改性彈性材料在中小橋伸縮縫上的應用

牛四強

(廊坊市交通局公路工程管理處)

1 引 言

橋梁伸縮縫是為保證車輛通過橋面,并滿足橋面變形的需要,而在橋梁梁端之間、梁端與橋臺之間或橋梁的鉸接位置設置的各種裝置的總稱。橋梁伸縮縫是滿足橋梁因溫度變化、荷載作用等引起梁板的漲縮而設置的變形縫,因此,對伸縮縫的要求不僅要具有滿足橋梁板的變形具有一定的強度,而且也要滿足高速行車對舒適性的要求,即使橋面保證齊平,行車舒適。目前,中小橋常用的伸縮縫可分為鋼板伸縮縫(包括鋼搭板式、梳形鋼板式)橡膠條式,仿毛勒縫與無縫伸縮縫。前三種伸縮能滿足變形要求,但安裝工藝復雜,行車舒適性較差,最突出的問題是橡膠易老化,使用年限短,且由于預埋件較多,損壞后維修相當困難。伸縮縫的維修成為國內公路橋梁養護的一大難題。

為了解決上述伸縮縫存在的缺陷,近年來正在研究和推廣無縫伸縮縫裝置(TST碎石橋梁彈性接縫),該伸縮縫的特點是采用改性瀝青作為彈性粘結材料,經熔化后與具有一定級配石料拌合后直接填筑在伸縮縫位置,以代替上述伸縮縫裝置,達到既滿足變形要求,又能使行車舒適的效果。目前第四代粘結料 GTF(高彈塑體)和 TST(彈塑體)能夠同時兼顧高溫和低溫,滲透和粘性這些對立的性能要求,不僅適用溫度單一地區,而且適用于溫差較大的地區。因此,彈塑體伸縮裝置在國內中小橋梁的伸縮縫上,尤其是在中小橋梁伸縮縫的維修上得到較多的應用。

2 試驗方案

為驗證 TST良好的性能,在室內進行了相關試驗研究。

2.1 伸縮縫的結構形式

彈塑體伸縮裝置由粘結料(TST)、集料(碎石)、T型搭接鋼板和填塞料等四要素組成,其結構見圖 1。

圖 1 無縫伸縮縫的結構圖

2.2 伸縮縫槽口寬度的選擇

TST彈性材料混合料粘結拉伸伸長率試驗結果見表 1。

表 1 彈性材料混合料粘結拉伸伸長率試驗

根據上述試驗結果,在 -38℃時,平均伸長率最低為9%,由公式 L=Δt/ε,針對不同伸縮量得出混合料的理論寬度見表 2。

表 2 混合料理論寬度

考慮到野外施工與試驗室試驗的條件差別及施工誤差,確定其施工寬度即槽口寬度見表 3。

表 3 槽口寬度

2.3 改性高彈性彈塑體

該高彈塑體是一種改性瀝青材料,在瀝青中填加了改性劑、表面活性劑、抗老化劑和填充料,采用胺類表面活性物質和微電化各相共存理論,解決了不同改性劑之間的互相干擾問題,這種改性瀝青能夠同時兼顧高溫和低溫、滲透和粘性這些對立的性能要求,經交通部公路科研所檢驗,達到了熱熔性伸縮縫填料要求的技術指標,其主要特點是具有較高的軟化點和較大的回彈性。它的力學特點是在車輛荷載沖擊力下顯示彈性,在溫度變化及橋梁伸縮時顯示塑性,它與粗骨料、支承鋼板一起作為伸縮縫的主體材料。

2.4 骨料的選擇

混合料骨料應具有足夠的強度和耐磨性能,骨料采用單一級配,以便由較多的彈塑體粘結材料填充孔隙,以滿足橋梁對伸縮量的要求,骨料分為粗骨料和細骨料,主骨料用于承重荷載,細骨料用于與橋面鋪裝找平。為了使彈塑體與石料結合牢固,所用石料必需全部用水清洗干凈,骨料粒徑要求如下:

粗骨料粒徑:15～20mm(方孔篩);

細骨料粒徑:6～10mm(方孔篩);

骨料顆粒應有良好的顆料形狀,扁長顆粒含量應小于15%。

2.5 跨縫鋼板

跨縫鋼板的作用主要是防止伸縮縫混合料從接縫處落下,另外,還應能承受混合料傳來的豎向荷載,避免伸縮縫產生凹陷,跨縫鋼板的寬度應根據縫口寬度、交通量大小等因素選擇,鋼板應經過防腐處理,厚度 3～5mm,寬度以縫口兩側各搭接 50mm左右為宜,每段長度約為 1.0m,為防止跨縫鋼板在荷載的沖擊作用下發生較大位移,而偏離梁端縫口,需在鋼板中間焊接鋼板。

3 改性彈性材料混合料的組成設計和試驗

3.1 配合比的選擇試驗

伸縮縫粗骨料混合料是伸縮縫是主體,隨車輛荷載、傳遞荷載和具有適應橋梁變形的能力。

在混合料組成中,為提高混合料的熱敷性和支承能力,混合料的粗骨料均為單一級配,它在混合料中形成骨架,使其具有足夠的抗壓強度,又由于單一級配具有較大的孔隙率,以便容納較多的粘結料來提高其變形能力。伸縮縫表面耐磨、致密,在結構設計中采用雙層結構,主層采用粗粒徑混合料,而上層則用細粒徑混合料,上層厚度為 2cm。

在試驗中發現彈塑體材料含量太高時,在高溫季節,伸縮縫會出現較大的塑體變形,熱穩性差,彈塑體含量較低時,在低溫季節,該混合料與橋面鋪裝接合部局部出現裂縫,因此經反復試驗分析,彈性體混合料配比為 m彈塑體∶m骨料=1∶2(重量比)在高溫下無明顯的塑體變形,在低溫下無裂縫產生。

3.2 改性彈性材料混合料的力學性能試驗

(1)低溫抗裂性能試驗

表 4中列出了普通路用改性瀝青及改性彈性材料混合料在不同溫度下的抗彎拉強度的對比。

圖 2 應變與溫度變化曲線

從上述圖表中可以得出如下結論。

①改性彈性材料混合料在-15℃時的抗彎拉強度達到最大值,而路面改性瀝青混合料在 -10℃抗彎拉強度就已達到最大值,這說明改性彈性材料的脆化溫度比路用改性瀝青低。

②在-40℃和-38℃時,改性彈性材料混合料的抗彎拉強度是路用改性瀝青的 7.51倍和 3.3倍。說明改性彈性材料混合料的抗高溫性和低溫抗裂性能均比路用改性瀝青好。

(2)粘結拉伸試驗

根據交通部行業標準《公路水泥混凝土路面接縫材料》(JT/J203-95)規定的試驗方法進行試驗,改性彈性材料與路用改性瀝青不同的溫度下的伸縮率試驗結果見表 5。伸縮率(ε)與溫度(T)ε-T變化曲線見圖 3。

表 5 改性彈性材料與路用改性瀝青的伸縮率試驗結果

圖 3 ε-T試驗變化曲線

從上述圖表可以看出,隨著溫度的不斷降低,改性彈性材料的伸縮率是路用改性瀝青的 3.4～9倍。說明改性彈性材料的伸縮變形性能遠高于路用改性瀝青。

(3)改性彈性材料混合料粘結性能試驗

改性彈性材料混合料作為一種特殊的無縫伸縮縫材料,在低溫狀態下,能否保證改性彈性材料與橋面鋪裝的粘結效果,是該種無縫伸縮縫的關鍵之一。因此其與普通瀝青混凝土及鋼筋混凝土之間的粘結強度也是一個相當重要的技術指標。通過試驗其粘結強度見表 6。

表 6 普通瀝青混凝土及鋼筋混凝土之間的粘結強度

從上述圖表可以看出:

①改性彈性材料混合料與瀝青混凝土和鋼筋混凝土在-38℃時的粘結強度分別為 3.03MPa和 2.13MPa,在40℃時的粘結強度分別為 4.86MPa和 4.26MPa,均大于2MPa的要求;

②改性彈性材料混合料與瀝青混凝土和鋼筋混凝土的粘結強度在 10～20℃時產生最大值,隨著溫度的增加或降低,其粘結強度逐漸減小,溫度越低,粘結強度越小。

4 試驗工藝流程

4.1 切割及清理伸縮縫槽口

以梁端接縫為中心,按設計要求切割相應的寬度和深度然后用鎬鑿除、人工清理槽口,再用高壓水槍沖洗槽口底及兩側壁,最后用壓縮空氣吹槽口,清凈雜物。

4.2 刷底層彈塑體

為了便于彈塑體與槽口的粘接,必須用火焰噴槍烘干槽口,然后用泡沫條填塞梁端接縫,并安放跨縫鋼板,使之居中,然后用刮刀把預先熔化的彈塑體均勻地涂沫在槽口底部,兩側壁及跨縫鋼板的底、表面。

4.3 混合料攪拌攤鋪

將粗石料烘干加熱到 160～180℃,然后按重量比 1∶2加入熔化的彈塑體粘結料,并充分拌和,攤鋪在底層,(底層表面應比路面低 10m左右)并用鐵鍬拍打搗實,緊接攪拌并攤鋪細骨料的上層彈塑體混合料,用鐵鍬整平拍實。

5 結 語

無縫伸縮縫在中小橋應用后,彈塑體伸縮裝置和橋梁上部結構之間的錨固牢靠、耐久,能夠滿足上部結構之間的位移要求,能夠抵抗機械磨損、碰撞,且耐化學物質的腐蝕,具有氣候穩定性好(在常溫情況下,保持其延伸性能不變),其行車平衡舒適性很好,與橡膠板式及梳形鋼板伸縮縫相比,伸縮縫處的顛簸現象得到了很好地解決,大大提高了車輛過橋時的平衡性,相應減少了對橋梁的沖擊作用。尤其適宜舊橋伸縮縫的更換。該技術徹底解決了舊橋伸縮縫修復的難題,基本上消除了橋上跳車現象。彈塑體伸縮裝置在中小橋梁維護方面具有廣闊的應用前景。

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