寒冷條件下鋼橋面鋪裝層瀝青混合料低溫特性試驗研究

王正中

摘 要：鋼橋在我國北方寒冷地區應用日益普遍，寒冷條件下鋼橋面鋪裝層材料的選擇及設計參數的確定方面研究相對較少，針對鋪裝層材料的低溫性能設計是我國北方地區鋼橋面鋪裝設計的關鍵。對SMA-13和AC-20兩種瀝青混合料低溫蠕變性能、低溫模量和低溫斷裂性能進行了試驗研究，研究表明，兩種材料對于寒冷條件下的鋼橋面鋪裝均具有良好的低溫適應性，為類似條件下鋼橋面鋪裝層材料的選型和設計提供借鑒。

關鍵詞：鋼橋面鋪裝;低溫蠕變;低溫模量;抗裂性能

1 序言

在我國橋梁建設中，鋼橋因其具有強度高、自重輕、抗震性好，便于工業化制造和施工，自重、承重和跨越能力協調好等特點，在我國應用越來越普遍[1-2]。鋼橋在寒冷地區應用時，橋面瀝青混合料鋪裝層的低溫特性對于鋼橋整體耐久性具有重要影響[3-5]。吉林省年平均氣溫5℃～7.7℃，冬季（12月-2月）平均氣溫-13.5℃，在該區域建設的鋼橋橋面瀝青混凝土鋪裝材料耐低溫性能是決定橋面整體耐久性的關鍵[6-7]。通過不同鋪裝層SBS改性AC-20和SMA-13瀝青混合料低溫蠕變性能試驗、低溫條件下模量試驗和約束條件下低溫斷裂試驗等低溫力學特性的試驗研究，掌握鋼橋面瀝青鋪裝層材料的低溫力學性能，為寒冷地區鋼橋面鋪裝的材料選擇及混合料組成設計及設計參數確定提供借鑒[8-9]。

2 低溫蠕變性能試驗

大量的瀝青混合料對比試驗表明，瀝青混合料的蠕變柔量及蠕變速率指標等粘彈性指標與瀝青的勁度直接相關，瀝青混合料蠕變柔量性能指標作為重要的設計參數，可以用于線彈性或非線彈性層狀體系理論計算，評價瀝青路面在溫度及車輛重載作用下的低溫抗裂性能。

采用間接拉伸蠕變試驗對鋪裝層SBS改性瀝青混合料在0℃、-5℃、-10℃條件下的低溫蠕變性能進行對比試驗研究[10]，結合試驗給出改性瀝青不同溫度下的蠕變柔量，分析評價改性瀝青對瀝青混合料低溫勁度的影響。

兩種瀝青混合料在不同溫度下的蠕變柔量如表1所示，由表1中試驗數據可以看出：

（1）瀝青混合料的蠕變柔量隨溫度的降低而減小;

（2）SMA-13結構瀝青混合料的蠕變柔量高于AC-20瀝青混合料。

對于瀝青混合料而言，在恒定應力作用下，應變隨時間和溫度的變化而變化。蠕變柔量和蠕變勁度模量呈倒數關系，即，為瀝青混合料的蠕變勁度模量，為不同時間作用下試件的應變值，為試件的蠕變荷載。瀝青混合料蠕變柔量值較高，表明混合料在低溫條件下勁度模量較小。

此外通過試驗我們可以看出，同種瀝青在同一溫度下SMA結構瀝青混合料的蠕變柔量大于AC結構瀝青混合料，表明SMA結構瀝青混合料低溫勁度模量要低于AC結構瀝青混合料，這在一定程度上解釋了SMA瀝青路面低溫抗裂性優于AC結構瀝青路面的原因所在。

3 低溫模量試驗

采用動態模量試驗對2種瀝青混合料不同溫度下的模量進行了對比試驗研究，動態模量主要是通過單軸壓縮試驗測定的，反映的是瀝青混合料抗壓狀態下抵抗變形的能力，然而瀝青路面在低溫狀態下，應力狀態是豎向作用力，縱向、橫向變形均為拉伸變形，因此采用單軸壓縮試驗評價瀝青混合料低溫模量與瀝青路面真實狀態還存在一定的差別，鑒于此，采用間接張力法對瀝青混合料的低溫模量進行了對比試驗研究。

對試驗數據進行整理計算，得出2種瀝青混合料不同頻率下的瀝青混合料彈性模量指標如表2所示。

由表中數據可以看出，間接拉伸試驗測得鋪裝層改性瀝青混合料彈性模量在高頻區，AC結構瀝青混合料和SMA結構瀝青混合料低溫條件下的剛度較小，柔度較高，具有較好的粘彈性，從力學角度分析原因，瀝青是一種粘彈性材料，在低溫條件下由粘彈性狀態轉化為彈性狀態，SBS改性瀝青混合料低溫狀態下更接近彈性體，具有良好的低溫性能。

4 低溫凍斷試驗

我國瀝青混合料低溫抗裂性能通常采用小梁彎曲來評價，但普遍研究認為采用低溫小梁彎曲試驗方法評價瀝青混合料的低溫性能仍存在一定的偏差，為更為合理更為精確的評價瀝青混合料的低溫抗裂性，研究中采用旋轉壓實儀、約束試件溫度應力試驗儀等先進儀器設備，通過低溫凍斷試驗對鋼橋面鋪裝層瀝青混合料的低溫性能進行了試驗研究。

試件成型方法參照美國SHRP中成型方法，以馬歇爾試驗所得體積指標及油石比為依據，計算20 cm高、直徑15 cm

的圓柱試件所需混合料質量，采用旋轉壓實儀成型，成型后待試件冷卻采用5 cm鉆頭對其進行鉆孔取芯，所取20 cm高、直徑5 cm圓柱試件為試驗中所采用試件。試驗結果見表3。

根據兩種瀝青混合料的低溫凍斷試驗和吉林省氣溫統計調查結果（如表4），鋼橋面鋪裝層采用SBS改性瀝青混合料滿足低溫抗裂性要求。

5 結論

（1）對鋼橋面鋪裝層瀝青混合料進行的低溫蠕變試驗研究結果表明SBS改性瀝青混合料具有較低水平的低溫蠕變柔量值，表明混合料在低溫條件下具有較好的粘彈性，且勁度模量相對較小，具有較好的低溫延展性，可用作寒冷地區鋼橋面瀝青鋪裝層材料。

（2）對兩種鋪裝層材料的低溫模量試驗研究表明，在高頻區，AC結構瀝青混合料和SMA結構瀝青混合料低溫條件下的剛度較小，柔度較高，具有較好的粘彈性，從力學角度分析原因，瀝青是一種粘彈性材料，在低溫條件下由粘彈性狀態轉化的彈性狀態，SBS改性瀝青混合料低溫狀態下更接近彈性體，具有良好的低溫性能。

（3）采用低溫約束應力試驗評價了鋪裝層的低溫抗裂性能，根據試驗結果結合吉林省最低氣溫經驗值，鋼橋面鋪裝層采用SBS改性瀝青混合料可滿足抗裂要求，同時研究發現SMA-13瀝青混合料的低溫抗裂性能優于AC-20瀝青混合料。

參考文獻：

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