基于木質(zhì)集料混合料的鋼橋面鋪裝研究*

梁 濤，李 蕊，郭經(jīng)緯，張久鵬

(1 銅川公路管理局，陜西銅川 727031；2 長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院， 陜西西安 710064；3 西部機(jī)場(chǎng)集團(tuán)，陜西西安 710000)

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基于木質(zhì)集料混合料的鋼橋面鋪裝研究*

梁 濤1，李 蕊2，郭經(jīng)緯3，張久鵬2

(1 銅川公路管理局，陜西銅川 727031；2 長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院， 陜西西安 710064；3 西部機(jī)場(chǎng)集團(tuán)，陜西西安 710000)

從木質(zhì)集料的優(yōu)勢(shì)性能出發(fā)，通過(guò)性能試驗(yàn)和數(shù)值模擬對(duì)木質(zhì)集料混合料在鋼橋面鋪裝的應(yīng)用進(jìn)行分析。將木質(zhì)集料用于鋼橋面鋪裝，不僅為木質(zhì)廢棄物處理提供了重要的思路，而且對(duì)道路工程的再利用環(huán)保可持續(xù)發(fā)展具有一定意義；通過(guò)對(duì)比常見(jiàn)橋面混合料鋪裝(SMA10+SMA13)和回收木質(zhì)集料混合料鋪裝(木質(zhì)集料混合料+SMA13)的性能，對(duì)木質(zhì)集料混合料在鋼橋面鋪裝中的應(yīng)用提供重要指導(dǎo)。

木質(zhì)集料，橋面鋪裝，路用性能

隨著我國(guó)交通的快速發(fā)展，對(duì)路面材料的功能要求也日益多元化，不再以力學(xué)強(qiáng)度作為唯一標(biāo)準(zhǔn)。人行道要求路面材料具有較好的行走舒適性；鋼橋面鋪裝要求鋪裝層可以和橋面板協(xié)從變形，尤其要求鋪裝材料具有良好的變形性能[1-6]。本文從木質(zhì)集料的優(yōu)勢(shì)性能出發(fā)，主要以性能試驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法對(duì)新材料在鋼橋面鋪裝應(yīng)用方向進(jìn)行研究。

1 木質(zhì)集料混合料用于鋼橋面鋪裝

隨著我國(guó)公路交通的發(fā)展，大跨徑鋼橋的建設(shè)也進(jìn)入了一個(gè)高峰期。鋼橋面鋪裝由于其特殊的應(yīng)用環(huán)境，對(duì)于材料的性能提出了更高的要求，因此鋼橋面鋪裝的材料研究成為交通工程學(xué)者研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)[7-8]。目前國(guó)內(nèi)外的鋼橋面鋪裝材料主要有：環(huán)氧瀝青混合料(EA)、澆注式瀝青混合料(GA)、瀝青瑪蹄脂混合料(SMA)等[9]。我國(guó)的鋼橋面鋪裝主要以雙層SMA鋪裝結(jié)構(gòu)最為常見(jiàn)。由于木質(zhì)集料混合料具有良好的低溫變形性能，而高溫車轍性能稍顯不足；而SMA則具有較好的高溫性能，但低溫變形性能較差，因此采用木質(zhì)集料混合料+SMA13結(jié)構(gòu)有望實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，得到性能優(yōu)異的混合料結(jié)構(gòu)[10-12]。

1.1 鋼橋面結(jié)構(gòu)的設(shè)定

本文通過(guò)對(duì)我國(guó)常見(jiàn)的橋面鋪裝(SMA10+SMA13)和回收木質(zhì)集料混合料鋪裝(木質(zhì)集料混合料+SMA13)產(chǎn)生的跨中撓度進(jìn)行性能對(duì)比，依此對(duì)木質(zhì)集料混合料在鋼橋面鋪裝中的應(yīng)用進(jìn)行研究。

初選鋼橋面鋪裝為4層體系典型結(jié)構(gòu)(圖1)，鋪裝上層(SMA-13)、鋪裝下層(SMA-10/木質(zhì)集料混合料)、環(huán)氧防水粘結(jié)層和鋼橋面板。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，兩種鋪裝容重取2.5g/cm3和1.5g/cm3，計(jì)算時(shí)鋪裝體系以均布荷載形式加于橋面。

所取鋼橋面模型采用鋼箱梁，跨徑30m，橋面寬12m，5塊橫隔板，18個(gè)加筋肋。梯形加筋肋開(kāi)口寬250mm，閉口寬140mm，兩加筋肋中心間距500mm，板厚8mm；橫隔板間距2000mm，板厚14mm。鋼箱梁橫斷面見(jiàn)圖2。

圖2 鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖

1.2 鋼橋面模型的建立

利用擬定橋面參數(shù)和鋪裝結(jié)構(gòu)，建立有限元模型。計(jì)算中，鋼橋面板30m跨徑兩端完全約束，橋面板下部懸空。兩種鋪裝體系下模擬所得跨中撓度見(jiàn)圖3。

(a)SMA10+SMA13(b)木質(zhì)集料混合料+SMA13

對(duì)SMA13+SMA10與SMA13+木質(zhì)集料混合料兩種鋪裝層體系下鋼橋面跨中撓度數(shù)值模擬分析，結(jié)果如圖4所示。

圖4 兩種鋪裝結(jié)構(gòu)下鋼橋跨中撓度數(shù)值模擬結(jié)果

從圖4可以看到：采用SMA13+木質(zhì)混合料鋪裝結(jié)構(gòu)相比傳統(tǒng)的SMA13+SMA10鋪裝，以顯著減小鋼橋跨中撓度(減小約7mm)。鋼橋跨中撓度減小，不僅可以提高橋梁整體剛度，大大提高橋梁的承載能力，而且可以提高橋梁結(jié)構(gòu)安全系數(shù)，延長(zhǎng)橋梁使用壽命。

2 木質(zhì)集料混合料橋面鋪裝路用性能

木質(zhì)集料混合料鋪裝 (SMA13+木質(zhì)混合料)與傳統(tǒng)鋪裝(SMA10+SMA13)的路用性能進(jìn)行對(duì)比，對(duì)木質(zhì)集料混合料的性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。路用性能試驗(yàn)包括：高溫車轍試驗(yàn)和低溫彎曲試驗(yàn)。試驗(yàn)中SMA配比參照規(guī)范中值，木質(zhì)集料混合料配比由CBR試驗(yàn)和逐級(jí)填充試驗(yàn)確定，級(jí)配曲線見(jiàn)圖5。

圖5 鋪裝結(jié)構(gòu)所用三種混合料級(jí)配曲線

2.1 高溫穩(wěn)定性

圖6 木質(zhì)集料混合料復(fù)合板鋪裝示意圖

鋼橋面在夏季的炎熱氣候下，面板溫度可能超過(guò)60℃，這種極端高溫的工作環(huán)境也對(duì)鋪裝層材料提出了更高的要求；木質(zhì)集料混合料受材料自身性能影響，在高溫情況下可能產(chǎn)生較大的橫向位移，造成較大的車轍變形。采用木質(zhì)集料混合料+SMA13的雙層鋪裝結(jié)構(gòu)如圖6所示，荷載作用可以大部分被上層的SMA鋪裝承受，大大提高整體的抗車轍性能。

圖7是兩種鋪裝結(jié)構(gòu)的車轍試驗(yàn)結(jié)果，通過(guò)對(duì)比兩種鋪裝結(jié)構(gòu)的車轍變形曲線，可以看出，采用木質(zhì)集料混合料鋪裝下層的結(jié)構(gòu)在經(jīng)歷初期的擠密壓實(shí)變形后，車轍試驗(yàn)后期還會(huì)持續(xù)有變形增大趨勢(shì)；而采用雙層SMA的鋪裝結(jié)構(gòu)在車轍試驗(yàn)后期變形很小。通過(guò)車轍試驗(yàn)結(jié)果可知，雖然采用木質(zhì)集料混合料的鋪裝結(jié)構(gòu)相比雙層SMA具有更大的車轍變形，但最大車轍深度不足2mm，動(dòng)穩(wěn)定度達(dá)到6000次/min，這種新型鋪裝結(jié)構(gòu)仍然體現(xiàn)出了優(yōu)異的高溫性能。

(a)車轍變形曲線(b)車轍試驗(yàn)動(dòng)穩(wěn)定度對(duì)比

2.2 低溫變形性能

鋼橋面鋪裝層材料直接鋪筑于鋼橋面板上，在冬季的嚴(yán)寒條件下，要面臨更為嚴(yán)酷的低溫環(huán)境。據(jù)有關(guān)研究表明[13-14]，在嚴(yán)寒條件下，橋面板溫度要比路面低10℃以上；另一方面鋼橋面板在橋梁結(jié)構(gòu)中處于半懸空狀態(tài)，在車輛荷載作用下，會(huì)產(chǎn)生較大的拉伸變形。鋼橋面鋪裝的特殊使用條件對(duì)材料的低溫性能和抗拉伸變形提出了更高的要求。

采用木質(zhì)集料混合料+SMA13的復(fù)合鋪裝，一方面層底的木質(zhì)集料混合料可以承受較大的變形和較低的低溫環(huán)境，另一方面車輛荷載主要由表面的SMA13承擔(dān)，保證鋪裝層高溫性能和力學(xué)強(qiáng)度。

通過(guò)對(duì)木質(zhì)集料混合料+SMA13鋪裝結(jié)構(gòu)的小梁彎曲試驗(yàn)，對(duì)復(fù)合鋪裝的低溫性能進(jìn)行驗(yàn)證，并與SMA10+SMA13鋪裝進(jìn)行對(duì)比。復(fù)合小梁-10℃彎曲試驗(yàn)得到的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖8所示。

圖8 復(fù)合小梁-10℃彎曲試驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)變曲線

通過(guò)對(duì)比兩種結(jié)構(gòu)復(fù)合小梁低溫彎曲應(yīng)力應(yīng)變曲線看到：采用木質(zhì)集料混合料+SMA13復(fù)合小梁低溫破壞呈顯著的柔性破壞特點(diǎn)，應(yīng)力應(yīng)變曲線變化和緩，未出現(xiàn)顯著明顯的拐點(diǎn)；采用SMA10+SMA13的復(fù)合小梁破壞呈顯著的脆性破壞特點(diǎn)，應(yīng)力應(yīng)變曲線有顯著拐點(diǎn)，且達(dá)到破壞彎拉應(yīng)變后彎拉強(qiáng)度迅速變小。

通過(guò)復(fù)合小梁低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，木質(zhì)集料混合料+SMA13復(fù)合小梁彎拉強(qiáng)度與SMA10+SMA13復(fù)合小梁彎拉強(qiáng)度非常接近，而破壞彎拉應(yīng)變較大，彎曲勁度模量較小，體現(xiàn)出了優(yōu)異的低溫性能。

3 結(jié)論

(1)通過(guò)數(shù)值模擬，采用SMA13+木質(zhì)混合料的鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)，相比常見(jiàn)的SMA13+SMA10鋪裝結(jié)構(gòu)，可以顯著減小橋面跨中撓度。

(2)通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，SMA13+木質(zhì)混合料鋪裝結(jié)構(gòu)動(dòng)穩(wěn)定度達(dá)6000次/mm，低溫彎拉強(qiáng)度超過(guò)8MPa，破壞應(yīng)變超過(guò)8000με，顯示了良好的高低溫性能。

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Study on the Steel Deck Pavement Technology of Asphalt Mixture Based on Reclaimed Wood Aggregate

LIANG Tao1，LI Rui2，GUO Jing-wei3，ZHANG Jiu-peng2

(1 Tongchuan Highway Administration，Tongchuan 727031，Shaanxi，China；2 Highway School，Chang’an University，Xi’an 710064，Shaanxi，China；3 China West Airport Group，Xi’an 71000，Shaanxi，China)

We analyze the application of wood aggregate mixture in steel deck pavement by performance test and numerical simulation，which based on the advantages of wood aggregate. The wood aggregate is used for the paving of steel deck，which not only provides important ideas for the treatment of wood waste，but also has some significance for the recycling of road works. By comparing the performance of the common bridge deck pavement mixture (SMA10+SMA13) and recycled aggregate mixture pavement (wood aggregate mixture with SMA13)，provideing important guidance in the application of the steel bridge deck pavement.

reclaimed wood aggregate，deck pavement，road performance

陜西省科技廳交通科技項(xiàng)目(15-35T)

U 416.21