山宏宇，李倩，秘林源，葉青，賈曉陽(yáng)

(1.中國(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴陽(yáng) 550001；2. 貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，貴陽(yáng) 550000；3. 田納西大學(xué)，諾克思維爾市 37996)

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澆筑式鋼橋面鋪裝層推擠變形病害機(jī)理分析

山宏宇1，李倩1，秘林源2，葉青2，賈曉陽(yáng)3

(1.中國(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴陽(yáng) 550001；2. 貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，貴陽(yáng) 550000；3. 田納西大學(xué)，諾克思維爾市 37996)

摘要：以貴州省北盤(pán)江大橋鋼橋面鋪裝層推擠變形病害為研究背景，采用凝膠滲透色譜法(GPC)和傅里葉變換紅外光譜法(FTIR)，從瀝青分子尺度分析鋼橋面鋪裝產(chǎn)生推擠變形的原因。分析結(jié)果表明：瀝青老化并不是造成鋼橋面鋪裝層推擠變形的主要原因；從現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查可知，第2層粘層粘結(jié)能力的降低是造成鋼橋面鋪裝層推擠變形病害的次要原因；通過(guò)級(jí)配分析發(fā)現(xiàn)，造成鋼橋面鋪裝層推擠變形的主要原因是澆筑式瀝青混合料(GA)級(jí)配偏細(xì)以及GA中集料顆粒的棱角性較差所致。

關(guān)鍵詞：鋼橋面鋪裝；變形病害；凝膠滲透色譜法；紅外光譜法；級(jí)配分析

鋼橋面鋪裝層是保護(hù)鋼橋面板的重要層次，其設(shè)計(jì)、建設(shè)、養(yǎng)護(hù)、維修等技術(shù)已成為鋼橋面鋪裝技術(shù)研究的重要內(nèi)容[1-5]。從中國(guó)目前的大跨徑鋼橋面瀝青鋪裝使用情況看，總體情況良好，但局部地區(qū)的一些鋼橋表面瀝青鋪裝層發(fā)生了較為嚴(yán)重的病害，這大大降低鋼橋面鋪裝的服務(wù)水平，同時(shí)也對(duì)鋼板防銹蝕產(chǎn)生不利影響。由于鋼橋面的特殊性，一旦在鋼橋面鋪裝層出現(xiàn)病害，會(huì)造成養(yǎng)護(hù)、維修的不便，同時(shí)，對(duì)道路交通會(huì)造成巨大影響，并產(chǎn)生行車(chē)安全隱患[5-7]。

目前，中國(guó)鋼橋面瀝青鋪裝層的常見(jiàn)病害類(lèi)型有：裂縫類(lèi)、變形類(lèi)、表面損害類(lèi)與橋接縫損害類(lèi)。除了與傳統(tǒng)瀝青路面相似機(jī)理的典型病害，鋼橋面鋪裝病害具有其特殊性，層間滑移與推擠是鋼橋面瀝青鋪裝層的典型病害之一。一般認(rèn)為，鋪裝與鋼板間粘結(jié)層結(jié)合強(qiáng)度不足，在高溫及行車(chē)荷載耦合作用下,在水平方向產(chǎn)生相對(duì)位移過(guò)大將造成鋪裝脫層。而對(duì)于層間滑移問(wèn)題的研究多集中于力學(xué)數(shù)值模擬與室內(nèi)剪切試驗(yàn)(直剪與斜剪)模擬兩方面。雖然上述研究能夠在一定程度上揭示橋面層間推擠損害的過(guò)程，但缺少現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)的支持。同時(shí)，由于缺少現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)檢測(cè)，也無(wú)法對(duì)橋面鋪裝設(shè)計(jì)與建設(shè)提供相應(yīng)的指導(dǎo)。長(zhǎng)期以來(lái)，由于橋面鋪裝的復(fù)雜性與特殊性，對(duì)橋面鋪裝病害的研究無(wú)法采用常規(guī)的分析方法，僅能通過(guò)外觀目測(cè)推測(cè)其可能的病害發(fā)展過(guò)程，這阻礙了對(duì)橋面鋪裝病害問(wèn)題的深入認(rèn)識(shí)[6-9]。為了克服傳統(tǒng)方法的不足，本文采用分析化學(xué)分析方法，通過(guò)獲取少量的鋪裝層材料分析樣品，重點(diǎn)分析鋪裝材料在化學(xué)分子結(jié)構(gòu)方面的變化，從分子尺度認(rèn)識(shí)鋪裝損害過(guò)程。

1工程概況與病害調(diào)查分析

北盤(pán)江特大橋是貴州省第一座大跨徑鋼橋，于2009年正式建成通車(chē)，位于鎮(zhèn)寧至勝境關(guān)高速公路關(guān)嶺縣與晴隆縣分界處，跨越北盤(pán)江大峽谷。大橋主跨為636 m單跨簡(jiǎn)支鋼桁加勁梁懸索橋，由鋼桁架和正交異性鋼橋面板兩部分組成，兩岸引橋采用45 m預(yù)應(yīng)力混合料連續(xù)箱梁，大橋全長(zhǎng)964 m，橋面鋪裝結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)Fig.1　Bridge deck overlay

受氣候環(huán)境和行車(chē)荷載作用，鋼橋面鋪裝層產(chǎn)生了一定程度的鋪裝推擠變形病害，鋪裝層推擠變形主要發(fā)生在行車(chē)道，全橋發(fā)現(xiàn)整體推擠變形區(qū)域2處，分別處于上、下行行車(chē)道上坡段，面積約占50 m2(長(zhǎng)20 m，寬2.3 m)。在推擠變形嚴(yán)重的位置，可以看到被銹蝕的橋面鋼板。從推擠變形位置鉆取2個(gè)芯樣發(fā)現(xiàn)兩者厚度相差約2.5 cm，和原始設(shè)計(jì)相比，鋪裝推擠變形造成了某一層鋪裝層缺失，經(jīng)分析認(rèn)為應(yīng)該是澆筑式瀝青混合料層缺失。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，發(fā)生鋪裝推移的位置芯樣取出后，Eliminator(一種防水粘結(jié)材料)防水層保存完好，說(shuō)明鋪裝推移發(fā)生在澆注式瀝青層(GA-10)和第2層粘結(jié)層(Tack Coat No.2)間。相關(guān)現(xiàn)場(chǎng)照片如圖2所示。

圖2　相關(guān)病害照片F(xiàn)ig.2　Relevant photos of

2試驗(yàn)與病害機(jī)理分析

2.1試驗(yàn)方法

采用凝膠滲透色譜法(DPC)、傅立葉轉(zhuǎn)換紅外光譜法(FTIR)和級(jí)配分析對(duì)鋼橋面鋪裝層推擠變形病害產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行分析。

2.1.1凝膠滲透色譜法(GPC)凝膠滲透色譜技術(shù)是用于分析小分子物質(zhì)的分離和鑒定并評(píng)價(jià)材料分子量分布的有效方法，同時(shí)，也可以用來(lái)分析化學(xué)性質(zhì)相同、分子體積不同的高分子同系物，試驗(yàn)原理如圖3所示。

圖3　凝膠色譜滲透儀測(cè)定分子量原理Fig.3　The test principle of

根據(jù)不同分子質(zhì)量的淋洗時(shí)間(Elution Time)不同，從而將不同分子區(qū)分開(kāi)來(lái)，相對(duì)分子質(zhì)量大的淋洗時(shí)間短，相對(duì)分子質(zhì)量小的淋洗時(shí)間長(zhǎng)。當(dāng)儀器和實(shí)驗(yàn)條件確定后，溶質(zhì)的淋出體積與其分子量有關(guān)，分子量愈大，其淋出體積愈小[10-13]。

研究認(rèn)為，瀝青質(zhì)的分子質(zhì)量通常大于3 000 Dalton，而非瀝青質(zhì)的范圍為200～3 000 Dalton之間[10-13]。瀝青中的大分子質(zhì)量與瀝青材料路用性能之間具有良好的關(guān)系，如老化性能、低溫性能、高穩(wěn)定性能等。通過(guò)定義瀝青中大分子量含量(Large Molecule Size ，LMS)可以將瀝青微觀結(jié)構(gòu)與宏觀力學(xué)性能聯(lián)系，得到量化結(jié)論[10-13]，定義為

(1)

式中：CurveArea(Largerthan3 000)為淋洗曲線(xiàn)中分子量大于3 000的曲線(xiàn)面積；TotalCurveArea(Frombeginningto200)為淋洗曲線(xiàn)中分子量大于200的曲線(xiàn)總面積。

2.1.2傅立葉轉(zhuǎn)換紅外光譜(FTIR)傅立葉轉(zhuǎn)換紅外光譜(FTIR)儀是通過(guò)測(cè)定、分析物質(zhì)對(duì)紅外光的吸收量，從而確定物質(zhì)中不同分子間振動(dòng)過(guò)程進(jìn)而獲得物質(zhì)分子組成的一種分析化學(xué)手段。其原理如圖4所示。

圖4　紅外光譜分析原理Fig.4　The analysis principle of

羥基是評(píng)價(jià)瀝青微觀結(jié)構(gòu)變化的重要官能團(tuán)，對(duì)于一般瀝青包括聚合物改性瀝青，酸羥基是表征老化的重要指標(biāo)[12-15]。

由此定義的酯羥基指數(shù)和老化指數(shù)如式(2)、式(3)所示。

酯羥基指數(shù)=

(2)

老化指數(shù)=

(3)

式中：Area of carbonyl (1 695 cm-1)為在1 695 cm-1峰值處的曲線(xiàn)面積；Area of C-C stretch(1 455 cm-1)為在1 455 cm-1峰值處的曲線(xiàn)面積。

2.1.3級(jí)配分析將芯樣進(jìn)行抽提篩分，比較發(fā)生推擠位置與無(wú)推擠位置鋪裝材料級(jí)配的差異，以判斷級(jí)配對(duì)病害產(chǎn)生的影響。

2.1.4采樣、制樣過(guò)程在現(xiàn)場(chǎng)按層次、位置取代表性瀝青混合料樣品，總共測(cè)定4組GA+SMA鋪裝層，芯樣的位置和描述如表1所示。

表1　芯樣位置與描述

1號(hào)和2號(hào)為推擠變形位置，3號(hào)為雙層GA路肩作為控制組，4號(hào)為行車(chē)道輪跡帶無(wú)病害處，作為控制組。

2.2試驗(yàn)結(jié)論

2.2.1凝膠滲透色譜法圖5表示了不同位置和層次的LMS?？梢?jiàn)，鋪裝層表面的LMS大于底面的LMS，說(shuō)明鋪裝表面受到的老化程度最為嚴(yán)重。同時(shí)發(fā)現(xiàn)1號(hào)和2號(hào)試件層底的LMS略高于控制組層底的LMS，1號(hào)和2號(hào)試件表面的LMS與控制組表面的LMS基本相同，說(shuō)明鋪裝發(fā)生推擠區(qū)域的老化程度與未發(fā)生區(qū)域基本相同。而1號(hào)和2號(hào)的LMS略大可能是由于發(fā)生推擠后水分和空氣進(jìn)入鋪裝內(nèi)部進(jìn)一步老化所致。因此，通過(guò)GPC分析結(jié)果，初步認(rèn)為瀝青不是鋪裝層發(fā)生推擠的主要原因。

2.2.2傅立葉轉(zhuǎn)換紅外光譜法在采用FTIR分析GA+SMA時(shí)，發(fā)現(xiàn)GA下面層抽提回收物的紅外光圖譜極不穩(wěn)定，同時(shí)，一些特征峰值被覆蓋。主要原因是GA下面層含有大量來(lái)自于防水粘結(jié)層的物質(zhì)，這些物質(zhì)的出現(xiàn)將影響到瀝青的特征峰值分析，同時(shí)也難以通過(guò)化學(xué)手段有效分離瀝青與防水粘結(jié)層材料。因此，僅比較了SMA層表面、內(nèi)部以及GA內(nèi)部的老化指數(shù)。

SMA層表面、內(nèi)部的紅外光譜如圖6所示?？梢?jiàn)，在鋪裝層表面，酸羥基的吸收峰值較為明顯，而在鋪裝層內(nèi)部，酸羥基的吸收峰值卻非常小。酸羥基產(chǎn)生的主要原因是，瀝青在使用過(guò)程中的氧化老化所致。瀝青中的碳分子與空氣中的氧分子發(fā)生氧化反應(yīng)，生成了以羥基振動(dòng)為特征的大分子，力學(xué)表現(xiàn)為瀝青的脆化、硬化。圖6所示鋪裝層內(nèi)部回收瀝青微弱的羥基吸收峰值可能是由于瀝青混合料在拌合過(guò)程中的老化所致。

圖6　SMA表面與內(nèi)部的改性瀝青紅外光圖譜Fig.6　Infrared spectra for modified asphaltsurface and interior of

對(duì)比SMA表面和GA層的回收瀝青老化指數(shù)，如圖7所示。發(fā)現(xiàn)試件1、4的鋪裝層SMA表面的老化指數(shù)明顯高于GA層的老化指數(shù)。這主要是由于鋪裝層受到交通荷載和紫外線(xiàn)等外界作用加速了老化過(guò)程，試件3作為控制組取自雙層GA路肩，很少受到交通荷載的作用，其表面層GA的老化指數(shù)代表了用于GA的改性瀝青混合料在自然條件下的老化水平。可見(jiàn)在自然老化(紫外線(xiàn)光老化)條件下，用于GA的改性瀝青的抗老化能力尚好，僅比鋪裝層內(nèi)瀝青的老化指數(shù)略高。試件1、2和4分別取自發(fā)生鋪裝推移的位置和無(wú)病害的行車(chē)道，相比可知，發(fā)生推移區(qū)域的SMA表面的老化指數(shù)略高于正常區(qū)域，但GA層回收瀝青的老化指數(shù)卻基本相同，說(shuō)明即使發(fā)生了橋面鋪裝推移的區(qū)域，其下面層GA的改性瀝青性能仍與正常路段一致，這與圖5得到的結(jié)論一致。說(shuō)明鋪裝GA層的瀝青結(jié)合料應(yīng)該不是造成鋪裝發(fā)生推擠的直接原因。而發(fā)生推擠區(qū)域表面層SMA的老化指數(shù)略高于正常路段也可能是由于發(fā)生滑移以后，水分進(jìn)入鋪裝層，并在交通荷載作用下加速老化所致。

圖7　不同層次瀝青老化指標(biāo)對(duì)比Fig.7　Asphalt aging indicators of SMA and

2.2.3級(jí)配分析根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)中T0725—2000(瀝青混合料的礦料級(jí)配檢驗(yàn)方法)，將試件進(jìn)行抽提篩分[15]，比較發(fā)生推擠位置與無(wú)推擠位置鋪裝材料級(jí)配的差異，如圖8所示。“up” and “down” 代表每個(gè)試件的鋪裝上層 (SMA) 和下層 (GA)，由于試件2有一層缺失，無(wú)法找到兩層的分界線(xiàn)，因此，未對(duì)試件2進(jìn)行切割。由圖8可知，1號(hào)試件下層和控制組(4號(hào))試件下層的級(jí)配存在明顯差異，1號(hào)的GA級(jí)配偏細(xì)，而2號(hào)試件偏向與控制組的上層(SMA)級(jí)配，這表明發(fā)生推擠位置主要是由于GA層在荷載高溫作用下剪切失穩(wěn)，造成推移，而級(jí)配偏細(xì)則是發(fā)生GA失穩(wěn)的主要原因。

對(duì)于澆筑式瀝青混合料，其施工和易性和高溫穩(wěn)定性之間存在矛盾，為了提高施工和易性，可能會(huì)偏好應(yīng)用細(xì)級(jí)配及棱角性較差的顆粒作為澆筑式瀝青混合料的級(jí)配和集料，但這樣的級(jí)配和集料對(duì)澆筑式瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能不利。綜合分析瀝青、集料等方面的因素后認(rèn)為，在采用澆筑式瀝青混合料(GA)時(shí)，需要增加對(duì)其高溫穩(wěn)定性能的技術(shù)要求。目前，規(guī)范要求的配比設(shè)計(jì)方法[16]主要從流動(dòng)度指標(biāo)對(duì)施工和易性角度進(jìn)行考慮，雖然在目標(biāo)配比設(shè)計(jì)中考慮了高溫性能，但在實(shí)際生產(chǎn)、攤鋪過(guò)程中并未有直接的控制指標(biāo)。因而造成了施工過(guò)程中過(guò)分追求攤鋪流動(dòng)性能而犧牲高溫性能的情況。而日本等國(guó)家在建設(shè)橋面鋪裝澆筑式瀝青混合料時(shí)也引入了動(dòng)穩(wěn)定度等指標(biāo)評(píng)價(jià)其高溫性能，因此，值得我們借鑒。在采用澆筑式瀝青混合料(GA)時(shí)應(yīng)增加對(duì)其高溫穩(wěn)定性能的技術(shù)要求，根據(jù)目前工程經(jīng)驗(yàn)，動(dòng)穩(wěn)定度的建議值應(yīng)大于300次/mm。

圖8　級(jí)配分析曲線(xiàn)圖Fig.8　Gradation analysis

3結(jié)論

1)運(yùn)用GPC和FTIR分析手段，目的是從瀝青分子尺度分析產(chǎn)生推擠變形病害的原因，通過(guò)分析可知，瀝青老化并不是造成鋼橋面鋪裝層推擠變形病害的主要原因。

2)通過(guò)級(jí)配分析可知，造成鋼橋面鋪裝層推擠變形的主要原因是GA級(jí)配偏細(xì)以及GA中集料顆粒的棱角性較差所致。

3)采用澆筑式瀝青混合料(GA)應(yīng)增加對(duì)其高溫穩(wěn)定性能的技術(shù)要求，根據(jù)目前工程經(jīng)驗(yàn)動(dòng)穩(wěn)定度的建議值應(yīng)大于300次/mm。

4)從現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查可知，第2層粘層粘結(jié)能力的降低是造成鋼橋面鋪裝層推擠變形病害的次要原因。

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(編輯王秀玲)

Failure mechanism of shoving on steel bridge deck with gussasphalt overlay

Shan Hongyu1, Li Qian1，Mi Linyuan2, Ye Qing2, Jia Xiaoyang3

(1. Guiyang Engineering Corporationg Limited,Power China，Guiyang 550001，P.R.China;2. Guizhou Province Transportation Planning Survey and Design Institute Co., LTD, Guiyang 550000, P.R.China;3.The University of Tennessee-Knoxville, 851 Neyland Drive, Knoxville 37996, TN, U.S.A. )

Abstract:To better understand the failure mechanism of shoving on steel bridge deck overlay and guide the maintenance actions, an investigation was conducted on the performance of Beipanjiang bridge in terms of pavement shoving in Guizhou province. The Gel permeation chromatography (GPC) and Fourier Transfer Infrared (FTIR) spectrum were employed to analyze the failure mechanism of shoving from the point of molecular scale. The results showed that the asphalt aging is not the main cause for resulting in the formation of shoving disease on steel bridge deck. In addition, the reduction of adhesive strength of the second tack coat is a secondary cause for shoving disease of the steel bridge deck from the field survey research. Further, sieve analysis was performed to investigate the shoving mechanism on steel bridge deck with Gussasphalt (GA) mixture, and the results indicated that shoving failure is due to the gradation of GA mixture and poor angularity of aggregate particle rather than aging of asphalt binder.

Keywords:Steel bridge deck; Permanent deformation; Gel permeation chromatography; Fourier transfer infrared spectrum; sieve analysis

doi:10.11835/j.issn.1674-4764.2016.03.015

收稿日期：2015-12-10

作者簡(jiǎn)介：山宏宇(1985-)，男，主要從事路面結(jié)構(gòu)與材料研究，(E-mail)shanhy8@163.com。 Author brief：Shan Hongyu(1985-)，main research interests：road structure and materials，(E-mail)shanhy8@163.com.

中圖分類(lèi)號(hào)：U448.36

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-4764(2016)03-0104-06

Received:2015-12-10