第32卷,第4期 公 路 工 程 Vo1.32,No.4 2 0 0 7年8月 Highway Engineering Aug.,2 0 0 7 钢桥面铺装材料疲劳性能研究 黄文通,虞将苗,张肖宁 (华南理工大学道路工程研究所,广东广州 510641) [摘要]针对钢桥面铺装层容易出现疲劳开裂与车辙破坏的特点,提出采用4种有代表性的铺装层沥青混 合料,通过应变控制模式下的四点弯曲疲劳试验方法,研究其疲劳特性以提高钢桥面铺装层的抗疲劳耐久特性和 高温稳定性。通过多个应变水平下的疲劳试验,分析了沥青混合料劲度模量与改性沥青品质、疲劳寿命、滞后角的 关系,验证了疲劳寿命与累积耗散能在双对数坐标下的线性关系,得出不同改性沥青混合料的疲劳曲线和疲劳方 程。不同的铺装层材料很难建立相同的疲劳预测模型,只能根据直接的疲劳试验获得混合料的抗疲劳耐久特性。 [关键词]钢桥面铺装;四点弯曲;劲度模量;疲劳寿命 [中图分类号]u 443.33 [文献标识码]A [文章编号]1002—1205(2007)04—0037—03 Study on Steel Deck Pavement Fatigue Performance HUANG Wentong,YU Jiangmiao,ZHANG Xiaoning (Road Engineering Institute,South China University of Technology,Guangzhou,Guangdong 5 1 064 1, China) [Abstract]Based on the properties of easily appearing fatigue crack and rut failure of the steel bridge paving,four representative pavement asphalt mixes which have been studied on fatigue characteris— tic have been put forward to improve the resistances of steel deck pavement against fatigue crack and high—temperature stability through 4-point bending fatigue testing method of strain controlling mode.The relations of asphalt mixes stiffness modulus with modified asphalt quality,stiffness modulus with fatigue life,Stiffness modulus with hysteresis angle are analyzed through fatigue experiment of several strains lev— e1.We have veriifed the relation of fatigue life with cumulative hysteresis loop area is linear in double logarithm coordinates,obtaining fatigue curve and fatigue equation of different modified asphalt mixtures. It is dififcult to establish the same fatigue forecast model of different steel deck pavement.We can obtain the mixtures performance of durable anti—fatigue only according to the fatigue experiments. [Key words]Steel deck pavement;4-・point bending;Stifness modulus;Fatigue life 大跨径桥梁的桥面刚度相对较小而变形相对较 桥通车不久即出现车辙、开裂、推移、疲劳破坏等早 大,钢桥面铺装层在交通荷载、风载、气候条件及温 期病害。造成钢桥面铺装层早期损坏的原因是复杂 度变化等因素影响下的受力和变形复杂,对其强度、 多样的,其中抗疲劳耐久性差是主要原因之一。本 柔韧性、高温稳定性和疲劳耐久性均有更高的要求。 文采用四点弯曲疲劳试验方法研究多种铺装层材料 由于桥面铺装的特殊位置及功能,要求铺装层结构 的抗疲劳性能。 重量轻、不透水、粘结性能好等特殊性能要求。世界 上采用的钢桥面铺装层主要有以下几种类型:① 1疲劳试验方案 浇注式沥青混凝土;②沥青玛蹄脂混凝土;③聚 1.1疲劳试验模式 合物改性沥青SMA;④环氧沥青混凝土。以上铺 沥青混合料的疲劳是材料在荷载重复作用下产 装层材料在我国都有应用,并且从结构力学分析、材 生不可恢复的强度衰减积累所引起的一种现象。重 料设计、施工控制中积累了较多的成功经验,但整体 复荷载过程引致混合料能量的耗散与疲劳损伤的累 上我国钢桥面铺装病害问题仍然比较严重。多座大 积,累积到一定程度下会发生疲劳破坏。研究沥青 [收稿日期】2006—05—18 [基金项目】交通部公路司资助项目(200107) [作者简介】黄文通(1976一),男,广东四会人,工程师,主要从事道路材料路用性能研究。 维普资讯 http://www.cqvip.com 38 公路工程 32卷 混合料的疲劳性能试验的荷载控制模式有应力控制 模式与应变控制模式。应力控制方式是以试件出现 明显裂纹为疲劳破坏的标准,但其观测往往比较困 难,而且裂纹扩展到何种程度才确定为疲劳破坏,尚 未有很好的判断标准。应变控制模式的疲劳试验过 程,试件通常不会出现明显的断裂破坏,一般以混合 料劲度模量下降到初始劲度模量的50%为疲劳破 坏标准,应变控制模式更适用于较薄的路面。本文 选择有代表性的3类材料,包括改性沥青SMA混凝 土、浇注式沥青混凝土和环氧沥青混凝土。SMA混 凝土分别采用SBS改性沥青和SBR改性沥青;复合 改性沥青由特立尼达湖沥青和SBS改性沥青按一 定比例复合改性而成;环氧沥青混凝土选用美国 ChemCo环氧沥青,环氧沥青由组分A和组分B按 一定比例配制而成,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 采用应变控制模式的四点弯曲疲劳试验方式来研究 沥青和环氧树脂固化剂组成的匀质合成物。改性沥 铺装层材料的疲劳特性。试验设备为英国Cooper 青性能评价结果见表1,固化后环氧沥青技术指标 Research Technology有限公司生产的Cooper疲劳试 见表2。 验机,该设备通过气动伺服加载装置为整个疲劳系 ・ 襄1改性沥青性能评价结果 统提供动力荷载,根据要求输出不同频率、不同振幅 Tablel Evaluation results of modiifed asphalt performance 及不同形状的动力波形,进行多应变水平下的疲劳 沥青。 二 试验。 1.2铺装层材料选择 为了更好地研究钢桥面铺装层材料疲劳性能, 襄2 固化后环氯沥青技术要求 Table 2 Technical demand of solidiifed epoxy asphalt 要求 100:585 ≥1.516 8 3200 不溶化 ≤3.5 ≤35% ≤O.3 一l8一一25 ≥50 试验方法一ASTM D638 ASTM D638 特殊规程特殊规程ASTM D5,。 嚣 1.3矿料级配与最佳沥青用量 襄3铺装层材料四点弯曲囊劳试验参数 SMA沥青混凝土选用SMA10型矿料级配,最 Table 3 4--point bending fatigue testing parameter of steel 佳油石比为7.0%,按2%一3%的空隙率成型试件; deck pavement 浇注式沥青混凝土采用GA10型级配,按9.0%的油 沥青类型 试验温度/℃试验频率/Hz 应变水平/徽应变 石比和0.0%的空隙率成型试件;环氧沥青混凝土 最大粒径为9.5 mm,最佳油石比为6.5%,按小于 3.0%的空隙率成型试件。 1.4试验方案设计 洼:各种沥胃类型的加载渡形均为倔正弦渡。 沥青混合料对外在环境因素的影响非常敏感, 2.2结果分析 其疲劳寿命受应变水平、试验温度、加载波形、试验 2.2.1劲度模量结果分析 频率等外部条件的影响。本试验在通过不同试验条 从疲劳试验结果来看,SBS改性沥青混凝土的 件模拟实际路面的环境状态而确立的标准试验条件 初始劲度模量最小,其平均值为3 757 MPa,SBR改 下进行。具体试验参数见表3。 性沥青次之,其平均值为5 726 MPa,环氧沥青较大, 其平均值为1 1 539 MPa,而复合改性沥青的初始劲 2疲劳试验结果分析 度模量最大,其平均值达到13 139 MPa。沥青混合 2.1试验结果 料的粘弹性在很大程度上取决于沥青的粘弹性,而 四点弯曲疲劳试验系统能采集劲度模量、疲劳 决定沥青混合料劲度模量的主要因素是沥青的劲度 寿命、滞后角、滞后环面积和累积耗散能等指标数 和沥青在混合料中所占的比例。同时,沥青的劲度 据,为评价沥青混合料疲劳性能提供了多方面途径。 模量是时间和温度的函数。在相同温度、荷载作用 疲劳试验结果见表4。 时问和油石比下,针人度小的SBS改性沥青比针人 度大的SBR改性沥青其混合料劲度模量要小,表明 维普资讯 http://www.cqvip.com 第4期 黄文通,等:钢桥面铺装材料疲劳性能研究 表4铺装层材料疲劳试验结果 39 Table 4 Fatigue testing results of steel deck pavement 表5疲劳寿命回归结果 Table 5 Regress results of fatigue life 沥青类型 嚣 疲 滞零尹 指标,滞后角越大,混合料越倾向于粘性,反之越倾 改性沥青混合料初始劲度模量的大小与针入度的大 小并无直接关系。同样,油石比较大的复合改性浇 注式沥青混凝土劲度模量远远大于SBS和SBR改 性沥青SMA混凝土,环氧沥青混凝土油石比最小, 其劲度模量也超过10 000 MPa。由铺装层材料的试 验结果可知,在不同应变水平下,每一种改性沥青混 合料的劲度模量变化都不大,即应变水平对初始劲 度模量没有显著影响。 2.2.2疲劳寿命结果分析 沥青混合料的动态弯拉劲度模量大小在很大程 度上反映了行车过程中沥青路面抵抗变形和承受荷 载的能力。在交通荷载作用下,沥青混凝土承受应 力和应变的反复作用,混合料的劲度模量随之下降。 在相同应变水平下,混合料初始劲度模量值依次为: 复合改性沥青>环氧沥青>SBR改性沥青>SBS改 性沥青;而疲劳寿命依次为:环氧沥青>SBS改性 沥青>复合改性沥青>SBR改性沥青。由此可知, 疲劳寿命的大小与初始劲度模量的大小没有直接的 联系。 应变水平是路面承受车轮动力荷载大小的真实 反映,应变水平的大小影响混合料的疲劳寿命,采用 应变控制模式下经典疲劳预测模型N,=A(1/8) 回归4种改性沥青混合料在多应变水平下的疲劳寿 命曲线并建立疲劳方程,回归结果见表5,在双对数 坐标下的疲劳曲线见图1。结果表明,铺装层材料 疲劳性能相差较大,很难建立相同的疲劳寿命预测 模型,且疲劳寿命与应变水平具有良好的线性关系。 2.2.3滞后角结果分析 滞后角是反映沥青混合料材料的粘弹比大小的 向于弹性,也就是说滞后角在一定程度上反映粘弹 性材料劲度模量的高低。在相同应变水平(750微 应变)下,混合料初始劲度模量值依次为:复合改性 沥青>环氧沥青>SBR改性沥青>SBS改性沥青, 相应的滞后角依次为:SBR改性沥青>SBS改性沥 青>复合改性沥青>环氧沥青,改性沥青混合料滞 后角的大小与初始劲度模量的大小没有必然的联系。 2.2.4累积耗散能结果分析 粘弹性材料的破坏是一个能量耗散的过程,耗 散的能量转化为热能,累积耗散能的大少直接反映 混合料的疲劳寿命。将钢桥面铺装层材料的疲劳寿 命与累积耗散能进行线性回归,在双对数坐标下的 疲劳寿命与累积耗散能关系曲线见图2。结果表 明,其相关系数均大于0.995,疲劳寿命与累积耗散 能之间具有相对稳定和线性的关系,随着疲劳寿命 的延长,累积耗散能也随之增大。 ・环氧沥青混凝土(月 0.993 7) ・环氧沥青混凝土 0.999 9) -浇注式沥青混凝土(月2=0.9998) -浇注式沥青混凝土( =0.995 4) T SBR改性沥青sMA( =1.0000) T SBR改性沥青sMA( =1.0000) ・SBS改性沥青sMA( =0.987 8) ・SBS改性沥青sMA( =0.997 6) 翅 长 \ * {争c 图1 铺装层材料疲劳曲线图2铺装层材料疲劳寿命与 累积耗散能关系曲线 Figurel Fatigue curves of ste Fiugre 2 Relations of fatiuge el deck pavement life with cumulative hysteresis loop area 3 结论 采用应变控制模式下四点弯曲法对钢桥面铺装 (下转第44页) 维普资讯 http://www.cqvip.com 公路工程 32卷 表1试件尺寸计算出的 Table 1 Calculation result of pre—stressing loss parameter卢 混凝土组合简支梁的预应力损失计算方法更符合工 程实际情况。并且这种计算方法同样适用于工字形 截面的预应力组合梁,具有实际工程应用价值。 [参考文献] [1]李国平.预应力混凝土结构设计原理[M].北京:人民交通出 版社.2002. 郑毅敏,熊学玉,耿耀明.体外预应力混凝土结构设计若干问 皇:!一皇:! :: !竺. !:. 丝 !竺 :翌 题的探讨[J].工业建筑,2000,30(5):24~28. 黄壮飞.预应力混凝土的非自由收缩、徐变变形影响预应力损 失的计算方法[J].煤矿设计,2000,(5):36—42. 聂建国等,钢一混凝土组合梁剪力连接件实际承载力的研究 [J].建筑结构学报,1996,(2):21—28. 孙训方.材料力学[M].北京.高等教育出版社.1994. 胡夏闽.组合结构设计[M].北京.中国建筑工业出版杜 竺| .从上表以及公式(25)可以知道』B的数值是小 于1的,由此可见,考虑混凝土非自由变形计算出的 预应力损失要低于混凝土自由变形下的预应力损 失。此外由I.tbnbk和。6这2项数值比其他相对几 项数值大的多这一点可以知道钢梁约束作用对口的 i :影响比较明显的。因此在计算体外预应力钢箱一混 凝土组合梁的预应力损失时,钢梁对混凝土板的约 束作用对预应力损失的影响是不可忽略的。 2000年1O. ] ] JTG D62—2004,公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规 范[s]. 潘道辉.预应力混凝土施工工艺在连续梁桥结构中的应用与 问题[J].湖南交通科技,2005,31(1):76~78. 4 结语 考虑了混凝土非自由收缩变形和非自由徐变变 形对预应力损失的影响,提出的体外预应力钢箱一 (上接第39页) 廖娟,叶贵如,徐兴.变截面预应力混凝土箱形连续梁桥设 计若干问题的探讨[J].中南公路工程,2005,30(4):133~ 135. 疲劳性能。针对改性沥青的特殊性,只有对改性沥 青混合料直接进行疲劳试验的方法获得其疲劳特 性。 层材料疲劳性能进行系统研究得出结论如下: ①从初始劲度模量的试验结果来看,复合改性 浇注式沥青混凝土的劲度模量最大,环氧沥青次之, SBR改性沥青和SBS改性沥青最小。改性沥青混 合料的初始劲度模量与针入度以及油石比指标都没 [参考文献] [1] Van Dijk W.Practical Fatigue Ch8racteriz8ti0n of Bitumi- 有直接联系,改性沥青混合料的初始劲度模量指标 因改性剂种类的不同有很大的差别。 nous Mixes[J].Association of Asphalt Paving Technolo— gists,Vo1.44,1975,38~74. ②从疲劳寿命的试验结果来看,相同应变水平 下,环氧沥青混凝土具有最长的疲劳寿命,SBS改性 沥青SMA次之,复合改性浇注式沥青混凝土和SBR [2]Determining the Fatigue Life of Compacted Bituminous Mixtures Subjected to Repeated Flexural Bending[R]. SHRP Designation M—OO9.1994. [3]沈金安,等.沥青及沥青混合料的路用性能[M].北京:人民交 通出版杜,2001. 改性沥青SMA的疲劳寿命则最小。钢桥面铺装层 材料的疲劳寿命与针入度、油石比以及初始劲度模 量指标没有直接联系。 ③同一种铺装层材料,疲劳寿命与应变水平在 双对数坐标下具有良好的线性关系,采用J7、rf=A(1/ 占) 形式的回归方程具有较好的相关性。 ④钢桥面铺装层材料的疲劳特性受改性剂类 [4] 张肖宁.实验粘弹原理[M].黑龙江:哈尔滨船舶工程学院出 版杜,1990. [5] 黄卫,等.太跨径钢桥面环氧沥青混凝土铺装研究[J],科学 通报,2002,(24):1894~1897. [6] 李闯民,李宇峙.钢桥桥面沥青混合料铺装层直道疲劳寿命预 测研究[J].中南公路工程,2000,25(2):28~3O. [7] 刘和凤.基于沥青混合料疲劳性能的APA试验研究[J].湖南 交通科技,2005,31(3):46~47. 型、改性方式及改性工艺等因素的影响较大,很难采 用建立疲劳性能预测模型的方式来预测不同材料的
因篇幅问题不能全部显示,请点此查看更多更全内容
Copyright © 2019- efsc.cn 版权所有 赣ICP备2024042792号-1
违法及侵权请联系:TEL:199 1889 7713 E-MAIL:2724546146@qq.com
本站由北京市万商天勤律师事务所王兴未律师提供法律服务