层间垂直压应力

σ

方程分别为：

由图9，10，11 及拟合方程可知：当水平荷载一定时，层间合成最大剪应力和层间垂直压应力随垂直荷载增大而增大；垂直荷载作用下，层间合成最大剪应力与层间垂直压应力亦呈线性关系，且斜率基本保持不变；水平荷载从0.21 MPa 增加到0.35 MPa时，拟合曲线依次向左移动，即当所受层间垂直压应力相同时，施加水平荷载为0.35 MPa 时拟合曲线的层间合成最大剪应力最大。

综上所述可知：桥面铺装结构所受层间合成最大剪应力和层间垂直压应力均随水平荷载及垂直荷载的增大而增大，说明增加水平荷载和垂直荷载对桥面铺装层间结构安全不利；水平荷载影响下层间合成最大剪应力回归方程斜率基本上稳定在0.92，垂直荷载影响下的斜率稳定在0.47，说明水平荷载对层间合成最大剪应力影响更大；水平荷载方向是顺桥方向，水平荷载的增加会增大铺装结构层间纵向剪应力，层间纵向剪应力决定层间合成剪应力，即水平荷载对层间合成最大剪应力的影响更深远。

2 桥面铺装层间抗剪性能

2.1 层间抗剪强度试验

将成型C40 水泥混凝土板并在混凝土板表面进行拉毛处理，构造深度为0.7 mm；养护后，喷洒最佳用量的防水黏结层材料，再摊铺沥青混合料，将其碾压形成水泥混凝土-防水黏结层-沥青混合料复合试件；养护后钻芯得到直径和高度均为10 cm的圆柱体复合试件，即为层间抗剪试件。在25 ℃下对水泥混凝土-防水黏结层-沥青混合料复合试件进行层间抗剪试验，剪切速率为5 mm/min，采用夹具分别对沥青混合料、水泥混凝土结构层施加垂直荷载，保证复合构件剪切破坏的位置均处于结构层层间，垂直荷载分别为0，0.2，0.4，0.6，0.8 MPa。以SBS 改性沥青同步碎石封层、SBS 改性沥青作为防水黏结层时的层间抗剪强度随垂直荷载的变化如表2。

表2 不同垂直荷载下水泥混凝土桥面铺装层间抗剪强度Tab.2 Shear strength of bridge deck pavement of cement concrete under the diffrent vertical loads

由表2可知：水泥混凝土-防水黏结层-沥青混合料复合构件层间抗剪强度随垂直荷载的增大而增大；相同垂直荷载作用下，以SBS 改性沥青同步碎石封层为防水黏结层时，复合构件层间抗剪强度大于以SBS 改性沥青为防水黏结层时的层间抗剪强度。

2.2 层间剪切状态数值模拟

为将室内试验与数值模拟结果建立联系，根据摩尔-库仑理论对表2 试验结果进行拟合，得到层间抗剪强度拟合曲线，并与

τ

层间合成最大剪应力拟合曲线进行对比，结果如图12。层间合成最大剪应力拟合曲线在层间抗剪强度拟合曲线下方，表明铺装层间结构处于安全状态；反之，说明层间结构极易发生剪切破坏。

图12 抗剪强度与受剪状态拟合曲线Fig.12 Fitting curves of shear strength and shear state

由图12可知：铺装结构所受层间垂直压应力在0～0.8 MPa范围内，层间合成最大剪应力拟合曲线始终处于SBS 改性沥青同步碎石封层层间抗剪强度拟合曲线下方，表明垂直压应力在0～0.8 MPa范围内，SBS 改性沥青同步碎石封层为防水黏结层时层间结构处于剪切安全状态；对于SBS改性沥青层间抗剪强度拟合曲线，在层间垂直压应力为0.6 MPa时，与层间合成最大剪应力拟合曲线始终相交，即当桥面铺装层间垂直压应力在0.6～0.8 MPa范围内时，SBS改性沥青为防水黏结层时层间结构处于不安全状态。

综上所述，在文中所述的铺装结构条件下，以SBS 改性沥青同步碎石封层为防水黏结层，可保证桥面铺装沥青铺装层与混凝土调平层层间处于剪切安全状态。

3 结论

1）水平荷载和垂直荷载作用下，桥面铺装层间合成剪应力受层间纵向剪应力的影响较大，且铺装层间合成最大剪应力和层间垂直应力都随水平荷载及垂直荷载的增大而增大。

2）水平荷载影响下的铺装结构层间合成最大剪应力回归线斜率大于垂直荷载影响的斜率，增加水平荷载对桥面铺装层间结构的安全更不利。

3）与SBS改性沥青相比，SBS改性沥青同步碎石封层作防水黏结层，铺装层间结构更加安全。为完善不同影响因素下的铺装层间结构安全体系，建议后续的研究考虑温度、加载速率、构造深度、层间结构处置方式等因素对铺装层架结构抗剪性能的影响。