馬鞍山長江大橋澆筑式瀝青混凝土疲勞壽命研究

肖海龍 張 鋒

(1．中鐵大橋局集團武漢橋梁科學研究院有限公司，湖北武漢 430034;2．重慶市智翔鋪道技術工程有限公司，重慶 400060)

0 引言

馬鞍山長江公路大橋位于安徽省東南部馬鞍山境內，該大橋項目起于安徽和縣姥橋鎮(zhèn)附近S206省道，在馬鞍山江心洲位置處跨越長江，通過馬鞍山市城區(qū)的西南側，在超山附近接馬鞍山—蕪湖高速。馬鞍山長江公路大橋跨江主體工程全長11．209 km，分為北引橋、左汊主橋、江心洲引橋、右汊主橋及南引橋，其中左汊主橋為鋼箱梁結構，全長2 160 m，主跨為2×1 080 m三塔兩跨懸索橋，設計采用35 mm高彈改性瀝青SMA10+33 mm澆筑式瀝青混合料GA10+2 mm甲基丙烯酸樹脂防水體系，鋪裝結構示意圖見圖1。

圖1 馬鞍山長江大橋鋼橋面鋪裝結構示意圖

一般高速公路一個車道上設計的累計標準軸次極限約(20～30)×106，而馬鞍山長江公路大橋的交通量年累計軸載次極限為33．2×106，屬于特重交通，交通量較為繁重，其中大型車輛接近50%［1］。由于交通量大，通車運營后不允許道路長時間受阻或被中斷，維修工作困難，設計要求鋪裝結構具有良好的疲勞壽命和便于后期維修工作，以減少鋼橋面后期大面積的維修或整體翻修。

疲勞，指材料在循環(huán)加載下，在某點或某些點產生局部的永久性損傷，并在一定循環(huán)次數(shù)后形成裂紋、或使裂紋進一步擴展直到完全斷裂的現(xiàn)象。澆筑式瀝青混合料具有拌合溫度高、拌合時間長、粉料含量高、瀝青含量高的特點［2］。澆筑式瀝青混合料性能80%以上取決于瀝青結合料的性能［3］，拌合溫度對澆筑式瀝青混合料疲勞壽命也有很大的影響。關于瀝青混合料疲勞壽命的研究中，能量法已是分析瀝青混合料疲勞特性的有效方法之一［4］，用能量法分析研究澆筑式瀝青混合料疲勞特性。

1 疲勞試驗方案

1．1 疲勞試驗模式

采用應變控制模式的4點彎曲疲勞試驗方式研究澆筑式瀝青混合料疲勞特性。4點小梁彎曲疲勞試驗可以精確的測試試件疲勞壽命，并可以檢測試件的粘彈力學特性，如彈性模量、初始勁度模量、滯后角、累積耗散能等。具體試驗參數(shù)為試驗溫度:15℃;加載波形:偏正弦波;加載頻率:10 Hz;疲勞破壞判定:試件的勁度模量降低到初始勁度模量的50%時，認為試件達到疲勞破壞狀態(tài)。

1．2 澆筑式瀝青混合料級配

馬鞍山長江大橋GA10瀝青混合料用粗、細集料均采用玄武巖，填料采用石灰石磨細礦粉。摻配比例為S12∶S14∶S16∶礦粉=32∶8∶32∶28。

合成級配見表1。

表1 GA-10合成級配

1．3 澆筑式瀝青混合料膠結料選擇

澆筑式瀝青混合料在復合鋼橋面鋪裝應用中，鋪裝層混合料的原材料選擇需從混合料熱穩(wěn)性、變形性、低溫抗裂性能、抗疲勞性、耐久性，以及抗滑耐磨性能等方面綜合全面考慮，試驗選擇了目前主流使用的三種改性瀝青，分別為德國Pmb25改性瀝青、SBS改性瀝青(SK70)、國產聚合物改性瀝青(JHW-1)。

性能指標見表2。

表2 改性瀝青性能指標

2 疲勞試驗結果與分析

在研究拌合溫度對疲勞性能影響研究中，油石比為7．9%。表3為三種澆筑式瀝青混合料在不同拌合溫度下疲勞試驗結果平均值。

三種瀝青混合料試驗結果按表3中的公式得到Pmb25改性瀝青、SBS改性瀝青(SK70)、JHW-1聚合物改性瀝青在同一應變水平不同拌合溫度下澆筑式瀝青混凝土的疲勞壽命Nf和達到疲勞破壞時的總的累積能耗Wf。

對于瀝青混合料來說，其疲勞破壞也是一個能量耗散的過程，耗散的能量轉化為熱能，累積耗散能的大小直接反映混合料的疲勞壽命。由表3表明:SBS改性瀝青(SK70)在拌合溫度210℃和230℃下成型的澆筑式瀝青混合料均具有較好的疲勞壽命，特別是在230℃下循環(huán)加載次數(shù)達到了120萬次;JHW-1聚合物改性瀝青在210℃下成型的澆筑式瀝青混合料加載循環(huán)次數(shù)達到了150萬次，呈現(xiàn)出了優(yōu)異的疲勞壽命;而Pmb25在4種不同拌合溫度下成型的澆筑式瀝青混合料的疲勞壽命都比較差，但在較低拌合溫度(190℃)下成型的澆筑式瀝青混合料的疲勞特性要優(yōu)于其他拌合溫度下成型的混合料。

表3 澆筑式瀝青混凝土的能耗參數(shù)

3種不同膠結料在較高拌合溫度下成型的澆筑式瀝青混合料的疲勞性能均很差，循環(huán)加載次數(shù)甚至相差一個數(shù)量級。

根據(jù)試驗結果分析，采用國產聚合物改性瀝青JHW-1，在210℃溫度下拌合的澆筑式瀝青混合料具有最優(yōu)秀的疲勞壽命。

3 結語

通過應變控制模式下的小梁4點彎曲疲勞試驗對馬鞍山長江大橋用于鋼橋面鋪裝的澆筑式瀝青混合料的疲勞特性進行了研究。通過對不同拌合溫度下的澆筑式瀝青混合料疲勞性能的研究，確定了馬鞍山長江大橋澆筑式瀝青混合料的瀝青材料及拌合溫度。最終馬鞍山長江大橋澆筑式瀝青混合料配合比為:集料摻配比例 S12∶S14∶S16∶礦粉 =32∶8∶32∶28;瀝青采用國產聚合物改性瀝青，油石比7．9%;拌合溫度210℃。

［1］重慶交通科研設計院．馬鞍山長江公路大橋鋼橋面鋪裝工程施工圖設計［Z］．2013:2-3．

［2］吳文軍，張 華，錢覺時．澆注式瀝青混凝土應用現(xiàn)狀綜述［J］．公路交通技術，2009，6(3):59-62．

［3］重慶交通科研設計院．橋面鋪裝材料與技術研究［R］．2005:10-11．

［4］張 華，錢覺時，吳文軍．澆注式瀝青混凝土疲勞壽命的能量法［J］．土木建筑與環(huán)境工程，2010，32(4):135-136．