基于使用性能的鋼橋面鋪裝環(huán)氧瀝青混凝土設計*

張肖寧 張順先 徐偉 黃志勇 吳文亮 苑苗苗

(華南理工大學土木與交通學院，廣東廣州510640)

隨著我國大跨徑鋼橋建設的發(fā)展，多種橋面鋪裝材料得到了應用，其中以改性瀝青SMA、澆注式瀝青混凝土和環(huán)氧瀝青混凝土三種鋪裝方案應用較多.國外從20世紀60年代開始研究環(huán)氧瀝青混凝土，并逐步應用到橋面鋪裝中，混合料的級配采用密實性級配，但在使用中存在抗滑性能不理想、易發(fā)生疲勞開裂的現(xiàn)象［1］.南京長江二橋是我國首次在橋面鋪裝中采用環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝結(jié)構(gòu)，混合料組成結(jié)構(gòu)采用防水性能較好的懸浮密實型級配，最大公稱粒徑為9.5 mm;隨后，多座橋梁開始采用這種鋪裝結(jié)構(gòu)，包括潤揚大橋、杭州灣跨海大橋等.但是，國內(nèi)外環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝結(jié)構(gòu)在實際使用過程當中暴露出兩個主要問題:首先，由于環(huán)氧瀝青混合料受橋梁設計荷載和鋪裝層厚度的影響，進行配合比設計時所采用的最大粒徑有一定的限制，且所采用的級配為懸浮密實結(jié)構(gòu)，屬于密級配瀝青混凝土［2］.該級配的環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝方案，鋪裝層構(gòu)造深度和摩察系數(shù)較小，鋪裝層抗滑性能較差［3］，尤其在雨天或橋梁跨徑較長、縱坡較大的情況下，極易發(fā)生交通事故.其次，隨著使用年限的增加，在繁重的交通負荷作用下，環(huán)氧瀝青混凝土橋面鋪裝會出現(xiàn)很多病害，其中最主要的是疲勞裂縫［4］.究其原因，主要是由于環(huán)氧瀝青混凝土是非均質(zhì)的、對于溫度較敏感的多向性材料，其內(nèi)部有很多微孔隙和微裂縫［5］，這些材料本身的原始缺陷在溫度和行車荷載的重復作用以及鋼橋面板負彎矩區(qū)不斷承受的彎拉作用下，會不斷演化發(fā)展，最終形成宏觀疲勞裂縫，如果疲勞裂縫進一步發(fā)展就會產(chǎn)生疲勞破壞.

針對環(huán)氧瀝青混凝土橋面鋪裝中出現(xiàn)的主要問題，文中首先從級配方面進行研究，對傳統(tǒng)的設計級配進行改進和完善，首次把骨架密實斷級配CAVF設計方法運用到環(huán)氧瀝青混凝土的級配設計當中，提出以空隙率和構(gòu)造深度作為環(huán)氧瀝青混凝土的設計指標;然后基于斷裂力學和能量法原理，提出以沖擊韌性作為環(huán)氧瀝青混凝土配合比設計和疲勞性能的一個評價指標，并通過疲勞試驗驗證沖擊韌性與疲勞性能之間的關(guān)系.

1 CAVF設計方法研究

現(xiàn)階段鋼橋面鋪裝中所使用的環(huán)氧瀝青混合料集料最大粒徑為13.2 mm，同時為了避免橋面鋪裝水損害的產(chǎn)生，環(huán)氧瀝青混凝土空隙率一般控制在3%以內(nèi)［6］，這就造成了環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝層表面較光滑，抗滑能力較差，容易發(fā)生交通事故.

研究表明粗集料空隙填充(CAVF)法能夠較好平衡瀝青路面防水性能和抗滑性能之間的矛盾［7］，CAVF設計方法既強調(diào)粗集料骨架的嵌擠作用，又充分利用細集料的填充、粘結(jié)作用，把嵌擠原則和填充原則結(jié)合起來，從而全面提高混合料的路用性能，實踐證明粗集料空隙填充法形成的密斷級配能夠較好滿足路用性能需要，該方法設計的主體基本思路是:實測主骨架礦料的空隙率，計算其空隙體積，使細集料體積、瀝青體積、礦粉體積及瀝青混合料最終設計空隙體積之總和等于主骨架空隙體積，從而確定細集料用量與瀝青用量，即細集料和瀝青所組成的膠漿是作為填充料以填充主骨架的空隙，不會發(fā)生膠漿干涉.為了避免集料的干涉，細集料顆粒不能太大，相對連續(xù)級配用量較少.按這種方法設計的瀝青混合料，既保證了骨料的充分嵌擠，又使瀝青膠漿充分填充了主骨架間隙，從而可全面提高混合料的性能.按照上述體積關(guān)系，粗集料、細集料、礦粉的質(zhì)量分數(shù)、油石比、搗實狀態(tài)下的粗集料松裝間隙率及混合料設計空隙率滿足方程:

式中:qc、qf、qp分別為粗集料、細集料、礦粉的質(zhì)量分數(shù);qa為瀝青質(zhì)量分數(shù);VDRC為干搗實狀態(tài)下的粗集料間隙率;VDS為設計瀝青混合料空隙率;γs為粗集料毛體積密度;γf、γp分別為細集料和礦粉的表觀密度;γa為瀝青相對密度;VDRC可以通過試驗測得:

式中:γc為粗集料表觀密度.上式?jīng)]有考慮集料吸收瀝青體積的影響和細集料、瀝青膠漿對粗集料間隙率的影響，葛折圣［8］對CAVF設計方法進行了改進，引用干涉系數(shù)α來表示對粗集料骨架的干涉程度并對原混合料體積平衡方程進行改進，即

式中:m為瀝青混合料的質(zhì)量;V為混合料的體積;Vbe為有效瀝青體積，取值可參考JTG F40—2004《公路瀝青路面施工規(guī)范》和文獻［8］:Vmix=αVmin，為瀝青混合料中粗集料的間隙率，Vmin為粗集料骨架間隙率最小值，α為干涉系數(shù)，一般取值為1.0～1.2，γm為瀝青混合料毛體積密度，γce為粗集料的合成有效相對密度，pca為瀝青混合料中粗集料的比例.

解式(1)和(5)即可得粗、細集料的含量.然后，按照式(6)和(7)，由Vbe反算出qa:

式中:qbe為有效油石比;qba為被集料吸入的油石比;γse為合成礦料的相對密度;γsb為合成礦料毛體積相對密度.

2 混合料的級配設計

2.1 集料基本參數(shù)的測定

考慮鋪裝混合料集料最大粒徑與施工最小厚度的技術(shù)要求，參考其他橋面鋪裝所使用各檔集料的情況，以13.2mm為最大集料尺寸，間斷3～5mm粒徑的碎石，細集料采用0～3mm的石屑，礦粉采用石灰石.測得集料的主要技術(shù)指標如表1所示.

表1 集料主要技術(shù)指標Table 1 Main technical indexes of aggregate

環(huán)氧瀝青的相對密度為1.023g/cm3，根據(jù)文獻［9］中的方法測得粗集料緊裝密度為1.656 g/cm3，根據(jù)文獻［8］試驗方法測得Vmin=38.72%，干涉系數(shù) α =1.01，αVmin=39.11%，各檔集料篩分結(jié)果如表2所示.

表2 各檔集料篩分結(jié)果Table 2 Sieving results of each aggregate mm

2.2 各組分用量的確定和級配設計

結(jié)合已鋪筑橋梁橋面鋪裝瀝青混合料的配比情況和在橋面鋪裝中使用情況的總結(jié)，根據(jù)經(jīng)驗，取礦粉用量為12.6%.空隙率對橋面鋪裝的疲勞性能和防水性能有著重要影響，空隙率增加將會顯著降低混合料的疲勞性能;同時，隨著空隙率的增加，瀝青混合料的抗水損壞能力也逐漸降低，考慮橋面鋪裝抗疲勞和水損壞的影響，初擬本次瀝青混合料的空隙率為2.0%，有效瀝青體積Vbe=13%，把瀝青用量、礦粉用量、目標空隙率和Vbe代入式(1)和(5)，即可得出粗細集料的用量為63.5%，23.9%.根據(jù)合成礦料的毛體積相對密度、表觀相對密度、有效相對密度和式(6)、(7)，計算得出瀝青用量(油石比)為6.7%.根據(jù)粗集料用量、細集料用量和礦粉用量，結(jié)合集料的篩分結(jié)果.即可繪出采用CAVF法設計的環(huán)氧瀝青混合料級配曲線，并和傳統(tǒng)的環(huán)氧瀝青混合料級配曲線進行了對比，如圖1所示，從圖1中可以看出兩種級配有較大的差異，CAVF法是明顯的密斷級配形式.

圖1 環(huán)氧瀝青混合料設計級配曲線Fig.1 Design gradation curves of epoxy asphalt mixtures

2.3 防水性能和抗滑性能研究

根據(jù)2.2節(jié)中的粗細集料用量、礦粉用量和瀝青用量成型馬歇爾試件，文中所采用的瀝青膠結(jié)料分別為兩組份環(huán)氧瀝青和三組份環(huán)氧瀝青，兩組份環(huán)氧瀝青組成情況及成型方法在文獻［6］中有所描述;三組份環(huán)氧瀝青分別由主劑、固化劑和基質(zhì)瀝青3部分組成，其中基質(zhì)瀝青一般采用AH-70，無特殊要求時環(huán)氧瀝青配比如下:環(huán)氧樹脂質(zhì)量配比為m主劑:m固化劑=56∶44;環(huán)氧瀝青質(zhì)量配比為:m基質(zhì)瀝青∶m環(huán)氧樹脂=50∶50.環(huán)氧樹脂和硬化劑分別加熱到60℃，基質(zhì)瀝青加熱到160℃，然后同時直接加入拌合鍋中和石料進行拌合.成型試件后冷卻至室溫，之后放入60℃烘箱養(yǎng)護4d，測定固化后的馬歇爾試件體積參數(shù)，結(jié)果如表3所示.

表3 馬歇爾試件體積參數(shù)Table 3 Volume parameters of Marshall specimen

從表中可以看出，混合料平均空隙率為1.88%，與目標空隙率2.0%較為接近，遠遠小于滲水系數(shù)門檻值(空隙率為5%)［10］;同時進行了環(huán)氧瀝青混凝土滲水試驗，試驗結(jié)果為0mL/min.說明用CAVF方法設計的環(huán)氧瀝青混合料具有良好的防水性能和抗?jié)B性能.為了驗證采用CAVF方法設計的環(huán)氧瀝青混合料的抗滑性能，在常溫條件下分別進行摩擦系數(shù)和構(gòu)造深度試驗，摩擦系數(shù)在干燥狀態(tài)下為89，濕潤狀態(tài)下為78，構(gòu)造深度為1.08 mm，說明采用CAVF方法設計的環(huán)氧瀝青混凝土具有良好的抗滑性能.

3 基于沖擊韌性的環(huán)氧瀝青混凝土疲勞性能研究

現(xiàn)階段進行環(huán)氧瀝青混合料設計時，并沒有把疲勞性能設計納入配合比設計體系之中，而只把疲勞性能作為一項驗證指標，這是環(huán)氧瀝青混凝土出現(xiàn)大量疲勞破壞的原因所在.然而，在實際使用過程當中，環(huán)氧瀝青混凝土主要表現(xiàn)為疲勞破壞，現(xiàn)有的設計理論和方法與實際使用情況之間有較大的差別.文中嘗試在斷裂力學和能量法原理的基礎上，提出以沖擊韌性作為環(huán)氧瀝青混凝土配合比設計和疲勞性能設計的一個重要指標.

3.1 沖擊韌性理論基礎

沖擊韌性主要是指材料在沖擊荷載作用下吸收變形功和斷裂功的能力，是評價材料韌性的一項重要指標.當材料承受外界荷載作用時，材料內(nèi)部本身就會產(chǎn)生一定的應力并導致相應的應變，材料在重復荷載作用下產(chǎn)生疲勞裂紋后，就會在裂紋處產(chǎn)生一定的應力應變場.根據(jù)能量原理提出的J積分理論［11］可定量地描述裂紋體的應力應變場強度，它不僅適用于彈性體，對小變形的彈塑性體也適用.Bagley和Landes依據(jù)大量試驗，認為J積分作為衡量裂紋開裂的參量是適宜的，從而建立了J積分準則:即當圍繞裂紋尖端的J積分達到臨界值JC(平面應力)或JIC(平面應變)時，裂紋開始擴展.JC或JIC被稱為J積分斷裂韌度，代表材料的抗裂性能，由于韌度JIC可以用勢能公式表達出來，瀝青混合料的J積分斷裂韌度可以根據(jù)下面公式獲得［12］:

式中:U為荷載功，即荷載－位移曲線下的面積，N·mm;b為試件厚度，mm;a為裂紋長度，mm;下標1、2表示試件.因此，材料發(fā)生斷裂時伴隨著能量的損耗，能量值可以用荷載－位移圖所包圍的面積來計算，試驗荷載－位移曲線下所包圍的面積越大，斷裂韌度JIC越大，材料抵抗破壞的能力越強.

圖2中陰影部分的面積代表沖擊韌性，根據(jù)J積分理論和JIC公式可知，沖擊韌性在理論上是可行的.結(jié)合Origin軟件和筆者編寫的計算程序，可得出陰影部分的面積，即沖擊韌性的大小.張肖寧等［13］曾采用沖擊韌性評價瀝青混合料抵抗反射裂縫的能力，并取得了較好的效果.

圖2 荷載－位移圖Fig.2 Load-displacement figures

3.2 試驗方法

文中所采用的沖擊韌性試驗采用小梁棱柱體試件進行，試件制備過程如下:

(1)采用輪碾成型機壓實成型，制備300 mm×300mm×50 mm的板塊狀試件，將制備好的試件放到120℃(兩組分)或60℃(三組分)的烘箱中加熱4d，使其快速固化.

(2)采用芬蘭生產(chǎn)的高精度雙面鋸將輪碾成型的固化后的板塊狀試件切制成長(250±2)mm、寬(30±0.5)mm、高(35 ±0.5)mm 的棱柱體小梁，其跨徑為(200±0.5)mm，采用這樣的試件均勻性好，試驗誤差小，方便易行.

(3)沖擊韌性試驗擬采用在MTS試驗機上進行，該試驗機的加載速率可以根據(jù)需要進行選擇，本次試驗加載擬采用的加載速率為500mm/min.

為了了解溫度變化和瀝青膠結(jié)料含量變化對小梁沖擊韌性的影響，按照上述試驗方法分別進行兩種環(huán)氧瀝青膠結(jié)料不同溫度和不同瀝青含量下的沖擊韌性試驗，試驗結(jié)果如圖3(a)、(b)所示.

由圖3(a)、(b)可知，隨著試驗溫度升高，兩種環(huán)氧瀝青混合料的沖擊韌性逐漸增大，且相同條件下兩組份環(huán)氧瀝青的沖擊韌性大于三組份環(huán)氧瀝青的沖擊韌性.這主要是由于環(huán)氧瀝青性能對溫度的依賴性決定了瀝青混合料性能也顯著地受溫度的影響.眾所周知，隨著溫度測量尺度的不同，瀝青混合料可以表現(xiàn)出彈性體或粘性流體的所有特征，破壞過程由典型脆性破壞過渡到彈塑性破壞，這種轉(zhuǎn)變是由環(huán)氧瀝青混合料中環(huán)氧瀝青的性能決定的.隨著試驗溫度的升高，環(huán)氧瀝青混合料由玻璃態(tài)脆性固體向粘彈性體轉(zhuǎn)變，混合料的破壞由脆性破壞向屈服破壞轉(zhuǎn)變，同時混合料內(nèi)部會發(fā)生微小的粘彈性變形，使荷載－位移圖曲線下的面積增大，即沖擊韌性逐漸增大，因此沖擊韌性在試驗溫度范圍內(nèi)隨溫度升高而增大.

圖3 不同溫度和油石比下兩組份和三組份環(huán)氧瀝青的沖擊韌性Fig.3 Impact toughness of epoxy asphalt with two or three components at different temperature and bitumen-toaggregate ratios

采用CAVF法設計的環(huán)氧瀝青混合料屬于骨架密實性級配，在同一級配的情況下，由圖3(a)、(b)可以看出隨著瀝青含量的增加，沖擊韌性逐漸增大，當油石比小于6.9%時，曲線的斜率增加較快，沖擊韌性變化較大;當油石比大于6.9%時，曲線斜率變化幅度較小，沖擊韌性增長較緩慢.因此在同一級配和溫度下，瀝青用量存在一個閾值點，該閾值點控制了沖擊韌性的變化幅度(本試驗中瀝青用量(油石比)閾值點為6.9%)，這主要是由于瀝青膜厚度的影響.當瀝青用量較小時，包裹在礦料周圍的瀝青膜厚度不足或較薄，礦料之間粘結(jié)力較小，抗變形能力較差;隨著瀝青用量的增加，瀝青膜厚度逐漸變大，礦料之間的粘結(jié)力得到進一步的改善，抗變形能力得到加強，沖擊韌性也隨之增大;當油石比大于6.9%時，礦料周圍的瀝青膜厚度不增加或增加較緩慢，混合料內(nèi)部變形速率較小，因此沖擊韌性變化不明顯.

3.3 沖擊韌性與環(huán)氧瀝青混合料疲勞性能之間的關(guān)系

現(xiàn)階段，環(huán)氧瀝青混合料疲勞試驗方法通常采用應力控制或應變控制兩種加載模式，這兩種加載模式在反映材料疲勞性能方面有較大差異.對于鋼橋面鋪裝，應采用控制應變的荷載模式，原因如下:

(1)應力控制模式不能反映鋪裝層勁度模量隨著鋪裝材料老化，疲勞性能會逐漸衰減的過程.

(2)由于鋼橋面板和鋪裝層材料之間模量相差較大，鋪裝結(jié)構(gòu)強度主要來源于橋面板的剛度.

筆者曾對環(huán)氧瀝青混凝土的疲勞性能進行了大量的試驗研究，結(jié)果表明環(huán)氧瀝青混凝土疲勞性能好.以應變加載方式進行控制時，在500×10－6的條件下，如果按照混合料的剩余勁度模量降到初始勁度模量的50%作為破壞標準，其疲勞性能大于100萬次，試驗運行周期長，費用高，且試驗結(jié)果離散性大.為了能在相對較短的時間內(nèi)得出環(huán)氧瀝青混凝土的疲勞壽命，本文擬采用500×10－6作為環(huán)氧瀝青混凝土的疲勞控制應變，以加載50萬次后的剩余勁度模量比作為評價環(huán)氧瀝青疲勞性能的指標.剩余勁度模量比越大，表明瀝青混合料的疲勞壽命越好.采用英國公司生產(chǎn)的Cooper試驗機進行疲勞試驗.試驗結(jié)果如圖4所示.

從圖4中可以看出，當混合料加載50萬次后，油石比由6.1%增加到6.9%時，兩種環(huán)氧瀝青混合料剩余勁度模量比曲線斜率很大，剩余勁度模量比有較大變化，表明此時瀝青混合料的疲勞性能在快速提高;當瀝青用量大于6.9%時，剩余勁度模量比變化較小，表明此時瀝青混合料的疲勞性能提高較緩慢，且對于剩余勁度模量比，兩組份環(huán)氧瀝青混合料大于三組份環(huán)氧瀝青混合料，可知兩組份的環(huán)氧瀝青混合料疲勞性能優(yōu)于三組份的疲勞性能.根據(jù)圖3(a)、(b)可知，四點彎曲疲勞試驗結(jié)果與沖擊韌性試驗得到的結(jié)果一致，說明環(huán)氧瀝青混合料的疲勞壽命和沖擊韌性之間有一定的相關(guān)性.為驗證設計出的瀝青混合料的疲勞性能，取油石比為6.9%時的混合料進行應變?yōu)?00×10－6的疲勞試驗，其兩組份環(huán)氧瀝青疲勞壽命約為200多萬次，而三組份環(huán)氧瀝青的疲勞壽命約為180萬次，兩者均滿足《公路鋼箱梁橋面鋪裝設計與施工技術(shù)指南》中疲勞性能的需要(大于100萬次).

圖4 不同油石比下的疲勞試驗結(jié)果Fig.4 Fatigue test results under different bitumen-to-aggregate ratio

為了找出沖擊韌性和疲勞壽命之間的內(nèi)在聯(lián)系和相關(guān)性，以三組份環(huán)氧瀝青混合料為例，將15℃下的剩余勁度模量比和沖擊韌性值進行匯總，見圖5，并對試驗數(shù)據(jù)進行回歸擬合，得到線性方程y=2.75x+62.43，相關(guān)系數(shù)為 0.98.說明沖擊韌性與疲勞壽命之間具有良好的線性相關(guān)性，因此沖擊韌性可以作為評價環(huán)氧瀝青混凝土疲勞性能的指標.根據(jù)沖擊韌性和馬歇爾試驗結(jié)果，初擬瀝青油石比為6.9%.采用沖擊韌性試驗方法，設備簡單，試驗周期較短，可方便快捷地進行疲勞性能評價.

圖5 沖擊韌性與剩余勁度模量比之間的關(guān)系Fig.5 Relationship between impact toughness and residual stiffness modulus ratio

4 結(jié)論

文中在鋼橋面鋪裝環(huán)氧瀝青混凝土使用性能的基礎上，采用密斷級配CAVF法設計抗滑性能較好的環(huán)氧瀝青混合料，從斷裂力學和能量法的角度，采用沖擊韌性試驗評價環(huán)氧瀝青混凝土的疲勞性能，并建立起沖擊韌性和混合料剩余勁度模量比之間的關(guān)系.具體得出如下結(jié)論:

(1)采用CAVF方法對鋼橋面鋪裝環(huán)氧瀝青混凝土進行設計，在保證防水性能的前提下，摩擦系數(shù)和構(gòu)造深度有了明顯的提高，可以避免雨天或橋梁跨徑較長、縱坡較大的情況下交通事故的發(fā)生，該方法為環(huán)氧瀝青混合料的設計提供了一種新的思路.

(2)沖擊韌性指標代表了材料在沖擊荷載作用下發(fā)生斷裂前積蓄的能量，隨著瀝青用量的增大和溫度的升高，沖擊韌性值逐漸增大;環(huán)氧瀝青混合料瀝青用量(油石比)的閾值點為6.9%，當瀝青含量超過6.9%時，沖擊韌性增幅減緩.

(3)采用剩余勁度模量比代表環(huán)氧瀝青混凝土的疲勞性能，發(fā)現(xiàn)沖擊韌性和剩余勁度模量比均隨著瀝青用量的增加而逐漸增大，兩者具有較好的一致性.兩組份環(huán)氧瀝青混合料的疲勞性能優(yōu)于三組份混合料的疲勞性能.

(4)由試驗可知，環(huán)氧瀝青混合料的沖擊韌性和剩余勁度模量比之間具有很好的線性相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)大于0.98，因此可以采用沖擊韌性評價環(huán)氧瀝青混凝土的疲勞性能.

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