新型改性瀝青填充式橋梁伸縮縫粘結(jié)特性試驗(yàn)研究＊

艾長(zhǎng)發(fā) 楊 濤 陽恩慧 邱延峻 劉 東

（西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院1） 成都 610031）（道路工程四川省實(shí)驗(yàn)室2） 成都 100031）

（四川成渝高速公路股份有限公司3）成都 610041）

0 引 言

改性瀝青填充式橋梁伸縮縫是20世紀(jì)70年代由英國(guó)發(fā)展起來的一種新興的橋梁伸縮縫，其主要工作機(jī)理是依靠高彈性特種瀝青結(jié)合料與石料形成的混合物的彈性來適應(yīng)由于溫度和交通荷載作用而產(chǎn)生的橋梁端部位移［1］.構(gòu)造見圖1.

圖1 伸縮縫構(gòu)造圖

由于該伸縮縫與橋面鋪裝連接平順，行車舒適平穩(wěn)，且具有施工方便、易修補(bǔ)等優(yōu)點(diǎn)，因此，在許多中小跨徑橋梁上得到推廣使用.隨著無縫伸縮縫專用膠結(jié)料產(chǎn)品的更新?lián)Q代，目前該伸縮縫在許多大跨徑橋梁上也進(jìn)行了試驗(yàn)性應(yīng)用.為保證該伸縮縫的使用品質(zhì)，必須保證材料本身具有優(yōu)良的路用性能，以適應(yīng)環(huán)境與車輛荷載的共同作用，特別是適應(yīng)低溫環(huán)境下的梁體收縮變形.為此，文獻(xiàn)［2］提出用橡膠粉改性SBS 瀝青并輔以橡膠顆粒替代部分礦料的辦法，以提高伸縮縫材料高低溫及伸縮變形性能；文獻(xiàn)［3］采用納米粉體材料對(duì)彈塑體的填充-共混法，以提高伸縮縫材料拉伸及低溫性能；文獻(xiàn)［4］通過添加熱塑性橡膠類改性劑和橡膠類改性劑的方法，以改善伸縮縫材料的低溫性能.由于伸縮縫兩端與梁體連接處界面是一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)，常出現(xiàn)粘結(jié)不牢固現(xiàn)象，易開裂.為此，文獻(xiàn)［1，3］從施工工藝改進(jìn)角度，提出采用噴燈對(duì)梁端界面進(jìn)行分段預(yù)熱再涂底油的方法以提高界面粘結(jié)性能，工程實(shí)踐檢驗(yàn)，該措施效果明顯.界面粘結(jié)是否牢固，不僅跟粘結(jié)材料屬性有關(guān)，而且跟粘結(jié)界面特性有關(guān).關(guān)于界面粘結(jié)特性，目前在橋面鋪裝防水層方面做了大量研究［5-10］，而在改性瀝青填充式橋梁伸縮縫端部界面粘結(jié)方面鮮為報(bào)道.為此，本文針對(duì)一種新型無縫伸縮縫專用膠結(jié)料，制作其混合料，結(jié)合橋梁伸縮縫收縮受拉的工作特性，采用直接拉伸試驗(yàn)方法，測(cè)試并分析不同溫度條件、不同界面特性對(duì)伸縮縫材料與梁端粘結(jié)性能的影響規(guī)律，解釋粘結(jié)機(jī)理，分析失效原因，以資為改性瀝青填充式橋梁伸縮縫設(shè)計(jì)和施工提供技術(shù)指導(dǎo).

1 原材料

1.1 新型改性瀝青膠結(jié)料

試驗(yàn)使用的改性瀝青膠結(jié)料為某公司生產(chǎn)的無縫伸縮縫專用膠結(jié)料，該膠結(jié)料是以多元復(fù)配專用改性瀝青為基材、輔以多種添加劑組成的熱塑高彈性體.按照規(guī)范［11］的試驗(yàn)方法，測(cè)得改性瀝青膠結(jié)料性能指標(biāo)見表1.

表1 改性瀝青膠結(jié)料性能指標(biāo)

1.2 集料

試驗(yàn)中使用的集料為單級(jí)配玄武巖碎石，按照規(guī)范［12］的試驗(yàn)方法，測(cè)試集料的顆粒組成、力學(xué)指標(biāo)和粘附性.試驗(yàn)結(jié)果見表2和表3.

表2 集料顆粒組成

表3 集料力學(xué)指標(biāo)及粘附性試驗(yàn)結(jié)果

2 試驗(yàn)方案

2.1 試件制作方法

試驗(yàn)中改性瀝青填充式橋梁伸縮縫混合料的制備由改性瀝青膠結(jié)料與集料按質(zhì)量1∶3的比例經(jīng)高溫加熱拌制混合均勻而成.采用35mm×35mm×150mm小梁試件，具體制作流程見圖2.

圖2 試件制作流程

2.2 試驗(yàn)方法

研究橋梁伸縮縫粘結(jié)特性是分析伸縮縫使用性能的一個(gè)重要指標(biāo)之一，在橋面鋪裝防水層中常采用剪切試驗(yàn)和拉拔試驗(yàn)來測(cè)試橋面防水層的粘結(jié)特性.由于伸縮縫與梁端粘結(jié)界面的工作模式與橋面防水層不同，因此，本研究采用直接拉伸的試驗(yàn)方法，測(cè)試并分析伸縮縫與梁端界面間的粘結(jié)性能.研究中，設(shè)計(jì)了9種試驗(yàn)溫度條件，分別為-20，-10，0，10，20，30，40，50，60 ℃；2 種界面特性，分別為表面平整和表面粗糙.分別測(cè)試改性瀝青伸縮縫混合料與梁端在不同溫度條件、不同界面特性狀態(tài)下的界面粘結(jié)力PN.粘結(jié)強(qiáng)度T可由計(jì)算式（1）求得.

式中：T為粘結(jié)強(qiáng)度，MPa；PN為試驗(yàn)中測(cè)讀的最大粘結(jié)力，N；S為試件破壞處斷面面積，mm2.

3 粘結(jié)性能分析

3.1 溫度條件的影響

在試件粘結(jié)面平整和粗糙狀態(tài)下，測(cè)得不同溫度條件下的粘結(jié)面間的粘結(jié)力PNP和粘結(jié)強(qiáng)度TP.試驗(yàn)結(jié)果見表4.2種粘結(jié)面情況下的粘結(jié)強(qiáng)度隨著試驗(yàn)溫度變化的關(guān)系，見圖3.

表4 粘結(jié)特性試驗(yàn)結(jié)果

圖5 粘結(jié)強(qiáng)度與試驗(yàn)溫度的變化關(guān)系

由表4和圖3可得：（1）無論粘結(jié)面處于何種情況，隨著試驗(yàn)溫度的升高，粘結(jié)力和粘結(jié)強(qiáng)度均逐漸減小，呈現(xiàn)出非線性的下降趨勢(shì)，并在-20～-10，-10～30，30 ℃以上3個(gè)溫度區(qū)間遞減規(guī)律顯著不同；（2）在-20～-10 ℃溫度區(qū)間，粘結(jié)強(qiáng)度急劇下降.其中：表面平整時(shí)，TP下降幅度達(dá)109.8%，遞減速率為0.179 MPa／℃；表面粗糙時(shí)，TC下降幅度為86%，遞減速率為0.172 MPa／℃；（3）在-10～30 ℃溫度區(qū)間，粘結(jié)強(qiáng)度下降趨勢(shì)趨于減緩，其中，在-10～10 ℃溫度區(qū)間，遞減速率較快，降幅大于1 MPa，而在在10～30 ℃溫度區(qū)間，遞減速率較慢，降幅僅0.25 MPa左右；（4）隨著試驗(yàn)溫度的進(jìn)一步升高，特別在30℃以上時(shí)，粘結(jié)強(qiáng)度遞減速度變得非常緩慢，變化趨勢(shì)線幾乎趨于平緩.

3.2 界面特性的影響

當(dāng)粘結(jié)界面由表面平整變?yōu)楸砻娲植诤螅鋸?qiáng)度提高值及對(duì)應(yīng)的提高百分率見表5.界面粗糙時(shí)，粘結(jié)強(qiáng)度提高情況見圖4.

表5 粘結(jié)強(qiáng)度變化情況

圖4 粗糙界面粘結(jié)強(qiáng)度提高情況

由表5及圖4可得：（1）當(dāng)粘結(jié)界面經(jīng)表面粗糙處理后，不同溫度條件下的粘結(jié)強(qiáng)度均有所提高.說明梁端粗糙化處理有利于提高粘結(jié)強(qiáng)度，從而降低改性瀝青填充式橋梁伸縮縫與梁端連接處界面開裂的風(fēng)險(xiǎn)；（2）當(dāng)粘結(jié)界面經(jīng)表面粗糙處理后，不同溫度條件下的粘結(jié)強(qiáng)度提高幅度與提高百分率不同.在低溫0℃以下，強(qiáng)度提高幅度大于0.198 MPa，提高百分率大于20%；在常溫10～40 ℃區(qū)間，提高幅度約0.01～0.06 MPa，提高百分率約10%～20%；在高溫50 ℃以上，提高幅度小于0.005 MPa，提高百分率小于10%.因此，界面粗糙處理措施在不同季節(jié)所帶來的有利作用不同，冬季效果顯著，夏季效果甚微.

4 粘結(jié)失效原因分析

3種典型試驗(yàn)溫度狀態(tài)下，粘結(jié)面拉伸破壞（即粘結(jié)失效）狀態(tài)見圖5，表現(xiàn)出明顯不同的特征.試驗(yàn)中，低溫時(shí)，當(dāng)拉伸力達(dá)到一定程度后突然減小，粘結(jié)面突然分離，斷裂面平整，表現(xiàn)為“脆裂”（見圖5a））；常溫時(shí)，當(dāng)拉伸力達(dá)到一定程度后慢慢減小，粘結(jié)面慢慢分離，但瀝青膠結(jié)料依然抓扯著，表現(xiàn)為“扯裂”（見圖5b））；高溫時(shí)，當(dāng)拉伸力達(dá)到一定程度后很快減小，粘結(jié)面很快分離，梁端界面明顯粘有瀝青膠結(jié)料，表現(xiàn)為“粘裂”（見圖5c））.導(dǎo)致這3 種不同失效狀態(tài)的主要原因是：試驗(yàn)中的所用無縫伸縮縫專用膠結(jié)料其膠體結(jié)構(gòu)屬于凝膠型，在本研究中的3種試驗(yàn)溫度區(qū)間，低溫時(shí)表現(xiàn)為彈性，粘度大，不流動(dòng)，冷卻后表現(xiàn)為脆性，具有脆性固體性質(zhì)，因此，低溫粘結(jié)失效表現(xiàn)為“脆裂”；常溫時(shí)表現(xiàn)為高粘彈性，呈非牛頓流動(dòng)特征，具有優(yōu)異的變形恢復(fù)功能，因此，常溫粘結(jié)失效表現(xiàn)為“扯裂”；高溫時(shí)表現(xiàn)為低粘彈性，依然呈非牛頓流動(dòng)特征，變形恢復(fù)功能降低，蠕變和松弛現(xiàn)象明顯，因此，高溫粘結(jié)失效表現(xiàn)為“粘裂”.

圖5 界面粘結(jié)失效狀態(tài)

5 結(jié) 論

1）試驗(yàn)溫度對(duì)粘結(jié)性能具有顯著影響.隨著試驗(yàn)溫度的升高，粘結(jié)強(qiáng)度T逐漸減小，但在不同試驗(yàn)溫度區(qū)間遞減規(guī)律不同.在-20～-10 ℃溫度區(qū)間，急劇下降；在-10～30 ℃溫度區(qū)間，下降趨勢(shì)逐漸減緩；在30 ℃以上，下降緩慢.

2）界面粗糙化處理對(duì)粘結(jié)性能具有改善作用，但不同溫度條件下的改善效果不同.在低溫0℃以下，粘結(jié)強(qiáng)度提高率大于20%；在常溫10～40℃區(qū)間，提高率約10%～20%；在高溫50℃以上，提高率小于10%.

3）3種典型試驗(yàn)溫度狀態(tài)下，粘結(jié)失效特征不同.低溫表現(xiàn)為“脆裂”；常溫表現(xiàn)為“扯裂”；高溫表現(xiàn)為“粘裂”.

由于改性瀝青填充式無縫伸縮縫材料與水泥混凝土梁端界面粘結(jié)機(jī)理主要表現(xiàn)為機(jī)械結(jié)合理論和吸附理論，為提高該種新型伸縮縫材料與梁端的粘結(jié)性能，必須從提高材料本身的吸附作用和改善界面結(jié)合條件兩方面同時(shí)著手.

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