三種不同鋼橋面鋪裝材料的疲勞特性分析

王　民， 周啟偉， 胡德勇， 尚　飛

(1.重慶交通大學(xué)， 重慶　400074；　2.重慶市智翔鋪道技術(shù)工程有限公司， 重慶　401336)

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三種不同鋼橋面鋪裝材料的疲勞特性分析

王民1，2， 周啟偉2， 胡德勇2， 尚飛2

(1.重慶交通大學(xué)， 重慶400074；2.重慶市智翔鋪道技術(shù)工程有限公司， 重慶401336)

[摘要]通過(guò)應(yīng)變控制模式下的4點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)方法分析了3種不同鋼橋面鋪裝材料的疲勞性能。通過(guò)分析不同應(yīng)變水平下3種不同瀝青混合料勁度模量、滯后角與疲勞的關(guān)系；得出在3種不同的鋼橋面鋪裝材料，其初始勁度模量越小，疲勞性能越優(yōu)；同一應(yīng)變水平下，滯后角大小順序分別為SMA10>GA10>EA10，且滯后角越大，疲勞性能越優(yōu)，同一材料，疲勞壽命隨著應(yīng)變水平的增加而減少，且疲勞壽命依次為SMA10>GA10>EA10。

[關(guān)鍵詞]鋼橋面鋪裝材料； 初始勁度模量； 滯后角； 疲勞性能； 應(yīng)變水平

0前言

鋼箱梁橋面系鋪裝層的疲勞問(wèn)題一直是鋼橋橋面鋪裝領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問(wèn)題和亟待解決的工程難題。目前國(guó)內(nèi)外鋼橋面鋪裝層主要采用3種材料： ①澆筑式瀝青混凝土； ②聚合物改性瀝青SMA； ③環(huán)氧瀝青混凝土[1-5]。由于受交通荷載、風(fēng)載、氣候條件及溫度變化等因素的影響，3種不同類(lèi)型的材料在其服役過(guò)程中均出現(xiàn)了不同程度的早期病害，如疲勞，車(chē)轍，開(kāi)裂等，其中疲勞破壞是直接降低鋼橋面鋪裝體系服役期的主要因素。因此，當(dāng)前的橋面鋪裝工程對(duì)鋪裝層材料的強(qiáng)度、柔韌性、高溫穩(wěn)定性和疲勞耐久性均有更高要求[6-9]。本文旨在基于疲勞損傷力學(xué)的基礎(chǔ)上，通過(guò)室內(nèi)疲勞試驗(yàn)，對(duì)比3種不同鋪裝材料的疲勞損傷特性，為今后鋼橋面鋪裝層的合理設(shè)計(jì)提供一點(diǎn)理論指導(dǎo)和數(shù)據(jù)依據(jù)。

1疲勞試驗(yàn)方案

1.1疲勞試驗(yàn)?zāi)Ｊ降倪x擇

瀝青混合料在荷載重復(fù)作用下呈現(xiàn)強(qiáng)度衰減是其自身疲勞損傷的一種表征，當(dāng)疲勞損失與耗散能累積到一定程度就會(huì)發(fā)生疲勞破壞。目前，國(guó)內(nèi)外研究研究瀝青混合料室內(nèi)疲勞性能試驗(yàn)的模式分應(yīng)力與應(yīng)變兩種。應(yīng)力控制方式是以試件出現(xiàn)明顯裂紋為疲勞破壞的標(biāo)準(zhǔn)，但其觀測(cè)往往比較困難，而且裂紋擴(kuò)展到何種程度才確定為疲勞破壞，尚未有很好的判斷標(biāo)準(zhǔn)，而應(yīng)變控制模式下試件通常不會(huì)出現(xiàn)明顯的斷裂破壞，一般以混合料勁度模量下降到初始勁度模量的50%為疲勞破壞標(biāo)準(zhǔn)，因此應(yīng)變控制模式更適用于較薄的鋪裝體系[7]。本文擬采用應(yīng)變控制模式的四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)3種不同鋼橋面鋪裝層材料的疲勞特性。

1.2瀝青混合料最佳油石比與性能

本文中，澆筑式瀝青混凝土采用湖瀝青復(fù)合改性瀝青作為其膠結(jié)料， SMA采用高彈體改性瀝青，環(huán)氧瀝青混凝土采用美國(guó)ChemCoSystems環(huán)氧瀝青。對(duì)3種瀝青混凝土，根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)及《公路鋼箱梁橋面鋪裝設(shè)計(jì)與施工技術(shù)指南》 (交公編字[2006]274號(hào))進(jìn)行各項(xiàng)性能測(cè)試見(jiàn)表1。

表1 不同類(lèi)型瀝青混凝土基本性能試驗(yàn)結(jié)果Table1 Thetestresultoffundamentalperformanceofdifferenttypesasphaltmix試驗(yàn)項(xiàng)目澆筑式瀝青混凝土GA10改性瀝青SMA10環(huán)氧瀝青混凝土EA10試驗(yàn)方法最佳油石比/%8.46.46.5 JTGE20-2011T0705空隙率/%接近03.62.8殘留穩(wěn)定度/%—88.690.3 JTGE20-2011T0729彎曲極限應(yīng)變(-10℃)/με8323.810892.89862.0 JTGE20-2011T0715*貫入度/增量(60℃)/mm2.59/0.32——見(jiàn)《公路鋼箱梁橋面鋪裝設(shè)計(jì)與施工技術(shù)指南》動(dòng)穩(wěn)定度(60℃)(次·/mm-1)—500017000 JTGE20-2011T0719 *注:低溫彎曲試驗(yàn)試件尺寸:300×100×50mm

1.3試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

瀝青混合料對(duì)環(huán)境因素的影響非常敏感，其疲勞壽命受應(yīng)變/應(yīng)力水平大小、環(huán)境溫度、荷載波形、加載頻率等因素的影響。本文在通過(guò)不同試驗(yàn)條件模擬實(shí)際路面的環(huán)境狀態(tài)下確定的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件。具體試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 鋪裝材料四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)參數(shù)Table2 Thefour-pointbendingfatiguetestparameterofpavingmaterial混合料類(lèi)型試驗(yàn)溫度/℃加載頻率/Hz應(yīng)變水平/10-6澆筑式瀝青混合(GA10)1510600、800、1000高彈SMA101510600、800、1000EA101510600、800、1000 注:各瀝青混合料類(lèi)型的加載波形均為偏正弦波。

2疲勞試驗(yàn)結(jié)果及分析

由四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)得到了3種不同材料的勁度模量、疲勞壽命、滯后角等指標(biāo)數(shù)據(jù)，疲勞試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

2.1初始勁度模量與疲勞性能之間的關(guān)系

由圖1、圖2分析可以得出:

① 3種不同材料在同一種應(yīng)力水平下，初始勁度模量越小，其疲勞壽命越大。

② 初始勁度模量隨著應(yīng)力水平的提高而減小。

分析其原因?yàn)椋谝詰?yīng)變控制模式下的疲勞損傷過(guò)程中，初始模量越小，在損傷過(guò)程中所受到的重

表3 3種瀝青混合料在不同應(yīng)變水平下的疲勞試驗(yàn)結(jié)果Table3 Thefatiguetestresultofdifferentstrainlevelsofthreetypesasphaltmix混合料類(lèi)型應(yīng)變水平/×10-6初始勁度模量/MPa滯后角/(°)疲勞壽命/萬(wàn)次600764312.5166澆筑式瀝青混凝土GA10800794613.11041000679913.49.3600230517.3172改性瀝青SMA10800289917.71241000270918.275600167367.5159環(huán)氧瀝青混凝土EA10800154257.8971000142108.08.1

圖1　3種材料在3種不同應(yīng)力水平下的初始勁度模量與疲勞壽命間的關(guān)系Figure 1　The relationship between initial stiffness modulus and fatigue life under different stress levels

圖2　初始勁度模量和應(yīng)變水平的關(guān)系Figure 2　The relationship between initial stiffness modulus and stress level

復(fù)荷載也相對(duì)較小，因此其疲勞壽命會(huì)越長(zhǎng)。同時(shí)，由于級(jí)配組成和膠結(jié)料性質(zhì)的不同，在不同的應(yīng)變水平下，其初始勁度模量也呈現(xiàn)出來(lái)較大的區(qū)別。

2.2滯后角與疲勞性能之間的關(guān)系

由圖3分析可以得出:

① 同一應(yīng)變水平下，滯后角大小順序分別為SMA10>GA10>EA10。

② 同一材料在不同應(yīng)變水平下，滯后角變化并不明顯，因此應(yīng)變水平對(duì)滯后角影響甚微。

③ 同一應(yīng)變水平下，滯后角越大，疲勞壽命越長(zhǎng)。

分析其原因?yàn)?，滯后角是粘彈性材料的一個(gè)特殊指標(biāo)，在同應(yīng)變水平下，滯后角是材料自身對(duì)應(yīng)變反應(yīng)速率的表征。滯后角愈大，混合料越傾向于粘性，反之則傾向于彈性，因此EA10更趨于彈性，而GA10更趨于粘性，SMA10則為粘彈性體。

圖3　滯后角與應(yīng)力水平、疲勞壽命的關(guān)系Figure 3　The relationship between lag angle and stress level,fatigue life

2.3應(yīng)力水平與疲勞性能之間的關(guān)系

由圖4分析得出：

① 同一應(yīng)變水平下，疲勞壽命次數(shù)為SMA10>GA10>EA10；

② 同一材料，疲勞壽命隨著應(yīng)變水平的增加而減少。

分析其原因?yàn)椋篠MA10趨于粘彈性體，其疲勞損傷過(guò)程是由粘彈性向粘性發(fā)展，最后達(dá)到破壞極限，GA10趨于粘性體，其疲勞損傷過(guò)程為達(dá)到其粘性極限，而EA10更趨于彈性體，其疲勞破壞為類(lèi)脆性損傷，因此其疲勞壽命最短。

圖4　不同材料疲勞壽命對(duì)比Figure 4　The comparison of fatigue life of different materials

3結(jié)論

① 3種不同的鋼橋面鋪裝材料，其初始勁度模量越小，疲勞性能越優(yōu)；

② 同一應(yīng)變水平下，滯后角大小順序分別為SMA10>GA10>EA10，且滯后角越大，疲勞性能越優(yōu)；

③ 同一材料，疲勞壽命隨著應(yīng)變水平的增加而減少，且疲勞壽命依次為SMA10>GA10>EA10。

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Rsearch on the Fatigue Performance of Three Kinds of Steel Bridge Deck Pavement Material

WANG Min1,2, ZHOU Qiwei2, HU Deyong2, SHENAG Fei2

(1. Chongqing Jiaotong University. Chongqing 400074, China；2.Chongqing Zhixiang Paving Technology Engineering Co., Ltd，Chongqing 401336, China)

[Abstract]Four-point bending fatigue test method in strain-controlling mode is used to research the fatigue characteristic of three kinds of steel bridge pavement material. The result is proposed by analysis the relationship between the stiffness modulus, lag Angle and fatigue performance of three kinds of asphalt mixture under different strain levels. The result shows that the mixture with small initial stiffness modulus has better fatigue performance. Under the same strain level, the order of lag angle is SMA10>GA10>EA10 and the mixture with big lag angle has better fatigue performance. For the same material, the fatigue life decreased with the increase of the strain level and the order of fatigue life is SMA10>GA10>EA10.

[Key words]steel bridge deck pavement material; initial stiffness modulus; lag angle; fatigue performance; strain level

[收稿日期]2015-01-22

[基金項(xiàng)目]重慶市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)基礎(chǔ)與前沿研究計(jì)劃項(xiàng)目(cstc2013jcyjA1442)；重慶市應(yīng)用開(kāi)發(fā)(重點(diǎn))項(xiàng)目(cstc2013yykf3001)；國(guó)家山區(qū)公路工程技術(shù)研究中心開(kāi)放基金(gsgzj-2012-09)

[作者簡(jiǎn)介]王民(1979-)，陜西寶雞人，高級(jí)工程師，博士研究生，主要從事瀝青路面結(jié)構(gòu)與材料研究，E-mail：panda9496@163.com，tel：18008378268

[中圖分類(lèi)號(hào)]U 443.33

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1674-0610(2016)03-0040-03