鋼橋面鋪裝結構層疲勞壽命預估模型和試驗研究*

劉璐霞，王立東，蔣婷婷

（1中咨公路工程監理咨詢有限公司，北京 100048；2河南水利與環境職業學院，河南鄭州 450008）

鋼橋面在通車兩三年后往往會出現鋪裝結構層病害，若采用頻繁的銑刨維修很可能導致橋梁結構的損傷，同時影響交通舒適與安全。目前工程界普遍認為，導致鋼橋面鋪裝層在運營初期就出現病害的原因常在于嚴峻的使用環境，但也有研究發現[1-2]，現階段在進行橋面鋪裝設計時，往往以材料的極限強度控制為主，忽略了鋪裝層可能發生的疲勞損傷，也是鋪裝層出現裂縫、車轍病害的起因之一。因此開展鋼橋面鋪裝結構層的疲勞壽命研究，分析荷載、溫度、厚度等因素對橋面鋪裝結構層疲勞壽命的影響，有助于揭示其出現早期病害的原因。

1 原材料與配合比設計

1.1 原材料

（1）瀝青。本試驗瀝青鋪裝層采用SMA-10、SMA-13雙層瀝青混合料，瀝青選擇SBS改性瀝青，相關性能參數見表1。

表1 SBS改性瀝青性能指標Table 1 Performance indexes of SBS modified asphalt

（2）集料。SMA混合料采用間斷級配。本試驗用粗集料采用玄武巖，滿足質地堅硬、表面粗糙、清潔等要求；細集料采用石灰巖，滿足清潔、穩定性好、有棱角性等要求。礦料選擇石灰巖磨細的礦粉。

（3）纖維。本試驗采用木質纖維素，性能指標見表2。

表2 木質纖維素的性能指標Table 2 Performance indexes of lignocellulose

（4）防水粘結劑。本試驗用防水粘結劑為環氧樹脂粘結劑Ⅰ型，分甲乙兩組份，用量比為2：1，分為兩層涂布。同時在第一層撒布0.3~0.6 mm碎石，用量為300~400 g/m2；在第二層撒布1.18~2.36 mm碎石，用量為300~400 g/m2。環氧樹脂粘結劑的性能測試結果見表3，各項性能均滿足要求。

表3 防水粘結劑測試結果Table 3 Test results of waterproof binder

1.2 瀝青混合料配合比設計

（1）礦料級配設計。本次試驗鋪裝層采用SMA-13、SMA-10雙層瀝青混合料，級配結果如圖1、圖2所示。纖維摻量根據相關研究取瀝青混合料質量的3%，過多纖維不利于瀝青與集料的粘附。

圖1 SMA-13級配曲線圖Fig. 1 SMA-13 gradation curve

圖2 SMA-10級配曲線圖Fig. 2 SMA-10 gradation curve

（2）最佳油石比確定。現有研究表明[2]，SMA中的瀝青用量一般為5.8%~6.5%，本次試驗選擇5.8%、6.0%、6.2%、6.4%、6.6%五種油石比，制備SMA-13、SMA-10馬歇爾試件并開展試驗，最終計算得到的SMA-13、SMA-10瀝青混合料的最佳油石比分別為6.0、6.2%。同時，測定各組試件的動穩定度、飛散損失率、析漏損失率、劈裂抗拉強度比等指標，均滿足規范要求。

2 防水粘結層疲勞性能試驗設計

2.1 防水粘結層最佳用量確定

材料抗剪強度、抗拉拔強度的要求分別為1.26、0.67 MPa，當防水粘結層的涂覆量為1.3kg/m2時，抗剪強度與抗拉拔強度達到曲線的最高點，此時材料抗剪強度和抗拉拔強度分別為2.11、1.12 MPa，均滿足規范要求。因此，本試驗確定的防水粘結層最佳用量為1.3kg/m2。

2.2 直接剪切疲勞試驗參數確定

試驗試件結構為“鋼板+防水粘結層+鋪裝下層”，其中鋼板為直徑100mm、高50mm的圓柱體，頂部涂覆1.3kg/m2環氧樹脂防水粘結層以及SMA-10瀝青層，常溫養護24h后進行直剪試驗。試驗加載選擇10Hz正弦波，當剪切位移達到5mm時視為試件破壞，試驗溫度梯度選擇五檔：-10、15、25、50、70 ℃，應力水平選擇四級：0.28、0.42、0.56、0.7 MPa。

3 防水粘結層疲勞試驗結果及壽命預估模型分析

3.1 應力、溫度對剪切疲勞壽命的影響

根據環氧樹脂防水粘結層的直剪試驗結果繪制溫度、應力與粘結層剪切疲勞壽命關系如圖3、圖4所示。

圖3 應力與剪切疲勞壽命關系Fig. 3 Relationship between stress and shear fatigue life

圖4 溫度與剪切疲勞壽命關系Fig. 4 Relationship between emperature and shear fatigue life

從圖3中可以看出，在同一溫度下，隨著應力水平的提高，防水粘結層的疲勞剪切壽命下降。原因在于，在溫度條件一定的前提下，材料勁度模量一定，所受外部荷載越大產生的應變也增大，材料的疲勞壽命較短。觀察不同溫度下疲勞壽命隨應力的變化幅度可以發現，隨著溫度的升高，曲線的下降幅度表現出先升后降的明顯趨勢，當溫度為50℃時曲線下降幅度最大，達到97.83%，表明此溫度下材料疲勞壽命對應力變化更敏感。

從圖4中可以較為明顯地看出，疲勞壽命的變化速率以25℃為分界線，可以劃分了兩個階段，在溫度-10~25℃區間內，剪切疲勞壽命的變化速率較小，說明此階段的破壞速度較為緩和；在溫度25~70 ℃區間內，疲勞壽命的下降速率明顯快于第一階段，下降幅度均超過90%，且應力越大下降幅度也越大。對比0.7MPa應力下25℃與70℃的疲勞壽命曲線可以發現，0.7MPa、70℃時防水層已接近完全失去粘結能力，這也表明疲勞壽命在高應力下對溫度的敏感性更大。

3.2 考慮應力、溫度的疲勞壽命預估模型

根據已有研究[3-5]，在考慮疲勞壽命受應力變化的影響時，溫度的變化不應忽略，應當對剪切疲勞壽命-應力方程進行溫度因素的修正。根據上文分析，剪切疲勞壽命以25℃分界為兩個階段，且從雙對數曲線圖中也可以看出25℃以下的曲線斜率基本一致，因此考慮-10~25 ℃、25~70 ℃兩個區間段修正剪切疲勞壽命方程。

同時，借鑒文獻[6]中的溫度修正方法，運用ORIGIN軟件對試驗數據進行擬合，發現T/T0和NSFT/NSFT0之間具有良好線性關系。其中T0為15℃，NSFT0代表溫度為15℃時的剪切疲勞壽命，NSFT代表溫度T時的剪切疲勞壽命。據此，擬合得到兩個修正后剪切疲勞修正模型：（1）在-10~25 ℃區間內，防水粘結層的疲勞壽命預估模型為NSFT=(0.971-0.0039T)×4488426τ-2.154；(2)在25~70 ℃區間內，防水粘結層的疲勞壽命預估模型為NSFT=(1.499-0.025T)×3300627τ-2.471。

3.3 涂覆量對剪切疲勞壽命的影響

試驗選擇在15、30、50 ℃三種溫度下研究涂覆量對粘結層疲勞壽命的影響，共選擇0.5、0.9、1.3、1.7kg/m2四檔涂覆量開展試驗，結果見表4。可以看出，隨著涂覆量的增加，剪切疲勞壽命有所增加。值得注意的是，在涂覆量為1.3kg/m2時，材料雖然獲得最大的極限破壞強度，但是剪切疲勞壽命卻不是最高。原因可能在于剪切疲勞試驗的荷載僅為極限破壞試驗荷載的1/3，作用力小導致材料并未出現破壞，在此基礎上，鋼板與混合料接觸面積隨著涂覆量的增加而加大，二者的黏結性增強，剪切疲勞壽命提高。

表4 不同涂覆量下的剪切疲勞壽命情況Table 4 Shear fatigue life under different coating quantities

考慮到溫度對疲勞壽命的顯著性影響，采用前文所述的方法進行溫度修正。運用ORIGIN軟件對試驗數據進行擬合，發現T/T0和NSFT/NSFT0之間具有良好線性關系，計算得到的溫度修正系數為：NSFT/NSFT0=1.42-0.028T。因此，最終得到的涂覆量與剪切疲勞壽命預估方程為：（1）溫度為15℃時，NSFT=（1.42-0.028T）（28.02X-8.25）；（2）溫度為30℃時，NSFT=（1.42-0.028T）（23.91X-7.03）；（3）溫度為50℃時，NSFT=（1.42-0.028T）（11.29X-3.66）。其中X表示防水粘結層的涂覆量。

4 鋪裝層彎曲疲勞性能試驗及壽命預估模型分析

4.1 彎曲疲勞試驗結果

試驗設備采用萬能材料試驗機UTM-25，根據相關規范要求成型SMA-13、SMA-10試件開展四點彎曲疲勞試驗，溫度-10、0、15、20 ℃四檔，應變水平分為750、1000、1250、1500 με，頻率為10Hz。每一種應變及溫度水平下進行四次4次平行試驗，結果如圖5所示。采用統計學中的雙因素分析法發現，在顯著性水平為95%的情況下，級配對疲勞壽命次數無顯著影響，因此后續擬合不考慮級配因素。

圖5 鋪裝層隨溫度及應變水平變化趨勢圖Fig.5 Pavement layer variation trend with temperature and strain level

由圖5可知，在溫度一定的前提下，橋面鋪裝的疲勞壽命隨著應變增大而減小，且溫度越高下降趨勢越明顯。其原因在于隨著應變增大，鋪裝層內部損傷積累較多，導致材料勁度迅速下降，疲勞壽命降低速率增加。在應變水平一定的前提下，隨著環境溫度的升高，鋪裝層的疲勞壽命有所升高，且在低應變水平下，疲勞壽命受溫度變化的影響更敏感，原因在于鋪裝層的勁度模量隨著溫度的上升而減小，在一定應變水平下材料應力降低，損傷積累變少。同時當應變水平低時，材料內部損傷積累較少，隨著溫度變化，進度模量有更大的變化范圍，宏觀表現為材料疲勞壽命在低應變條件下的變化幅度更明顯。

4.2 疲勞壽命預估模型

繪制鋪裝層疲勞壽命-應變水平的雙對數曲線圖，并擬合其疲勞壽命預估方程，結果如圖6所示，從方程的精度來看，在對數坐標下二者具有良好的線性關系。采用上文提及的方法對擬合方程進行溫度修正，計算得到的溫度修正系數為NSFT/NSFT0=1.880-0.323T/T0，各字母含義與上文同。

圖6 鋪裝層-應變雙對數曲線Fig.6 Pavement layer-strain double logarithmic curve

考慮到室內疲勞試驗加載與實際行車荷載在荷載間歇、橫向分布、裂紋拓展方面的差異，可將疲勞方程擴大100倍，使模型與實際結果更好貼合。因此在考慮溫度修正系數下的鋪裝層疲勞壽命預估模型為：NSFT=188.0×1012.74-0.323-0.1T×(ε)-3.23。

5 結論

通過室內試驗，建立鋼橋粘結層與鋪裝層的疲勞壽命預估模型，分析鋼橋面的防水粘結層剪切疲勞損傷及鋪裝層彎拉疲勞損傷的效應及原因，主要結論如下：

（1）對于粘結層而言，剪切疲勞壽命與應力雙對數坐標下具有良好的線性關系，疲勞壽命以25℃為界可以分為兩段，材料疲勞壽命在高于25℃與低于25℃下的應力敏感性有顯著差異。在溫度25~70 ℃區間內，疲勞壽命的下降速率明顯快于低溫度階段。據此，本文建立了低溫與常溫下的溫度-應力-疲勞壽命預估模型。

（2）涂覆量對防水粘結層剪切疲勞壽命有顯著影響，疲勞壽命隨著涂覆量增大而提高。同時考慮溫度因素的顯著性影響，本文建立了經過溫度修正的剪切疲勞壽命-涂覆量預估模型。

（3）對于SMA鋪裝層而言，溫度、應變對彎曲疲勞壽命有重要影響。在同一應變水平下，溫度升高會導致鋪裝層彎曲疲勞壽命提高，且該現象在低應變水平下表現更明顯；在同一溫度條件下，彎曲疲勞壽命隨著應變水平的增大而減小，且該現象在溫度高時更為明顯。鋪裝層彎曲疲勞壽命與應變在雙對數坐標下表現出較好線性關系，建立了溫度因素修正的鋪裝層疲勞壽命預估模型。