环氧沥青混合料钢桥面铺装复合结构试验研究
                                  杨树荣1,冯芳霞2,刘美爽3
(1·江苏省南京长江第四大桥建设指挥部,南京　210033; 2·江苏省南京城建项目建设管理有限公司,南京　210006; 3·东北林业大学,哈尔滨　150040)
    摘要:针对某钢箱梁桥大交通量、重车比例高和夏季高温的具体情况和特点,采用环氧沥青混合料为钢 桥面铺装,开展以带钢板的环氧沥青混合复合梁为研究对象的一系列试验。其中拉拔试验为测试疲劳过程对钢 桥面铺装黏结层的影响; 60℃时超载40%和60%两种超载荷载的疲劳试验为测试最佳疲劳油石比所对应的环氧 沥青混凝土铺装的高温抗超载疲劳性能;极限弯曲试验用于确定复合梁试件的极限承载力;变温度变荷载疲劳 试验用于预测钢桥面环氧沥青混凝土铺装在设计使用年限内所表现的性能或铺装层的使用寿命。试验结果表明 所设计的环氧沥青混凝土铺装具有较强的抗高温超载疲劳能力,同时对荷载是十分敏感的。该铺装结构在正常 的使用条件下可以满足设计使用要求。
    关键词:钢桥面铺装;环氧沥青混合料;疲劳试验;高温超载
    中图分类号:U448·36　文献标识码:A　文章编号:1001-005X (2009) 06-064-06
    1　引　言
    在大跨径桥梁建设中,正交异性钢桥面体系由 于其自重轻、经济性好受到了越来越多的应用。正 交异性钢桥面的桥面铺装问题,是大跨径钢桥建设 的关键技术[1,2]。桥面铺装直接铺设在正交异性钢 板上,在行车荷载、风载、温度变化及钢桥面局部 变形等因素影响下,其受力和变形复杂,因而对其 强度、变形特性、温度稳定性和疲劳耐久性等均有 更高要求。
    世界各国的钢桥面铺装基本上均采用沥青混合 料体系,从选用的材料和施工方法角度出发,目前 国外桥面铺装方案主要有以下4大类:①以德国和 日本为代表的高温拌和浇筑式沥青混合料(Gussas- phalt)方案;②以英国为代表的沥青玛蹄脂混合料 (Mastic asphalt)方案;③德国和日本等国近期采用 的改性沥青SMA (Stone Mastic Asphalt);④以美国为代表的环氧树脂沥青(Epoxy asphalt)混合料 方案。
    目前国内的钢桥面沥青混凝土铺装主要有沥青玛蹄脂碎石混合料(SMA)、环氧沥青混凝土、浇筑式沥青混凝土和多碎石型沥青混凝土(SAC)等4种铺装结构材料。
    环氧沥青混合料是一种以环氧树脂沥青为结合 料,采用与普通沥青结合料相似的集料而形成的混 合料,其中环氧树脂沥青是由环氧树脂、固化剂等 组成材料组成的一种特殊的改性沥青材料。使用过 程中,将环氧树脂沥青的二组分进行混合均匀,环 氧树脂在固化剂的作用下,开始固化,进而形成了 较为致密的空间网络体系[3,4]。
    环氧沥青混合料铺装层的主要优点是:强度高,高温时抗塑流和永久变形能力很强,低温抗裂性能很好,具有极好的抗疲劳性能;具有高度的抵 抗化学物质侵蚀的能力,包括溶剂、燃料和油。主要缺点是:沥青混合料的配制工艺比较复杂,施工 中对时间和温度要求十分严格,施工难度大等[5]。 本文中钢桥面采用双层铺装结构,各结构层间采用环氧沥青黏结剂黏结,自下而上的详细布置依 次为:喷砂处理的钢桥面板、60~80μm的环氧富锌漆涂装层、喷洒量为0·68±0·05 L/m2的下防水 沥青黏层、2·5 cm厚的环氧沥青混凝土下层、喷洒量为0·45±0·05 L/m2的上黏结层、2·5 cm厚的环氧沥青混凝土上层。环氧沥青混合料铺装厚度0·025+0·025=0·05 m。
    本文针对某桥大交通量、重车比例高和夏季高温的具体情况与特点,开展以带钢板的环氧沥青混合料复合梁为研究对象的疲劳试验、拉拔试验和极限弯曲试验等的复合结构试验研究。
    2　采用的原材料及混合料级配
    本次试验的粗细集料采用金坛花山玄武岩轧制而成的集料和南京六合生产的石灰石矿粉。沥青结合料采用半成品环氧沥青,该产品包括 A、B两种组分。组分A是由双酚A和表氯醇经反应得到的液态双环氧树脂,组分B是一种由石油沥青和环氧树脂固化剂组成的匀质合成物。由组分A与组分B所制备的环氧沥青技术要求及具体性能见表1所示。试验采用的环氧沥青混合料的矿物级配符合表2的技术要求。
                
    根据马歇尔稳定度最大确定的混合料基准油石 比为6·5%。
               
    环氧沥青混合料是一种典型的热固性材料,混合料的强度受其固化程度的影响较大。为分析固化 程度与试验温度对环氧沥青混合料强度的影响,以 6·0%、6·5%和7·0%3种油石比分别成型试件, 并采用不同的固化方案进行养护,见表3,然后测量试件在60℃与70℃时马歇尔稳定度与流值。
                  
    不同固化条件试件60℃与70℃的马歇尔结果 分别见表4和表5。
                 
    由表4与表5可见,固化条件对环氧沥青混合 料马歇尔稳定度的影响较大。非标准固化条件下养 护的环氧沥青混合料其马歇尔稳定度与流值均低于 同等试验条件下标准的固化试件[2]。环氧沥青混合 料在60℃或70℃环境下虽经长达24 h的养护,其 固化程度仍较低,其马歇尔稳定度仅相当于同等试 验条件下固化试件的15%左右。
    通过研究发现,试验温度对固化试件与未固化 试件的马歇尔稳定度均存在一定的影响。对于固化 试件,当试验温度由60℃上升至70℃时,基准油 石比所对应的马歇尔稳定度降幅为8·3%,非基准 油石比所对应的马歇尔稳定度降幅为19%。固化 试件70℃的马歇尔稳定度均在30 kN以上,远超 过我国的《公路沥青路面设计规范》(JTJ014-97) 对高速公路用沥青混合料的技术要求(>7·5 kN), 表明所设计的环氧沥青混合料能够适应该桥钢桥面 铺装的高温使用性能要求。
    3　复合结构研究
    该桥正交异性钢桥面板U型加劲肋的开口宽 度为300 mm,钢板面板的厚度则有14 mm与16 mm 两种。为加速试验,取复合梁钢板厚14 mm,材质 与钢桥面板相同。复合梁钢板的几何尺寸如图1, 在送至实验室之前,对复合梁钢板的表面进行喷砂 除锈与涂装处理,喷砂与涂装工艺与实际施工相同。 复合梁试件按如下步骤制作:①将复合梁钢板 装入套模并清洁复合梁钢板底面;②按规定的洒布 量将环氧沥青黏结剂涂抹在复合梁钢板底面。黏结 剂涂抹应均匀、无气泡;③成型环氧沥青混凝土铺 装下层;④按规定的洒布量将环氧沥青黏结料涂抹 在铺装下层顶面。黏结剂涂抹应均匀无气泡;⑤成 型环氧沥青混凝土铺装上层;⑥将试件连套模放入 120℃的烘箱保温4 h;⑦将试件取出烘箱;⑧待 其冷却后脱去套模,供测试用。
                    
    (1)最佳疲劳油石比。根据试验方案,基准油 石比确定后,即按基准油石比±0·5%的变化幅度 成型3种不同油石比的复合梁试件。然后以相同的 荷载对各试件进行疲劳试验,测试环氧沥青混合料 已固化的复合梁试件的疲劳寿命,疲劳试验的荷载 波形为无间歇正弦波,荷载8 kN、荷载频率为10 Hz,试验温度为20℃,待所有试件的疲劳试验进 行完毕,将3种油石比的复合梁平均疲劳寿命绘制 成图,通过内插法选定室温下最佳疲劳性能所对应 的油石比,并将该值称为“最佳疲劳油石比”。
    由马歇尔试验可知,设计级配的基准油石比为 6·5%。因此,取6·0%, 6·5%, 7·0%3种油石比, 按前叙复合梁成型制作相应的复合梁试件,每种油 石比各3种试件,其中的两根用于疲劳油石比测 试,另一根备用。当同一油石比的两个试件,其疲 劳破坏次数相差超过20%时,应该采用该油石比 中标记为“备用”的试件重新进行疲劳试验,实测 3种油石比的复合梁疲劳寿命见表7。考虑到 6·0%、6·5%和7·0%3种油石比所对应的疲劳寿 命差异较大,所以课题组补充测试了油石比为 6·7%的复合梁试件在相同荷载条件下的疲劳寿命, 其结果见表6所示。
             
    由表6可知,设计级配的复合梁试件最佳疲劳 油石比为6·5%。结合环氧沥青混合料的马歇尔试 验结果可见,油石比对复合梁疲劳寿命的影响规律 与对马歇尔稳定度的影响规律基本一致,并且按疲 劳寿命所确定的最佳油石比与按马歇尔指标体系所 确定最佳油石比也一致。油石比与复合梁试件疲劳寿命的关系曲线表明,实际施工中,必须严格控制油石比。
    (2)拉拔试验。为测试疲劳过程对钢桥面铺装黏结层的影响,选取确定最佳疲劳油石比所用的复合梁疲劳试件,采用拉拔测试距离裂缝不同的位置铺装层与钢板的黏结强度[6]。试验按图2所示的方式进行,具体步骤如下:
    ①将复合梁铺装表面打磨平。若表面平整,则无需要打磨;②用钻芯机在试件上钻3~4个直径 为50 mm的芯样。钻芯过程中应尽量防止钻头偏斜;③用快凝环氧树脂将带有拉杆、直径为50 mm的圆形钢板拉头黏贴在芯样表面,黏贴过程中应尽 量排除拉头底面可能存在的气泡;④待环氧树脂完 全固化后,将带拉头的复合梁试件放在规定的环境中保温6~8 h;⑤将芯样放于拉头试验仪中,以 100~200 kN/s的速度对拉杆加力,直至芯样破坏。
                 
    三种油石比的复合梁疲劳试件60℃的拉拔试 验结果见表7。各芯样在复合梁中的分布及复合梁 铺装疲劳裂纹的位置如图3。对于破坏位置出现在 浅面层的芯样,其与钢板的实际黏结强度应超过所 测试的数值。
    见表7,油石比小于最佳疲劳油石比时,铺装 层与钢板间的黏结强度较低,而油石比在6·5%~ 7·0%时,黏结强度未发生显著变化。油石比低于 疲劳油石比0·5%时,试件的强度降低达40%。
                    
    结合图3和表7可见,疲劳裂缝两侧芯样的黏 结强度比远离裂缝芯样的黏结强度低15%,表明 复合梁弯曲疲劳损伤对铺装层与钢板的黏结性能存 在一定影响,并且该影响量与芯样的位置有一定关 系。在弯曲荷载作用下,复合梁跨中位置的铺装层 承受较大的拉应力,并产生的微小滑移,这使得跨 中位置的黏结层所承受的剪应力大于其他位置的黏 结层。因此,在荷载的反复作用下,该部位黏结层 的损伤也大于其他位置。
    (3)高温超载疲劳试验。高温与超载一直被认 为是导致我国钢桥面铺装较早地出现开裂、滑移等 病害的重要原因。因此在确定出最佳油石比后,即 按最佳疲劳油石比制作设计级配的复合梁试件,以 测试最佳疲劳油石比所对应的环氧沥青混凝土铺装 的高温抗超载疲劳性能。
    根据提供的计算结果,作用于复合梁上的5kN 荷载效应应大致相当于轴载为140kN的汽车荷载对 钢桥面铺装的作用。本次研究共完成了60℃时7kN (超载40%)和8kN (超载60%)两种超载荷载的 疲劳试验,试验结果见表8。因荷载作用次数达 2 000万次时复合梁试件仍未破坏,并且其动挠度 也未产生显著变化,该试验中止。
                
    (4)极限弯曲试验。该试验主要用于确定复合梁试件的极限承受力。当出现以下任何一种情况时即认为该试件破坏:
①铺装材料表面出现裂缝;
②复合梁顶部铺筑层与钢板间脱开;
③铺装材料内部出现分层现象;
④铺装层与钢板之间滑移。
    试验采用的复合梁试件沥青铺装层厚50·9 mm,试验时室温为20℃。试验加载速率为50 mm/ min。在试验之前进行了3次弯拉模量的试验,得 到环氧沥青混合料的平均弯拉模量为684 Mpa。 试验中当荷载增加至28·7kN时发现环氧沥青 混合料表面在跨中附近出现开裂,荷载持续增加至 39·5kN时铺装层完全开裂,但铺装层和钢板之间黏结层情况仍然完好。
    (5)变温变荷载疲劳试验。预计钢桥面铺装工 作温度为-15~70℃,载重汽车超载比(超载车辆占交通量的百分比)为20%,超载量(超载车的实际超载重量与额定载重量之比)为30%。确定按图5所示的温度与荷载循环加载的方式进行复合梁疲劳试验,评估室内设计的环氧沥青混凝土铺装在0~60℃温度变化范围内的疲劳性能[6-9]。
    复合梁试件的铺装总厚度为51·1 mm,钢板厚14·1 mm。复合梁疲劳试验温度采用MTS-810专用温度箱控制,其控制精度±0·5℃,试验荷载则由MTS-810专用伺服系统控制。
    疲劳试验中每100万次记录一次动挠度,并记录当时的温度与荷载。实测复合梁的荷载作用次数与动挠度见表9与图4。因荷载作用次数达到2000万次时复合梁试件仍未破坏,该试验中止。

                
    由表9可知,相同荷载条件下复合梁动挠度未 产生显著变化,复合梁的疲劳寿命超过2 000万 次。复合梁变温变荷载的疲劳试验结果表明室内设 计的环氧沥青混凝土铺装的使用寿命可以满足设计 使用年限的要求。
    分别以3种温度条件下5·0 kN荷载所对应的 平均动挠度为基准,可分析出超载30%时在相应 温度下对复合梁动挠度的影响量,见表10。
分别以25℃时5·0 kN与6·5 kN荷载对应的动 挠度为基准,可分析出0℃与60℃两种温度变化对 复合梁动挠度的影响量,见表11。
                
    综合表9和表10以及高温超载疲劳试验结果 可见,高温与超载对复合梁的动挠度影响较大。
    4　结　论
    (1)同油石比的复合梁疲劳试验结果表明,油 石比对复合梁疲劳寿命有较显著的影响,采用复合 梁疲劳试验确定最佳油石比的方式是可行的。
    (2)梁疲劳寿命的影响规律与马歇尔稳定度的 影响规律基本一致,表明实际施工时应控制马歇尔 指标以达到控制施工质量的目的。
    (3)载疲劳试验结果表明,室内试验所设计的环 氧沥青混凝土铺装具有较强的抗高温超载疲劳能力。 同时也表明钢桥面环氧沥青混凝土铺装对荷载是十分 敏感的,在运营期间应严格控制超载车辆的通行。
    (4)变温、变荷载的循环疲劳结果表明,该铺 装结构在正常的使用条件下可以满足设计使用要 求,但仍应注意超载对铺装使用寿命的影响。
【参　考　文　献】
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