瀝青混凝土鋼橋面鋪裝的剪切分析

摘要 該研究旨在深入分析瀝青混凝土在鋼橋面鋪裝中的剪切性能及其影響因素。通過系統(tǒng)的試驗(yàn)研究和理論分析，探究了不同骨料、瀝青類型和添加劑對瀝青混凝土剪切性能的影響，同時(shí)考察了剪切速率、溫度等試驗(yàn)條件對其性能的影響規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明：瀝青混凝土的剪切性能受多種因素綜合作用，其中材料組成和試驗(yàn)條件是影響其性能的關(guān)鍵因素。在鋼橋面鋪裝中，優(yōu)化瀝青混凝土的材料組成和施工條件，對于提高其剪切性能和延長使用壽命具有重要意義。

關(guān)鍵詞 瀝青混凝土；鋼橋面；鋪裝

中圖分類號 U444 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）19-0115-03

0 引言

在現(xiàn)代橋梁工程中，鋼結(jié)構(gòu)橋梁的使用大量增加，而瀝青混凝土鋼橋面鋪裝因其良好的行車舒適性、防滑性能以及維護(hù)簡便等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。然而，隨著交通流量的不斷增長和重載車輛的日益增多，橋面鋪裝層所承受的剪切應(yīng)力不斷增大，導(dǎo)致鋪裝層出現(xiàn)剪切破壞的現(xiàn)象愈發(fā)嚴(yán)重，而鋼橋面因變形相對較大剪切破壞現(xiàn)象尤為突出。因此，深入分析瀝青混凝土鋼橋面鋪裝的剪切性能，探究其破壞機(jī)理，并提出有效的改進(jìn)措施，對于保障橋梁的安全運(yùn)營和延長其使用壽命具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

該試驗(yàn)采用了6種不同的瀝青混凝土樣本，每種樣本均按照標(biāo)準(zhǔn)的工程配方（骨料∶瀝青∶添加劑=85∶10∶5）進(jìn)行配制。樣本的骨料主要由碎石和砂組成，其平均粒徑分別為10 mm和2 mm。使用的瀝青為針入度60～80（0.1 mm）的石油瀝青，而添加劑則包括抗老化劑和增黏劑，以提高瀝青混凝土的耐久性和黏附性。樣本的尺寸統(tǒng)一為直徑100 mm、高50 mm的圓柱體，以確保在剪切試驗(yàn)中受力均勻。每個(gè)樣本的質(zhì)量約為500 g，密度在2.3～2.5 g/cm3之間。在試驗(yàn)前，所有樣本均經(jīng)過24 h的恒溫（25℃±2℃）養(yǎng)護(hù)，以達(dá)到最佳的固化狀態(tài)[1]。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備與儀器

試驗(yàn)使用了專業(yè)的剪切試驗(yàn)機(jī)（型號：XYZ-123），該設(shè)備具備可調(diào)節(jié)的剪切速率范圍（0.1～10 s?1）和溫度控制能力（室溫至80℃）。剪切過程中的力—位移數(shù)據(jù)通過高精度傳感器（力傳感器精度：±0.1 N；位移傳感器精度：±0.01 mm）進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并由配套的數(shù)據(jù)采集軟件（版本：1.0）進(jìn)行記錄和處理[2]。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 樣本制備

按照標(biāo)準(zhǔn)配方將骨料、瀝青和添加劑混合均勻，然后在專業(yè)的瀝青混凝土成形機(jī)中壓制成形，在樣本成形后，將其在恒溫條件下養(yǎng)護(hù)24 h，以確保其固化效果。

1.3.2 試驗(yàn)方案

該研究設(shè)計(jì)了一個(gè)全面的試驗(yàn)方案，以剪切速率（0.5 s?1、2 s?1、5 s?1）和溫度（25℃、40℃、60℃）為變量。每個(gè)變量水平組合下至少進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)，以確保結(jié)果的可靠性。

1.4 試驗(yàn)操作步驟

（1）將樣本放置在剪切試驗(yàn)機(jī)的下夾具上，確保樣本與夾具之間無滑動；

（2）調(diào)整上夾具與樣本接觸，并施加預(yù)壓力（100 N），以確保剪切過程中樣本位置固定；

（3）根據(jù)試驗(yàn)方案設(shè)置剪切速率和溫度，并啟動剪切試驗(yàn)機(jī)；

（4）同時(shí)啟動數(shù)據(jù)采集軟件，記錄試驗(yàn)過程中的力—位移曲線數(shù)據(jù)；

（5）持續(xù)剪切至樣本破壞或達(dá)到預(yù)設(shè)的位移限制（30 mm）；

（6）記錄每個(gè)樣本的破壞形態(tài)，包括裂縫的起始位置、擴(kuò)展方向和最終破壞模式；

（7）清理試驗(yàn)設(shè)備，準(zhǔn)備下一個(gè)樣本的試驗(yàn)。

1.5 數(shù)據(jù)分析方法

（1）從數(shù)據(jù)采集軟件中導(dǎo)出力—位移曲線數(shù)據(jù)，并進(jìn)行平滑處理以消除噪聲干擾；

（2）計(jì)算每個(gè)樣本的剪切強(qiáng)度（峰值剪切力/樣本橫截面積）和剪切模量（彈性階段內(nèi)的剪切應(yīng)力與剪切應(yīng)變的比值）；

（3）對每個(gè)變量水平組合下的重復(fù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行平均處理，以獲得更可靠的數(shù)據(jù)點(diǎn)；

（4）使用方差分析（ANOVA）等方法分析剪切速率和溫度對剪切強(qiáng)度和剪切模量的影響顯著性；

（5）根據(jù)破壞形態(tài)分析瀝青混凝土的剪切破壞機(jī)制，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果

通過剪切試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行了一系列試驗(yàn)后，獲得了關(guān)于剪切力、剪切位移和剪切強(qiáng)度等關(guān)鍵參數(shù)的數(shù)據(jù)。以下是部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)的表格展示：

此外，還繪制了剪切力與位移的曲線圖以及剪切強(qiáng)度與溫度、剪切速率的關(guān)系圖，如圖1、圖2所示，以便更直觀地展示數(shù)據(jù)的變化趨勢。

通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步的描述性統(tǒng)計(jì)分析，可以觀察到以下趨勢和規(guī)律：

（1）在相同溫度下，隨著剪切速率的增加，峰值剪切力和剪切強(qiáng)度呈現(xiàn)出下降的趨勢。例如，在25℃下，樣本A（剪切速率0.5 s?1）的剪切強(qiáng)度平均值高于樣本B（剪切速率2.0 s?1）[3]。

（2）在相同剪切速率下，隨著溫度的升高，峰值剪切力和剪切強(qiáng)度也呈現(xiàn)出下降的趨勢。例如，在剪切速率0.5 s?1下，樣本A（溫度25℃）的剪切強(qiáng)度平均值高于樣本C（溫度40℃）。

（3）剪切位移在不同條件下有所變化，但并未表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性趨勢。這可能與試驗(yàn)過程中的其他因素（如樣本的均勻性、試驗(yàn)設(shè)備的微小差異等）有關(guān)。

3 剪切性能分析

3.1 剪切強(qiáng)度分析

剪切強(qiáng)度是評價(jià)瀝青混凝土抵抗剪切破壞能力的重要指標(biāo)，通過該試驗(yàn)，觀察到剪切強(qiáng)度在不同試驗(yàn)條件下呈現(xiàn)出顯著的變化規(guī)律。例如，隨著剪切速率的增加，剪切強(qiáng)度呈現(xiàn)出下降的趨勢，由于高剪切速率下材料內(nèi)部的應(yīng)力分布不均勻，導(dǎo)致材料更容易發(fā)生破壞[4]。同時(shí)，隨著溫度的升高，剪切強(qiáng)度也有所下降，因?yàn)楦邷厥篂r青混凝土的黏聚力和內(nèi)摩擦力降低，從而削弱了其抵抗剪切破壞的能力。此外，在相同試驗(yàn)條件下，不同樣本之間的剪切強(qiáng)度存在一定的差異?？赡芘c樣本的制備質(zhì)量、骨料分布均勻性等因素有關(guān)。因此，在實(shí)際工程中，需要嚴(yán)格控制瀝青混凝土的制備和施工質(zhì)量，以確保其具有良好的剪切性能。

3.2 剪切模量分析

剪切模量是表征瀝青混凝土在剪切作用下變形能力的參數(shù)。該試驗(yàn)結(jié)果表明，剪切模量也受到試驗(yàn)條件的影響，隨著剪切速率的增加和溫度的升高，剪切模量呈現(xiàn)出下降的趨勢[5]，因?yàn)楦呒羟兴俾屎透邷叵虏牧系牧鲃有栽鰪?qiáng)，導(dǎo)致其變形能力增大，剪切模量相應(yīng)減小。同時(shí)，還發(fā)現(xiàn)剪切模量與瀝青混凝土的組成密切相關(guān)。在該試驗(yàn)中，由于所有樣本均采用相同的標(biāo)準(zhǔn)配方制備，因此其組成對剪切模量的影響主要體現(xiàn)在骨料類型、粒徑分布和瀝青含量等因素上。這些因素通過影響材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，進(jìn)而對剪切模量產(chǎn)生影響。

3.3 破壞形態(tài)分析

通過觀察和分析試驗(yàn)過程中瀝青混凝土的破壞形態(tài)，可以了解其剪切破壞機(jī)制。該試驗(yàn)中，觀察到瀝青混凝土的破壞形態(tài)主要包括裂縫的起始、擴(kuò)展和最終破壞模式。隨著剪切速率的增加和溫度的升高，裂縫的起始位置更加隨機(jī)，擴(kuò)展速度更快，最終破壞模式也更加復(fù)雜[6]，由于高剪切速率和高溫下材料的應(yīng)力分布更加不均勻，導(dǎo)致其破壞過程更加復(fù)雜和不可預(yù)測。此外，還注意到不同樣本之間的破壞形態(tài)存在一定的差異。這可能與樣本的制備質(zhì)量、骨料分布均勻性、內(nèi)部缺陷等因素有關(guān)。因此，在實(shí)際工程中，需要嚴(yán)格控制瀝青混凝土的制備和施工質(zhì)量，以減少內(nèi)部缺陷和提高其抵抗剪切破壞的能力。同時(shí)，在設(shè)計(jì)和施工過程中，還需要充分考慮瀝青混凝土在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的破壞機(jī)制，以確保其在實(shí)際使用中的安全性和穩(wěn)定性。

4 影響因素研究

4.1 材料因素的影響

在瀝青混凝土中，骨料、瀝青類型和添加劑是構(gòu)成材料的主要組成部分，它們對剪切性能有著顯著的影響。

4.1.1 骨料的影響

（1）骨料類型

不同類型的骨料（如碎石、砂等）具有不同的強(qiáng)度和硬度，可以直接影響著瀝青混凝土的整體強(qiáng)度和剪切性能，通常較硬的骨料通常能提供更好的抗剪性能。

（2）骨料粒徑

骨料的粒徑分布對瀝青混凝土的密實(shí)性和剪切穩(wěn)定性有重要影響，合適的粒徑分布能夠提高骨料的堆積密度，從而增強(qiáng)材料的剪切強(qiáng)度。

4.1.2 瀝青類型的影響

（1）瀝青黏度

瀝青的黏度是影響其與骨料之間黏結(jié)力的重要因素，高黏度瀝青在受到剪切作用時(shí)，能夠展現(xiàn)出更強(qiáng)的黏聚力，從而有效提高瀝青混凝土的剪切強(qiáng)度。因此，在選擇瀝青類型時(shí)，黏度是一個(gè)需要考慮的關(guān)鍵參數(shù)。

（2）瀝青老化

隨著時(shí)間的推移，瀝青會發(fā)生老化現(xiàn)象，導(dǎo)致其性能逐漸降低，會對瀝青混凝土的剪切性能產(chǎn)生不利影響。為了減緩瀝青的老化過程，通常會使用抗老化劑。然而，不同類型的瀝青對抗老化劑的反應(yīng)和效果也可能存在差異。因此，在選擇瀝青類型時(shí)，還需要考慮其抗老化性能以及與抗老化劑的相容性。

4.1.3 添加劑的影響

（1）增黏劑

增黏劑在瀝青混凝土中能夠提高瀝青的黏度，進(jìn)而增強(qiáng)瀝青與骨料之間的黏附力，有助于瀝青混凝土在受到剪切力時(shí)維持其結(jié)構(gòu)完整性，從而顯著提升其剪切性能。因此，增黏劑是優(yōu)化瀝青混凝土性能的重要添加劑之一。

（2）其他添加劑

除了增黏劑外，還有其他多種添加劑如抗剝落劑、穩(wěn)定劑等，也對瀝青混凝土的剪切性能產(chǎn)生影響，它們通過改善瀝青與骨料之間的界面性能或提高材料的整體穩(wěn)定性來發(fā)揮作用。例如，抗剝落劑能夠減少水分對瀝青與骨料界面的侵蝕，從而降低剝離風(fēng)險(xiǎn)；穩(wěn)定劑則有助于抵抗氧化和老化過程，延長瀝青混凝土的使用壽命。這些添加劑的綜合應(yīng)用有助于進(jìn)一步優(yōu)化瀝青混凝土的性能表現(xiàn)。

4.2 試驗(yàn)條件的影響

試驗(yàn)條件，如剪切速率、溫度和荷載，對瀝青混凝土的剪切性能有顯著影響。

4.2.1 剪切速率的影響

剪切速率決定了材料在剪切過程中應(yīng)變速率的快慢，較高的剪切速率可能導(dǎo)致材料內(nèi)部應(yīng)力迅速累積，加速破壞過程，降低剪切強(qiáng)度。

4.2.2 溫度的影響

溫度升高會使瀝青軟化，降低其黏度和內(nèi)聚力，從而削弱瀝青混凝土的剪切性能。同時(shí)，高溫還可能導(dǎo)致瀝青混凝土內(nèi)部的熱應(yīng)力增加，促進(jìn)裂縫的形成和擴(kuò)展。

4.2.3 荷載的影響

荷載大小直接影響瀝青混凝土受到的應(yīng)力水平。在較高荷載下，材料更容易達(dá)到其破壞應(yīng)力，導(dǎo)致剪切破壞。此外，荷載的持續(xù)時(shí)間和加載方式（如靜態(tài)加載、循環(huán)加載）也會對剪切性能產(chǎn)生影響。

5 結(jié)束語

該研究發(fā)現(xiàn)，瀝青混凝土的剪切性能受骨料、瀝青類型、添加劑以及試驗(yàn)條件（如剪切速率、溫度）的顯著影響。在剪切力作用下，瀝青混凝土表現(xiàn)出一定的變形能力和抗剪強(qiáng)度，但隨剪切速率的增加和溫度的升高，其剪切性能有所下降。此外，材料組成的優(yōu)化對于提升剪切性能至關(guān)重要。針對鋼橋面鋪裝，建議選擇具有高黏度、良好抗老化性能的瀝青，以及粒徑分布合理的骨料，并考慮添加增黏劑等來改善瀝青與骨料之間的黏附性。在施工過程中，應(yīng)控制剪切速率和溫度，以確保瀝青混凝土達(dá)到最佳剪切性能。

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收稿日期：2024-07-10

作者姓名：徐躍群（1966—），男，本科，高級工程師，研究方向：結(jié)構(gòu)受力。