橋梁無縫伸縮縫材料力學性能試驗分析

謝嚴君，武銀君，代 洋，磨煉同

（1.武漢理工大學硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室，武漢 430070；2.錫林郭勒盟太仆寺旗公路管理段，寶昌 027000）

橋梁無縫伸縮縫材料力學性能試驗分析

謝嚴君1，武銀君2，代 洋1，磨煉同1

（1.武漢理工大學硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室，武漢 430070；2.錫林郭勒盟太仆寺旗公路管理段，寶昌 027000）

對英國BJ200－Green無縫伸縮縫材料進行了室內力學性能試驗分析，重點對無縫伸縮縫膠結料及其混合料的高溫穩定性和低溫柔性進行檢測。膠結料試驗結果表明其軟化點為84℃，低溫界面粘粘強度為0.85MPa，在1min內應力松弛可達到80%，具有很好的應力松弛能力。車轍試驗結果表明在1萬次加載作用下其永久變形小于15%，低溫彎曲最大破壞應變大于20 000μm／m，具有很好的高溫穩定性和低溫柔性。

橋梁無縫伸縮縫； 性能評價； 車轍； 柔性

橋梁伸縮縫是橋梁設計中的一個重要組成部分，是為滿足橋梁的伸縮變形而在橋梁結構的梁端之間或其他適當位置安裝的能夠自由變形的裝置。橋梁伸縮縫在橋梁結構中直接承受輪胎載荷的沖擊作用，并且長期暴露在空氣中，使用環境惡劣，容易破壞并且維護成本高。調查研究表明伸縮縫是橋梁結構最薄弱的環節，它的使用壽命要遠低于橋梁的期望壽命，需要頻繁的維護，嚴重影響了交通暢通與安全，而且頻繁的維護也帶來了資源的浪費與環境問題。法國和葡萄牙調查結果表明伸縮縫的養護成本約占到整個橋梁養護成本的7%～22%［1］，而我國目前尚未見到這方面的統計數據。

目前國內外主要使用的橋梁伸縮裝置可分為以下6種類型，即無縫式、填塞對接式、嵌固對接式、橡膠板式、鋼制支承式和模數式。此外，橋梁伸縮縫可大致分為開口縫和閉口縫兩大類。開口伸縮縫容易讓水和腐蝕性的污染物進入，加快橋梁面板、支座和底層結構性能的衰減，因此這類伸縮縫已經很少使用。而閉口伸縮縫近年來發展迅速種類繁多，根據Lima的調查報告顯示截止2010年使用最多的為加固橡膠緩沖型（51%），其次為橡膠柔性條型（22%），瀝青填塞型（9%）。Johnson等1993調查了公路橋梁的250處伸縮縫，發現瀝青填塞型比例最大，約占50% ，橡膠柔性條型占30% ，加固橡膠緩沖型占20%［1］。對于橋梁伸縮量比較小時，瀝青填塞型是最常用的一種伸縮縫裝置。此外，瀝青填塞式伸縮縫在混凝土老橋上的應用比例也很高。

無縫式伸縮縫又名瀝青填塞式伸縮縫，相比于其他類型的伸縮縫，它能使橋梁結構無縫化，其主要工作原理是在橋梁梁端間隙中填入特殊的聚合物改性瀝青混合料來滿足由于溫度和載荷引起的橋梁變形。無縫式伸縮縫具有良好的整體性和耐久性，施工方便，易于維修和養護，行車舒適，造價相對較低。但其主要缺點是使用壽命較低，一般為5～7年。出于對降低行車噪音污染和提高行車舒適性的考慮，歐洲一些發達國家，如德國、瑞士和荷蘭，針對無縫式伸縮縫開展了許多深入的研究，旨在提高其服役性能和延長其使用壽命。

低溫開裂，高溫推移，與原有路面粘結不足是無縫式伸縮縫目前所面臨的主要問題［2］。另外，無縫伸縮縫一般只適用于最大伸縮量為50mm的中小跨度橋梁，限制了無縫式伸縮縫的應用。因此，瑞士EMPA針對伸縮量達到100mm的無縫式伸縮縫也進行諸多研究工作［3］。

無縫式伸縮縫的性能與所用的瀝青材料直接相關，如瀝青的高溫穩定性、應力松弛性能和低溫柔韌性與其制備的瀝青混合料的抗永久變形、低溫開裂和疲勞開裂有直接的聯系。目前，無縫式伸縮縫在英國使用廣泛，并建立了相應的設計指南，該文將對英國典型產品BJ200－Green進行室內性能分析，以了解該材料的相關性能，為國內同類產品的研發提供參考。

1 試 驗

1.1 原材料

無縫式伸縮縫材料主要由瀝青膠結料和集料組成，其中膠結料采用英國PRISMO公司生產的高分子聚合物改性瀝青BJ200－Green伸縮縫材料，其相關性能指標試驗結果見表1。集料采用單一粒徑為10～20mm的玄武巖。

1.2 混合料制備及成型方法

無縫式伸縮縫所用的瀝青混合料由瀝青膠結料和集料按照1∶3的比例組成。室內混合料的制備應與現場施工相同，主要步驟如下：首先將瀝青膠結料按10%的油石比與集料進行預拌，以確保集料與瀝青的粘結性能，將預拌合瀝青混合料倒入模具，再把加熱到180℃的瀝青膠結料灌入混合料內部連通孔隙，利用瀝青的大流動性充分灌入孔隙中，盡可能充滿集料的間隙。

1.3 試驗內容

無縫式伸縮縫膠結料性能測試項目主要包括軟化點、錐入度、彈性、低溫拉伸和應力松弛。

1）軟化點試驗：無縫式伸縮縫膠結料軟化點高于普通路用瀝青，且大于80℃，該文采用環球法測定，加熱介質為甘油，試驗按 ASTM D36［4］進行。2）錐入度試驗：按 ASTM D5239［5］規范進行，試驗溫度為25℃，其試驗步驟與針入度試驗相同，區別在于該試驗將針入度試驗所用的標準針換成了質量為102.5g的標準錐，錐桿總質量為150g，另外試驗過程中玻璃皿不盛水。3）彈性試驗：彈性是伸縮縫材料的一個重要指標，該文的彈性試驗溫度為25℃，按ASTM D5239［5］規范進行，將貫入球勻速壓入瀝青膠結料內一定深度然后使其自然回彈，通過回彈量計算瀝青膠結料的彈性恢復率。4）低溫拉伸試驗：低溫拉伸試驗主要測試伸縮縫膠結料低溫抗裂性能以及粘結性能，該文按照ASTM D5239［5］成型拉伸試驗試件，試驗溫度－10℃，拉伸速率0.5mm／min，實驗儀器采用澳大利亞進口的伺服液壓試驗機（UTM－25）。5）應力松弛試驗：試驗儀器采用DSR動態剪切流變儀，在－10℃施加5%最大剪切應變，測量應力隨時間的變化關系。

無縫式伸縮縫混合料性能測試試驗包括車轍試驗、高溫蠕變和低溫彎曲。1）車轍試驗：參考規范T0719—2011［6］，試件尺寸300mm×300mm×100mm，試驗溫度為60℃，試驗時間4h。2）高溫動態蠕變試驗：采用伺服液壓試驗機（UTM－25）進行，所用試件尺寸為直徑150mm，高度170mm圓柱體。試驗溫度60℃，施加半正弦波應力，峰值為0.2MPa，加載時間為0.1s，卸載時間為0.1s。3）低溫三點彎曲試驗：參考規范T0715—2011［6］，試件尺寸300mm×100mm×50mm，試驗溫度－10℃，加載速率50mm／min，采用伺服液壓試驗機（UTM－25）開展試驗。

2 結果與討論

2.1 瀝青膠結料性能

表1列出了BJ200－Green無縫式伸縮縫膠結料常規指標的試驗結果。其中，BJ200－Green膠結料軟化點達到84℃，具有較好的抗高溫性能，滿足英國及美國ASTM規范要求。錐入度為32.3dmm，也在英國規范對橡膠改性膠結料25～45dmm的要求范圍內。利用美國ASTM試驗規程對其彈性進行的測試發現其彈性為19.2%，并未達到ASTM規范要求的40%～70%。

表1 BJ200－Green無縫伸縮縫膠結料常規性能指標

無縫伸縮縫最常見的破壞就是低溫開裂，包括伸縮縫與原橋面的界面處的開裂以及低溫下鋪墊鋼板邊緣處由于應力集中而出現的開裂，因此用于無縫伸縮縫的瀝青膠結料應具有良好的粘附性和低溫柔性。圖1給出了BJ200－Green瀝青膠結料拉伸應力－應變曲線，試驗溫度為－10℃，拉伸速率為0.5mm／min，試驗包括3組平行試驗。由圖1可知，在10%～15%的應變范圍內應力都會達到峰值，隨著應變的增加，應力呈逐漸下降趨勢，這表明材料發生了強度破壞，經觀察證實破壞都發生在瀝青膠結料與混凝土界面粘結處。試驗最大應力值分別為0.69MPa、0.85MPa和0.76MPa，而在達到峰值應力前，瀝青膠結料的彈性模量大約在8MPa。

無縫式伸縮縫材料低溫下出現的各種問題可以歸結為在溫度驟降時產生的溫度收縮應力來不及松弛而被積累，如果超過界面以及伸縮縫材料的抗拉強度就會導致界面或伸縮縫材料出現開裂。Bramel采用應力松弛掉75%所需要的時間來評價無縫式伸縮縫材料的應力松弛性能［7］。圖2給出了BJ200－Green瀝青膠結料的應力松弛曲線，所施加的恒定應變為5%，試驗溫度為－10℃。圖中曲線表明在前20s，應力急劇下降，從0.48MPa下降到0.16MPa，降幅即累積應力松弛率達到68%，180s累積應力松弛率能達到87.8%。累積應力松弛率達到75%所需要的時間為30s，表明與混凝土橋面實際溫縮速度相比較，其在降溫時具有快速的應力松弛能力，可有效避免低溫開裂。

2.2 混合料性能評價

無縫伸縮縫所填充的瀝青混合料中瀝青用量大，所用集料為單一級配，粗集料形成骨架結構不如傳統瀝青混凝土骨架穩定，在高溫及長時間或反復荷載作用下，更易產生永久變形。此外，該類瀝青混合料的低溫變形主要由瀝青膠結料起貢獻。該文對無縫伸縮縫BJ200－Green瀝青混合料進行了高溫動態蠕變試驗、車轍試驗和低溫三點彎曲試驗，分別用以檢測其高低溫性能。

瀝青混合料是一種典型的粘彈性材料，而瀝青混合料的蠕變試驗是研究其粘彈性的重要方法之一，蠕變是在一定溫度和恒定應力作用下變形隨時間逐漸增大的現象。瀝青混合料的蠕變性能對瀝青混合料的高溫抗車轍性能有很大的影響［8］。該文采用能夠更加真實模擬伸縮縫材料受力模式的動態蠕變試驗，圖3給出了BJ200－Green瀝青混合料動態蠕變試驗結果，試驗溫度為60℃，施加半正弦波應力，峰值為0.2MPa，加載時間為0.1s，卸載時間為0.1s。混合料的蠕變曲線完整反應了動態蠕變的3個階段，即蠕變遷移區、蠕變穩定區和蠕變破壞期。蠕變遷移區發生在前20個加載循環，試件發生了彈性變形，蠕變速率較大；在20～311個加載循環內，蠕變速率趨于穩定，變形勻速增長；311個加載循環后，變形速率由勻速逐漸變大。蠕變壽命為311個循環（62.2s），此時的蠕變勁度為1.7MPa，蠕變破壞時的累積應變為11.75%。實驗結果表明，BJ200－Green瀝青混合料蠕變穩定區維持的時間很短，累積應變值較大，蠕變勁度較小，其抵抗高溫變形的能力較差。這主要是由于試件成型過程類似澆筑，混合料沒有形成較強的骨架密實結構。

瀝青混合料車轍試驗是國內外較常采用的瀝青混合料高溫性能評價手段，一般用動穩定度來評價高溫性能。但是，為了消除由于試件本身的壓密變形，動穩定度指標取最后15min的變形計算，這樣就會常出現動穩定度較大而實際車轍深度卻很大的矛盾［9］。另外，瑞士研究指出無縫伸縮縫的抗車轍能力至少要與相鄰路面相當。該文使用改進的車轍試驗，即在普通車轍試驗基礎上，將作用時間延長至4h，引入10 000次車轍深度指標和相對變形率，結合動穩定度進行分析。

圖4和表2給出了BJ200－Green瀝青混合料車轍試驗結果，試驗在60℃下進行。從圖4可以看出，輪壓開始后的短時間內，初期車轍深度已經較大，這主要是由于試件碾壓追密造成的，經過前期輪壓追密后，混合料內骨架嵌擠結構逐漸變強，永久變形增加速度逐漸減小，并趨向穩定。表2試驗數據顯示，1h相對變形率偏大，達到8.86%，4h后相對變形率為13.31%，從抗車轍能力不低于相鄰瀝青路面的角度考慮，所制備的混合料滿足法國對于高交通量水平的道路10 000次作用下相對變形率小于15%的要求。若以單個小時計算動穩定度，則每個小時對應的動穩定度分別為1 384 次／mm、2 176 次／mm、3 000 次／mm 和4 118次／mm。若當相鄰路面為澆筑式瀝青混凝土時，其抗車轍能力滿足日本對于澆筑式瀝青混凝土要求，即60℃車轍試驗動穩定度大于350次／mm［10］的要求。若相鄰路面如果采用SMA改性瀝青混凝土，其抗車轍變形能力沒有達到國內對SMA改性瀝青路面60℃動穩定度3 000次／mm的要求［11］。另外，從圖5的車轍試件截面圖也可以看出，車轍主要由輪載作用下混合料進一步追密造成的，表明了可采用適當的碾壓手段來減少永久變形。此外，轍槽兩側產生輕微隆起，表明混合料內部產生了較大的剪切側向變形。

無縫式伸縮縫材料應具備適應橋梁梁端較大變形的能力，尤其是在寒冷地區使用時，對瀝青混合料的低溫柔性要求更高。該文采用三點彎曲試驗評價瀝青混合料的低溫性能，圖6和表3給出了BJ200－Green瀝青混合料三點彎曲試驗結果，試驗溫度－10℃。從試驗結果可以看到，BJ200－Green瀝青混合料的低溫彎曲最大破壞應變可以達到20 000～30 000μm／m，彎曲勁度模量200～300MPa。而普通瀝青混凝土最大彎拉應變在2 000～4 000μm／m左右，彎曲勁度模量在3 000～4 000MPa左右［12］。試驗結果證實BJ200－Green瀝青混合料具有很好的低溫柔性，可較好的適應橋面溫縮變形。

表2 BJ200－Green瀝青混合料車轍試驗結果

表3 BJ200－Green瀝青混合料低溫三點彎曲試驗結果

3 結 論

與其他的橋梁伸縮縫相比，無縫式伸縮縫具有整體性、防水效果好、行車舒適、施工簡單等優勢，但在國內相關研究和應用相對較少。該文對英國產品BJ200－Green無縫式伸縮縫材料進行了室內性能分析，為國內無縫式伸縮縫材料研發提供性能參考依據。BJ200－Green材料具有較高軟化點，快速低溫應力松弛能力，有利于抵抗高溫流動性和適應橋梁的溫縮變形。低溫拉伸試驗可用于評價膠結料的低溫粘結性能和延展性，界面破壞表明粘結性能不足，而斷裂應變則說明了材料低溫柔性。混合料高溫蠕變試驗顯示其蠕變穩定區維持的時間較短，破壞時的累積應變較大，表明其抵抗高溫變形的能力較差。混合料車轍試驗表明無縫式伸縮縫材料具有較高的動穩定度，與普通瀝青混合料的高溫穩定性相當，但由于集料骨架結構沒有形成，其車轍初期變形較大。其低溫彎曲斷裂應變大于20 000μm／m，顯著優于普通瀝青混凝土，可適應橋面低溫收縮變形。

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Experimental Investigation of Mechanical Properties of Asphalt Plug Joint Materials

XIE Yan－jun1，WU Yin－jun2，DAI Yang1，MO Lian－tong1
（1.State Key Lab of Silicate Materials for Architectures，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China；2.Xilingol League Taipu Temple Highway Mnagement Station，Baochang 027000，China）

This paper provides an experimental evaluation on the mechanical properties of BJ200－Green asphalt plug joint materials.Focus is on stability at high temperature and flexibility at low temperature of the binder and the joint mixture.Binder tests indicates that the softening point is 84 ℃，adhesion strength at low temperature is 0.85MPa.The binder can relax 80%of initial force within 60s，indicating good relaxation performance.Rutting test on the mixture shows that permanent deformation is less than 15%after subjected to 10 000passes of wheel loading.Three point bending test indicates that the maximum bending strain at failure is larger than 20 000μm／m.The data obtained confirms the good performance of mixture at high and low temperature.

asphalt plug joint； performance evaluation； rutting； flexibility

10.3963／j.issn.1674－6066.2013.02.013

2013－03－20.

高等學校博士學科點專項科研基金新教師類資助課題（20110143120013）和廣東省教育部產學研結合項目（2012B091000162）.

謝嚴君（1988－），碩士生.E－mail：molt＠whut.edu.cn