水泥混凝土桥梁沥青混凝土铺装层的疲劳性能

高英; 黄晓明; 许涛

水泥混凝土桥梁沥青混凝土铺装层的疲劳性能

东南大学交通学院, 江苏南京 210096

基金项目:

中国博士后科学基金项目 2002032197

江苏省交通科学研究计划项目 02Y006

详细信息

作者简介:
高英(1974-), 女, 河北灵寿人, 东南大学副教授, 从事道路工程研究

中图分类号: U416.03;U443.33
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出版历程
- 收稿日期: 2005-09-06
- 刊出日期: 2006-03-25

Fatigue Characteristic of Asphalt Concrete Pavement on Cement Concrete Bridge Deck

School of Transportation, Southeast University, Nanjing 210096, Jiangsu, China

More Information

Author Bio:
GAO Ying(1974-), female, associate professor, 86-25-83790551, gy@seu.edu.cn

Article Text (Baidu Translation)

摘要

摘要: 为了提高水泥混凝土桥面沥青混凝土铺装的使用寿命, 以复合梁试验评价不同的桥面沥青铺装结构的疲劳性能, 采用有限元法分析荷载作用下复合梁试件具有与实际梁体一致的应力响应, 并采用复合梁疲劳试验测试不同桥面沥青铺装层组合的疲劳寿命。由试验结果可知, 复合梁破坏模式与桥梁铺装实际破坏形式一致, 相同的铺装结构在加入防水粘结层后寿命可增长8倍, 铺装材料加入纤维可使疲劳寿命增长20%以上; SMA和纤维加筋的AC组合是本次试验中的最优结构。
- 道路工程 /
- 水泥混凝土桥面 /
- 复合梁 /
- 沥青混凝土铺装 /
- 结构组合 /
- 疲劳性能
Abstract: In order to improve the life of cement concrete bridge deck pavement, compound beam test was used to research the fatigue characteristics of hot mixed asphalt (HMA) courses on bridge deck, finite element analysis (FEA) method was employed to make the mechanical response of compound beam accord with that of actual bridge deck under the same load, the fatigue test was done for compound beams with different pavement structures.Test result shows that the destroy process of compound beam is similar with that of actual bridge deck, the structure with waterproof and cohesive course has a fatigue life, which is 8 times longer than that of the structure without the course, the addition of fiber in the HMA can increase at least 20% of its fatigue life, the combination structure of stone matrix asphalt (SMA) and fiber reinforced asphalt concrete (AC) is the best pavement structure in the test.
- road engineering pavement /
- cement concrete bridge deck /
- compound beam /
- HMA pavement /
- structures' combination /
- fatigue characteristic

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目前中国常用的改性沥青主要是聚合物改性沥青, 少量使用过天然改性沥青(如特立尼达湖TLA)。宽域沥青(Multiphalte)是在一定的粘度范围内调整工艺流程生产的一种特别炼制的沥青, 其主要优点是抗变形(车辙)能力强、温度敏感性好。宽域沥青可用于重交通荷载或可能出现极端气温特别高的地方, 最适用由于重交通荷载引起车辙损坏路段的罩面工程。

宽域沥青可用于生产多种沥青混合料, 如沥青混凝土、SAC、SMA、OGFC、沥青碎石等。1985年欧洲的公共道路工程开始使用宽域沥青, 修筑了多条试验路, 使用效果良好, 使得其在欧洲国家和澳大利亚等国家已大量使用。

1. 宽域沥青的性能特点

1.1 温度敏感性降低

温度敏感性是指沥青的塑性随温度的改变率, 即加热变软遇冷变硬的性能。生产商在一定的粘度范围内调整工艺流程生产的宽域沥青与常规沥青各个级别的劲度完全不同, 而粘度与沥青的劲度模量直接相关。开发宽域沥青的目的之一就是改变沥青温度敏感性, 降低沥青的温度效应。

温度敏感性表征沥青产品的流变学特性, 研究表明宽域沥青低温开裂的敏感性比常规沥青低, 即在冬季低温下有较低的脆性。而在同样高温条件下比常规沥青有更高的粘度, 即提高了其在夏季高温下抵抗永久变形和剥落的能力。

1.2 抗车辙能力提高

抗车辙能力是宽域沥青用于沥青混合料的一个主要性能衡量指标。加速加载试验结果表明宽域沥青车辙深度明显小于重交通道路沥青, 即其抗变形能力高于重交通道路沥青。

1.3 劲度提高

在高温条件下宽域沥青比重交通沥青AH-70具有更高的劲度, 即具有更好的抗车辙能力。在低温下其劲度却比重交通沥青AH-70小, 即产生较小的内应力, 不易开裂。

1.4 储运施工灵活

宽域沥青与聚合物改性沥青相比, 不需要特殊的储运程序, 高温下储存任意长时间也不需要特别循环(而改性沥青需要), 其性能也不会有影响, 一般以最低温度储存(最低泵送温度130℃)。宽域沥青的施工应用与普通重交通沥青相似。

2. 宽域沥青性能试验

2.1 测试结果与评价

按照中国《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTJ 052-2000)和《公路改性沥青路面试验技术规范》(JTJ 036-1998)的试验方法, 对宽域沥青(Multiphalte)按沥青与改性沥青技术指标进行测试, 结果如表 1所示。

对比试验结果来看, 宽域沥青的针入度指标符合AH-70的技术要求, 但有些指标相差较大, 如延度较低(重交通道路石油沥青为不小于100, 而宽域沥青为25.2), 软化点较高(重交通道路石油沥青为44~54, 而宽域沥青为58.3), RTFOT残留物质量小(重交通道路石油沥青为不大于0.8, 而宽域沥青只有0.13), 针入度比大(重交通道路石油沥青为不小于55, 而宽域沥青为75.0)。从各项指标的比较来看, 宽域沥青与重交通沥青(AH-70)相比, 软化点明显提高, 但延度偏低。因此, 宽域沥青除延度指标外的大多数技术指标均能满足重交通道路石油沥青AH-70的技术指标要求。

宽域沥青的技术指标与聚合物SBS改性沥青的技术指标相比, 大部分指标可满足SBS改性沥青中I-C的指标要求; 但延度和弹性恢复不能满足聚合物SBS改性沥青的技术指标。

与聚合物EVA、PE改性沥青的技术指标相比, 可满足EVA、PE改性沥青中Ⅲ-C的指标要求, 在满足Ⅲ-C软化点的指标(56)的基础上, 其针入度指标(71.8)、针入度指数指标(2.526)比Ⅲ-C的指标值(40, -0.6)更优越。说明其性能更接近于EVA、PE改性沥青, 对改善沥青混合料的高温性能具有明显的优势, 且其温度敏感性与硬度比EVA、PE改性沥青更好。

表 1 宽域沥青技术指标测试结果

Table 1. Test result of multiphalte's technique indexes

试验项目		试验结果	备注
针入度(15℃, 100 g, 5 s)/0.1mm		34.900	T 0604-2000
针入度(25℃, 100 g, 5 s)/0.1mm		71.800	T 0604-2000
针入度(30℃, 100 g, 5 s)/0.1mm		89.800	T 0604-2000
针入度指数[PI]		2.526	T 0604-2000
延度(15℃, 5 cm/min)/cm		25.200	T 0605-2000
延度(5℃, 5 cm/min)/cm		7.500	T 0605-1993
软化点(环球法)/℃		58.300	T 0606-2000
弹性恢复(25℃)/%		34.300	T 0662-2000
闪点(COC)/℃		320.000	T 0611-1993
含蜡量(蒸馏法)/%		1.020	T 0615-2000
密度(15℃)/g·cm^-3		1.033	T 0603-2000
溶解度(三氯乙烯)/%		99.900	T 0607-1993
薄膜加热试验163℃ 5h	质量损失/%	0.130	T 0610-1993
	针入度比/%	75.000	T 0610-1993
	延度(15℃)/cm	8.600	T 0610-1993
	延度(5℃)/cm	4.000	T 0610-1993

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2.2 按SHRP技术指标测试结果

参照美国战略公路研究计划(SHRP)的研究成果, 使用引进的美国沥青材料试验设备, 对宽域沥青的性能按PG分级试验指标进行试验研究, 以确定其PG分级, 试验结果如表 2所示。

根据PG分级试验结果, 表明宽域沥青的性能指标满足PG76-28的指标要求。

2.3 宽域沥青粘温曲线试验

“国标”与SHRP的Superpave方法中都认为拌和温度应控制粘度在0.17±0.02 Pa·s; 初压温度应控制粘度在0.28±0.03 Pa·s; 终压温度应控制粘度在20 Pa·s; 正常碾压应控制粘度≤2 Pa·s。根据Saal公式求得温度与沥青相对粘度的关系

$l g l g (η \times 10^{3}) = A - B l g (273 + Τ)$

式中: η为粘度(Pa·s); T为温度(℃); A、B为经验系数。

将各温度下测得的Brookfield旋转粘度进行线性回归后, 得到如下回归公式

$\lg \lg \left(\eta \times 10^{3}\right)=8.7648-3.1722 \lg (273+T)$

表 2 宽域沥青的PG分级试验结果

Table 2. Performance grating result of multiphalte

性能等级	技术要求	试验结果
平均7 d最高路面设计温度/℃	76
最低路面设计温度/℃	-28
粘度, ASTM D4402, 135℃最大	3 Pa·s	1.38 Pa·s
动力剪切TP5:G^*/sinδ, 试验温度, 1@10 rad/s·℃, 最小	1.00 kPa	1.80 kPa
旋转薄膜烘箱(T240)或薄膜烘箱(T179)残留物
质量损失, 最大/%	1.00	0.13
动力剪切TP5:G^*/sinδ, 试验温度, @10 rad/s·℃, 最小	2.20 kPa	3.71 kPa
压力老化箱残留物(PP1)
PAV老化温度/℃	100
动力剪切TP5:G^*/sinδ, 试验温度, a10 rad/s·℃, 最大	5000 kPa	4150 kPa
蠕变劲度, TP1:S, 最大, m值, 最小, 试验温度60℃/s	S≤300 MPa	226 MPa
蠕变劲度, TP1:S, 最大, m值, 最小, 试验温度60℃/s	m≥0.300	0.312

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表 3 宽域沥青粘温曲线试验结果

Table 3. Viscosity-temperature test result of multiphalte

温度/℃	粘度η/Pa·s
温度/℃	1^#	2^#
135	1.110	1.105
165	0.269	0.262
175	0.188	0.181

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将施工各工序控制粘度范围代入上述回归公式后得到各工序控制温度范围, 见表 4。

表 4 沥青混合料正常施工温度

Table 4. General construction temperature of bituminous mixtures

拌和温度/℃	初压温度/℃	正常碾压温度/℃	终压温度/℃
180.5~173.9	166.8~161.5	≥124.6	≥92.8

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宽域沥青不同技术标准下的试验结果表明, 尽管其技术性能满足SHRP研究成果PG分级PG76-28的技术要求, 但其低温延度与重交沥青AH-70及SBS、SBR类改性沥青低温延度相比仍存在较大的差距。因此, 壳牌宽域沥青的低温性能仍有待进一步试验研究。

3. 宽域沥青混合料性能试验

3.1 原材料试验

试验用石料为湖南攸县玄武岩碎石, 其各项性能指标如下。

3.1.1 力学指标及粘附性(表 5)

试验结果表明: 攸县玄武岩力学及粘附性满足技术要求, 但为提高沥青混合料的抗水损害能力, 在试验中掺入3%的水泥取代矿粉。

表 5 攸县玄武岩力学指标及粘附性

Table 5. Mechanics indexes and adhesion of Youxian wache

试验项目	压碎值/%	磨光值(BPN)	磨耗值/%	粘附性
试验结果	18.3	55	16	4级
规范要求	≤28	≥42	≤30	≥4级

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3.1.2 物理指标(表 6)

表 6 原材料密度试验结果(攸县玄武岩)

Table 6. Density test result of raw material(Youxian wache)

粒径/mm	吸水率/%	表观密度/g·cm^-3	毛体积密度/g·cm^-3
16.00~13.20	0.87	2.829	2.761
13.20~9.50	0.94	2.827	2.754
9.50~4.75	1.09	2.831	2.746
4.75~2.36	0.93	2.804	2.733
2.36~1.18	1.05	2.800	2.720
1.18~0.60	0.97	2.797	2.723
0.60~0.30	0.66	2.784	2.734
0.30~0.15	0.85	2.749	2.686
0.15~0.075	0.22	2.713	2.697
矿粉	—	2.571	—
水泥	—	3.080	—

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3.2 宽域沥青混合料AK-13配合比设计试验

采用沥青为宽域沥青, 粗、细集料为攸县玄武岩, 矿粉为石灰石矿粉, 用3%的425^#普通硅酸盐水泥取代等量矿粉。试验过程中采用分级筛分, 严格按照级配中值配料, 马歇尔试验试件及车辙试件成型温度控制在160℃, 并严格按照《沥青及沥青混合料试验规程》(JTJ 052-2000)进行操作与试验。

3.2.1 表面层AK-13矿料级配范围

表面层AK-13矿料级配范围见表 7。

3.2.2 AK-13马歇尔试验

按照规范要求, 对AK-13沥青混合料进行双面击实75次标准马歇尔试验, 采用表干法测量试件的毛体积密度, 采用真空法测量沥青混合料最大理论密度, 并以此计算沥青混合料马歇尔试件体积指标。马歇尔试验结果见表 8。

3.2.3 沥青用量(油石比)

宽域沥青AK-13:沥青用量为[OAC]=5.2%, 密度ρ=2.443 g/cm³, V_a=4.5%。

[OAC₁]=5.35%, [OAC_max]=5.35%, [OAC_min]=4.5%, [OAC₂]=4.93%。

表 7 AK-13矿料级配范围

Table 7. Grating envelope of mineral aggregate in AK-13

筛孔尺寸/mm	16.000	13.200	9.500	4.750	2.360	1.180	0.600	0.300	0.150	0.075
级配范围	100	90~100	60~80	30~53	20~37	15~25	10~19	7~15	5~12	4~8
中值	100.0	95.0	70.0	41.5	28.5	20.0	14.5	11.0	8.5	6.0

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表 8 AK-13表面层马歇尔试验结果

Table 8. Marshall test result of AK-13 for surface course

材料类型	沥青用量/%	试件密度/g·cm^-3	试件空隙率/%	矿料间隙率(VMA)	沥青饱和度(VFA)	稳定度/kN	流值/0.1mm
AK-13	4.0	2.393	8.10	17.29	53.15	11.84	32.3
	4.5	2.424	6.26	16.62	62.33	12.13	33.6
	5.0	2.435	5.14	16.64	69.11	12.82	33.4
	5.5	2.455	3.69	16.35	77.43	12.64	34.5
	6.0	2.446	3.40	17.05	80.06	11.21	40.6
技术要求			3~5	≥14.5	65~75	> 7.5	20~40
注: 沥青用量为油石比。

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3.2.4 高温车辙试验(见表 9)

表 9 宽域沥青AK-13沥青混合料车辙试验结果

Table 9. Track pit test result of multiphalte AK-13

试件编号	试件厚度/cm	试验温度/℃	轮压/MPa	动稳定度/次·mm^-1	1500次变形量/mm	3000次变形量/mm
1	5.0	60	0.7	2166	1.972	3.080
1	5.0	60	0.7	2391	1.881	2.953
2	5.0	60	0.7	2236	1.945	2.144
2	5.0	60	0.7	3648	2.608^*	2.644
数据分析				$\bar{D S} = 2610$	$\bar{L} = 1.933$	$\bar{L} = 2.705$

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3.2.5 高温车辙对比试验

为进一步比较宽域沥青混合料与普通重交通道路石油沥青混合料在高温稳定性方面的差异, 采用中海36-1重交通道路石油沥青和攸县玄武岩, 油石比为5.2%成型AK-13车辙试件, 测定沥青混合料的动稳定度与相对永久变形, 并将试验结果与宽域沥青混合料试验结果进行比较。试验结果见表 10。

宽域沥青及中海36-1重交通道路石油沥青采用攸县玄武岩AK-13沥青混合料高温车辙对比试验, 结果表明, 宽域沥青与中海36-1 AH-70重交通沥青相比, 车辙试验动稳定度及抗永久变形能力均有所提高。宽域沥青混合料能满足重交通沥青混合料对动稳定度的要求(800次/mm), 但不能满足改性沥青混合料对动稳定度的要求(3000次/mm)。

3.2.6 AK-13宽域沥青混合料低温弯曲试验

根据《公路改性沥青路面施工技术规范》(JTJ 036-1998)改性沥青混合料低温抗裂性技术要求, 潭邵路表面层沥青混合料低温弯曲试验极限应变应大于1500×10^-6, 试验结果表明宽域沥青AK-13沥青混合料低温抗裂性能满足改性沥青混合料的技术要求。

表 10 AK-13沥青混合料(中海36-1 AH-70)车辙试验结果

Table 10. Track pit test result of AK-13 with Zhonghai 36-1

试件编号	试件厚度/cm	试验温度/℃	轮压/MPa	动稳定度/次·mm^-1	1500次变形量/mm	3000次变形量/mm
1	5.0	60	0.7	2666	2.835	3.435
1	5.0	60	0.7	1195	3.680	4.889
2	5.0	60	0.7	3300	3.453	3.916
2	5.0	60	0.7	2100	3.662	4.380
数据分析				$\bar{D S} = 2315$	$\bar{L} = 3.408$	$\bar{L} = 4.155$

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表 11 AK-13沥青混合料低温弯曲试验结果

Table 11. Low temperature bending test result of AK-13

试件编号	破坏荷载/kN	挠度/0.01mm	极限应变/10^-6	劲度模量/MPa
1	0.560	36	1890	2418
2	0.516	35	1838	2292
3	0.484	38	1995	1980
4	0.427	36	1890	1844
5	0.533	30	1575	2763
6	0.422	35	1838	1874
7	0.547	32	1680	2658
8	0.458	35	1838	2034
数据处理			1818	2233

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4. 结语

宽域沥青与重交通沥青(AH-70)相比, 软化点明显提高, 重交通沥青(AH-70)在47℃左右, 而宽域沥青在58℃左右, 但延度偏低。宽域沥青除延度指标外的大多数技术指标均能满足重交通道路石油沥青AH-70的技术指标要求。宽域沥青的技术指标与聚合物SBS改性沥青的技术指标相比, 大部分指标可满足SBS改性沥青中Ⅰ-C的指标要求; 但延度和弹性恢复不能满足聚合物改性沥青的技术指标。与聚合物EVA、PE改性沥青的技术指标相比, 可满足EVA、PE改性沥青中Ⅲ-C的指标要求。

宽域沥青的技术指标是介于重交通道路石油沥青的技术指标和聚合物改性沥青的技术指标之间的一种沥青材料, 从宽域沥青的PG分级指标试验结果可以看出, 其性能满足PG76-28的要求。由于中国现行技术标准采用针入度对沥青性能进行分级与美国SHRP的PG分级对沥青性能进行评价的相关性尚不明确, 对其低温性能应进一步研究。

宽域沥青及中海36-1重交通道路石油沥青采用攸县玄武岩AK-13沥青混合料高温车辙对比试验。结果表明, 宽域沥青与中海36-1 AH-70重交沥青相比, 车辙试验动稳定度及抗永久变形能力均有所提高。宽域沥青混合料动稳定度2610次/mm仅比重交通沥青混合料动稳定度2315次/mm略高, 宽域沥青混合料能满足重交通沥青混合料对动稳定度的要求(800次/mm), 但不能满足改性沥青混合料对动稳定度的要求(3000次/mm, 湖南气候分区为1-4区)。

根据《公路改性沥青路面施工技术规范》(JTJ 036-1998)改性沥青混合料低温抗裂性技术要求, 潭邵路表面层沥青混合料低温弯曲试验极限应变应大于1500×10^-6, 试验表明壳牌宽域沥青AK-13沥青混合料低温抗裂性能满足技术要求。

因此, 有待于进一步对宽域沥青进行沥青混合料性能试验, 尤其是宽域沥青混合料的低温性能测试, 并在现场修筑试验路, 进一步检验其路用性能。

图 1 疲劳试验试件的选取

Figure 1. Sample Choosing for Fatigue Test

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图 2 三维有限元计算模型

Figure 2. 3-D FEA Model

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图 3 最大拉应力

Figure 3. Maximum Tensile Stress

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图 4 最大拉应变

Figure 4. Maximum Tensile Strain

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图 5 复合梁试件

Figure 5. Sample of Compound Beam

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图 6 开始出现裂缝

Figure 6. Pavement Cracking

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图 7 裂缝逐渐发展

Figure 7. Crack Development

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图 8 裂缝贯通

Figure 8. Rupture

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图 9 下层脱落

Figure 9. Bottom Separation

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图 10 SBS改性沥青防水粘结层破坏试件

Figure 10. Damaged Sample with SBS Waterproof Layer

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图 11 无防水粘结层破坏试件

Figure 11. Damaged Sample without Waterproof Layer

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表 1 结构组合方案

Table 1. Combination Structures

组号	铺装上层	铺装下层	粘结层	试件个数(上下层厚度/cm)
1	AK-13+纤维	AC-20Ⅰ+纤维	无	3 (4+6)
2	AK-13+纤维	AC-20Ⅰ+纤维	环氧沥青	3 (4+6)
3	AK-13A+纤维	AC-20Ⅰ+纤维	SBS改性沥青	3 (4+6)
4	AK-13A	AC-20Ⅰ	SBS改性沥青	3 (4+6)
5	AK-13A	AC-20Ⅰ+纤维	SBS改性沥青	3 (4+6)
6	AK-13A+纤维	AC-20Ⅰ+纤维	SBS改性沥青	3 (5+6)
7	SMA-13	AC-20Ⅰ+纤维	SBS改性沥青	3 (5+6)

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表 2 疲劳试验结果

Table 2. Fatigue Test Result

组号	1	2	3	4	5	6	7
寿命/次	53068	73031	454460	328950	416258	475060	504268

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参考文献(9)

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