劉璐霞，王立東，蔣婷婷

（1中咨公路工程監(jiān)理咨詢有限公司，北京 100048；2河南水利與環(huán)境職業(yè)學(xué)院，河南鄭州 450008）

鋼橋面在通車兩三年后往往會(huì)出現(xiàn)鋪裝結(jié)構(gòu)層病害，若采用頻繁的銑刨維修很可能導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)的損傷，同時(shí)影響交通舒適與安全。目前工程界普遍認(rèn)為，導(dǎo)致鋼橋面鋪裝層在運(yùn)營初期就出現(xiàn)病害的原因常在于嚴(yán)峻的使用環(huán)境，但也有研究發(fā)現(xiàn)[1-2]，現(xiàn)階段在進(jìn)行橋面鋪裝設(shè)計(jì)時(shí)，往往以材料的極限強(qiáng)度控制為主，忽略了鋪裝層可能發(fā)生的疲勞損傷，也是鋪裝層出現(xiàn)裂縫、車轍病害的起因之一。因此開展鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)層的疲勞壽命研究，分析荷載、溫度、厚度等因素對(duì)橋面鋪裝結(jié)構(gòu)層疲勞壽命的影響，有助于揭示其出現(xiàn)早期病害的原因。

1 原材料與配合比設(shè)計(jì)

1.1 原材料

（1）瀝青。本試驗(yàn)瀝青鋪裝層采用SMA-10、SMA-13雙層瀝青混合料，瀝青選擇SBS改性瀝青，相關(guān)性能參數(shù)見表1。

表1 SBS改性瀝青性能指標(biāo)Table 1 Performance indexes of SBS modified asphalt

（2）集料。SMA混合料采用間斷級(jí)配。本試驗(yàn)用粗集料采用玄武巖，滿足質(zhì)地堅(jiān)硬、表面粗糙、清潔等要求；細(xì)集料采用石灰?guī)r，滿足清潔、穩(wěn)定性好、有棱角性等要求。礦料選擇石灰?guī)r磨細(xì)的礦粉。

（3）纖維。本試驗(yàn)采用木質(zhì)纖維素，性能指標(biāo)見表2。

表2 木質(zhì)纖維素的性能指標(biāo)Table 2 Performance indexes of lignocellulose

（4）防水粘結(jié)劑。本試驗(yàn)用防水粘結(jié)劑為環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑Ⅰ型，分甲乙兩組份，用量比為2：1，分為兩層涂布。同時(shí)在第一層撒布0.3~0.6 mm碎石，用量為300~400 g/m2；在第二層撒布1.18~2.36 mm碎石，用量為300~400 g/m2。環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑的性能測試結(jié)果見表3，各項(xiàng)性能均滿足要求。

表3 防水粘結(jié)劑測試結(jié)果Table 3 Test results of waterproof binder

1.2 瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)

（1）礦料級(jí)配設(shè)計(jì)。本次試驗(yàn)鋪裝層采用SMA-13、SMA-10雙層瀝青混合料，級(jí)配結(jié)果如圖1、圖2所示。纖維摻量根據(jù)相關(guān)研究取瀝青混合料質(zhì)量的3%，過多纖維不利于瀝青與集料的粘附。

圖1 SMA-13級(jí)配曲線圖Fig. 1 SMA-13 gradation curve

圖2 SMA-10級(jí)配曲線圖Fig. 2 SMA-10 gradation curve

（2）最佳油石比確定?，F(xiàn)有研究表明[2]，SMA中的瀝青用量一般為5.8%~6.5%，本次試驗(yàn)選擇5.8%、6.0%、6.2%、6.4%、6.6%五種油石比，制備SMA-13、SMA-10馬歇爾試件并開展試驗(yàn)，最終計(jì)算得到的SMA-13、SMA-10瀝青混合料的最佳油石比分別為6.0、6.2%。同時(shí)，測定各組試件的動(dòng)穩(wěn)定度、飛散損失率、析漏損失率、劈裂抗拉強(qiáng)度比等指標(biāo)，均滿足規(guī)范要求。

2 防水粘結(jié)層疲勞性能試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 防水粘結(jié)層最佳用量確定

材料抗剪強(qiáng)度、抗拉拔強(qiáng)度的要求分別為1.26、0.67 MPa，當(dāng)防水粘結(jié)層的涂覆量為1.3kg/m2時(shí)，抗剪強(qiáng)度與抗拉拔強(qiáng)度達(dá)到曲線的最高點(diǎn)，此時(shí)材料抗剪強(qiáng)度和抗拉拔強(qiáng)度分別為2.11、1.12 MPa，均滿足規(guī)范要求。因此，本試驗(yàn)確定的防水粘結(jié)層最佳用量為1.3kg/m2。

2.2 直接剪切疲勞試驗(yàn)參數(shù)確定

試驗(yàn)試件結(jié)構(gòu)為“鋼板+防水粘結(jié)層+鋪裝下層”，其中鋼板為直徑100mm、高50mm的圓柱體，頂部涂覆1.3kg/m2環(huán)氧樹脂防水粘結(jié)層以及SMA-10瀝青層，常溫養(yǎng)護(hù)24h后進(jìn)行直剪試驗(yàn)。試驗(yàn)加載選擇10Hz正弦波，當(dāng)剪切位移達(dá)到5mm時(shí)視為試件破壞，試驗(yàn)溫度梯度選擇五檔：-10、15、25、50、70 ℃，應(yīng)力水平選擇四級(jí)：0.28、0.42、0.56、0.7 MPa。

3 防水粘結(jié)層疲勞試驗(yàn)結(jié)果及壽命預(yù)估模型分析

3.1 應(yīng)力、溫度對(duì)剪切疲勞壽命的影響

根據(jù)環(huán)氧樹脂防水粘結(jié)層的直剪試驗(yàn)結(jié)果繪制溫度、應(yīng)力與粘結(jié)層剪切疲勞壽命關(guān)系如圖3、圖4所示。

圖3 應(yīng)力與剪切疲勞壽命關(guān)系Fig. 3 Relationship between stress and shear fatigue life

圖4 溫度與剪切疲勞壽命關(guān)系Fig. 4 Relationship between emperature and shear fatigue life

從圖3中可以看出，在同一溫度下，隨著應(yīng)力水平的提高，防水粘結(jié)層的疲勞剪切壽命下降。原因在于，在溫度條件一定的前提下，材料勁度模量一定，所受外部荷載越大產(chǎn)生的應(yīng)變也增大，材料的疲勞壽命較短。觀察不同溫度下疲勞壽命隨應(yīng)力的變化幅度可以發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的升高，曲線的下降幅度表現(xiàn)出先升后降的明顯趨勢，當(dāng)溫度為50℃時(shí)曲線下降幅度最大，達(dá)到97.83%，表明此溫度下材料疲勞壽命對(duì)應(yīng)力變化更敏感。

從圖4中可以較為明顯地看出，疲勞壽命的變化速率以25℃為分界線，可以劃分了兩個(gè)階段，在溫度-10~25℃區(qū)間內(nèi)，剪切疲勞壽命的變化速率較小，說明此階段的破壞速度較為緩和；在溫度25~70 ℃區(qū)間內(nèi)，疲勞壽命的下降速率明顯快于第一階段，下降幅度均超過90%，且應(yīng)力越大下降幅度也越大。對(duì)比0.7MPa應(yīng)力下25℃與70℃的疲勞壽命曲線可以發(fā)現(xiàn)，0.7MPa、70℃時(shí)防水層已接近完全失去粘結(jié)能力，這也表明疲勞壽命在高應(yīng)力下對(duì)溫度的敏感性更大。

3.2 考慮應(yīng)力、溫度的疲勞壽命預(yù)估模型

根據(jù)已有研究[3-5]，在考慮疲勞壽命受應(yīng)力變化的影響時(shí)，溫度的變化不應(yīng)忽略，應(yīng)當(dāng)對(duì)剪切疲勞壽命-應(yīng)力方程進(jìn)行溫度因素的修正。根據(jù)上文分析，剪切疲勞壽命以25℃分界為兩個(gè)階段，且從雙對(duì)數(shù)曲線圖中也可以看出25℃以下的曲線斜率基本一致，因此考慮-10~25 ℃、25~70 ℃兩個(gè)區(qū)間段修正剪切疲勞壽命方程。

同時(shí)，借鑒文獻(xiàn)[6]中的溫度修正方法，運(yùn)用ORIGIN軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)T/T0和NSFT/NSFT0之間具有良好線性關(guān)系。其中T0為15℃，NSFT0代表溫度為15℃時(shí)的剪切疲勞壽命，NSFT代表溫度T時(shí)的剪切疲勞壽命。據(jù)此，擬合得到兩個(gè)修正后剪切疲勞修正模型：（1）在-10~25 ℃區(qū)間內(nèi)，防水粘結(jié)層的疲勞壽命預(yù)估模型為NSFT=(0.971-0.0039T)×4488426τ-2.154；(2)在25~70 ℃區(qū)間內(nèi)，防水粘結(jié)層的疲勞壽命預(yù)估模型為NSFT=(1.499-0.025T)×3300627τ-2.471。

3.3 涂覆量對(duì)剪切疲勞壽命的影響

試驗(yàn)選擇在15、30、50 ℃三種溫度下研究涂覆量對(duì)粘結(jié)層疲勞壽命的影響，共選擇0.5、0.9、1.3、1.7kg/m2四檔涂覆量開展試驗(yàn)，結(jié)果見表4。可以看出，隨著涂覆量的增加，剪切疲勞壽命有所增加。值得注意的是，在涂覆量為1.3kg/m2時(shí)，材料雖然獲得最大的極限破壞強(qiáng)度，但是剪切疲勞壽命卻不是最高。原因可能在于剪切疲勞試驗(yàn)的荷載僅為極限破壞試驗(yàn)荷載的1/3，作用力小導(dǎo)致材料并未出現(xiàn)破壞，在此基礎(chǔ)上，鋼板與混合料接觸面積隨著涂覆量的增加而加大，二者的黏結(jié)性增強(qiáng)，剪切疲勞壽命提高。

表4 不同涂覆量下的剪切疲勞壽命情況Table 4 Shear fatigue life under different coating quantities

考慮到溫度對(duì)疲勞壽命的顯著性影響，采用前文所述的方法進(jìn)行溫度修正。運(yùn)用ORIGIN軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)T/T0和NSFT/NSFT0之間具有良好線性關(guān)系，計(jì)算得到的溫度修正系數(shù)為：NSFT/NSFT0=1.42-0.028T。因此，最終得到的涂覆量與剪切疲勞壽命預(yù)估方程為：（1）溫度為15℃時(shí)，NSFT=（1.42-0.028T）（28.02X-8.25）；（2）溫度為30℃時(shí)，NSFT=（1.42-0.028T）（23.91X-7.03）；（3）溫度為50℃時(shí)，NSFT=（1.42-0.028T）（11.29X-3.66）。其中X表示防水粘結(jié)層的涂覆量。

4 鋪裝層彎曲疲勞性能試驗(yàn)及壽命預(yù)估模型分析

4.1 彎曲疲勞試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)設(shè)備采用萬能材料試驗(yàn)機(jī)UTM-25，根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求成型SMA-13、SMA-10試件開展四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)，溫度-10、0、15、20 ℃四檔，應(yīng)變水平分為750、1000、1250、1500 με，頻率為10Hz。每一種應(yīng)變及溫度水平下進(jìn)行四次4次平行試驗(yàn)，結(jié)果如圖5所示。采用統(tǒng)計(jì)學(xué)中的雙因素分析法發(fā)現(xiàn)，在顯著性水平為95%的情況下，級(jí)配對(duì)疲勞壽命次數(shù)無顯著影響，因此后續(xù)擬合不考慮級(jí)配因素。

圖5 鋪裝層隨溫度及應(yīng)變水平變化趨勢圖Fig.5 Pavement layer variation trend with temperature and strain level

由圖5可知，在溫度一定的前提下，橋面鋪裝的疲勞壽命隨著應(yīng)變增大而減小，且溫度越高下降趨勢越明顯。其原因在于隨著應(yīng)變增大，鋪裝層內(nèi)部損傷積累較多，導(dǎo)致材料勁度迅速下降，疲勞壽命降低速率增加。在應(yīng)變水平一定的前提下，隨著環(huán)境溫度的升高，鋪裝層的疲勞壽命有所升高，且在低應(yīng)變水平下，疲勞壽命受溫度變化的影響更敏感，原因在于鋪裝層的勁度模量隨著溫度的上升而減小，在一定應(yīng)變水平下材料應(yīng)力降低，損傷積累變少。同時(shí)當(dāng)應(yīng)變水平低時(shí)，材料內(nèi)部損傷積累較少，隨著溫度變化，進(jìn)度模量有更大的變化范圍，宏觀表現(xiàn)為材料疲勞壽命在低應(yīng)變條件下的變化幅度更明顯。

4.2 疲勞壽命預(yù)估模型

繪制鋪裝層疲勞壽命-應(yīng)變水平的雙對(duì)數(shù)曲線圖，并擬合其疲勞壽命預(yù)估方程，結(jié)果如圖6所示，從方程的精度來看，在對(duì)數(shù)坐標(biāo)下二者具有良好的線性關(guān)系。采用上文提及的方法對(duì)擬合方程進(jìn)行溫度修正，計(jì)算得到的溫度修正系數(shù)為NSFT/NSFT0=1.880-0.323T/T0，各字母含義與上文同。

圖6 鋪裝層-應(yīng)變雙對(duì)數(shù)曲線Fig.6 Pavement layer-strain double logarithmic curve

考慮到室內(nèi)疲勞試驗(yàn)加載與實(shí)際行車荷載在荷載間歇、橫向分布、裂紋拓展方面的差異，可將疲勞方程擴(kuò)大100倍，使模型與實(shí)際結(jié)果更好貼合。因此在考慮溫度修正系數(shù)下的鋪裝層疲勞壽命預(yù)估模型為：NSFT=188.0×1012.74-0.323-0.1T×(ε)-3.23。

5 結(jié)論

通過室內(nèi)試驗(yàn)，建立鋼橋粘結(jié)層與鋪裝層的疲勞壽命預(yù)估模型，分析鋼橋面的防水粘結(jié)層剪切疲勞損傷及鋪裝層彎拉疲勞損傷的效應(yīng)及原因，主要結(jié)論如下：

（1）對(duì)于粘結(jié)層而言，剪切疲勞壽命與應(yīng)力雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)下具有良好的線性關(guān)系，疲勞壽命以25℃為界可以分為兩段，材料疲勞壽命在高于25℃與低于25℃下的應(yīng)力敏感性有顯著差異。在溫度25~70 ℃區(qū)間內(nèi)，疲勞壽命的下降速率明顯快于低溫度階段。據(jù)此，本文建立了低溫與常溫下的溫度-應(yīng)力-疲勞壽命預(yù)估模型。

（2）涂覆量對(duì)防水粘結(jié)層剪切疲勞壽命有顯著影響，疲勞壽命隨著涂覆量增大而提高。同時(shí)考慮溫度因素的顯著性影響，本文建立了經(jīng)過溫度修正的剪切疲勞壽命-涂覆量預(yù)估模型。

（3）對(duì)于SMA鋪裝層而言，溫度、應(yīng)變對(duì)彎曲疲勞壽命有重要影響。在同一應(yīng)變水平下，溫度升高會(huì)導(dǎo)致鋪裝層彎曲疲勞壽命提高，且該現(xiàn)象在低應(yīng)變水平下表現(xiàn)更明顯；在同一溫度條件下，彎曲疲勞壽命隨著應(yīng)變水平的增大而減小，且該現(xiàn)象在溫度高時(shí)更為明顯。鋪裝層彎曲疲勞壽命與應(yīng)變在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)下表現(xiàn)出較好線性關(guān)系，建立了溫度因素修正的鋪裝層疲勞壽命預(yù)估模型。