安庆大桥钢桥面铺装试没验研究报告

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1、安庆大桥钢桥面铺装试验研究报告安庆长江大桥钢桥面铺装试验研究报告重庆交通科研设计院二四年四月三十一日1.前言1.1 国内外研究现状近年来，随着我国综合经济实力的快速增长和各地经济大开发战略的实施，以高速公路为代表的基础设施建设也得到了迅猛的发展。作为公路建设的一部分，正交异性钢桥面板体系由于其独特的优势而成为钢箱梁桥建设中常采用的桥面板体系，并且得到了越来越多的应用，目前我国已建成并投入使用的大跨径正交异性钢箱梁桥有10多座，如厦门海沧大桥、江阴长江大桥、重庆鹅公岩长江大桥、宜昌长江大桥、军山长江大桥等，都采用了钢箱梁一正交异性钢桥面板形式。然而，正交异性钢桥面板的桥面铺装问题，过去国内并没有

2、得到充分解决，钢桥面铺装过早出现高温车辙、横向推移、开裂等病害，这些病害与钢桥面铺装不利的使用条件及我国的交通状况有直接的关系，同时也体现在防水粘接体系不够完善，表现为铺装压实度不够导致铺装层防水性较薄弱。在本课题研究中，在综合分析安庆长江大桥使用条件的基础上，通过方案比较，重点研究铺装防水粘接体系，沥青混合料的疲劳特性及组合方案疲劳性能，以形成适合安庆长江大桥钢桥面铺装的铺装结构。我国从八十年代开始修建正交异性钢桥面板桥梁，对钢桥面铺装技术的研究也始于这一时期。研究最早始于广东省肇庆市四会县马房镇的北江大桥。而我国对钢桥面铺装较系统的研究工作开始于广东虎门大桥。在对该桥桥面铺装课题中，重庆交

3、通科研设计院在广泛调查世界上各种铺装类型资料的基础上，针对铺装层的变形稳定性、疲劳耐久性、高粘结性、不透水性和良好行驶性能等技术问题进行了系统研究。在参照德国和日本有关钢桥面铺装材料和混合料技术规范的基础上，结合我国气候和交通荷载特点，较大程度地提高了材料性能和部分技术指标。根据提高后的材料技术指标，并采用了SMA方案对广东虎门大桥进行了铺装。由于当时我国对SMA本身认识不足，对桥面铺装的温度、荷载使用条件把握不充分，加之施工前临时改变实施方案及施工工艺控制不到位，铺装1997年5月通车后半年即产生了车辙及横向推移病害。一年以后（1998年10月）恢复最初设计的两层式方案（铣刨1.7cm，加铺

4、3cm，恢复总厚度7cm结构），此后进行过裂缝封水、局部挖补，至2003年10月11月进行重新翻修。通过对广东虎门大桥病害原因的分析和总结，在随后的研究过程中进行了桥面铺装受力分析与现场测试，改性沥青性能的提高及SMA混合料热稳性的提高，取消反应性树脂防水层采用改性沥青防水粘接层，对钢板进行现场打砂及喷涂防腐涂层。其间实施的主要工程有：汕头石大桥、厦门海沧大桥、武汉长江白沙洲大桥、重庆长江鹅公岩大桥、武汉军山长江大桥、宜昌长江大桥等。从目前上述桥梁桥面铺装的使用状况明显可以看到，凡重车和超载车比较多的桥梁（厦门海沧、武汉白沙洲、武汉军山）均产生了脱层推移病害。超载车比例相对较小即使交通量很大（

5、鹅公岩大桥，2003年8月统计昼夜交通量已达7万辆），也没有产生早期脱层病害。此后，以上设计思想在汕头宕石大桥和海沧大桥等钢桥面铺装中得到了充分运用。宕石大桥和海沧大桥的SMA铺装的施工标志着我国改性沥青SMA钢桥面铺装技术系统的进一步完善。但海沧大桥钢桥面在使用近两年后，在进岛方向行车道上开始产生局部脱层（推移病害），由于破坏部位未能及时修补，在水的渗透下脱层的迅速扩大，并不得不在2002年10月进行修复施工。在随后的上海卢浦大桥钢桥面的研究中主要进行了粘接层的研究，主要针对桥面铺装所产生的脱层推移病害进行。采用环氧树脂撒砂，固化后形成剪力键和粗糙面，并采用橡胶沥青砂胶缓冲层的防水粘接体系，

6、提高了铺装层抗剪切推移能力。除了前述的改性沥青SMA铺装体系外，东南大学邓学钧教授等还进行了浇筑式沥青混凝土铺装技术的研究，并用于江阴长江大桥的钢桥面铺装工程中，东南大学黄卫教授等还进行了美国的环氧改性沥青铺装体系的引进与研究，并用于南京长江二桥和舟山桃夭门大桥。在国外，钢桥面铺装技术的研究较早，技术也较成熟，归纳起来大致有以下几种类型：日本的钢桥面铺装多采用浇筑式沥青混凝土兼担防水功能，且都不单独设防水层，在铺装层与钢板间一般采用溶剂型沥青橡胶（20.10.2l/）等起粘接作用；而在一些使用改性沥青密级配混凝土作为铺装下层时，一般采用改性沥青卷材作为防水层。但卷材在施工过程中容易残留空气，形

7、成气泡，并且边角部位很难贴实。所以，在日本，改性沥青卷材作为钢桥面的铺装防水层并未得到广泛应用。而在德国的钢桥面铺装中，粘接层受到很大程度的重视，防水体系也相当完善。防水层主要有如下三种形式：在经打砂的钢板上涂布两层环氧树脂，第一层与钢板的粘接力2.0MPa，第二层与第一层的粘接力1.5MPa，环氧总用量为300500g/,其上撒一层小碎石，碎石之上再依次铺装缓冲层（厚4）和浇注式沥青混凝土（厚度共78）；在经打砂的钢板上直接涂布0.125um厚的溶剂型沥青粘接剂，用量为200300g/，要求与钢板的粘接力0.5 MPa。再铺装沥青密封层（缓冲层）和两层浇注式沥青混凝土，其中，沥青密封层的厚度

8、为34，用量为4.5/，浇注式沥青混凝土的厚度为23.5； 用防水沥青油毡代替第二层环氧树脂，其他同。在美国的钢桥面铺装中，粘接层主要形式为撒布环氧沥青胶结料，这种胶结料的防水粘接效果显著，但施工条件控制非常严格，粘接层的综合性能对施工工艺又有着非常强的依赖性。这种技术在我国的南京长江二桥的钢桥面铺装中得以实施。世界各国的钢桥面铺装基本上均采用沥青混凝土体系。它具有良好的行驶性能，重量轻，适合于发展大跨径桥梁。从选用的材料和施工方法角度出发，目前国内外桥面铺装方案主要有以下四大类：以德国、日本为代表的浇注式沥青混凝土（Gussasphalt）方案；以英国为代表的沥青玛蹄脂混凝土（Mastic

9、asphalt）方案（实际上也是浇注式沥青混凝土，只是铺装厚度和工艺与日本等有所不同）；德国和日本等国近期采用的改性沥青SMA方案（Stone Mastic Asphalt）；以美国为代表的环氧树脂沥青（Epoxy asphalt）混凝土方案。浇注式沥青混凝土铺装层和沥青玛蹄脂混凝土铺装层的主要优点是：空隙率接近零，具有优良的防水、抗老化性能，抗裂性能强，对钢板的追从性、与钢板间的粘结性能好于一般沥青混凝土。其主要缺点是：高温稳定性差，易形成车辙。施工需要一系列专用设备，施工期长。在热带和亚热带夏季气温高且持续时间长的地区，需要进一步改进后才能使用。沥青玛蹄脂混凝土和浇注式沥青混凝土都采用了特

10、立尼达湖沥青（Trinidad Lake Asphalt）。沥青玛蹄脂中的湖沥青含量一般为70%，而浇注式沥青中的湖沥青含量一般为30%，主要依据所采用的基质沥青不同而不同。改性沥青SMA混凝土铺装层的主要优点是：柔韧性、抗松散、抗裂能力强，具有良好的耐久性和防水性能；抗塑流和抗永久变形的能力强，不易产生车辙，具有粗糙的表面构造，防滑性能好，施工难度相对较小，施工期短，费用较低，但需要更进一步解决铺装层与钢板的粘接和防水问题。 环氧树脂沥青混凝土铺装层主要优点是：强度高，高温时抗塑性流动和永久变形能力很强，低温抗裂性能很好，具有极好的抗疲劳性能，具有高度的抵抗化学物质侵蚀的能力，包括溶剂、燃料

11、和油。主要缺点是：环氧沥青混凝土的配制工艺比较复杂，施工中对时间和温度要求十分严格，施工难度大，相关技术在国外多属专利产品，材料费用也较高。1.2 本课题的研究思路在已有研究成果基础上，客观分析过去钢桥面铺装产生病害的原因，找出以前方案的不足，并积极探索新的铺装结构，本研究中主要进行两种铺装结构的系统研究：方案一，是溶剂型粘接剂+缓冲层+浇注式沥青混凝土+改性沥青SMA（如图1.1）；方案二，为双层碎石环氧+溶剂型粘接剂+缓冲层+浇注式沥青混凝土+改性沥青SMA的铺装结构（如图1.2所示），并进行相应的粘接层、缓冲层和混合料的研究，以及铺装组合结构的研究，进一步更好地解决钢桥面铺装关键技术问题

12、，提高钢桥面铺装的使用性能，是我们开展安庆长江大桥钢桥面铺装技术研究的目标，两种铺装方案示意图如下。图1.1 方案一图1.2 方案二1.3本课题的主要研究内容根据钢桥面铺装的特殊使用条件及性能要求，我们在总结已建成通车的钢桥面铺装研究工作的基础上，通过提高材料性能，使铺装层更适应于钢桥面铺装特定使用条件。在安庆长江大桥的铺装材料性能及铺装结构研究中，重点采用以下一些有针对性的措施来开展试验研究工作。 防水粘接层的粘接特性、变形特性和自身强度的改进。 铺装层改性沥青类型的比选。 浇注式沥青混凝土和SMA沥青混凝土的性能研究，从而比较两者的防水性、变形性和疲劳特性。 铺装层组合方案疲劳性能研究。2

13、 安庆长江大桥钢桥面铺装使用条件分析2.1 钢桥面铺装使用温度条件分析安庆长江大桥所处地区气象特征见表2.1。表2.1 安庆地区气象特征表极端最高气温40.9（2003年）极端最低气温-12.5月平均最高气温32.97月月平均最低气温0.41月多年平均气温16.7根据气象资料并结合过去我们对钢桥面铺装温度测试的经验结论：一般在低温时，铺装温度略高于气温，高温时，铺装层温度比气温高3035左右（太阳直射状态下，约在下午13时），铺装底面及钢板温度比气温高2025。考虑一定的余地，可估算安庆长江大桥钢桥面铺装极端使用温度约在-1570，铺装底面及钢板温度约在-1565。因此，铺装用改性沥青，若按S

14、HRP沥青分级，则应达到PG82-22等级。2.2 安庆长江大桥交通荷载分析1. 概述安庆长江公路大桥是一座五跨连续钢箱梁斜拉桥，其主桥主孔跨径为510米，主桥全长为1040米，全桥钢箱梁共分十种梁段形式，以D梁段为标准梁段，本报告主要介绍用有限元分析方法对D标准梁段的钢桥面板和加铺沥青砼铺装后的铺装表面的变形和应力、应变状况所作的计算分析，为该桥的钢桥面铺装的结构设计和施工技术方案的确定提供依据。2. 计算分析方法简介本报告对钢桥面铺装的计算分析方法是应用了交通部重点科技项目大跨径桥梁铺装层与正交异性钢桥面板的受力分析和理论研究的科研成果，其主要是用有限元分析方法对正交异性钢桥面板和沥青砼铺

15、装体系在车辆轴载的作用下的应力、应变状态进行分析，并将联结桥面钢板和铺装体的粘结层作为一特殊的夹层单元形式置入，以模拟钢桥面板和铺装体系的联结状态。报告中主要对钢箱梁桥面系中的U形加劲肋、横隔板和纵隔板在轮载作用下的最大应力和应变分布状况作较全面的计算。3. 模型的建立针对安庆大桥钢箱梁桥面系的结构特点，计算时对重点考察D梁段的U形加劲肋、横隔板、纵隔板分别建立了有限元分析模型，并假设钢桥面板和沥青砼材料均为线弹性材料，桥面钢板和沥青砼铺装之间的粘结过渡层的粘结性能良好，桥面钢板与铺装体之间无相对滑动和分离。(1) 模型的几何尺寸和材料物理参数计算模型主要以安庆大桥标准梁段D为计算对象，模型尺

16、寸纵向取D梁段长15.0米，横向以中纵腹板和其左右3个U型加劲肋的宽度3.6米范围内的正交异性桥面板为考察对象,其几何尺寸如图1所示。 图1 钢桥面板计算模型几何形状钢桥面板的物理参数为： D梁段：顶板厚:14mm，U形肋厚：8mm 密度 =7.8510（Kg/cm） 弹性模量 E=2.110(Kg/cm) 泊松比=0.25 沥青铺装的物理参数为 铺装上层：厚度=35mm，E=1400Mpa 铺装下层：厚度=40mm，E=1600Mpa 泊松比=0.35(2) 有限元网格的生成计算模型是用ALGOR FEAS 有限元分析软件的ViziCAD建立三维实体图形，并由Automesh程序进行网格划分

17、，由于需对该桥进行U形加劲肋和纵、横隔板处的变形和应力应变进行计算，因此分别建立了4个计算模型。(3) 单元形式对于整个有限元计算模型的建立，钢桥面板结构取用板单元形式，沥青铺装体结构取用块单元形式，粘结层以读入刚度矩阵单元的形式在ALGOR FEAS中与桥面钢板板单元和铺装体块单元组合成一完整的钢桥面铺装计算分析模型。(4) 荷载形式根据安庆大桥的设计荷载标准（汽超20，挂120），对钢桥面体系进行计算分析采用了汽超20重车的后轴双轴重（轴重14吨）作为计算荷载，并换算成均布荷载的形式，分别对U形加劲肋和纵、横隔板的各个不利位置进行计算分析。(5) 边界条件计算模型的边界条件处理为：以中纵腹

18、板和横隔板作为整个计算模型的边界弹性支承，允许桥面系结构发生X和Y方向面内的转动（X、Y轴方向上的转动自由度自由）。一 计算结果(1) 铺装前桥面钢板的计算结果 IU形加劲肋（荷载位置I）图2 U形肋处钢板表面应力结果图示（荷位I）荷载作用位置：轮载作用在两U形加劲肋之间的应力应变分布情况。其结果见表1。IIU形加劲肋（荷载位置II）图3 U形肋处钢板表面应力结果图示（荷位II）荷载作用位置：轮载中心作用在U形加劲肋正上方的应力应变分布情况。其结果见表1。表1 U形肋计算结果值荷 位类 别 最大位移（mm）肋间相对挠度（mm）曲率半径（M）最大横向应力（MPa）最大横向拉应变e（me）荷 位

19、I0.84210.239934.532.1154.0荷 位II1.5550.81226.9388.9412.3III横隔板荷载作用位置：轮载作用在横隔板边缘时的应力、应变分布情况。其结果见表2。图4 横隔板处钢板表面应力结果图示表2 横隔板计算结果值 最大位移（mm）最大纵向应力（MPa）最大纵向拉应变ey（me）0.187610.547.6IV纵隔板荷载位置：通过将荷载布置在纵隔板上方附近各个位置的计算结果进行比较得出，只有轮载在两横隔板跨中间的纵隔板正上方时，该位置处的钢板表面的拉应变值最大，其结果如表3所示。图5 纵隔板处钢板表面应力结果图示表3 纵隔板计算结果值 最大位移（mm）最大横

20、向应力（Mpa）最大纵向拉应变ex（me）0.387627.9130.2(2) 铺装后桥面钢板和沥青铺装的计算结果I. U形加劲肋对加铺沥青砼铺装后的U形肋处钢桥面板和铺装的计算,分别对与加铺铺装前的两种荷载位置进行，其计算结果见表4。图6 U形肋处铺装表面应力结果图示（荷载位置I）图7 U形肋处铺装表面应力结果图示（荷载位置II）表4 U形肋计算结果值荷 位类 别 最大位移（mm）肋间相对挠度（mm）曲率半径（M）最大横向应力（MPa）最大横向拉应变e（me）荷位I钢板表面0.55760.135641.5-4.33-40.8铺装表面0.58070.34226.2荷位II钢板表面0.57330

21、.145638.6-2.56-2.79铺装表面0.57660.36232.2II横隔板对加铺沥青砼铺装后的横隔板处钢桥面板和铺装的计算,其结果见表5。图8 横隔板铺装表面应力结果图示表5 横隔板计算结果值 最大位移（mm）最大纵向应力（MPa）最大纵向拉应变ey（me）钢板表面0.22319.5447.0铺装表面0.21150.395232.5III纵隔板对加铺沥青砼铺装后的纵隔板处钢桥面板和铺装的计算,其结果见表6图9 横隔板铺装表面应力结果图示表6 纵隔板计算结果值 最大位移（mm）最大纵向应力（MPa）最大纵向拉应变ex（me）钢板表面0.16521.719.2铺装表面0.17840.4

22、68378.5二. 计算结果分析从上面的图形和数据表格两种计算结果输出方式中可以看出，通过对安庆大桥钢箱梁桥面系结构的主要结构部位（纵向U形加劲肋和纵。横隔板）,在加铺沥青砼铺装前后的变形和应力、应变的详细计算，可以看到在设计荷载的轴重下，纵向U形加劲肋和纵、横隔板等处在铺装前后的肋间相对挠度值和最小曲率半径值均符合钢桥面铺装设计的参考依据，U形肋腹板正上方处产生的横向拉应变值也在合理的范围内，横梁上方的纵向拉应变值均在合理的范围内，其附近铺装表面出现裂缝的可能性很小。3.防水粘接层材料性能研究粘接层材料包括环氧粘接剂和溶剂粘接剂两种粘接材料，防水层包括橡胶沥青砂胶（碎石加强沥青砂胶）等，其性

23、能应满足以下要求。表3.1 环氧粘接剂技术要求性 能要 求粘接强度（25）5.0MPa剪切强度702.0MPa253.0MPa拉伸伸长率（25）20%低温弯曲性能（-20）20圆棒弯曲900无裂纹表3.2 溶剂型粘接剂技术要求性 能要 求试验方法粘度（20），s40JTJ052-2000固体含量40%JTJ052-2000闪点23JTJ052-2000施工温度 540-施工时间，h4-指干时间（25）， h4-与底层粘接强度（25）2.0MPa拉拔试验表3.3 缓冲层性能指标要求指 标要 求试验方法软化点（R&B） 120JTJ052-2000流动性 s3日本铺装试验法便览抗流淌性（倾角750

24、，温度75，时间5h） mm0DIN 1996 剪切强度（70） （Mpa）0.5-空隙率 （%）1JTJ052-2000渗水率 ml/min1JTJ052-20003.1防水粘接层性能要求为了实现钢桥面板与沥青铺装层之间的有效粘接，防止钢板被腐蚀而导致铺装各层之间出现脱层，从而出现钢桥面铺装的早期破坏，就必须设置合理的防水粘接体系，在钢桥面铺装中，应将铺装上层以下的所以结构层都应称作防水结构层，统称为防水粘接体系，在英国，有部分钢桥面铺装就是采用防水粘接体系+薄层磨耗层（BBM）的结构，在德国也是这样分的结构层，根据以往钢桥面的破坏原因，本项目主要进行防水粘接体系的研究，不仅限于防水粘接剂的

25、研究，还包括防水缓冲层、铺装下层作为防水体系的研究。因此，粘接层的作用主要是在钢板与沥青铺装层之间起着粘接作用，同时也起着保护钢板的防水作用；而防水层的主要作用是防止铺装下层的雨水进入粘接层表面，从而引起粘接层与防水层之间的界面脱层，防水层也在粘接层与铺装层之间起着粘接作用；铺装下层的主要作用是防止铺装上层的雨水进入防水层及其以下的界面。根据我们对钢桥面铺装的认识及在已建成通车的钢桥面工程的实践经验，结合钢桥面SMA铺装的性能要求，总结钢桥面铺装防水粘接层体系的性能要求如下：1）要求有良好的层间结合力和变形能力。在钢桥面板温度应力和行车荷载作用下，钢板和铺装层都要发生一层程度的挠曲变形，粘接层

26、须提供足够的结合力以抵抗铺装层和钢板之间产生的剪切应力，使得整个桥面系统在行车荷载的作用下保持良好的整体性，不至于因为车辆的水平剪切作用而造成层间滑移，引起桥面拥包、坑槽等病害；同时钢桥在行车和风力等其他条件的作用下要产生一定的变形，因此要求防水粘接层应具有适应钢板变形的性能要求。2）要求钢板粘接层具有良好的高温稳定性和低温抗裂性。由于安庆长江大桥所处地区温差较大，而且极端最高气温达到40.9，最低气温达到-12.5，因此要求粘接层在高温下仍能提供足够的层间结合力及抗荷载剪切的能力，在极端低温和荷载作用下，不开裂，并且仍具备较强的变形能力。3）要求粘接层具有良好的耐久性。粘接层材料多为有机材料

27、或高分子改性沥青材料，而有机物的缺点是容易老化，老化后，材料会丧失原先一些优良的性能，弹性、韧性、强度、防水性能都会降低，如果耐老化性能过差，还回降低与其他层次的粘结力，导致面层早期破坏，因此，要求防水粘接层具有优良的耐久性能，即不低于面层材料的耐久性。4）要求粘接层具有良好的水稳性、抗化学腐蚀的能力和防水能力。由于铺装层（SMA沥青混合料）属于需要碾压的混合料，并不能保证100不渗水，因此，粘接层表面不可避免地会遭受渗透水的浸蚀，而雨水在流动过程中因溶解了某些化学物质而具有一定的酸碱性，这就要求粘接层不仅必须具有良好的水稳性。而且还应具备良好的化学稳定性；同时，要求粘接层具有良好的防水性能，

28、以隔断水和空气进入钢板表面。5）施工方便、容易控制防水粘接层施工受外界因素影响较多，为了减少外界的干扰，应尽量采用施工工期短、施工工艺简单的材料。3.2试验方法简介3.2.1粘接强度将配制好的粘接层材料涂布于处理好的钢板上，厚度为0.20.3，待其完全固化后，将50的拉头用专用胶粘于试件上，待其完全固化后，在规定的试验条件下测试其拉拔力，由此计算出粘接强度，其示意图如下图所示。F钢板拉头粘接剂图4.1 粘接强度试验示意图（铺装前）3.2.2剪切强度将配制好的粘接层材料和1010的处理好的钢板制成如图4.3所示试件，试件重叠处以粘接层材料粘接，这种方法叫做双搭接法；另一种方法是将配置的粘接层材料

29、制成如图4.4所示试件，试件重叠处同样以粘接层材料粘接，这种待方法叫做单搭接法。当试件完全固化后，在规定的试验条件下测试其剪切荷载，由此计算出剪切强度。图4.3 粘接材料的抗压剪切强度试件示意图（双搭接法）图4.4粘接材料抗拉剪切强度试件示意图（单搭接法）3.2.3柔韧性能（1）拉伸伸长率测试将配制好的粘接层材料成型为一定规格的矩形试件，待其完全固化后，放入180的烘箱中，并立即关闭烘箱，让其自然冷却，取出试件，用样刀裁成哑铃状样条，将样条在拉力机中测试其拉伸伸长率。（2）低温弯曲性能将各种粘接层材料配制好，涂刷于薄铝片上。待其完全固化后，将试件放入180的烘箱中，并立即关闭烘箱，让其自然冷却

30、，取出试件，冷却至室温，再放入冷冻室冷冻一天。让试件在该温度下沿直径为20的圆筒弯曲90O，观察环氧胶的裂纹状况。3.2.4流动性研究防水层的高温流动性是为了考查防水层的施工和易性。将拌和好的防水层混合料快速置于容器内（如下图所示），直到混合料与容器口基本持平为止；再将落锤插入三角架的小孔，此时需注意，三脚架顶部边缘必须与落锤的下刻度线持平，调整好后，紧闭卡口，稳定落锤；然后将三脚架放置于容器上，落锤插入混合料中，并调整三脚架位置，保持落锤自然垂直；待落锤在防水层混合料中预热30s后，松开卡口，让落锤自由下落。落锤在两个刻度线间下落的时间即为流动性时间。图 流动性试验示意图3.2.5抗流淌性研

31、究防水层的高温亢流淌性是为了考查防水层的高温稳定性。将试验模具如平面图所示放置好，将拌和好的防水层混合料置于黄铜模框中（如试件1、2），用刮刀磨平，待其冷却后，将其以75倾斜角放入75烘箱中，保温5小时，记下混合料流淌出刻度线的长度，即为抗流淌性试验的试验数据。图 抗流淌性试验示意图3.2.6铺装混合料之后的剪切强度先在处理好的1010的钢板上涂布0.20.3mm厚的环氧粘接层，并在其上撒布的0.30.6mm的碎石，待其固化后，再涂布0.40.6mm厚的环氧粘接层，并在其上撒布的1.182.36mm的碎石。再在其上依次铺装防水层和沥青混合料，并在70 的水浴中保温4小时，测试剪切强度。粘接层材

32、料受剪性能的加载剪切试验装置如图4.5所示，本装置使试件的着力面与加载方向成一定角度。当对试件加荷载P时，试件受剪切面上的切向力Q为：Q=P.sin则剪切面上的剪应力为：=P/Fsina其中F试件受剪切截面积研究中加载装置的剪切角度为40，试件剪切截面积为100cm2。试件成型方法同粘接强度试验，按底部钢板大小，切割成规定尺寸（100100mm）试件。图4.5环氧粘接层的抗压剪切强度试件示意图（铺装混合料）3.2.7铺装混合料之后的粘接强度先在处理好的钢板涂布0.20.3mm厚的环氧粘接层，并在其上撒布的0.30.6mm的碎石，待其固化后，再涂布0.40.6mm厚的环氧粘接层，并在其上撒布的1

33、.182.36mm的碎石，碎石的用量为500800g/m2。再在其上依次铺装防水层和沥青混合料，并通过钻芯取样，测试粘接强度，其示意图如下图所示。钢板两层沥青混凝土拉头环氧树脂粘接剂图3.4 粘接强度试验示意图（铺装后）3.2.8 贯入度试验其试验方法于浇注式沥青混凝土贯入度试验方法一致，具体试验见第4章。 3.3溶剂型粘接剂性能试验根据国外钢桥面铺装实例及以往研究成果，可以参照日本的钢桥面铺装结构（溶剂型粘接剂+浇注式沥青混凝土），将溶剂型粘接剂直接作为铺装层的粘接材料；同时也可以在铺装结构（环氧碎石+溶剂型粘接剂+缓冲层）中作为缓冲层的底涂层使用，无论时哪种结构都需要溶剂型粘接剂提供足够的

34、粘接强度，因此，本节针对溶剂型粘接剂的材料性能展开系统的研究。根据铺装方案我们开发了GS溶剂型粘接剂作为钢桥面铺装粘接层材料，并进行相关的性能试验。 GS最佳用量的确定我们通过研究GS常温时与钢板的粘接强度分析了GS的最佳用量，即把各种用量下GS常温时与钢板的粘接强度通过拉拔试验测出，再绘制出“粘接强度用量” 曲线，找出曲线的峰值，从而确定出GS最佳用量。另外，我们考虑在实际施工过程中，涂刷溶剂型粘接剂后，需要直接摊铺沥青混合料，所以我们在测试粘接强度时，先把试件放在220的烘箱中保温，然后让其自然冷却至室温，测定粘接强度，测试结果列于下表。表3.3.1 GS用量为210g/m2时的粘接强度测

35、试结果 项目试件温度，粘接强度，MPa平均值，MPa破坏情况1152.4451.986GS与钢板之间27，GS与拉头之间732152.037GS与钢板之间80，GS与拉头之间923151.528GS与钢板之间30，GS与拉头之间704151.935GS与钢板之间25，GS与拉头之间75表3.3.2 GS用量为230g/m2时的粘接强度测试结果 项目试件温度，粘接强度，MPa平均值，MPa破坏情况1152.8522.152GS与钢板之间90，GS与拉头之间102151.579GS与钢板之间85，GS与拉头之间153151.732GS与钢板之间90，GS与拉头之间104152.445GS与钢板之间

36、95，GS与拉头之间5表3.3.3 GS用量为250g/m2时的粘接强度测试结果 项目试件温度，粘接强度，MPa平均值，MPa破坏情况1152.4452.406GS与钢板之间100， 2152.088GS与钢板之间100， 3152.801GS与钢板之间95，GS与拉头之间54152.292GS与钢板之间100%表3.3.4 GS用量为270g/m2时的粘接强度测试结果 项目试件温度，粘接强度，MPa平均值，MPa破坏情况1151.6211.362GS与钢板之间30，GS内聚破坏2151.231GS与钢板之间30，GS内聚破坏3151.306GS与钢板之间10，GS内聚破坏4151.292GS

37、与钢板之间20，GS内聚破坏表3.3.5 GS用量为290g/m2时的粘接强度测试结果 项目试件温度，粘接强度，MPa平均值，MPa破坏情况1151.6301.337GS内聚破坏 2151.222GS内聚破坏3151.222GS内聚破坏4151.273GS内聚破坏为了更直观地反映GS与钢板的粘接强度随温度的变化关系，我们将以上试验结果绘制成“粘接强度GS用量”关系图，如图1所示。GS-6用量（102g/m2）粘接强度（MPa）图1 GS的用量对粘接强度的影响关系图以上研究结果表明，GS与钢板的粘接强度随着GS用量的增加呈现先增大后减小、最后趋于平缓的变化趋势，并且在GS的最佳用量为250g/m

38、2时粘接强度达到最大值（2.406Mpa）。从试件的破坏形式也可以看出，当GS的用量低于250g/m2时，GS并没有完全覆盖喷砂后的钢板表面，没有完全浸润钢板的粗糙表面，故此时粘接强度随着GS的用量增加而增加；结合试验试件的破坏情况和试验数据分析可知，当GS的用量达到250g/m2左右时，GS正好完全覆盖喷砂钢板的粗糙表面，故此时的粘接强度最大，从破坏情况来看，此时试件几乎都是从GS涂膜与钢板界面处断开而并没有发现GS涂膜的内聚破坏，表明此时GS涂膜的内聚强度大于GS涂膜与钢板的粘接强度；但随着GS的用量继续增大，当GS的用量超过250g/m2时，多余的GS对它自身与钢板的浸润作用毫无裨益。相

39、反，随着GS用量的增加，GS涂膜也随之增厚，滞留在GS涂膜与钢板的界面及其涂膜内部的溶剂很难得到充分的挥发，不仅直接影响了GS与钢板之间的粘接强度，而且也降低了GS涂膜自身的内聚强度。通过试件的破坏形式还可以看出，此时几乎所有试件都发生了GS涂膜的内聚破坏，表明此时由于滞留的溶剂影响了GS涂膜的内聚强度而导致了涂膜的内聚强度低于涂膜与钢板的粘接强度。因此，当GS的用量达到并超过250g/m2时，粘接强度随着GS的用量增大而减小。温度对GS与钢板粘接强度的影响作为钢桥面铺装材料之一的溶剂型粘接剂在钢桥面运营过程中不可避免地会遭受季节变化而带来的温度应力。因此，研究GS在各种温度下的粘接强度，找出

40、GS与钢板的粘接强度随温度变化的规律是十分必要的。我们把以下几种温度条件下的粘接强度测试结果列于下表。表3.3.6 GS与钢板在-20条件下的粘接强度 项目编号实测温度，粘接强度，MPa平均值，MPa破坏情况1-200.920.96粘接层与钢板70%，拉头与粘接层30%2-201.07粘接层与钢板60%，拉头与粘接层40%3-201.02粘接层与钢板60%，拉头与粘接层40%4-200.81粘接层与钢板75%，拉头与粘接层25%表3.3.7 GS与钢板在-10条件下的粘接强度 项目编号实测温度，粘接强度，MPa平均值，MPa破坏情况1-101.121.38粘接层与钢板35%，拉头与粘接层65%

41、2-101.53粘接层与钢板45%，拉头与粘接层55%3-101.53粘接层与钢板63%，拉头与粘接层37%4-101.32粘接层与钢板80%，拉头与粘接层20%表3.3.8 GS与钢板在0条件下的粘接强度 项目编号实测温度，粘接强度，MPa平均值，MPa破坏情况101.321.27粘接层与钢板75%，拉头与粘接层25%201.27粘接层与钢板25%，拉头与粘接层75%301.38粘接层与钢板50%，拉头与粘接层50%401.12粘接层与钢板15%，拉头与粘接层85%表3.3.9 GS与钢板在20条件下的粘接强度 项目编号实测温度，粘接强度，MPa平均值，MPa破坏情况122.30.921.3

42、2粘接层与钢板75%，拉头与粘接层25%222.31.73粘接层与钢板90%，拉头与粘接层10%322.31.53粘接层与钢板83%，拉头与粘接层17%422.31.12粘接层与钢板96%，拉头与粘接层4%表3.3.10 GS与钢板在30条件下的粘接强度 项目编号实测温度，粘接强度，MPa平均值，MPa破坏情况1303.062.18粘接层与钢板80%，拉头与粘接层20%2302.04粘接层与钢板7%，拉头与粘接层93%3301.53粘接层与漆钢板%，拉头与粘接层55%4302.09粘接层与钢板35%，拉头与粘接层65%表3.3.11 GS与钢板在40条件下的粘接强度 项目编号实测温度，粘接强度

43、，MPa平均值，MPa破坏情况1402.292.52粘接层与钢板99%，拉头与粘接层1%2402.44粘接层与钢板98%，拉头与粘接层2%3402.8粘接层与钢板80%，拉头与粘接层20%4402.55粘接层与钢板82%，拉头与粘接层18%表3.3.12 GS与钢板50条件下的粘接强度 项目编号实测温度，粘接强度，MPa平均值，Mpa破坏情况1502.292.68粘接层与钢板100%2502.80粘接层与钢板95%，拉头与粘接层5%3503.06粘接层与钢板90%，拉头与粘接层10%4502.55粘接层与钢板95%，拉头与粘接层5%表3.3.13 GS与钢板在60条件下的粘接强度 项目编号实测

44、温度，粘接强度，MPa平均值，MPa破坏情况1601.121.28粘接层与钢板100%2601.43粘接层与钢板100%3601.02粘接层与钢板100%4601.53粘接层与钢板99%，拉头与粘接层1%表3.3.14 GS在70下的粘接强度性能试验 项目试件实测温度，粘接强度，MPa 平均值，MPa破坏情况1700.760.85粘接层与钢板75%，拉头与粘接层25%2700.92粘接层与钢板80%，层间15%，拉头与粘接层5%3700.81粘接层与钢板75%，层间5%，拉头与粘接层20%4701.27粘接层与钢板83%，层间2%，拉头与粘接层15%5700.71粘接层与钢板75%，层间10%

45、，拉头与粘接层15%为了更直观地反映GS与钢板的粘接强度随温度的变化关系，我们将以上试验结果绘制成“粘接强度温度”关系图，如图1所示。温度（）粘接强度（MPa）图1 温度对GS与钢板的粘接强度的影响柱形图测试结果表明，在-20与20的温度范围内，粘接强度波动不大，处于一个相对恒定的趋势（1.0 MPa左右）；而后随着温度环境升高，粘接强度也随之增大，并在50时达到最大值（2.68 MPa）；温度继续升高，粘接强度又开始下降，当温度上升到70时，粘接强度为0.85 MPa。通过柱形图我们可以直观地看到，只有当气温在极端最高温或极端最低温时，粘接强度才小于1.0 MPa，但仍然大于0.8 MPa，

46、其余情况下粘接强度都在1.0 MPa以上，表明GS与钢板的粘接性能良好。 GS低温性能研究 拉伸性能测试将GS成型为一定规格的矩形试件，待其完全固化后，放入180的烘箱中，并立即关闭烘箱，让其自然冷却，取出试件，用样刀裁成哑铃状样条，将样条在拉力试验机中测试其拉伸伸长率。表3.3.15 GS拉伸性能测试结果试 件编 号拉伸强度（MPa）断裂伸长率（%）备注10.96218.3*测试温度：1220.65218.3*30.83218.3*40.63218.3*50.78218.3*平均值0.77218.3*注：因拉伸仪器行程所限，所有试件均未被拉断。 低温弯曲性能测试将GS涂刷于薄铝片上，待其完全

47、固化后，将试件放入180的烘箱中，并立即关闭烘箱，让其自然冷却。取出试件，冷却至室温，再分别放入-20和-30冷冻室冷冻一天。让试件在该温度下沿直径为20的圆筒弯曲900，观察环氧胶的裂纹状况。结果表明，GS在-20和-30的温度条件下弯曲，并未出现任何裂纹。从GS的拉伸试验和低温弯曲试验的测试结果可以看出，GS溶剂型粘接剂的变形能力和低温抗裂性能优良。因此GS溶剂型粘接剂不仅具有良好的粘接性能，而且具有优良的高温稳定性和低温抗裂性。3.4环氧型粘接剂性能试验借鉴德国和日本钢桥面铺装的相关技术，结合以往桥面铺装的研究成果，拟采用环氧粘接剂作为安庆长江大桥的桥面铺装的防水粘接层。 根据双组分环氧

48、胶的化学结构和固化原理，我们通过各种途径，找到了一种合适的增韧剂，并通过配方调整和综合性能测试，实现了对其双组分环氧胶的增韧。经增韧改性的双组分环氧胶的各种性能满足钢桥面防水粘接剂的技术要求，并被最终确定为钢桥面铺装防水粘接剂之一。3.4.1 A、B双组分固化体系性能研究粘接强度粘接强度按照4.1.1所述试验方法测试，结果列于表3.4.1。表3.4.1 A、B双组分固化体系高温（25）粘接性能测试结果试件编号拉力kN粘接强度（MPa）破坏位置平均值（MPa）19.54.8拉头与粘接层界面处6.0213.36.820%粘接层被拉掉310.55.3拉头与粘接层界面处411.55.9拉头与粘接层界面

49、处513.87.05%粘接层被拉掉*铺装结构：新喷砂钢板+粘接层*测试条件：经历180热作用，自然冷却上表的测试结果表明，A、B双组分固化体系与钢板的粘接性能十分优异，但是拉拔试验时，试件破坏位置各异，所以表中数据不能真实反映新喷砂钢板与A、B双组分固化体系的粘接性能。我们从破坏界面来看，大部分破坏都发生在拉头与粘接层的界面处，从这点我们可以断定：A、B双组分固化体系与钢板的实际粘接强度应该大于上表中所测试的相关数据。因此我们可以认为，A、B双组分固化体系与钢板的粘接性能满足钢桥面粘接层的性能要求。剪切性能 剪切性能按照4.2所述试验方法测试，结果列于表3.4.2。表3.4.2 A、B双组分固

50、化体系的高温剪切性能测试结果（70）试件编号剪切应力kN剪切强度MPa平均值MPa备注1957.75.8双搭接测试方法255.54.83555.0*铺装结构：新喷砂钢板+粘接层,*测试条件：经历180热作用，冷却后，再70保温2小时测试从表5.16可以看出，在经历180高温热作用后，A、B双组分固化体系在70的高温剪切强度高达5.8 MPa，说明其高温剪切性能优异。柔韧性能拉伸伸长率 拉伸伸长率按照4.3.1所述试验方法测试，结果列于表3.4.3。表3.4.3 A、B双组分环氧固化体系的力学性能试 件编 号拉伸强度（MPa）杨氏模量（Mpa）断裂伸长率（%）备注19.67286.828.91测

51、试温度：23湿度：50%*经历180热作用，室温测试210.31265.0211.9238.54208.8412.3047.97250.4510.1758.52268.299.61平均值9.00255.8810.58表3.4.3是A、B双组分环氧固化体系的力学性能的测试结果。A、B双组分环氧固化体系具有较高的内聚强度（拉伸强度），但是断裂伸长率偏低，既柔韧性能不能达到我们要求德大于20%。低温弯曲性能A、B双组分固化体系的低温弯曲性能按照4.3.2所述试验方法测试，测试结果为：在-12弯曲90O无任何裂纹，而在-20弯曲90O有较多裂纹。3.4.2对双组分环氧经增韧改性后的性能研究 从以上的测

52、试结果，我们能看出A、B双组分环氧固化体系与新喷砂钢板的粘接强度及剪切强度和其本身的内聚强度等性能都十分优异，均能满足钢桥面铺装的技术要求，但是其柔韧性能稍微有所欠缺。由于其力学性能如此优异，我们考虑对A、B双组分环氧固化体系进行增韧改性，在适当降低其力学性能的基础上，提高其柔韧性能。下文3.4.2.1节，就对其增韧效果进行尝试，如果经增韧改性后的固化体系能使韧性有明显提高，且满足钢桥面铺装粘接层的性能要求，就继续进行其它性能指标的测试和验证。否则，其下一步工作就没有必要进行下去。3.4.2.1 AP-1增韧A、B双组分环氧固化体系性能研究柔韧性能拉伸性能试验拉伸伸长率按照4.3.1所述试验方

53、法测试，结果列于表3.4.4。表3.4.4 A、B双组分固化体系经10%AP-1增韧后的拉伸结果试 件编 号拉伸强度（MPa）杨式模量（MPa）断裂伸长率（%）备注14.9584.7126.15测试温度：23湿度：50%AP-1用量：10%25.5069.3325.6436.13103.3326.5845.48110.4825.9655.0696.6420.9765.1288.9924.62平均值5.3792.2424.98与表3.4.3相比，经10%AP-1增韧后的A、B双组分环氧固化体系的断裂伸长率上升到24.98%，接近于增韧前（10.58%）的2.5倍。低温弯曲性能AP-1增韧A、B双

54、组分环氧固化体系的低温弯曲性能：在-12弯曲90O无任何裂纹，在-20弯曲90O无任何裂纹。以上测试结果表明，AP-1增韧剂对A、B双组分环氧固化体系有较明显的增韧效果。增韧后的A、B双组分环氧固化体系的柔韧性能满足钢桥面铺装粘接层的性能要求，但这种增韧体系的其他性能还有待系统研究进一步加以验证。3.4.2.2 AP-1增韧A、B双组分环氧固化体系综合性能研究（1） AP-1最佳用量的确定通过研究不同的AP-1增韧剂对整个固化体系的粘接性能、剪切性能和柔韧性能的影响，兼顾该固化体系的综合性能，确定出增韧剂AP-1的最佳用量。粘接强度测试分别测试了高温（70）和常温下AP-1的用量对增韧固化体系

55、粘接强度的影响，并把测试结果列于表3.4.5和表3.4.6。表3.4.5不同AP-1用量时A、B双组分固化体系常温粘接性能试验结果 项目AP-1用量试验温度粘接强度（MPa）破坏位置 备注0253.7主要在环氧富锌漆与钢板之间部分拉头未粘好5%253.8主要在环氧富锌漆与钢板之间10%253.6主要在环氧富锌漆与钢板之间部分拉头未粘好15%254.7主要在环氧富锌漆与钢板之间20%254.8主要在环氧富锌漆与钢板之间*铺装结构：新喷砂钢板+环氧富锌漆+粘接层为了更直观地反映增韧剂AP-1对该固化体系与钢板常温粘接性能的影响，将上表数据绘制成“粘接强度AP-1用量”坐标图（如下图）AP-1的用量

56、，%粘接强度MPa图1 AP-1用量对固化体系常温粘接强度影响关系图表3.4.5的测试结果表明，在常温状态下，拉拔试验的破坏位置都主要是在漆膜与钢板之间，说明上述几种配方的A、B双组分固化体系与油漆之间的粘接强度大于油漆在钢板上的附着力，因此增韧剂AP-1的用量对A、B双组分固化体系性能的影响并没有得到很直观的反映。但随着AP-1用量的增大，粘接强度测试结果也有所增大，这是因为AP-1用量增大使整个固化体系的粘度降低，增大了A、B双组分固化体系对钢板表面的环氧富锌漆的浸润能力。表3.4.6 不同AP-1用量时A、B双组分固化体系高温（70）粘接性能试验结果 项 目AP-1用量试验温度粘接强度（

57、MPa）破坏位置0703.8主要是A、B胶的内聚破坏5%704.0主要是A、B胶的内聚破坏10%704.6主要是A、B胶的内聚破坏15%703.7主要是A、B胶的内聚破坏20%703.0主要是A、B胶的内聚破坏*铺装结构：新喷砂钢板+环氧富锌漆+粘接层为了更直观地反映增韧剂AP-1对该固化体系与钢板高温粘接性能的影响，将上表数据绘制成“粘接强度AP-1用量”坐标图（如下图）粘接强度MPaAP-1的用量，%图1 AP-1用量对固化体系高温粘接强度影响关系图表3.4.6结果表明，在70的高温状态下，拉拔试验的破坏形式都主要是A、B环氧胶的内聚破坏，但随着增韧剂AP-1用量的不断增大，粘接强度先增加

58、后减小，当AP-1的用量为10%时，粘接强度达到最大值。分析其原因，随着AP-1用量增大，一方面会增加A、B双组分固化体系对环氧富锌漆界面的浸润效果，有利于A、B双组分固化体系与环氧富锌漆之间的粘接；另一方面，增韧剂AP-1的加入，会使A、B固化体系自身的内聚强度降低，不利于A、B固化体系与钢板之间的粘接。这两个相互矛盾的因素同时贯穿于A、B双组分固化体系固化过程始终。当AP-1的用量小于10%时，前者起主导作用，因此粘接强度增大；当AP-1的用量超过10%时，后者起主导作用，因此粘接强度的测试值减小，所以AP-1的最佳用量为10%。同时，比较表5.33和表5.34的粘接强度和破坏形式，我们还发现，油漆在钢板上的附着力在高温时比其在常温时要高，其原因有待进一步研究。由于有油漆的存在，以上两个试验结果均不能直观的反应AP-1增韧后的双组分环氧与新喷砂钢板之间的粘接强度，因此，我们又进行了下面的试验：不