王　民， 周啟偉， 胡德勇， 尚　飛

(1.重慶交通大學， 重慶　400074；　2.重慶市智翔鋪道技術(shù)工程有限公司， 重慶　401336)

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三種不同鋼橋面鋪裝材料的疲勞特性分析

王民1，2， 周啟偉2， 胡德勇2， 尚飛2

(1.重慶交通大學， 重慶400074；2.重慶市智翔鋪道技術(shù)工程有限公司， 重慶401336)

[摘要]通過應(yīng)變控制模式下的4點彎曲疲勞試驗方法分析了3種不同鋼橋面鋪裝材料的疲勞性能。通過分析不同應(yīng)變水平下3種不同瀝青混合料勁度模量、滯后角與疲勞的關(guān)系；得出在3種不同的鋼橋面鋪裝材料，其初始勁度模量越小，疲勞性能越優(yōu)；同一應(yīng)變水平下，滯后角大小順序分別為SMA10>GA10>EA10，且滯后角越大，疲勞性能越優(yōu)，同一材料，疲勞壽命隨著應(yīng)變水平的增加而減少，且疲勞壽命依次為SMA10>GA10>EA10。

[關(guān)鍵詞]鋼橋面鋪裝材料； 初始勁度模量； 滯后角； 疲勞性能； 應(yīng)變水平

0前言

鋼箱梁橋面系鋪裝層的疲勞問題一直是鋼橋橋面鋪裝領(lǐng)域研究的熱點問題和亟待解決的工程難題。目前國內(nèi)外鋼橋面鋪裝層主要采用3種材料： ①澆筑式瀝青混凝土； ②聚合物改性瀝青SMA； ③環(huán)氧瀝青混凝土[1-5]。由于受交通荷載、風載、氣候條件及溫度變化等因素的影響，3種不同類型的材料在其服役過程中均出現(xiàn)了不同程度的早期病害，如疲勞，車轍，開裂等，其中疲勞破壞是直接降低鋼橋面鋪裝體系服役期的主要因素。因此，當前的橋面鋪裝工程對鋪裝層材料的強度、柔韌性、高溫穩(wěn)定性和疲勞耐久性均有更高要求[6-9]。本文旨在基于疲勞損傷力學的基礎(chǔ)上，通過室內(nèi)疲勞試驗，對比3種不同鋪裝材料的疲勞損傷特性，為今后鋼橋面鋪裝層的合理設(shè)計提供一點理論指導和數(shù)據(jù)依據(jù)。

1疲勞試驗方案

1.1疲勞試驗?zāi)Ｊ降倪x擇

瀝青混合料在荷載重復作用下呈現(xiàn)強度衰減是其自身疲勞損傷的一種表征，當疲勞損失與耗散能累積到一定程度就會發(fā)生疲勞破壞。目前，國內(nèi)外研究研究瀝青混合料室內(nèi)疲勞性能試驗的模式分應(yīng)力與應(yīng)變兩種。應(yīng)力控制方式是以試件出現(xiàn)明顯裂紋為疲勞破壞的標準，但其觀測往往比較困難，而且裂紋擴展到何種程度才確定為疲勞破壞，尚未有很好的判斷標準，而應(yīng)變控制模式下試件通常不會出現(xiàn)明顯的斷裂破壞，一般以混合料勁度模量下降到初始勁度模量的50%為疲勞破壞標準，因此應(yīng)變控制模式更適用于較薄的鋪裝體系[7]。本文擬采用應(yīng)變控制模式的四點彎曲疲勞試驗來評價3種不同鋼橋面鋪裝層材料的疲勞特性。

1.2瀝青混合料最佳油石比與性能

本文中，澆筑式瀝青混凝土采用湖瀝青復合改性瀝青作為其膠結(jié)料， SMA采用高彈體改性瀝青，環(huán)氧瀝青混凝土采用美國ChemCoSystems環(huán)氧瀝青。對3種瀝青混凝土，根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)及《公路鋼箱梁橋面鋪裝設(shè)計與施工技術(shù)指南》 (交公編字[2006]274號)進行各項性能測試見表1。

表1 不同類型瀝青混凝土基本性能試驗結(jié)果Table1 Thetestresultoffundamentalperformanceofdifferenttypesasphaltmix試驗項目澆筑式瀝青混凝土GA10改性瀝青SMA10環(huán)氧瀝青混凝土EA10試驗方法最佳油石比/%8.46.46.5 JTGE20-2011T0705空隙率/%接近03.62.8殘留穩(wěn)定度/%—88.690.3 JTGE20-2011T0729彎曲極限應(yīng)變(-10℃)/με8323.810892.89862.0 JTGE20-2011T0715*貫入度/增量(60℃)/mm2.59/0.32——見《公路鋼箱梁橋面鋪裝設(shè)計與施工技術(shù)指南》動穩(wěn)定度(60℃)(次·/mm-1)—500017000 JTGE20-2011T0719 *注:低溫彎曲試驗試件尺寸:300×100×50mm

1.3試驗方案設(shè)計

瀝青混合料對環(huán)境因素的影響非常敏感，其疲勞壽命受應(yīng)變/應(yīng)力水平大小、環(huán)境溫度、荷載波形、加載頻率等因素的影響。本文在通過不同試驗條件模擬實際路面的環(huán)境狀態(tài)下確定的標準試驗條件。具體試驗參數(shù)見表2。

表2 鋪裝材料四點彎曲疲勞試驗參數(shù)Table2 Thefour-pointbendingfatiguetestparameterofpavingmaterial混合料類型試驗溫度/℃加載頻率/Hz應(yīng)變水平/10-6澆筑式瀝青混合(GA10)1510600、800、1000高彈SMA101510600、800、1000EA101510600、800、1000 注:各瀝青混合料類型的加載波形均為偏正弦波。

2疲勞試驗結(jié)果及分析

由四點彎曲疲勞試驗得到了3種不同材料的勁度模量、疲勞壽命、滯后角等指標數(shù)據(jù)，疲勞試驗結(jié)果見表3。

2.1初始勁度模量與疲勞性能之間的關(guān)系

由圖1、圖2分析可以得出:

① 3種不同材料在同一種應(yīng)力水平下，初始勁度模量越小，其疲勞壽命越大。

② 初始勁度模量隨著應(yīng)力水平的提高而減小。

分析其原因為，在以應(yīng)變控制模式下的疲勞損傷過程中，初始模量越小，在損傷過程中所受到的重

表3 3種瀝青混合料在不同應(yīng)變水平下的疲勞試驗結(jié)果Table3 Thefatiguetestresultofdifferentstrainlevelsofthreetypesasphaltmix混合料類型應(yīng)變水平/×10-6初始勁度模量/MPa滯后角/(°)疲勞壽命/萬次600764312.5166澆筑式瀝青混凝土GA10800794613.11041000679913.49.3600230517.3172改性瀝青SMA10800289917.71241000270918.275600167367.5159環(huán)氧瀝青混凝土EA10800154257.8971000142108.08.1

圖1　3種材料在3種不同應(yīng)力水平下的初始勁度模量與疲勞壽命間的關(guān)系Figure 1　The relationship between initial stiffness modulus and fatigue life under different stress levels

圖2　初始勁度模量和應(yīng)變水平的關(guān)系Figure 2　The relationship between initial stiffness modulus and stress level

復荷載也相對較小，因此其疲勞壽命會越長。同時，由于級配組成和膠結(jié)料性質(zhì)的不同，在不同的應(yīng)變水平下，其初始勁度模量也呈現(xiàn)出來較大的區(qū)別。

2.2滯后角與疲勞性能之間的關(guān)系

由圖3分析可以得出:

① 同一應(yīng)變水平下，滯后角大小順序分別為SMA10>GA10>EA10。

② 同一材料在不同應(yīng)變水平下，滯后角變化并不明顯，因此應(yīng)變水平對滯后角影響甚微。

③ 同一應(yīng)變水平下，滯后角越大，疲勞壽命越長。

分析其原因為，滯后角是粘彈性材料的一個特殊指標，在同應(yīng)變水平下，滯后角是材料自身對應(yīng)變反應(yīng)速率的表征。滯后角愈大，混合料越傾向于粘性，反之則傾向于彈性，因此EA10更趨于彈性，而GA10更趨于粘性，SMA10則為粘彈性體。

圖3　滯后角與應(yīng)力水平、疲勞壽命的關(guān)系Figure 3　The relationship between lag angle and stress level,fatigue life

2.3應(yīng)力水平與疲勞性能之間的關(guān)系

由圖4分析得出：

① 同一應(yīng)變水平下，疲勞壽命次數(shù)為SMA10>GA10>EA10；

② 同一材料，疲勞壽命隨著應(yīng)變水平的增加而減少。

分析其原因為：SMA10趨于粘彈性體，其疲勞損傷過程是由粘彈性向粘性發(fā)展，最后達到破壞極限，GA10趨于粘性體，其疲勞損傷過程為達到其粘性極限，而EA10更趨于彈性體，其疲勞破壞為類脆性損傷，因此其疲勞壽命最短。

圖4　不同材料疲勞壽命對比Figure 4　The comparison of fatigue life of different materials

3結(jié)論

① 3種不同的鋼橋面鋪裝材料，其初始勁度模量越小，疲勞性能越優(yōu)；

② 同一應(yīng)變水平下，滯后角大小順序分別為SMA10>GA10>EA10，且滯后角越大，疲勞性能越優(yōu)；

③ 同一材料，疲勞壽命隨著應(yīng)變水平的增加而減少，且疲勞壽命依次為SMA10>GA10>EA10。

[參考文獻]

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Rsearch on the Fatigue Performance of Three Kinds of Steel Bridge Deck Pavement Material

WANG Min1,2, ZHOU Qiwei2, HU Deyong2, SHENAG Fei2

(1. Chongqing Jiaotong University. Chongqing 400074, China；2.Chongqing Zhixiang Paving Technology Engineering Co., Ltd，Chongqing 401336, China)

[Abstract]Four-point bending fatigue test method in strain-controlling mode is used to research the fatigue characteristic of three kinds of steel bridge pavement material. The result is proposed by analysis the relationship between the stiffness modulus, lag Angle and fatigue performance of three kinds of asphalt mixture under different strain levels. The result shows that the mixture with small initial stiffness modulus has better fatigue performance. Under the same strain level, the order of lag angle is SMA10>GA10>EA10 and the mixture with big lag angle has better fatigue performance. For the same material, the fatigue life decreased with the increase of the strain level and the order of fatigue life is SMA10>GA10>EA10.

[Key words]steel bridge deck pavement material; initial stiffness modulus; lag angle; fatigue performance; strain level

[收稿日期]2015-01-22

[基金項目]重慶市科學技術(shù)委員會基礎(chǔ)與前沿研究計劃項目(cstc2013jcyjA1442)；重慶市應(yīng)用開發(fā)(重點)項目(cstc2013yykf3001)；國家山區(qū)公路工程技術(shù)研究中心開放基金(gsgzj-2012-09)

[作者簡介]王民(1979-)，陜西寶雞人，高級工程師，博士研究生，主要從事瀝青路面結(jié)構(gòu)與材料研究，E-mail：panda9496@163.com，tel：18008378268

[中圖分類號]U 443.33

[文獻標識碼]A

[文章編號]1674-0610(2016)03-0040-03