橋梁無縫伸縮縫材料力學(xué)性能試驗(yàn)分析

謝嚴(yán)君，武銀君，代 洋，磨煉同

（1.武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070；2.錫林郭勒盟太仆寺旗公路管理段，寶昌 027000）

橋梁無縫伸縮縫材料力學(xué)性能試驗(yàn)分析

謝嚴(yán)君1，武銀君2，代 洋1，磨煉同1

（1.武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070；2.錫林郭勒盟太仆寺旗公路管理段，寶昌 027000）

對英國BJ200－Green無縫伸縮縫材料進(jìn)行了室內(nèi)力學(xué)性能試驗(yàn)分析，重點(diǎn)對無縫伸縮縫膠結(jié)料及其混合料的高溫穩(wěn)定性和低溫柔性進(jìn)行檢測。膠結(jié)料試驗(yàn)結(jié)果表明其軟化點(diǎn)為84℃，低溫界面粘粘強(qiáng)度為0.85MPa，在1min內(nèi)應(yīng)力松弛可達(dá)到80%，具有很好的應(yīng)力松弛能力。車轍試驗(yàn)結(jié)果表明在1萬次加載作用下其永久變形小于15%，低溫彎曲最大破壞應(yīng)變大于20 000μm／m，具有很好的高溫穩(wěn)定性和低溫柔性。

橋梁無縫伸縮縫； 性能評價(jià)； 車轍； 柔性

橋梁伸縮縫是橋梁設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要組成部分，是為滿足橋梁的伸縮變形而在橋梁結(jié)構(gòu)的梁端之間或其他適當(dāng)位置安裝的能夠自由變形的裝置。橋梁伸縮縫在橋梁結(jié)構(gòu)中直接承受輪胎載荷的沖擊作用，并且長期暴露在空氣中，使用環(huán)境惡劣，容易破壞并且維護(hù)成本高。調(diào)查研究表明伸縮縫是橋梁結(jié)構(gòu)最薄弱的環(huán)節(jié)，它的使用壽命要遠(yuǎn)低于橋梁的期望壽命，需要頻繁的維護(hù)，嚴(yán)重影響了交通暢通與安全，而且頻繁的維護(hù)也帶來了資源的浪費(fèi)與環(huán)境問題。法國和葡萄牙調(diào)查結(jié)果表明伸縮縫的養(yǎng)護(hù)成本約占到整個(gè)橋梁養(yǎng)護(hù)成本的7%～22%［1］，而我國目前尚未見到這方面的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

目前國內(nèi)外主要使用的橋梁伸縮裝置可分為以下6種類型，即無縫式、填塞對接式、嵌固對接式、橡膠板式、鋼制支承式和模數(shù)式。此外，橋梁伸縮縫可大致分為開口縫和閉口縫兩大類。開口伸縮縫容易讓水和腐蝕性的污染物進(jìn)入，加快橋梁面板、支座和底層結(jié)構(gòu)性能的衰減，因此這類伸縮縫已經(jīng)很少使用。而閉口伸縮縫近年來發(fā)展迅速種類繁多，根據(jù)Lima的調(diào)查報(bào)告顯示截止2010年使用最多的為加固橡膠緩沖型（51%），其次為橡膠柔性條型（22%），瀝青填塞型（9%）。Johnson等1993調(diào)查了公路橋梁的250處伸縮縫，發(fā)現(xiàn)瀝青填塞型比例最大，約占50% ，橡膠柔性條型占30% ，加固橡膠緩沖型占20%［1］。對于橋梁伸縮量比較小時(shí)，瀝青填塞型是最常用的一種伸縮縫裝置。此外，瀝青填塞式伸縮縫在混凝土老橋上的應(yīng)用比例也很高。

無縫式伸縮縫又名瀝青填塞式伸縮縫，相比于其他類型的伸縮縫，它能使橋梁結(jié)構(gòu)無縫化，其主要工作原理是在橋梁梁端間隙中填入特殊的聚合物改性瀝青混合料來滿足由于溫度和載荷引起的橋梁變形。無縫式伸縮縫具有良好的整體性和耐久性，施工方便，易于維修和養(yǎng)護(hù)，行車舒適，造價(jià)相對較低。但其主要缺點(diǎn)是使用壽命較低，一般為5～7年。出于對降低行車噪音污染和提高行車舒適性的考慮，歐洲一些發(fā)達(dá)國家，如德國、瑞士和荷蘭，針對無縫式伸縮縫開展了許多深入的研究，旨在提高其服役性能和延長其使用壽命。

低溫開裂，高溫推移，與原有路面粘結(jié)不足是無縫式伸縮縫目前所面臨的主要問題［2］。另外，無縫伸縮縫一般只適用于最大伸縮量為50mm的中小跨度橋梁，限制了無縫式伸縮縫的應(yīng)用。因此，瑞士EMPA針對伸縮量達(dá)到100mm的無縫式伸縮縫也進(jìn)行諸多研究工作［3］。

無縫式伸縮縫的性能與所用的瀝青材料直接相關(guān)，如瀝青的高溫穩(wěn)定性、應(yīng)力松弛性能和低溫柔韌性與其制備的瀝青混合料的抗永久變形、低溫開裂和疲勞開裂有直接的聯(lián)系。目前，無縫式伸縮縫在英國使用廣泛，并建立了相應(yīng)的設(shè)計(jì)指南，該文將對英國典型產(chǎn)品BJ200－Green進(jìn)行室內(nèi)性能分析，以了解該材料的相關(guān)性能，為國內(nèi)同類產(chǎn)品的研發(fā)提供參考。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

無縫式伸縮縫材料主要由瀝青膠結(jié)料和集料組成，其中膠結(jié)料采用英國PRISMO公司生產(chǎn)的高分子聚合物改性瀝青BJ200－Green伸縮縫材料，其相關(guān)性能指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果見表1。集料采用單一粒徑為10～20mm的玄武巖。

1.2 混合料制備及成型方法

無縫式伸縮縫所用的瀝青混合料由瀝青膠結(jié)料和集料按照1∶3的比例組成。室內(nèi)混合料的制備應(yīng)與現(xiàn)場施工相同，主要步驟如下：首先將瀝青膠結(jié)料按10%的油石比與集料進(jìn)行預(yù)拌，以確保集料與瀝青的粘結(jié)性能，將預(yù)拌合瀝青混合料倒入模具，再把加熱到180℃的瀝青膠結(jié)料灌入混合料內(nèi)部連通孔隙，利用瀝青的大流動性充分灌入孔隙中，盡可能充滿集料的間隙。

1.3 試驗(yàn)內(nèi)容

無縫式伸縮縫膠結(jié)料性能測試項(xiàng)目主要包括軟化點(diǎn)、錐入度、彈性、低溫拉伸和應(yīng)力松弛。

1）軟化點(diǎn)試驗(yàn)：無縫式伸縮縫膠結(jié)料軟化點(diǎn)高于普通路用瀝青，且大于80℃，該文采用環(huán)球法測定，加熱介質(zhì)為甘油，試驗(yàn)按 ASTM D36［4］進(jìn)行。2）錐入度試驗(yàn)：按 ASTM D5239［5］規(guī)范進(jìn)行，試驗(yàn)溫度為25℃，其試驗(yàn)步驟與針入度試驗(yàn)相同，區(qū)別在于該試驗(yàn)將針入度試驗(yàn)所用的標(biāo)準(zhǔn)針換成了質(zhì)量為102.5g的標(biāo)準(zhǔn)錐，錐桿總質(zhì)量為150g，另外試驗(yàn)過程中玻璃皿不盛水。3）彈性試驗(yàn)：彈性是伸縮縫材料的一個(gè)重要指標(biāo)，該文的彈性試驗(yàn)溫度為25℃，按ASTM D5239［5］規(guī)范進(jìn)行，將貫入球勻速壓入瀝青膠結(jié)料內(nèi)一定深度然后使其自然回彈，通過回彈量計(jì)算瀝青膠結(jié)料的彈性恢復(fù)率。4）低溫拉伸試驗(yàn)：低溫拉伸試驗(yàn)主要測試伸縮縫膠結(jié)料低溫抗裂性能以及粘結(jié)性能，該文按照ASTM D5239［5］成型拉伸試驗(yàn)試件，試驗(yàn)溫度－10℃，拉伸速率0.5mm／min，實(shí)驗(yàn)儀器采用澳大利亞進(jìn)口的伺服液壓試驗(yàn)機(jī)（UTM－25）。5）應(yīng)力松弛試驗(yàn)：試驗(yàn)儀器采用DSR動態(tài)剪切流變儀，在－10℃施加5%最大剪切應(yīng)變，測量應(yīng)力隨時(shí)間的變化關(guān)系。

無縫式伸縮縫混合料性能測試試驗(yàn)包括車轍試驗(yàn)、高溫蠕變和低溫彎曲。1）車轍試驗(yàn)：參考規(guī)范T0719—2011［6］，試件尺寸300mm×300mm×100mm，試驗(yàn)溫度為60℃，試驗(yàn)時(shí)間4h。2）高溫動態(tài)蠕變試驗(yàn)：采用伺服液壓試驗(yàn)機(jī)（UTM－25）進(jìn)行，所用試件尺寸為直徑150mm，高度170mm圓柱體。試驗(yàn)溫度60℃，施加半正弦波應(yīng)力，峰值為0.2MPa，加載時(shí)間為0.1s，卸載時(shí)間為0.1s。3）低溫三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)：參考規(guī)范T0715—2011［6］，試件尺寸300mm×100mm×50mm，試驗(yàn)溫度－10℃，加載速率50mm／min，采用伺服液壓試驗(yàn)機(jī)（UTM－25）開展試驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 瀝青膠結(jié)料性能

表1列出了BJ200－Green無縫式伸縮縫膠結(jié)料常規(guī)指標(biāo)的試驗(yàn)結(jié)果。其中，BJ200－Green膠結(jié)料軟化點(diǎn)達(dá)到84℃，具有較好的抗高溫性能，滿足英國及美國ASTM規(guī)范要求。錐入度為32.3dmm，也在英國規(guī)范對橡膠改性膠結(jié)料25～45dmm的要求范圍內(nèi)。利用美國ASTM試驗(yàn)規(guī)程對其彈性進(jìn)行的測試發(fā)現(xiàn)其彈性為19.2%，并未達(dá)到ASTM規(guī)范要求的40%～70%。

表1 BJ200－Green無縫伸縮縫膠結(jié)料常規(guī)性能指標(biāo)

無縫伸縮縫最常見的破壞就是低溫開裂，包括伸縮縫與原橋面的界面處的開裂以及低溫下鋪墊鋼板邊緣處由于應(yīng)力集中而出現(xiàn)的開裂，因此用于無縫伸縮縫的瀝青膠結(jié)料應(yīng)具有良好的粘附性和低溫柔性。圖1給出了BJ200－Green瀝青膠結(jié)料拉伸應(yīng)力－應(yīng)變曲線，試驗(yàn)溫度為－10℃，拉伸速率為0.5mm／min，試驗(yàn)包括3組平行試驗(yàn)。由圖1可知，在10%～15%的應(yīng)變范圍內(nèi)應(yīng)力都會達(dá)到峰值，隨著應(yīng)變的增加，應(yīng)力呈逐漸下降趨勢，這表明材料發(fā)生了強(qiáng)度破壞，經(jīng)觀察證實(shí)破壞都發(fā)生在瀝青膠結(jié)料與混凝土界面粘結(jié)處。試驗(yàn)最大應(yīng)力值分別為0.69MPa、0.85MPa和0.76MPa，而在達(dá)到峰值應(yīng)力前，瀝青膠結(jié)料的彈性模量大約在8MPa。

無縫式伸縮縫材料低溫下出現(xiàn)的各種問題可以歸結(jié)為在溫度驟降時(shí)產(chǎn)生的溫度收縮應(yīng)力來不及松弛而被積累，如果超過界面以及伸縮縫材料的抗拉強(qiáng)度就會導(dǎo)致界面或伸縮縫材料出現(xiàn)開裂。Bramel采用應(yīng)力松弛掉75%所需要的時(shí)間來評價(jià)無縫式伸縮縫材料的應(yīng)力松弛性能［7］。圖2給出了BJ200－Green瀝青膠結(jié)料的應(yīng)力松弛曲線，所施加的恒定應(yīng)變?yōu)?%，試驗(yàn)溫度為－10℃。圖中曲線表明在前20s，應(yīng)力急劇下降，從0.48MPa下降到0.16MPa，降幅即累積應(yīng)力松弛率達(dá)到68%，180s累積應(yīng)力松弛率能達(dá)到87.8%。累積應(yīng)力松弛率達(dá)到75%所需要的時(shí)間為30s，表明與混凝土橋面實(shí)際溫縮速度相比較，其在降溫時(shí)具有快速的應(yīng)力松弛能力，可有效避免低溫開裂。

2.2 混合料性能評價(jià)

無縫伸縮縫所填充的瀝青混合料中瀝青用量大，所用集料為單一級配，粗集料形成骨架結(jié)構(gòu)不如傳統(tǒng)瀝青混凝土骨架穩(wěn)定，在高溫及長時(shí)間或反復(fù)荷載作用下，更易產(chǎn)生永久變形。此外，該類瀝青混合料的低溫變形主要由瀝青膠結(jié)料起貢獻(xiàn)。該文對無縫伸縮縫BJ200－Green瀝青混合料進(jìn)行了高溫動態(tài)蠕變試驗(yàn)、車轍試驗(yàn)和低溫三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，分別用以檢測其高低溫性能。

瀝青混合料是一種典型的粘彈性材料，而瀝青混合料的蠕變試驗(yàn)是研究其粘彈性的重要方法之一，蠕變是在一定溫度和恒定應(yīng)力作用下變形隨時(shí)間逐漸增大的現(xiàn)象。瀝青混合料的蠕變性能對瀝青混合料的高溫抗車轍性能有很大的影響［8］。該文采用能夠更加真實(shí)模擬伸縮縫材料受力模式的動態(tài)蠕變試驗(yàn)，圖3給出了BJ200－Green瀝青混合料動態(tài)蠕變試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)溫度為60℃，施加半正弦波應(yīng)力，峰值為0.2MPa，加載時(shí)間為0.1s，卸載時(shí)間為0.1s?；旌狭系娜渥兦€完整反應(yīng)了動態(tài)蠕變的3個(gè)階段，即蠕變遷移區(qū)、蠕變穩(wěn)定區(qū)和蠕變破壞期。蠕變遷移區(qū)發(fā)生在前20個(gè)加載循環(huán)，試件發(fā)生了彈性變形，蠕變速率較大；在20～311個(gè)加載循環(huán)內(nèi)，蠕變速率趨于穩(wěn)定，變形勻速增長；311個(gè)加載循環(huán)后，變形速率由勻速逐漸變大。蠕變壽命為311個(gè)循環(huán)（62.2s），此時(shí)的蠕變勁度為1.7MPa，蠕變破壞時(shí)的累積應(yīng)變?yōu)?1.75%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，BJ200－Green瀝青混合料蠕變穩(wěn)定區(qū)維持的時(shí)間很短，累積應(yīng)變值較大，蠕變勁度較小，其抵抗高溫變形的能力較差。這主要是由于試件成型過程類似澆筑，混合料沒有形成較強(qiáng)的骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)。

瀝青混合料車轍試驗(yàn)是國內(nèi)外較常采用的瀝青混合料高溫性能評價(jià)手段，一般用動穩(wěn)定度來評價(jià)高溫性能。但是，為了消除由于試件本身的壓密變形，動穩(wěn)定度指標(biāo)取最后15min的變形計(jì)算，這樣就會常出現(xiàn)動穩(wěn)定度較大而實(shí)際車轍深度卻很大的矛盾［9］。另外，瑞士研究指出無縫伸縮縫的抗車轍能力至少要與相鄰路面相當(dāng)。該文使用改進(jìn)的車轍試驗(yàn)，即在普通車轍試驗(yàn)基礎(chǔ)上，將作用時(shí)間延長至4h，引入10 000次車轍深度指標(biāo)和相對變形率，結(jié)合動穩(wěn)定度進(jìn)行分析。

圖4和表2給出了BJ200－Green瀝青混合料車轍試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)在60℃下進(jìn)行。從圖4可以看出，輪壓開始后的短時(shí)間內(nèi)，初期車轍深度已經(jīng)較大，這主要是由于試件碾壓追密造成的，經(jīng)過前期輪壓追密后，混合料內(nèi)骨架嵌擠結(jié)構(gòu)逐漸變強(qiáng)，永久變形增加速度逐漸減小，并趨向穩(wěn)定。表2試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，1h相對變形率偏大，達(dá)到8.86%，4h后相對變形率為13.31%，從抗車轍能力不低于相鄰瀝青路面的角度考慮，所制備的混合料滿足法國對于高交通量水平的道路10 000次作用下相對變形率小于15%的要求。若以單個(gè)小時(shí)計(jì)算動穩(wěn)定度，則每個(gè)小時(shí)對應(yīng)的動穩(wěn)定度分別為1 384 次／mm、2 176 次／mm、3 000 次／mm 和4 118次／mm。若當(dāng)相鄰路面為澆筑式瀝青混凝土?xí)r，其抗車轍能力滿足日本對于澆筑式瀝青混凝土要求，即60℃車轍試驗(yàn)動穩(wěn)定度大于350次／mm［10］的要求。若相鄰路面如果采用SMA改性瀝青混凝土，其抗車轍變形能力沒有達(dá)到國內(nèi)對SMA改性瀝青路面60℃動穩(wěn)定度3 000次／mm的要求［11］。另外，從圖5的車轍試件截面圖也可以看出，車轍主要由輪載作用下混合料進(jìn)一步追密造成的，表明了可采用適當(dāng)?shù)哪雺菏侄蝸頊p少永久變形。此外，轍槽兩側(cè)產(chǎn)生輕微隆起，表明混合料內(nèi)部產(chǎn)生了較大的剪切側(cè)向變形。

無縫式伸縮縫材料應(yīng)具備適應(yīng)橋梁梁端較大變形的能力，尤其是在寒冷地區(qū)使用時(shí)，對瀝青混合料的低溫柔性要求更高。該文采用三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)評價(jià)瀝青混合料的低溫性能，圖6和表3給出了BJ200－Green瀝青混合料三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)溫度－10℃。從試驗(yàn)結(jié)果可以看到，BJ200－Green瀝青混合料的低溫彎曲最大破壞應(yīng)變可以達(dá)到20 000～30 000μm／m，彎曲勁度模量200～300MPa。而普通瀝青混凝土最大彎拉應(yīng)變在2 000～4 000μm／m左右，彎曲勁度模量在3 000～4 000MPa左右［12］。試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)BJ200－Green瀝青混合料具有很好的低溫柔性，可較好的適應(yīng)橋面溫縮變形。

表2 BJ200－Green瀝青混合料車轍試驗(yàn)結(jié)果

表3 BJ200－Green瀝青混合料低溫三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié) 論

與其他的橋梁伸縮縫相比，無縫式伸縮縫具有整體性、防水效果好、行車舒適、施工簡單等優(yōu)勢，但在國內(nèi)相關(guān)研究和應(yīng)用相對較少。該文對英國產(chǎn)品BJ200－Green無縫式伸縮縫材料進(jìn)行了室內(nèi)性能分析，為國內(nèi)無縫式伸縮縫材料研發(fā)提供性能參考依據(jù)。BJ200－Green材料具有較高軟化點(diǎn)，快速低溫應(yīng)力松弛能力，有利于抵抗高溫流動性和適應(yīng)橋梁的溫縮變形。低溫拉伸試驗(yàn)可用于評價(jià)膠結(jié)料的低溫粘結(jié)性能和延展性，界面破壞表明粘結(jié)性能不足，而斷裂應(yīng)變則說明了材料低溫柔性。混合料高溫蠕變試驗(yàn)顯示其蠕變穩(wěn)定區(qū)維持的時(shí)間較短，破壞時(shí)的累積應(yīng)變較大，表明其抵抗高溫變形的能力較差。混合料車轍試驗(yàn)表明無縫式伸縮縫材料具有較高的動穩(wěn)定度，與普通瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性相當(dāng)，但由于集料骨架結(jié)構(gòu)沒有形成，其車轍初期變形較大。其低溫彎曲斷裂應(yīng)變大于20 000μm／m，顯著優(yōu)于普通瀝青混凝土，可適應(yīng)橋面低溫收縮變形。

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Experimental Investigation of Mechanical Properties of Asphalt Plug Joint Materials

XIE Yan－jun1，WU Yin－jun2，DAI Yang1，MO Lian－tong1
（1.State Key Lab of Silicate Materials for Architectures，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China；2.Xilingol League Taipu Temple Highway Mnagement Station，Baochang 027000，China）

This paper provides an experimental evaluation on the mechanical properties of BJ200－Green asphalt plug joint materials.Focus is on stability at high temperature and flexibility at low temperature of the binder and the joint mixture.Binder tests indicates that the softening point is 84 ℃，adhesion strength at low temperature is 0.85MPa.The binder can relax 80%of initial force within 60s，indicating good relaxation performance.Rutting test on the mixture shows that permanent deformation is less than 15%after subjected to 10 000passes of wheel loading.Three point bending test indicates that the maximum bending strain at failure is larger than 20 000μm／m.The data obtained confirms the good performance of mixture at high and low temperature.

asphalt plug joint； performance evaluation； rutting； flexibility

10.3963／j.issn.1674－6066.2013.02.013

2013－03－20.

高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金新教師類資助課題（20110143120013）和廣東省教育部產(chǎn)學(xué)研結(jié)合項(xiàng)目（2012B091000162）.

謝嚴(yán)君（1988－），碩士生.E－mail：molt＠whut.edu.cn