艾長發(fā) 楊 濤 陽恩慧 邱延峻 劉 東

（西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院1） 成都 610031）（道路工程四川省實驗室2） 成都 100031）

（四川成渝高速公路股份有限公司3）成都 610041）

0 引 言

改性瀝青填充式橋梁伸縮縫是20世紀70年代由英國發(fā)展起來的一種新興的橋梁伸縮縫，其主要工作機理是依靠高彈性特種瀝青結(jié)合料與石料形成的混合物的彈性來適應(yīng)由于溫度和交通荷載作用而產(chǎn)生的橋梁端部位移［1］.構(gòu)造見圖1.

圖1 伸縮縫構(gòu)造圖

由于該伸縮縫與橋面鋪裝連接平順，行車舒適平穩(wěn)，且具有施工方便、易修補等優(yōu)點，因此，在許多中小跨徑橋梁上得到推廣使用.隨著無縫伸縮縫專用膠結(jié)料產(chǎn)品的更新?lián)Q代，目前該伸縮縫在許多大跨徑橋梁上也進行了試驗性應(yīng)用.為保證該伸縮縫的使用品質(zhì)，必須保證材料本身具有優(yōu)良的路用性能，以適應(yīng)環(huán)境與車輛荷載的共同作用，特別是適應(yīng)低溫環(huán)境下的梁體收縮變形.為此，文獻［2］提出用橡膠粉改性SBS 瀝青并輔以橡膠顆粒替代部分礦料的辦法，以提高伸縮縫材料高低溫及伸縮變形性能；文獻［3］采用納米粉體材料對彈塑體的填充-共混法，以提高伸縮縫材料拉伸及低溫性能；文獻［4］通過添加熱塑性橡膠類改性劑和橡膠類改性劑的方法，以改善伸縮縫材料的低溫性能.由于伸縮縫兩端與梁體連接處界面是一個薄弱環(huán)節(jié)，常出現(xiàn)粘結(jié)不牢固現(xiàn)象，易開裂.為此，文獻［1，3］從施工工藝改進角度，提出采用噴燈對梁端界面進行分段預(yù)熱再涂底油的方法以提高界面粘結(jié)性能，工程實踐檢驗，該措施效果明顯.界面粘結(jié)是否牢固，不僅跟粘結(jié)材料屬性有關(guān)，而且跟粘結(jié)界面特性有關(guān).關(guān)于界面粘結(jié)特性，目前在橋面鋪裝防水層方面做了大量研究［5-10］，而在改性瀝青填充式橋梁伸縮縫端部界面粘結(jié)方面鮮為報道.為此，本文針對一種新型無縫伸縮縫專用膠結(jié)料，制作其混合料，結(jié)合橋梁伸縮縫收縮受拉的工作特性，采用直接拉伸試驗方法，測試并分析不同溫度條件、不同界面特性對伸縮縫材料與梁端粘結(jié)性能的影響規(guī)律，解釋粘結(jié)機理，分析失效原因，以資為改性瀝青填充式橋梁伸縮縫設(shè)計和施工提供技術(shù)指導(dǎo).

1 原材料

1.1 新型改性瀝青膠結(jié)料

試驗使用的改性瀝青膠結(jié)料為某公司生產(chǎn)的無縫伸縮縫專用膠結(jié)料，該膠結(jié)料是以多元復(fù)配專用改性瀝青為基材、輔以多種添加劑組成的熱塑高彈性體.按照規(guī)范［11］的試驗方法，測得改性瀝青膠結(jié)料性能指標見表1.

表1 改性瀝青膠結(jié)料性能指標

1.2 集料

試驗中使用的集料為單級配玄武巖碎石，按照規(guī)范［12］的試驗方法，測試集料的顆粒組成、力學(xué)指標和粘附性.試驗結(jié)果見表2和表3.

表2 集料顆粒組成

表3 集料力學(xué)指標及粘附性試驗結(jié)果

2 試驗方案

2.1 試件制作方法

試驗中改性瀝青填充式橋梁伸縮縫混合料的制備由改性瀝青膠結(jié)料與集料按質(zhì)量1∶3的比例經(jīng)高溫加熱拌制混合均勻而成.采用35mm×35mm×150mm小梁試件，具體制作流程見圖2.

圖2 試件制作流程

2.2 試驗方法

研究橋梁伸縮縫粘結(jié)特性是分析伸縮縫使用性能的一個重要指標之一，在橋面鋪裝防水層中常采用剪切試驗和拉拔試驗來測試橋面防水層的粘結(jié)特性.由于伸縮縫與梁端粘結(jié)界面的工作模式與橋面防水層不同，因此，本研究采用直接拉伸的試驗方法，測試并分析伸縮縫與梁端界面間的粘結(jié)性能.研究中，設(shè)計了9種試驗溫度條件，分別為-20，-10，0，10，20，30，40，50，60 ℃；2 種界面特性，分別為表面平整和表面粗糙.分別測試改性瀝青伸縮縫混合料與梁端在不同溫度條件、不同界面特性狀態(tài)下的界面粘結(jié)力PN.粘結(jié)強度T可由計算式（1）求得.

式中：T為粘結(jié)強度，MPa；PN為試驗中測讀的最大粘結(jié)力，N；S為試件破壞處斷面面積，mm2.

3 粘結(jié)性能分析

3.1 溫度條件的影響

在試件粘結(jié)面平整和粗糙狀態(tài)下，測得不同溫度條件下的粘結(jié)面間的粘結(jié)力PNP和粘結(jié)強度TP.試驗結(jié)果見表4.2種粘結(jié)面情況下的粘結(jié)強度隨著試驗溫度變化的關(guān)系，見圖3.

表4 粘結(jié)特性試驗結(jié)果

圖5 粘結(jié)強度與試驗溫度的變化關(guān)系

由表4和圖3可得：（1）無論粘結(jié)面處于何種情況，隨著試驗溫度的升高，粘結(jié)力和粘結(jié)強度均逐漸減小，呈現(xiàn)出非線性的下降趨勢，并在-20～-10，-10～30，30 ℃以上3個溫度區(qū)間遞減規(guī)律顯著不同；（2）在-20～-10 ℃溫度區(qū)間，粘結(jié)強度急劇下降.其中：表面平整時，TP下降幅度達109.8%，遞減速率為0.179 MPa／℃；表面粗糙時，TC下降幅度為86%，遞減速率為0.172 MPa／℃；（3）在-10～30 ℃溫度區(qū)間，粘結(jié)強度下降趨勢趨于減緩，其中，在-10～10 ℃溫度區(qū)間，遞減速率較快，降幅大于1 MPa，而在在10～30 ℃溫度區(qū)間，遞減速率較慢，降幅僅0.25 MPa左右；（4）隨著試驗溫度的進一步升高，特別在30℃以上時，粘結(jié)強度遞減速度變得非常緩慢，變化趨勢線幾乎趨于平緩.

3.2 界面特性的影響

當粘結(jié)界面由表面平整變?yōu)楸砻娲植诤?，其強度提高值及對?yīng)的提高百分率見表5.界面粗糙時，粘結(jié)強度提高情況見圖4.

表5 粘結(jié)強度變化情況

圖4 粗糙界面粘結(jié)強度提高情況

由表5及圖4可得：（1）當粘結(jié)界面經(jīng)表面粗糙處理后，不同溫度條件下的粘結(jié)強度均有所提高.說明梁端粗糙化處理有利于提高粘結(jié)強度，從而降低改性瀝青填充式橋梁伸縮縫與梁端連接處界面開裂的風險；（2）當粘結(jié)界面經(jīng)表面粗糙處理后，不同溫度條件下的粘結(jié)強度提高幅度與提高百分率不同.在低溫0℃以下，強度提高幅度大于0.198 MPa，提高百分率大于20%；在常溫10～40 ℃區(qū)間，提高幅度約0.01～0.06 MPa，提高百分率約10%～20%；在高溫50 ℃以上，提高幅度小于0.005 MPa，提高百分率小于10%.因此，界面粗糙處理措施在不同季節(jié)所帶來的有利作用不同，冬季效果顯著，夏季效果甚微.

4 粘結(jié)失效原因分析

3種典型試驗溫度狀態(tài)下，粘結(jié)面拉伸破壞（即粘結(jié)失效）狀態(tài)見圖5，表現(xiàn)出明顯不同的特征.試驗中，低溫時，當拉伸力達到一定程度后突然減小，粘結(jié)面突然分離，斷裂面平整，表現(xiàn)為“脆裂”（見圖5a））；常溫時，當拉伸力達到一定程度后慢慢減小，粘結(jié)面慢慢分離，但瀝青膠結(jié)料依然抓扯著，表現(xiàn)為“扯裂”（見圖5b））；高溫時，當拉伸力達到一定程度后很快減小，粘結(jié)面很快分離，梁端界面明顯粘有瀝青膠結(jié)料，表現(xiàn)為“粘裂”（見圖5c））.導(dǎo)致這3 種不同失效狀態(tài)的主要原因是：試驗中的所用無縫伸縮縫專用膠結(jié)料其膠體結(jié)構(gòu)屬于凝膠型，在本研究中的3種試驗溫度區(qū)間，低溫時表現(xiàn)為彈性，粘度大，不流動，冷卻后表現(xiàn)為脆性，具有脆性固體性質(zhì)，因此，低溫粘結(jié)失效表現(xiàn)為“脆裂”；常溫時表現(xiàn)為高粘彈性，呈非牛頓流動特征，具有優(yōu)異的變形恢復(fù)功能，因此，常溫粘結(jié)失效表現(xiàn)為“扯裂”；高溫時表現(xiàn)為低粘彈性，依然呈非牛頓流動特征，變形恢復(fù)功能降低，蠕變和松弛現(xiàn)象明顯，因此，高溫粘結(jié)失效表現(xiàn)為“粘裂”.

圖5 界面粘結(jié)失效狀態(tài)

5 結(jié) 論

1）試驗溫度對粘結(jié)性能具有顯著影響.隨著試驗溫度的升高，粘結(jié)強度T逐漸減小，但在不同試驗溫度區(qū)間遞減規(guī)律不同.在-20～-10 ℃溫度區(qū)間，急劇下降；在-10～30 ℃溫度區(qū)間，下降趨勢逐漸減緩；在30 ℃以上，下降緩慢.

2）界面粗糙化處理對粘結(jié)性能具有改善作用，但不同溫度條件下的改善效果不同.在低溫0℃以下，粘結(jié)強度提高率大于20%；在常溫10～40℃區(qū)間，提高率約10%～20%；在高溫50℃以上，提高率小于10%.

3）3種典型試驗溫度狀態(tài)下，粘結(jié)失效特征不同.低溫表現(xiàn)為“脆裂”；常溫表現(xiàn)為“扯裂”；高溫表現(xiàn)為“粘裂”.

由于改性瀝青填充式無縫伸縮縫材料與水泥混凝土梁端界面粘結(jié)機理主要表現(xiàn)為機械結(jié)合理論和吸附理論，為提高該種新型伸縮縫材料與梁端的粘結(jié)性能，必須從提高材料本身的吸附作用和改善界面結(jié)合條件兩方面同時著手.

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