寒冷條件下鋼橋面鋪裝層瀝青混合料低溫特性試驗(yàn)研究

王正中

摘 要：鋼橋在我國北方寒冷地區(qū)應(yīng)用日益普遍，寒冷條件下鋼橋面鋪裝層材料的選擇及設(shè)計(jì)參數(shù)的確定方面研究相對較少，針對鋪裝層材料的低溫性能設(shè)計(jì)是我國北方地區(qū)鋼橋面鋪裝設(shè)計(jì)的關(guān)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?cái)嗔研阅苓M(jìn)行了試驗(yàn)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(yīng)性，為類似條件下鋼橋面鋪裝層材料的選型和設(shè)計(jì)提供借鑒。

關(guān)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(shè)中，鋼橋因其具有強(qiáng)度高、自重輕、抗震性好，便于工業(yè)化制造和施工，自重、承重和跨越能力協(xié)調(diào)好等特點(diǎn)，在我國應(yīng)用越來越普遍[1-2]。鋼橋在寒冷地區(qū)應(yīng)用時(shí)，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(qū)域建設(shè)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(guān)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(yàn)、低溫條件下模量試驗(yàn)和約束條件下低溫?cái)嗔言囼?yàn)等低溫力學(xué)特性的試驗(yàn)研究，掌握鋼橋面瀝青鋪裝層材料的低溫力學(xué)性能，為寒冷地區(qū)鋼橋面鋪裝的材料選擇及混合料組成設(shè)計(jì)及設(shè)計(jì)參數(shù)確定提供借鑒[8-9]。

2 低溫蠕變性能試驗(yàn)

大量的瀝青混合料對比試驗(yàn)表明，瀝青混合料的蠕變?nèi)崃考叭渥兯俾手笜?biāo)等粘彈性指標(biāo)與瀝青的勁度直接相關(guān)，瀝青混合料蠕變?nèi)崃啃阅苤笜?biāo)作為重要的設(shè)計(jì)參數(shù)，可以用于線彈性或非線彈性層狀體系理論計(jì)算，評(píng)價(jià)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(yàn)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(jìn)行對比試驗(yàn)研究[10]，結(jié)合試驗(yàn)給出改性瀝青不同溫度下的蠕變?nèi)崃浚治鲈u(píng)價(jià)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?nèi)崃咳绫?所示，由表1中試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出：

（1）瀝青混合料的蠕變?nèi)崃侩S溫度的降低而減小;

（2）SMA-13結(jié)構(gòu)瀝青混合料的蠕變?nèi)崃扛哂贏C-20瀝青混合料。

對于瀝青混合料而言，在恒定應(yīng)力作用下，應(yīng)變隨時(shí)間和溫度的變化而變化。蠕變?nèi)崃亢腿渥儎哦饶Ａ砍实箶?shù)關(guān)系，即，為瀝青混合料的蠕變勁度模量，為不同時(shí)間作用下試件的應(yīng)變值，為試件的蠕變荷載。瀝青混合料蠕變?nèi)崃恐递^高，表明混合料在低溫條件下勁度模量較小。

此外通過試驗(yàn)我們可以看出，同種瀝青在同一溫度下SMA結(jié)構(gòu)瀝青混合料的蠕變?nèi)崃看笥贏C結(jié)構(gòu)瀝青混合料，表明SMA結(jié)構(gòu)瀝青混合料低溫勁度模量要低于AC結(jié)構(gòu)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(yōu)于AC結(jié)構(gòu)瀝青路面的原因所在。

3 低溫模量試驗(yàn)

采用動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)對2種瀝青混合料不同溫度下的模量進(jìn)行了對比試驗(yàn)研究，動(dòng)態(tài)模量主要是通過單軸壓縮試驗(yàn)測定的，反映的是瀝青混合料抗壓狀態(tài)下抵抗變形的能力，然而瀝青路面在低溫狀態(tài)下，應(yīng)力狀態(tài)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(yàn)評(píng)價(jià)瀝青混合料低溫模量與瀝青路面真實(shí)狀態(tài)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(jìn)行了對比試驗(yàn)研究。

對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理計(jì)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(biāo)如表2所示。

由表中數(shù)據(jù)可以看出，間接拉伸試驗(yàn)測得鋪裝層改性瀝青混合料彈性模量在高頻區(qū)，AC結(jié)構(gòu)瀝青混合料和SMA結(jié)構(gòu)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(xué)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(tài)轉(zhuǎn)化為彈性狀態(tài)，SBS改性瀝青混合料低溫狀態(tài)下更接近彈性體，具有良好的低溫性能。

4 低溫凍斷試驗(yàn)

我國瀝青混合料低溫抗裂性能通常采用小梁彎曲來評(píng)價(jià)，但普遍研究認(rèn)為采用低溫小梁彎曲試驗(yàn)方法評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)瀝青混合料的低溫抗裂性，研究中采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀、約束試件溫度應(yīng)力試驗(yàn)儀等先進(jìn)儀器設(shè)備，通過低溫凍斷試驗(yàn)對鋼橋面鋪裝層瀝青混合料的低溫性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

試件成型方法參照美國SHRP中成型方法，以馬歇爾試驗(yàn)所得體積指標(biāo)及油石比為依據(jù)，計(jì)算20 cm高、直徑15 cm

的圓柱試件所需混合料質(zhì)量，采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀成型，成型后待試件冷卻采用5 cm鉆頭對其進(jìn)行鉆孔取芯，所取20 cm高、直徑5 cm圓柱試件為試驗(yàn)中所采用試件。試驗(yàn)結(jié)果見表3。

根據(jù)兩種瀝青混合料的低溫凍斷試驗(yàn)和吉林省氣溫統(tǒng)計(jì)調(diào)查結(jié)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(jié)論

（1）對鋼橋面鋪裝層瀝青混合料進(jìn)行的低溫蠕變試驗(yàn)研究結(jié)果表明SBS改性瀝青混合料具有較低水平的低溫蠕變?nèi)崃恐担砻骰旌狭显诘蜏貤l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(qū)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(yàn)研究表明，在高頻區(qū)，AC結(jié)構(gòu)瀝青混合料和SMA結(jié)構(gòu)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(xué)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(tài)轉(zhuǎn)化的彈性狀態(tài)，SBS改性瀝青混合料低溫狀態(tài)下更接近彈性體，具有良好的低溫性能。

（3）采用低溫約束應(yīng)力試驗(yàn)評(píng)價(jià)了鋪裝層的低溫抗裂性能，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果結(jié)合吉林省最低氣溫經(jīng)驗(yàn)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(shí)研究發(fā)現(xiàn)SMA-13瀝青混合料的低溫抗裂性能優(yōu)于AC-20瀝青混合料。

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