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原文传递基于耐久性的季冻区混凝土桥桥面铺装结构-材料-施工协同优化研究

论文题名：	基于耐久性的季冻区混凝土桥桥面铺装结构-材料-施工协同优化研究
关键词：	季冻区;混凝土桥;桥面铺装;协同优化;耐久性分析
摘要：	桥面铺装位于桥梁表面，直接承受行车荷载作用，是保护桥梁主体结构的重要体系。季冻区气候环境复杂，特别是在重载交通条件下，桥面铺装体系使用寿命极短，往往通车后一两年即发生大规模损坏，严重影响桥梁结构安全和交通安全。针对季冻区混凝土桥桥面铺装损伤机理不明确、结构设计体系欠缺、铺装层材料耐久性能薄弱、施工工艺不适应等系列难题，攻克桥面铺装频发病害控制技术瓶颈，研发与季冻区服役条件相适应的长效、耐久、高品质的桥面铺装系统，成为当前行业研究的热点和难点。　　鉴于此，本文依托交通部行业联合科技攻关项目（2010353337200）和内蒙古自治区交通运输厅交通科技项目（NJ-2013-30），以国道110线海勃湾至麻黄沟公路乌海黄河特大桥工程为应用案例，开展基于耐久性的季冻区水泥混凝土桥桥面铺装结构、材料与施工协同技术研究。　　首先，利用自行研发的桥面铺装环境与交通荷载“云+”监测系统，对季冻区桥面铺装层温度场和荷载场进行了全时域监测、统计分析与数值模拟，建立了温度双正弦函数预估模型；其次，基于典型病害防控原则，提出了厚度、模量及渗透系数等差异显著的八种桥面铺装结构组合，采用COMSOL有限元软件，计算分析了荷载-动水-温度多场耦合作用下结构力学响应规律和功能失效机理，提出了桥面铺装协同设计要求；再次，试验分析了沥青类型、粒径及级配对铺装层混合料和易性、路用性能、动态力学特性和耐久性的影响规律，采用“强化蒸馏实现胶体体系重组+强极性物质打破沥青团簇实现模量升级+SBS改性实现沥青质多层多点交联”的制备方法，研发了综合性能优于I-DSBS改性沥青的宽域高模量沥青结合料，采用星点-效应面法优选出适用于季冻区的宽域高模量沥青混合料，并借助CT扫描技术分析了材料内部孔隙状态和均匀性分布特征；然后，利用自主研发的层间联结测试设备，建立了防水材料性能多级指标测试方法，分析了防水材料界面粘结特性的变化规律，采用AHP层次分析方法构建多元指标评价模型，优选出季冻区桥面铺装防水体系最佳方案；最后，基于“桥面最大挠度等效路面弯沉”原则，建立了桥面铺装多层弹性分析模型，验算确定了季冻区桥面铺装在不同交通荷载和气候特征下的结构组合方案。对上述方案进行了施工应用验证，提出了品质控制关键工艺及技术要求，从而实现季冻区混凝土桥桥面铺装从结构设计、材料支撑到施工保障的完整协同效应。主要研究结论如下：　　（1）季冻区桥面铺装层最高温和最低温均发生在层表，距层表越近，温度变化波动越明显；重载交通分布特性表明，三联轴的两种车型均存在极端超重现象，轴载谱在5t和20t左右出现两个波峰，夏季7月和冬季12月的超车道是季冻区桥面铺装温度-荷载耦合作用的最不利时空区间。　　（2）季冻区桥面铺装典型病害为Top-Down开裂、车辙变形、坑槽及层间联结失效；结构层厚度增加能一定程度降低最大剪应力，铺装层模量增加能显著降低层间剪切破坏，层间状态由连续转为光滑时，最大剪应力增加1.4~2.0倍，超载对桥面铺装造成非线性叠加损伤，铺装层渗透系数在10-7~10-4m/s区间时，动水破坏效应最小，水相变导致的冻胀效应使层间破坏风险增大，受表面层空隙率影响显著，且与结构厚度和组合形式相关；铺装层设计应保证层间结合连续、基于层位功能设计结构组合、严格结构材料分级控制和工艺质量控制。　　（3）研发的宽域高模量沥青结合料SHRP等级为PG82-22、60℃复数剪切模量＞20KPa，最佳配方为1.5%多聚磷酸+5%SBS+4%助剂B+相容剂+稳定剂，推荐制备条件为发育温度185℃、发育时间12h、热储存时间≤48h，优选的宽域高模量沥青混合料，综合性能指标均优于SMA沥青混合料，面空隙率和孔隙体积比例均显著低于常规桥面铺装混合料，处于良好密实均匀状态。　　（4）提出混凝土桥桥面铺装防水体系技术要求：1）防水粘结材料：48h带压无渗透、热混凝土碾压无硌破、常温柔度良好、低温有一定柔度，盐融腐蚀无脱落、动水冲刷无剥离；2）层间联结：25℃层间拉拔及剪切强度均大于0.45MPa；3）复合结构耐久性：汉堡轮辙试验20000次碾压变形值小于10mm，且变形曲线无拐点。采用AHP层次分析方法优选确定“桥面处理+SBS改性沥青（洒布0.5%单粒径预拌碎石）+2cmSBS改性沥青胶砂+改性乳化沥青黏层”为桥面防水体系最佳方案。　　（5）基于多层弹性体系的桥面铺装设计方法以表面层疲劳开裂、铺装层永久变形、层间联结强度为验算控制指标，经计算推荐在季冻区极特重交通条件下，采用“多功能层+承重层+磨耗层”桥面铺装结构。
作者：	付建村
专业：	道路与铁道工程
导师：	申爱琴
授予学位：	博士
授予学位单位：	长安大学
学位年度：	2022