譙理格 趙明宇 丁慶軍 趙日煦

(中建商品混凝土有限公司1) 武漢 430074) (沈陽(yáng)建筑大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院2) 沈陽(yáng) 110168) (武漢工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室3) 武漢 430070)

0 引 言

鋼結(jié)構(gòu)橋梁以其構(gòu)件質(zhì)量輕、運(yùn)輸與架設(shè)方便、施工周期短等特點(diǎn)，在大跨度橋梁中得到廣泛應(yīng)用[1-2].研究與應(yīng)用結(jié)果表明，隨著國(guó)內(nèi)外鋼橋面板橋梁工程的不斷增多，采用鋼橋面板的鋼結(jié)構(gòu)橋梁鋪裝層在使用年限內(nèi)發(fā)生破壞的報(bào)道屢見不鮮[3-5],因此，目前大跨徑橋梁在設(shè)計(jì)上開始逐漸采用鋼架-混凝土板組合橋面結(jié)構(gòu)，以解決鋼橋面鋪裝這個(gè)世界性技術(shù)難題[6-7].

武漢鸚鵡洲長(zhǎng)江大橋橋面鋪裝采用預(yù)制混凝土橋面板+高黏高彈防水黏結(jié)應(yīng)力吸收層+高黏高彈SMA-16面層的結(jié)構(gòu)形式.混凝土橋面板取代鋼橋面板的鋪裝工藝，有效解決了鋼橋面板與瀝青鋪裝層間黏結(jié)力不足的問題，降低了橋面鋪裝出現(xiàn)推移、擁包、開裂等病害的風(fēng)險(xiǎn)[8].然而，由于鸚鵡洲長(zhǎng)江大橋采用預(yù)制混凝土橋面板間澆筑濕接縫混凝土的橋面形式，在行車荷載及懸索橋較大變形的服役條件下，接縫位置的裂縫反射問題及鋪裝層材料的疲勞壽命是決定鸚鵡洲長(zhǎng)江大橋使用耐久性的關(guān)鍵問題.本文以該為背景，模擬不同位置鋪裝組合構(gòu)件，研究其在動(dòng)態(tài)力學(xué)條件下行為特征，以評(píng)價(jià)鋪裝層的使用壽命.

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

1.1.1混凝土

依據(jù)文獻(xiàn)[9]中對(duì)橋面鋪裝層混凝土性能的要求，進(jìn)行混凝土配合比設(shè)計(jì)，見表1.

表1 橋面鋪裝層混凝土配合比 kg/m3

注：粗集料為16～26.5 mm連續(xù)級(jí)配卵石破碎型碎石，細(xì)集料為5～16 mm連續(xù)級(jí)配卵石破碎型碎石

1.1.2防水黏結(jié)應(yīng)力吸收層

防水黏結(jié)應(yīng)力吸收層采用粒徑為9.5～13.2 mm的玄武巖集料，撒鋪量為14～16 kg/m2；采用的瀝青分別為SBS改性瀝青、橡膠瀝青、高黏高彈改性瀝青，瀝青灑布量為1.7～2.0 kg/m2,形成的瀝青膜厚度約為2 mm，三種瀝青的性能指標(biāo)見表2.

1.1.3高黏高彈SMA

SMA面層所用粗集料為粒徑5～10 mm與10～20 mm的玄武巖集料，壓碎值9.6%；細(xì)集料為石灰?guī)r機(jī)制砂，2.36 mm篩孔通過率85.2%；礦粉為石灰石磨細(xì)礦粉，0.075 mm篩孔通過的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為88.6%；瀝青采用高黏高彈改性瀝青.配合比設(shè)計(jì)依據(jù)文獻(xiàn)[10]中的要求進(jìn)行，確定的級(jí)配組成見表3，各項(xiàng)體積指標(biāo)見表4.

表2 瀝青的性能指標(biāo)

表3 高粘高彈SMA礦料合成級(jí)配

表4 高黏高彈SMA馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

1.2 試驗(yàn)方法

本研究結(jié)合羅桑等[11]針對(duì)環(huán)氧瀝青混凝土疲勞試驗(yàn)的相關(guān)研究方法，設(shè)計(jì)組合結(jié)構(gòu)疲勞性能及結(jié)構(gòu)阻止裂縫擴(kuò)展性能兩組試驗(yàn)，以對(duì)動(dòng)荷載條件下鋼結(jié)構(gòu)橋梁鋪裝層關(guān)鍵位置的耐久性進(jìn)行研究評(píng)價(jià).在試件上表面跨中處黏貼BX120-100AA(100 mm×3 mm)型號(hào)混凝土應(yīng)變片，利用TEST3827E應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)對(duì)應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并導(dǎo)入MTS測(cè)試系統(tǒng)，以試件表面瀝青層跨中處產(chǎn)生的應(yīng)變?yōu)?00×10-6時(shí)作為試件疲勞破壞的判定依據(jù).

1.2.1試件制作

本文提出的基于防水黏結(jié)應(yīng)力吸收橋面鋪裝方案的結(jié)構(gòu)由下層混凝土橋面板、中層防水黏結(jié)應(yīng)力吸收層、SMA面層瀝青混合料組成，試件尺寸為550 mm×150 mm×92 mm.本文研究的兩種鋪裝層組合結(jié)構(gòu)示意見圖1.圖1a)為組合結(jié)構(gòu)疲勞性能試塊的結(jié)構(gòu)形式，模擬鋪裝層在循環(huán)行車荷載作用的條件下的疲勞性能，試驗(yàn)選取六種不同結(jié)構(gòu)類型，編號(hào)A1～A6，見表5；圖1b)為阻止裂縫擴(kuò)展性能試塊的結(jié)構(gòu)形式，模擬鋪裝層下預(yù)制混凝土橋面板接縫位置在循環(huán)行車荷載作用條件下阻止裂縫反射的性能，結(jié)構(gòu)下層混凝土橋面板成型時(shí)在試塊中部預(yù)留5 mm的切縫，試驗(yàn)共選取五種不同結(jié)構(gòu)類型，編號(hào)B1～B5.試件的成型過程見圖2.

圖1 鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)示意圖

試驗(yàn)方案橋面鋪裝結(jié)構(gòu)試驗(yàn)類型(由下至上)A15 cm混凝土+3 cm普通改性SMA-16A25 cm混凝土+5 cm普通改性SMA-16A35 cm混凝土+3 cm高黏高彈改性SMA-16A45 cm混凝土+5 cm高黏高彈改性SMA-16A5 5 cm混凝土+1 cm高黏高彈防水黏結(jié)應(yīng)力吸收層+3 cm高黏高彈SMA-16A6 5 cm混凝土+1 cm高黏高彈防水黏結(jié)應(yīng)力吸收層+5 cm高黏高彈SMA-16B1 5 cm混凝土+1 cmSBS改性瀝青黏結(jié)層+5 cm高黏高彈SMA-16B2 5 cm混凝土+1 cm橡膠瀝青應(yīng)力吸收層+5 cm高黏高彈SMA-16B3 5 cm混凝土+1 cm高黏高彈防水黏結(jié)應(yīng)力吸收層-A+5 cm高黏高彈SMA-16B4 5 cm混凝土+1 cm高黏高彈防水黏結(jié)應(yīng)力吸收層-B+5 cm高黏高彈SMA-16B5 5 cm混凝土+1 cm高黏高彈防水黏結(jié)應(yīng)力吸收層-C+5 cm高黏高彈SMA-16

注：表中B3～B5組高黏高彈防水黏結(jié)應(yīng)力吸收層的瀝青灑布量分別為：1.4～1.7 kg/m2(A)，1.7～2.0 kg/m2(B)，2.0～2.3 kg/m2(C).

圖2 試驗(yàn)試件制作

1.2.2MTS加載

本文采用某公司制造的MTS505.90型電液伺服式疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行組合鋪裝結(jié)構(gòu)疲勞性能測(cè)試.加載方式均采用三分四點(diǎn)彎加載方式，見圖3.組合結(jié)構(gòu)疲勞性能試驗(yàn)采用正弦波方式加載，應(yīng)力水平0.7，循環(huán)應(yīng)力比取0.2，加載頻率4 Hz，記錄試件表面應(yīng)變達(dá)到700×10-6時(shí)的循環(huán)加載次數(shù)，最大加載至1 000萬次時(shí)停止.結(jié)構(gòu)阻止裂縫擴(kuò)展性能試驗(yàn)采用正弦波加載方式，應(yīng)力水平取0.7，循環(huán)應(yīng)力比取0.5，加載頻率4 Hz，分別記錄初裂、裂縫擴(kuò)展至1，2，3，4 cm及終裂時(shí)的循環(huán)加載次數(shù)，最大加載至200萬次時(shí)停止.

圖3 試驗(yàn)加載方式(單位：mm)

2 結(jié)果與討論

2.1 組合結(jié)構(gòu)疲勞性能試驗(yàn)

針對(duì)不同瀝青材料組成、不同厚度的面層SMA-16以及鋪設(shè)高黏高彈應(yīng)力吸收層的試塊進(jìn)行彎拉疲勞性能測(cè)試，每組試塊成型2塊，通過MTS疲勞試驗(yàn)機(jī)控制加載，測(cè)得試塊跨中處應(yīng)變達(dá)到700×106時(shí)的循環(huán)加載次數(shù)見表6和圖4.

表6 組合結(jié)構(gòu)彎拉疲勞試驗(yàn)結(jié)果 萬次

圖4 組合結(jié)構(gòu)彎拉疲勞試驗(yàn)結(jié)果

表6與圖4中A1，A2與A3，A4分別為采用普通SMA-16作為面層的試塊與采用高黏高彈SMA-16作為面層的試塊達(dá)到700 με時(shí)的循環(huán)加載次數(shù)，由對(duì)比可知，由于高黏高彈改性瀝青優(yōu)異的黏韌性能，采用其作為面層的試塊加載次數(shù)增加，提升了結(jié)構(gòu)的疲勞性能.A1，A3，A5與A2，A4，A6分別為面層鋪裝層厚度為3和5 cm的試塊達(dá)到目標(biāo)應(yīng)變值時(shí)的循環(huán)加載次數(shù)，由對(duì)比可知，增加面層鋪裝層厚度可明顯增加結(jié)構(gòu)的疲勞性能，對(duì)于高黏高彈SMA-16路面的提升效果更加明顯.A3，A4與A5，A6分別為未鋪設(shè)防水黏結(jié)應(yīng)力吸收層與鋪設(shè)防水黏結(jié)應(yīng)力吸收層的試塊達(dá)到初裂時(shí)的循環(huán)加載次數(shù)，通過對(duì)比可知，由于高黏高彈防水黏結(jié)應(yīng)力吸收層可分散組合結(jié)構(gòu)的內(nèi)部應(yīng)用及較好的界面黏結(jié)性能，鋪設(shè)防水黏結(jié)應(yīng)力吸收層的試塊加載次數(shù)增加，整體的鋪裝結(jié)構(gòu)疲勞性能得到了顯著的提升.

2.2 阻止裂紋反射性能試驗(yàn)

針對(duì)不同瀝青材料組成的防水黏結(jié)應(yīng)力吸收層以及不同瀝青撒鋪量的高黏高彈防水黏結(jié)應(yīng)力吸收層結(jié)構(gòu)的試塊進(jìn)行彎拉疲勞性能測(cè)試，每組試塊成型2塊，通過MTS疲勞試驗(yàn)機(jī)控制加載，分別測(cè)得試塊跨中處SMA面層初裂、裂紋擴(kuò)展擴(kuò)展至1，2，3，4 cm，以及終裂時(shí)的循環(huán)加載次數(shù)，各組數(shù)據(jù)取平均值后結(jié)果見表7.

表7 組合結(jié)構(gòu)彎拉疲勞試驗(yàn)結(jié)果

表7中B1，B2，B3～B5分別為使用SBS改性瀝青、橡膠瀝青、高黏高彈改性瀝青作為防水黏結(jié)應(yīng)力吸收層瀝青材料的試塊在裂紋反射到不同程度時(shí)的循環(huán)加載次數(shù)，由對(duì)比可知，鋪設(shè)SBS改性瀝青防水黏結(jié)應(yīng)力吸收層試塊在加載至890次時(shí)面層SMA即出現(xiàn)裂紋，加載至1萬次試塊即完全破壞，其阻止裂紋反射性能較差，鋪設(shè)橡膠瀝青防水黏結(jié)應(yīng)力吸收層與高黏高彈防水黏結(jié)應(yīng)力吸收層的試塊加載次數(shù)分別為其2倍與4倍，因此由試驗(yàn)可知，使用高黏高彈防水黏結(jié)應(yīng)力吸收層的結(jié)構(gòu)阻止裂紋反射性能最優(yōu).B3～B5分別為不同應(yīng)力吸收層瀝青灑鋪量下的試塊在裂紋反射至不同程度時(shí)的循環(huán)加載次數(shù)，通過對(duì)比可知，瀝青灑鋪量為1.7～2.0 kg/m2的試塊較灑鋪量為1.4～1.7 kg/m2的試塊加載次數(shù)增加了30%以上，對(duì)結(jié)構(gòu)阻止裂紋反射性能的提升有較明顯效果，而瀝青灑鋪量為2.0～2.3 kg/m2的試塊較灑鋪量為1.7～2.0 kg/m2的試塊增加的加載次數(shù)少于5%，對(duì)結(jié)構(gòu)阻止裂紋反射性能的提升效果不明顯，因此，采用2.0 kg/m2作為防水黏結(jié)應(yīng)力吸收層的灑鋪量.

3 結(jié) 論

1) 防水黏結(jié)應(yīng)力吸收層作為橋面鋪裝體系中的重要組成部分，由于其優(yōu)異的界面黏結(jié)性能，提升了橋面鋪裝組合結(jié)構(gòu)的疲勞性能和阻止裂縫反射性能，在不同瀝青材料組成的防水黏接應(yīng)力吸收層中，高黏高彈防水黏結(jié)應(yīng)力吸收層對(duì)組合結(jié)構(gòu)的性能提升效果最好，由試驗(yàn)可知，高黏高彈防水黏結(jié)應(yīng)力吸收層的瀝青灑鋪量為2.0 kg/m2時(shí)最佳.

2) 由組合結(jié)構(gòu)疲勞性能試驗(yàn)可以看出，面層SMA材料的選擇對(duì)組合結(jié)構(gòu)的疲勞性能有較大影響，使用高黏高彈SMA可以較大提升結(jié)構(gòu)的疲勞性能，提高橋面鋪裝層耐久性，延長(zhǎng)橋梁使用壽命，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景.