钢桥面铺装材料疲劳性能研究

　第32卷, 第4期2007年8月

公路工程Vol . 32, No . 4Aug. , 2007

钢桥面铺装材料疲劳性能研究

黄文通, 虞将苗, 张肖宁

(华南理工大学道路工程研究所, 广东广州　510641)

[摘　要]针对钢桥面铺装层容易出现疲劳开裂与车辙破坏的特点, 提出采用4种有代表性的铺装层沥青混

合料, 通过应变控制模式下的四点弯曲疲劳试验方法, 高温稳定性。通过多个应变水平下的疲劳试验, 、滞后角的关系, 程。不同的铺装层材料很难建立相同的疲劳预测模型, 。

[关键词]钢桥面铺装; 四点弯曲; 劲度模量; [中图分类号]U 443. 33　　[]A ]1002—1205(2007) 04—0037—03

Pave ment Fati gue Perfor mance

HUANG W en tong, Y U J i a ngm i a o, ZHANG X i a on i n g

(Road Engineering I nstitute, South China University of Technol ogy, Guangzhou, Guangdong 510641, China )

　　[Abstract]Based on the p r operties of easily appearing fatigue crack and rut failure of the steel bridge paving, f our rep resentative pave ment as phalt m ixes which have been studied on fatigue characteris 2tic have been put f or ward t o i m p r ove the resistances of steel deck pave ment against fatigue crack and high 2te mperature stability thr ough 42point bending fatigue testing method of strain contr olling mode . The relati ons of as phalt m ixes stiffness modulus with modified as phalt quality, stiffness modulus with fatigue life, stiffness modulus with hysteresis angle are analyzed thr ough fatigue ex peri m ent of several strains lev 2el . W e have verified the relati on of fatigue life with cu mulative hysteresis l oop area is linear in double l ogarith m coordinates, obtaining fatigue curve and fatigue equati on of different modified as phalt m ixtures . It is difficult t o establish the sa me fatigue f orecast model of different steel deck pave ment . W e can obtain the m ixtures perf or mance of durable anti 2fatigue only according t o the fatigue experi m ents .

[Key words]Steel deck pave ment; 42point bending; Stiffness modulus; Fatigue life 　　大跨径桥梁的桥面刚度相对较小而变形相对较

大, 钢桥面铺装层在交通荷载、风载、气候条件及温度变化等因素影响下的受力和变形复杂, 对其强度、柔韧性、高温稳定性和疲劳耐久性均有更高的要求。由于桥面铺装的特殊位置及功能, 要求铺装层结构重量轻、不透水、粘结性能好等特殊性能要求。世界上采用的钢桥面铺装层主要有以下几种类型:①浇注式沥青混凝土; ②沥青玛蹄脂混凝土; ③聚合物改性沥青S MA; ④环氧沥青混凝土。以上铺装层材料在我国都有应用, 并且从结构力学分析、材料设计、施工控制中积累了较多的成功经验, 但整体上我国钢桥面铺装病害问题仍然比较严重。多座大

[收稿日期]2006—05—18

[基金项目]交通部公路司资助项目(200107)

[作者简介]黄文通(1976—) , 男, 广东四会人, 工程师, 主要从事道路材料路用性能研究。

桥通车不久即出现车辙、开裂、推移、疲劳破坏等早期病害。造成钢桥面铺装层早期损坏的原因是复杂多样的, 其中抗疲劳耐久性差是主要原因之一。本文采用四点弯曲疲劳试验方法研究多种铺装层材料的抗疲劳性能。

1　疲劳试验方案

1. 1　疲劳试验模式

沥青混合料的疲劳是材料在荷载重复作用下产生不可恢复的强度衰减积累所引起的一种现象。重复荷载过程引致混合料能量的耗散与疲劳损伤的累积, 累积到一定程度下会发生疲劳破坏。研究沥青

　38

公路工程32卷

混合料的疲劳性能试验的荷载控制模式有应力控制模式与应变控制模式。应力控制方式是以试件出现明显裂纹为疲劳破坏的标准, 但其观测往往比较困难, 而且裂纹扩展到何种程度才确定为疲劳破坏, 尚未有很好的判断标准。应变控制模式的疲劳试验过程, 试件通常不会出现明显的断裂破坏, 一般以混合料劲度模量下降到初始劲度模量的50%为疲劳破坏标准, 应变控制模式更适用于较薄的路面。本文采用应变控制模式的四点弯曲疲劳试验方式来研究铺装层材料的疲劳特性。试验设备为英国Cooper Research Technol ogy 有限公司生产的Cooper 验机, 统提供动力荷载, 试验。1. 2　铺装层材料选择

为了更好地研究钢桥面铺装层材料疲劳性能,

选择有代表性的3类材料, 包括改性沥青S MA 混凝土、浇注式沥青混凝土和环氧沥青混凝土。S MA 混

凝土分别采用S BS 改性沥青和S BR 改性沥青; 复合改性沥青由特立尼达湖沥青和S BS 改性沥青按一定比例复合改性而成; 环氧沥青混凝土选用美国Che mCo 环氧沥青, 环氧沥青由组分A 和组分B 按一定比例配制而成, 组分A A 和表氯醇经B 是一种由石油。改性沥表1　改性沥青性能评价结果

Table1　Evaluati on results of modified as phalt perfor mance

沥青

S BS 改性沥青S BR 改性沥青

针入度(25℃,

100g, 5s ) /0.1mm

40. 077. 522. 0

软化点T R&B /

℃

90. 090. 0103. 0

延度(5℃,

5c m /min ) /c m 37. 0>10026. 1

复合改性沥青

表2　固化后环氧沥青技术要求

Table 2　Technical de mand of s olidified epoxy as phalt

要求及试验重量比

(A ∶方法B )

要求试验方法

100∶585

抗拉强度断裂时的延

(23℃) /MPa伸率(23℃) /%≥1. 5168

AST M D638

热固性

(300℃) 膨胀比(23℃) 浸耗率吸水率(7d, 在荷载作用下的粘度增加至1000cP (23℃) 23℃) /%(121℃) /min 热挠曲温度/℃

≥50

放于容器中搅拌

≥200

AST M D638

—

不溶化≤3. 5≤35%≤0. 3-18～-25

小试件放置AST M D648mod

特殊规程特殊规程AST M D570

在热板上在油浴中使用干冰

1. 3　矿料级配与最佳沥青用量

S MA 沥青混凝土选用S MA10型矿料级配, 最

佳油石比为7. 0%, 按2%～3%的空隙率成型试件;

浇注式沥青混凝土采用G A10型级配, 按9. 0%的油石比和0. 0%的空隙率成型试件; 环氧沥青混凝土最大粒径为9. 5mm , 最佳油石比为6. 5%, 按小于3. 0%的空隙率成型试件。1. 4　试验方案设计

表3　铺装层材料四点弯曲疲劳试验参数

Table 3　42point bending fatigue testing para meter of steel

deck pave ment

沥青类型

S BS 改性沥青S BR 改性沥青

试验温度/℃试验频率/Hz

15151515

10101010

应变水平/微应变

750、1000、1250、1500400、750450、600、750、900、1050750、1000、1250

复合改性沥青

环氧沥青

　　注:各种沥青类型的加载波形均为偏正弦波。

沥青混合料对外在环境因素的影响非常敏感,

其疲劳寿命受应变水平、试验温度、加载波形、试验频率等外部条件的影响。本试验在通过不同试验条件模拟实际路面的环境状态而确立的标准试验条件下进行。具体试验参数见表3。

2. 2　结果分析

2. 2. 1　劲度模量结果分析

从疲劳试验结果来看, S BS 改性沥青混凝土的初始劲度模量最小, 其平均值为3757MPa, S BR 改性沥青次之, 其平均值为5726MPa, 环氧沥青较大, 其平均值为11539MPa, 而复合改性沥青的初始劲度模量最大, 其平均值达到13139MPa 。沥青混合料的粘弹性在很大程度上取决于沥青的粘弹性, 而决定沥青混合料劲度模量的主要因素是沥青的劲度和沥青在混合料中所占的比例。同时, 沥青的劲度模量是时间和温度的函数。在相同温度、荷载作用时间和油石比下, 针入度小的S BS 改性沥青比针入度大的S BR 改性沥青其混合料劲度模量要小, 表明

2　疲劳试验结果分析

2. 1　试验结果

四点弯曲疲劳试验系统能采集劲度模量、疲劳

寿命、滞后角、滞后环面积和累积耗散能等指标数据, 为评价沥青混合料疲劳性能提供了多方面途径。疲劳试验结果见表4。

第4期黄文通, 等:钢桥面铺装材料疲劳性能研究　

表5　疲劳寿命回归结果

Table 　5Regress results of fatigue life

沥青类型

S BS 改性沥青S BR 改性沥青

39

表4　铺装层材料疲劳试验结果

Table 4　Fatigue testing results of steel deck pave ment

沥青类型

应变水平/初始劲度疲劳寿命/滞后角/累积耗散

(°) 微应变模量/MPa次能/MPa

750

[***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********][1**********]. 17. 18. 19.

26637437

1152. 192. 83. 46.

17267048

疲劳方程

N f =5. 3223×1024ε-6. N f =2. 1903×10ε

18

5592-4. 9697

相关系数

0. 9878

1. 00000

. 99980. 9937

S BS

改性沥青

S BR

改性沥青

14. 1117. 317. 587. 4210. 7710. 6010. 286. 6. 49130. 2728. 53848. 29283. 83163. 4851. 458. 601424. 12N f =7. 0437×1019ε-5. 2289复合改性沥青

N =1. 1434×1039ε-11. 2315环氧改性沥青

　　注:N f 为疲劳寿命, 次; ε, 微应变。

指标, 滞后角越大, , 反之越倾, 。在相同应变水平(750微) , :复合改性>环氧沥青>SB R 改性沥青>SB S 改性沥青, 相应的滞后角依次为:SB R 改性沥青>SB S 改性沥青>复合改性沥青>环氧沥青, 改性沥青混合料滞后角的大小与初始劲度模量的大小没有必然的联系。2. 2. 4　累积耗散能结果分析

粘弹性材料的破坏是一个能量耗散的过程, 耗散的能量转化为热能, 累积耗散能的大少直接反映混合料的疲劳寿命。将钢桥面铺装层材料的疲劳寿命与累积耗散能进行线性回归, 在双对数坐标下的疲劳寿命与累积耗散能关系曲线见图2。结果表明, 其相关系数均大于0. 995, 疲劳寿命与累积耗散能之间具有相对稳定和线性的关系, 随着疲劳寿命的延长, 累积耗散能也随之增大。

复合改性沥青

环氧沥青

改性沥青混合料初始劲度模量的大小与针入度的大小并无直接关系。同样, 油石比较大的复合改性浇注式沥青混凝土劲度模量远远大于S BS 和S BR 改性沥青S MA 混凝土, 环氧沥青混凝土油石比最小, 其劲度模量也超过10000MPa 。由铺装层材料的试验结果可知, 在不同应变水平下, 每一种改性沥青混合料的劲度模量变化都不大, 即应变水平对初始劲度模量没有显著影响。2. 2. 2　疲劳寿命结果分析

沥青混合料的动态弯拉劲度模量大小在很大程度上反映了行车过程中沥青路面抵抗变形和承受荷载的能力。在交通荷载作用下, 沥青混凝土承受应力和应变的反复作用, 混合料的劲度模量随之下降。在相同应变水平下, 混合料初始劲度模量值依次为:复合改性沥青>环氧沥青>S BR 改性沥青>S BS 改性沥青; 而疲劳寿命依次为:环氧沥青>S BS 改性沥青>复合改性沥青>S BR 改性沥青。由此可知, 疲劳寿命的大小与初始劲度模量的大小没有直接的联系。

应变水平是路面承受车轮动力荷载大小的真实反映, 应变水平的大小影响混合料的疲劳寿命, 采用

B

应变控制模式下经典疲劳预测模型N f =A (1/ε) 回归4种改性沥青混合料在多应变水平下的疲劳寿　

命曲线并建立疲劳方程, 回归结果见表5, 在双对数坐标下的疲劳曲线见图1。结果表明, 铺装层材料　

疲劳性能相差较大, 很难建立相同的疲劳寿命预测模型, 且疲劳寿命与应变水平具有良好的线性关系。2. 2. 3　滞后角结果分析

滞后角是反映沥青混合料材料的粘弹比大小的

图1　铺装层材料疲劳曲线图2　铺装层材料疲劳寿命与

累积耗散能关系曲线

Figure1　Fatigue curves of ste Figure 2　Relati ons of fatigue

el deck pave ment life with cu mulative

hysteresis l oop area

3　结论

采用应变控制模式下四点弯曲法对钢桥面铺装

(下转第44页)

　44

公路工程32卷

表1　试件尺寸计算出的β

Table 1　Calculati on result of p re 2stressing l oss parameter β

A c /

A s /

nA d /

A b /

E c /

E s /

E d /

混凝土组合简支梁的预应力损失计算方法更符合工程实际情况。并且这种计算方法同样适用于工字形截面的预应力组合梁, 具有实际工程应用价值。

[参考文献]

[1]　李国平. 预应力混凝土结构设计原理[M].北京:人民交通出

cm

2

c m

2

cm

2

c m

2

10MPa 4

10MPa 5

105MPa E b /

e s /

e d /

e b /

105MPa n s

n d

mm n b

mm w b

mm k

μs

e A

μd n

r 2

μb

版社12002.

[2]　郑毅敏, 熊学玉, 耿耀明. β

0178

[***********]2903

[J ]., () :24～28.

[3]. 徐变变形影响预应力损

　　从上表以及公式(25) 可以知道β的数值是小

于1的, 由此可见, 考虑混凝土非自由变形计算出的失。此外由μb n b k 和e b 这2β的影响比较明显的。—混, 钢梁对混凝土板的约束作用对预应力损失的影响是不可忽略的。

J , 2000, (5) :36～42.

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范[S]1

[8]　潘道辉1预应力混凝土施工工艺在连续梁桥结构中的应用与

4　结语

考虑了混凝土非自由收缩变形和非自由徐变变

形对预应力损失的影响, 提出的体外预应力钢箱-(上接第39页)

问题[J ]1湖南交通科技, 2005, 31(1) :76～781

[9]　廖　娟, 叶贵如, 徐兴1变截面预应力混凝土箱形连续梁桥设

计若干问题的探讨[J ]1中南公路工程, 2005, 30(4) :133～

1351

层材料疲劳性能进行系统研究得出结论如下:

①从初始劲度模量的试验结果来看, 复合改性浇注式沥青混凝土的劲度模量最大, 环氧沥青次之, S BR 改性沥青和S BS 改性沥青最小。改性沥青混合料的初始劲度模量与针入度以及油石比指标都没有直接联系, 改性沥青混合料的初始劲度模量指标因改性剂种类的不同有很大的差别。

②从疲劳寿命的试验结果来看, 相同应变水平下, 环氧沥青混凝土具有最长的疲劳寿命, S BS 改性沥青S MA 次之, 复合改性浇注式沥青混凝土和S BR 改性沥青S MA 的疲劳寿命则最小。钢桥面铺装层材料的疲劳寿命与针入度、油石比以及初始劲度模量指标没有直接联系。

③同一种铺装层材料, 疲劳寿命与应变水平在双对数坐标下具有良好的线性关系, 采用N f =A (1/ε) 形式的回归方程具有较好的相关性。

④钢桥面铺装层材料的疲劳特性受改性剂类型、改性方式及改性工艺等因素的影响较大, 很难采用建立疲劳性能预测模型的方式来预测不同材料的

B

疲劳性能。针对改性沥青的特殊性, 只有对改性沥青混合料直接进行疲劳试验的方法获得其疲劳特性。

[参考文献]

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