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原文传递水泥-乳化沥青-水性环氧复合胶结钢桥面铺装材料研究

论文题名：	水泥-乳化沥青-水性环氧复合胶结钢桥面铺装材料研究
关键词：	钢箱梁桥面;水泥;乳化沥青;水性环氧树脂;复合胶结材料;铺装材料
摘要：	钢箱梁具有自重轻、跨越能力大、架设方便等优点是我国桥梁建设，特别是大跨径桥梁建设的主要结构形式。然而，普通沥青基材料存在高温稳定性不良、与钢板粘结性差等问题，易产生推移、拥包等病害。因此，钢箱梁桥面铺装层材料一直是研究的热点和难点。针对钢箱梁桥面铺装材料需要具有良好的柔韧性、高温稳定性及与钢板粘结强度的要求，本文开发出一种水泥-乳化沥青-水性环氧树脂(cement-asphalt-epoxy，CAE)复合胶结钢箱梁桥面铺装材料，围绕材料的组成、结构、性能展开研究，取得了如下成果：　　本文提出了水泥-乳化沥青-水性环氧树脂复合胶结钢箱梁桥面铺装层材料的设计原理：在固化剂分子中引入醚基、羟基，与环氧树脂混合搅拌乳化成水性环氧树脂。水泥颗粒既吸附乳化沥青形成结构沥青，又与水性环氧树脂发生化学键合，被沥青与环氧树脂包裹，起连接介质作用，调控水泥、乳化沥青、水性环氧树脂的种类、颗粒尺寸及掺配比例，使之硬化后形成以水泥为连接介质的沥青与环氧树脂互穿网络结构。该结构以沥青为连续相，使材料具良好的柔韧性，可与钢板协调变形；环氧树脂为改性相，形成网络穿插于沥青中，提高了材料的高温稳定性和与钢板的粘结强度；水泥作为连接介质提高了材料的匀质性及水稳定性能，克服了环氧树脂(极性)与沥青(非极性)相容性差而分层离析的问题，并能够常温下拌合、浇注施工，改善了环氧沥青需要高温拌合碾压施工，固化速度快，施工可操作时间短的问题。　　分析研究了水泥的矿物组成、细度、种类，乳化沥青、水性环氧树脂的电荷类型、颗粒尺寸以及水泥、乳化沥青、水性环氧树脂三者间的掺配比例等因素，对CAE胶浆匀质性、水稳定性能、固结时间、回弹模量、与钢板的粘结强度、高低温性能的影响规律，确定了原材料的选配原则，提出了CAE胶浆及混凝土的设计与制备方法。运用XRD、IR、SEM、EDXA、水化热分析等测试手段，系统研究了CAE胶浆硬化机理及界面特性。CAE胶浆硬化过程主要包括沥青胶结、环氧树脂交联固化和水泥水化三个部分，在该体系中水泥水化速率、水化放热量以及水化程度受沥青和环氧树脂的影响均较低。CAE胶浆硬化后形成了水泥-沥青、水泥-环氧树脂、沥青-环氧树脂三个界面。水泥-沥青、沥青-环氧树脂界面间主要靠物理吸附和机械啮合作用；水泥-环氧树脂界面间粘结主要依靠化学键合和环氧树脂极性基团的强吸附作用。水泥颗粒被环氧树脂和沥青包裹，与集料相隔离，CAE胶浆与集料界面组成主要为沥青和环氧树脂。　　 CAE混凝土属于粘弹性材料，其静态模量与SMA沥青混凝土接近，抗剪强度、拉伸强度优于SMA沥青混凝土，与钢板的粘结性能、抗疲劳性能达到了环氧沥青混凝土的水平。采用蠕变试验，解析出CAE混凝土伯格斯方程中各力学参数，并根据参数的变化规律，探讨了水泥和水性环氧树脂对于CAE混凝土粘弹性力学的影响规律：水泥和环氧树脂均有利于降低材料的流动变形、延迟变形及提高温度稳定性，且水泥较环氧树脂作用更为明显。研究了不同温度、频率、材料组成对CAE混凝土的动态模量的影响规律，建立了CAE混凝土动态模量预测模型；基于现象力学法，建立了CAE混凝土弯曲疲劳方程，探讨了材料组成变化对弯曲疲劳寿命的影响规律；通过热氧老化和光氧老化试验，分析了材料组成与老化性能之间的关系；研究成果为新型钢箱梁桥面铺装材料的设计与制备提供了参考依据。　　系统研究了CAE混凝土的使用性能，在A/C=2、A/E=5/3时，80℃动稳定度达到22600次/mm，-10℃低温弯曲应变达到2873με，浸水残留稳定度、冻融劈裂强度比大于90％，与钢板界面抗剪强度可以达到1.1MPa，具有优异的路面使用性能。　　根据线弹性理论和层状体系理论，采用ANSYS有限元分析了钢箱梁桥面铺装层弹性模量及厚度的变化对其受力特性的影响规律：随着CAE混凝土铺装厚度的增加，横向最大拉应力、横向最大拉应变、竖向最大位移显著下降，纵向最大拉应力、纵向最大拉应变变化不明显；铺装层材料与钢板项面之间的剪应力先增大后减小。满足铺装层结构受力要求，且有较高安全系数的CAE混凝土合适铺装厚度为60mm。综合考虑铺装层的经济性、抗滑特性及抗疲劳性能，针对依托工程，提出了水性环氧树脂粘结层+40mmCAE混凝土+高粘沥青防水粘结应力吸收层+40mm高粘SMA钢箱梁桥面铺装层的结构优化设计方案，并制定了其施工工艺。
作者：	沈凡
专业：	材料学
导师：	丁庆军
授予学位：	博士
授予学位单位：	武汉理工大学
学位年度：	2012
正文语种：	中文