科学技术与工程

结构	材料类型	胶结料类型
结构1	SMA-13+SMA 10	普通SBS改性沥青
结构2	SMA-13+SMA-10+SMA-5	高黏高弹改性沥青

结构	材料类型	胶结料类型
结构1	SMA-13+SMA 10	普通SBS改性沥青
结构2	SMA-13+SMA-10+SMA-5	高黏高弹改性沥青

力学控制指标	材料及结构性能指标	材料及结构性能指标技术要求
最大拉应力	极限弯曲强度/MPa	≥10
最大竖向位移	车辙深度/mm	≤2.0
黏结层最大剪应力	25 ℃	黏结层层间剪切强度/MPa	≥2.5
60 ℃	≥0.4

力学控制指标	材料及结构性能指标	材料及结构性能指标技术要求
最大拉应力	极限弯曲强度/MPa	≥10
最大竖向位移	车辙深度/mm	≤2.0
黏结层最大剪应力	25 ℃	黏结层层间剪切强度/MPa	≥2.5
60 ℃	≥0.4

试验指标	A高黏高弹沥青	B高黏高弹沥青	SBS改性沥青
针入度/0.1 mm	59	51	48
软化点/℃	95	90	82
延度/mm	53	50	45
60 ℃动力黏度/Pa	185 060	175 632	90 613

试验指标	A高黏高弹沥青	B高黏高弹沥青	SBS改性沥青
针入度/0.1 mm	59	51	48
软化点/℃	95	90	82
延度/mm	53	50	45
60 ℃动力黏度/Pa	185 060	175 632	90 613

沥青类型	劲度模量S/MPa		蠕变速率m
SBS改性沥青	61	215	458	0.315	0.283	0.201
A高黏沥青	36	85	160	0.375	0.315	0.215
B高黏沥青	37	92	201	0.368	0.308	0.203

沥青类型	劲度模量S/MPa		蠕变速率m
SBS改性沥青	61	215	458	0.315	0.283	0.201
A高黏沥青	36	85	160	0.375	0.315	0.215
B高黏沥青	37	92	201	0.368	0.308	0.203

试验指标	A改性沥青胶砂	B改性沥青胶砂	SBS改性沥青胶砂
残留稳定度/%	86.9	85	83
冻融劈裂比/%	89.0	87	80
60 ℃动稳定度/ (次·mm^-1)	8 100	7 500	5 800
车辙深度/mm	1.8	1.9	2.3
-10 ℃低温弯曲应变/με	3 965	3 750	3 200

试验指标	A改性沥青胶砂	B改性沥青胶砂	SBS改性沥青胶砂
残留稳定度/%	86.9	85	83
冻融劈裂比/%	89.0	87	80
60 ℃动稳定度/ (次·mm^-1)	8 100	7 500	5 800
车辙深度/mm	1.8	1.9	2.3
-10 ℃低温弯曲应变/με	3 965	3 750	3 200

试验指标	A改性沥青 SMA-10	B高黏高弹 SMA-10	SBS-SMA-10	A高黏高弹 SMA-13	B高黏高弹 SMA-13	SBS-SMA-13
残留稳定度/%	87.6	86	84	86.9	86	83
冻融劈裂比/%	88.9	85	80	89.0	85	82
60 ℃动稳定度/(次·mm^-1)	8 300	7 900	5 600	8 100	7 650	5 900
车辙深度/mm	1.6	1.8	2.3	1.8	2.0	2.1
-10 ℃低温弯曲应变/με	4 170	4 000	3 560	3 965	3 800	3 456
构造深度/mm	0.72	0.70	0.71	0.86	0.80	0.84
摆值BPN₂₀	63	64	60	68	65-	69

试验指标	A改性沥青 SMA-10	B高黏高弹 SMA-10	SBS-SMA-10	A高黏高弹 SMA-13	B高黏高弹 SMA-13	SBS-SMA-13
残留稳定度/%	87.6	86	84	86.9	86	83
冻融劈裂比/%	88.9	85	80	89.0	85	82
60 ℃动稳定度/(次·mm^-1)	8 300	7 900	5 600	8 100	7 650	5 900
车辙深度/mm	1.6	1.8	2.3	1.8	2.0	2.1
-10 ℃低温弯曲应变/με	4 170	4 000	3 560	3 965	3 800	3 456
构造深度/mm	0.72	0.70	0.71	0.86	0.80	0.84
摆值BPN₂₀	63	64	60	68	65-	69

试验温度/℃	剪切强度/MPa	拉拔强度/MPa
25	2.7	0.82
60	0.49	0.37

试验温度/℃	剪切强度/MPa	拉拔强度/MPa
25	2.7	0.82
60	0.49	0.37

结构层位	上面层与下面层层间	下面层与沥青胶砂层间
剪切强度/MPa	0.65	0.56
拉拔强度/MPa	0.40	0.42

结构层位	上面层与下面层层间	下面层与沥青胶砂层间
剪切强度/MPa	0.65	0.56
拉拔强度/MPa	0.40	0.42

基于力学响应分析的钢桥面铺装结构与材料的一体化

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李东旭 ¹ , 江照伟 ²^,³ , 彭建 ¹ , 李高俊 ²^,³ , 孙强 ²^,³ , 张进 ¹ , 刘恒彬 ²^,³^,^*

科学技术与工程 | 论文·交通运输 2025,25(7): 2974-2982

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科学技术与工程 | 论文·交通运输 2025, 25(7): 2974-2982

基于力学响应分析的钢桥面铺装结构与材料的一体化

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李东旭¹, 江照伟²^,³, 彭建¹, 李高俊²^,³, 孙强²^,³, 张进¹, 刘恒彬²^,³^,^*

作者信息

¹ 安徽省引江济淮集团有限公司, 合肥 230601

² 山东省交通科学研究院, 济南 250102

³ 高速公路养护技术交通行业重点实验室(济南), 济南 250102

李东旭(1984—),男,汉族,安徽颍上人,硕士,高级工程师。研究方向:工程项目管理、技术。E-mail:lidx@anyjjh.com.cn。

通讯作者:

^* 刘恒彬(1996—),男,汉族,山东滨州人,博士,工程师。研究方向:道路工程材料。E-mail:hbliu1996@163.com。

Integration of Steel Bridge Deck Pavement Structure and Materials Based on Mechanical Response Analysis

Dong-xu LI¹, Zhao-wei JIANG²^,³, Jian PENG¹, Gao-jun LI²^,³, Qiang SUN²^,³, Jin ZHANG¹, Heng-bin LIU²^,³^,^*

Affiliations

¹ Anhui Provincial Group Limited for Yangtze-to-Huaihe Water Diversion, Hefei 230601, China

² Shandong Transportation Institute, Jinan 250102, China

³ Key Laboratory of Highway Maintenance Technology and Transportation (Jinan), Jinan 250102, China

出版时间: 2025-03-08 doi: 10.12404/j.issn.1671-1815.2309868

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摘要

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为解决钢桥面铺装耐久性不足问题,以两种双层沥青玛蹄脂混合料(stone mastic asphalt,SMA)铺装结构为研究对象,采用有限元分析方法确定典型桥面板最不利荷载位置,计算对比两种结构在该荷载位置下的力学响应,优选钢桥面铺装结构组合并提出设计指标要求;其次,室内制备A、B两种高黏高弹改性沥青,以沥青胶结料及混合料路用性能为考察标准,对比分析胶结料类型对钢桥面铺装沥青混合料路用性能的影响规律,优选沥青胶结料类型;最后,借助室内拉拔及斜剪试验,对铺装层与钢板之间的层间黏结状况进行评价,并结合实体工程对最不利温度条件下铺筑层的黏结性能进行检验。结果表明:跨中位置为钢桥面的最不利荷位,应以铺装层在该位置的拉应力、竖向位移及层底剪应力作为钢桥面铺装的主要设计指标;所设计的两种铺装结构力学响应规律一致,其中,结构2(SMA-13+SMA-10+沥青胶砂)的竖向位移及层底剪应力较小,宜作为优选结构;A、B高黏高弹改性沥青的路用性能较SBS(苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三嵌段共聚物)改性沥青优势显著,又以A高黏高弹改性沥青性能最优,用其制备的混合料路用性能最为优异;拉拔试验测试结果表明,25 ℃及60 ℃温度条件下铺装层-钢板间黏结强度均满足设计要求,工程应用地区铺装结构层内温度呈周期变化规律,最高温度未超60 ℃,以该温度层间黏结强度作为设计指标科学合理,同时不利温度下实体工程各结构层间黏结强度均满足设计要求。

关键词

钢桥面 / 铺装结构 / 高黏高弹改性沥青 / 温度场监测 / 层间黏结性能

Abstract

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To solve the issue of insufficient durability for steel bridge deck pavement, two types of double-layer stone mastic asphalt (SMA) pavement structures were used as research objects. Firstly, the most unfavorable loading position of the typical bridge deck was determined through the finite element analysis method; and the mechanical response of the above two structures at this loading position was calculated, thus the optimal structural combination for steel bridge deck pavement and its design index requirements were proposed. Secondly, two types of high viscosity and elasticity modified asphalt (A and B) were prepared; and then, taking the road performance of asphalt binders and their mixtures as the evaluation criteria, effects of asphalt binder’s types on the road performance of steel bridge deck pavement asphalt mixtures were compared, thus the asphalt binder with the best properties was selected. Finally, the bonding performance between the pavement layer and the steel plate was evaluated by using the indoor pull-out and oblique shear tests. Meanwhile, the bonding performance of the pavement layer under the most unfavorable temperature conditions was tested with the actual engineering. Test results show that the middle position is the most unfavorable load position on the steel bridge deck. Therefore, the tensile stress, vertical displacement, and bottom shear stress of the pavement layer at this location can be selected as the main design indicators for steel bridge deck pavement. In addition, the two designed pavement structures exhibit the consistent mechanical response patterns, among which the vertical displacement and layer bottom shear stress of structure 2 (SMA-13+SMA-10+asphalt mortar) are relatively smaller. As for the asphalt binders, comparing with SBS (styrene butadiene styrene triblock copolymer) modified asphalt, the prepared high viscosity and elasticity modified asphalt (A and B) have the better road properties, among which the road property of A modified asphalt is the best. The pull-out test results show that, under the temperature conditions of 25 ℃ and 60 ℃, the bonding strength between the pavement layer and the steel plate can all meet the design requirements. The actual engineering test result show that temperature inside the pavement structure layer exhibits the periodic variation pattern, with the highest temperature not exceeding 60 ℃. Therefore, the design index based on the interlayer bonding strength at this temperature is scientific and reasonable, and meanwhile, the interlayer bonding strength of various structural layers in the actual engineering meets the design requirements under this unfavorable temperatures.

Key words

steel bridge deck / pavement structure / high viscosity and elasticity modified asphalt / temperature field detection / interlayer bonding performance

引用本文

李东旭, 江照伟, 彭建, 李高俊, 孙强, 张进, 刘恒彬. 基于力学响应分析的钢桥面铺装结构与材料的一体化. 科学技术与工程, 2025 , 25 (7) : 2974 -2982 . DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2309868

Dong-xu LI, Zhao-wei JIANG, Jian PENG, Gao-jun LI, Qiang SUN, Jin ZHANG, Heng-bin LIU. Integration of Steel Bridge Deck Pavement Structure and Materials Based on Mechanical Response Analysis[J]. Science Technology and Engineering, 2025 , 25 (7) : 2974 -2982 . DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2309868

正文

收起

钢桥具有重量轻、安装速度快、跨越能力大等优点,在世界范围内广泛使用。桥面铺装是钢桥结构的重要组成部分,其性能直接影响到钢桥的使用寿命和行车安全,因服役环境复杂,钢桥桥面铺装在结构和材料设计中通常需要兼顾多种性能^[1-4]。钢桥面铺装受车辆荷载剪切效应明显,其受力愈加复杂,容易出现裂缝、车辙、脱黏等病害,严重影响其服役性能,因此,钢桥面铺装结构和材料要求应满足力学和环境需求,宜进行专项一体化设计^[5-8]。

当前,研究人员对钢桥面沥青铺装开展了相关研究工作。杨健等^[9]分析了钢桥面沥青铺装层的破坏原理,认为高温和重载是导致铺装层沥青混合料稳定性下降的主要因素;高博等^[10]总结了常见3种钢桥面铺装方案(双层SMA、浇筑式+SMA、双层环氧沥青混凝土)的特点、常见病害及维修方法,认为钢桥面铺装一旦产生开裂或破损,会迅速发展成为严重的病害;耿巍等^[11]分析了高寒强紫外线地区常见钢混组合梁桥面铺装方案在温度-荷载耦合作用下的力学响应和蠕变变形情况,发现铺装结构和材料是影响桥面铺装性能的重要因素;刘莲娟等^[12]研究分析了冬季极端气候条件下城市快速路钢桥面铺装的力学响应,并提出了“下层3 cm 环氧沥青混凝土+上层4 cm SMA”的钢桥面铺装方案;王民等^[13]分析了钢桥面浇筑式沥青铺装复合梁的疲劳损伤规律,发现材料模量、铺装厚度及荷载水平是影响复合梁疲劳损伤的重要因素;黄赛民等^[14]研究了移动荷载和温度耦合作用下钢桥面沥青铺装层的应力响应和车辙,发现混合料的弹塑性特征很好地缓解了荷载移动对铺装层钢板的影响,同时温度对混合料性能的影响不容忽视;张心攀^[15]等在对钢桥面铺装进行有限元模拟的基础上,推荐了“上面层SMA-13(SBS)+下面层SMA-10(SBS)”的双层SMA钢桥面铺装结构组合形式;孙娇娜^[16]等以不同目数胶粉替代细集料,采用高掺量新型SBS改性剂对沥青韧性进行增强,研发了一种适用于钢桥面铺装的具有微变形吸收功能的沥青混合料;此外,文献[17 -23]对钢桥面铺装所用的沥青胶砂、树脂沥青混凝土、高黏沥青混合料、环氧沥青混合料及高模量高韧性沥青混合料性能进行了研究,为钢桥面铺装材料选择提供了有益参考。

综上,众多学者就钢桥面铺装技术开展了大量研究,且多为材料性能研究,然而对于钢桥面力学计算和材料及结构一体化设计的研究较少。现以解决钢桥面铺装层易出现推移、车辙、层间脱离等病害为目标,结合已有研究成果,借助有限元模拟手段,确定钢桥面铺装材料力学指标技术要求,在此基础上,对钢桥面铺装材料与结构进行一体化设计,并结合实体工程,对其实际服役性能进行验证。研究成果有助于为钢桥面铺装结构和材料一体化研究和工程应用提供理论指导,对于提升钢桥桥面铺装耐久性具有重要的现实意义。

1 钢桥面铺装荷载力学响应分析和结构设计

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1.1 钢桥面铺装最不利荷载位置确定

为准确把握典型钢桥桥面沥青铺装层结构的受力特点,采用多尺度建模方法建立钢桥面铺装结构有限元模型。主梁为钢箱梁,顶板为桥面板,采用正交异性板设计。研究铺装力学控制指标的响应的梁段采用梁单元建模,研究铺装力学控制指标的响应的梁段采用板壳单元和实体单元结合建模,所建立钢箱梁有限元模型和正交异性板有限元模型如图1和图2所示。然后,计算复合结构在最不利荷载位置下的力学响应,作为分析钢桥面沥青铺装层主要技术要求的力学指标依据,其中沥青铺装层结构采用双层SMA铺装结构。

参考桥梁结构设计中的车队荷载加载方式,本文中采用公路-Ⅰ级均布荷载10.5 kN/m,集中荷载设置为360 kN,沥青铺装层横向布置8车道,考虑横向折减系数为0.97。选择主梁弯矩、铺装层层底拉应变和层间剪应力作为分析指标,确定钢桥面铺装结构最不利荷载位置。按照上述参数进行加载,所生成的力学响应影响线如图3所示。

由图3可知,就钢桥梁结构弯矩值而言,荷载作用条件下,钢桥梁在跨中处所产生的弯矩值最大,同时,就沥青铺装层结构力学响应而言,其在跨中位置处的横向拉应力、纵向拉应力和层间剪应力同样达到最大值,即对于复合结构,沥青铺装层力学响应与主梁所受弯矩变现出一致的变化趋势,因此,跨中位置为钢桥面铺装的最不利荷载位置处,应按照影响线对钢桥面铺装复合结构跨中位置进行加载,进一步计算铺装结构层的力学响应值。

1.2 最不利荷载位置处铺装层结构力学响应分析

为分析最不利荷载位置处钢桥面铺装结构层力学响应值的变化规律,本文中设计两种铺装结构组合形式(具体结构如表1所示),分别对其跨中位置进行加载模拟。计算过程中结构1铺装层弹性模量取10 000 MPa,结构2铺装层弹性模量取12 000 MPa,两种结构泊松比均取0.35。以铺装结构层的层底拉应力、上表面竖向挠度值及层间剪应力作为评价指标,分析不同铺装层厚度条件下铺装层结构的力学响应值变化规律,结果如图4所示。

由图4可知,随铺装层厚度的增加,两种双层SMA桥面铺装层结构的层底拉应力、上表面竖向挠度值及层间剪应力值均不断减小,当铺装层结构厚度为60 mm时,铺装层结构的各项力学指标值达到最大值。此外,与铺装层结构1相比,铺装层结构2的竖向挠度和层间剪应力值较小,其具备良好的力学指标,因此本文中推荐选择结构2作为钢桥面的沥青层铺装结构。具体铺装结构方案如图5所示。

1.3 钢桥面铺装层力学控制指标技术要求

通过上文最不利荷位力学响应分析,得到“双层SMA”铺装结构的力学响应值。为降低铺装结构产生疲劳破坏和永久变形风险,减小荷载局部效应,增强铺装层对荷载的扩散作用,应控制铺装层层顶竖向位移和铺装层表面最大拉应力。考虑后续试验环境和仪器影响,本文中各力学控制指标在常温条件下以安全系数为10进行推荐值选取,在高温条件下以安全系数为2进行推荐值选取,根据力学响应值得出双层SMA铺装材料技术要求,结果如表2 所示。

2 胶结料类型对钢桥面铺装沥青混合料性能的影响

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胶结料类型是影响沥青混合料路用性能的重要因素,选择性质优异的沥青胶结料是保证钢桥面铺装层结构性能稳定的关键。为探究胶结料类型对钢桥面铺装层结构沥青混合料性能的影响,本文中制备两种高黏高弹改性沥青胶结料与普通SBS改性沥青胶结料,借助常规性能试验和流变学试验方法,对比分析不同胶结料类型的路用性质;在此基础上,成型对应的沥青胶砂和沥青混合料,对比分析不同类型沥青混合料的路用性能,优选性质优异的沥青胶结料。

2.1 沥青胶结料性能

与普通SBS改性沥青相比,高黏高弹改性沥青具有更高的黏性、弹性和韧性,其与集料之间的黏附性能更加优异,并且具有更好的高温性能和弹性恢复性能,考虑到钢桥面铺装层结构的性能要求,本文中选择高黏高弹改性沥青作为成型沥青混合料的胶结料。首先,选择A、B两种高黏高弹改性剂,通过高速剪切及搅拌工艺,室内制备A、B两种高黏高弹改性沥青;然后对其常规物理性能和流变性能进行测试,并与传统SBS改性沥青进行对比。根据流变性能和基本物理性能提升情况进行高黏高弹改性沥青比选研究。

2.1.1 常规物理性能指标分析

对3种改性沥青的针入度、延度、软化点和60 ℃动力黏度进行测试,测试结果如表3所示。

由表3可知,两种高黏高弹改性沥青的针入度、软化点、延度与60 ℃动力黏度值均明显高于SBS改性沥青,表明高黏高弹改性沥青具有更优异的高、低温性能,同时其与集料之间的黏附性能更好,由此可见高黏高弹改性剂的加入明显提升了沥青的综合路用性能。此外,A高黏高弹改性沥青的各项指标均高于B高黏高弹改性沥青,表明A高黏高弹改性沥青性能更加优异。

2.1.2 高温流变性能分析

相关研究表明,沥青传统性能指标多为经验性指标,其不能更为客观地表征改性沥青的路用性能,基于此,美国公路战略研究(Strategic Highway Research Program, SHRP)计划提出采用流变学试验方法评价沥青的路用性能。本文中借助动态剪切流变仪,对不同类型改性沥青进行高温温度扫描试验,借助车辙因子G^*/sinδ(G^*代表复数剪切模量,δ代表相位角)指标对沥青的高温抗变形能力进行分析,测试温度区间范围设定为58~94 ℃,试验结果如图6所示。

车辙因子G^*/sinδ常用于表征沥青的高温抗变形能力,G^*/sinδ越大,则沥青材料的抗永久变形能力越好,其高温性能更加优异。由图6可知,随温度的升高,三种改性沥青的G^*/sin δ均不断下降,说明沥青的高温抗变形能力降低。此外,在测试温度区间范围内,A、B两种高黏高弹改性沥青的G^*/sinδ明显高于SBS改性沥青,其中又以A高黏高弹改性沥青的G^*/sinδ最大,说明A高黏高弹改性沥青的高温性能最好,对应混合料抵抗高温变形性能最好。

2.1.3 低温抗开裂性能分析

为进一步分析不同类型改性沥青的低温抗开裂性能,参考美国国家公路与运输协会技术规程,对3种改性沥青胶结料进行低温弯曲梁流变试验,测试温度设定为-12、-18、-24 ℃,试验结果如表4所示。

劲度模量S可以反映低温条件下沥青在外部荷载下的变形能力,蠕变速率m指标可以反映沥青劲度模量随作用时间的变化速率,S越小,m越大,则同等条件下沥青的低温性能更加优异。由表4可知,两种高黏高弹改性沥青胶结料的S明显低于SBS改性沥青,同时其m明显高于SBS改性沥青,说明高黏高弹改性沥青的低温抗开裂性能优于普通SBS改性沥青,此外,同等条件下,A高黏高弹改性沥青的低温抗开裂性能又明显优于B高黏高弹改性沥青。

2.2 沥青混合料性能

根据1.2节所设计的钢桥面铺装层结构类型,分别制备SMA-5沥青胶砂、SMA-10及SMA-13沥青混合料,探究沥青胶结料类型对钢桥面铺装层沥青混合料路用性能的影响。

2.2.1 沥青胶砂混合料路用性能

对3种不同改性沥青制备的沥青胶砂混合料进行高温性能、低温性能和水稳定性性能试验,分析不同类型沥青胶砂混合料的路用性能,试验结果如表5所示。

由表5可知,两种高黏高弹改性沥青胶砂混合料的高温性能、低温性能及水稳定性能均明显优于普通SBS改性沥青胶砂混合料,原因在于与普通SBS改性沥青相比,高黏高弹改性沥青具有更优异的黏弹性能,同时其与集料之间的黏附性能更好,由高黏高弹改性沥青制备的沥青胶砂性能更加稳定。此外,与B高黏高弹改性沥青胶砂相比,A高黏高弹改性沥青胶砂的各项路用性能更加优异,这与沥青胶结料性质的差异密切相关。

2.2.2 SMA沥青混合料路用性能

为进一步探究沥青胶结料类型对混合料性能的影响,成型SMA-10及SMA-13沥青混合料,并对其常规路用性能进行测试,结果如表6所示。

由表6可知,由A、B两种高黏高弹改性沥青制备的SMA-10和SMA-13混合料动稳定度均超过8 000次,车辙深度均小于2 mm,其明显优于普通SBS改性沥青制备的沥青混合料,此外,与B高黏高弹改性沥青混合料相比,由A高黏高弹改性沥青制备的两种混合料车辙深度最小,动稳定度最高,高温抗永久变形性能最好。同时,与SBS改性沥青制备的两种混合料相比,采用高黏高弹改性沥青制备的SMA-13和SMA-10水稳定性均有所提升,其中A高黏高弹改性沥青制备的两种混合料性能提升效果更为显著。此外,三种改性沥青制备的SMA型混合料的构造深度和摆值(british pendulum number, BPN₂₀)差距不大,表明高黏高弹改性沥青胶结料不会对混合料的抗滑性能产生较大影响。

综合考虑沥青胶结料及其混合料性能测试结果,A高黏高弹改性沥青胶结料及其所制备的混合料性能最为优异,因此本文中建议选择A高黏高弹改性沥青作为钢桥面铺装层混合料的胶结料。

3 钢桥面铺装层层间黏结性能

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钢桥面铺装结构层间黏结强度不足易导致铺装层产生推移和滑动等病害,因此确保结构层之间具有良好的黏结强度,是保证铺装体系耐久性能的关键。本文中采用室内剪切和拉拔试验评价沥青铺装层与钢板之间黏结性能,并结合实体工程和温度场监测,确定最不利温度条件,并对该温度条件下现场铺筑层的黏结性能进行检验。

3.1 铺装结构与钢板间黏结性能

沥青胶砂层与防水黏结层层间黏结强度优劣是确保铺装结构不发生推移破坏的关键,为分析铺装结构与钢板间黏结性能的优劣,室内成型钢板+防水黏结层+A高黏高弹改性沥青胶砂混合料复合试件,对其进行25 ℃和60 ℃温度条件下的拉拔和45°斜剪试验,借助拉拔强度和剪切强度指标评价层间黏结状况。试验过程如图7、图8 所示,试验结果如表7所示。

由表7可知,25 ℃和60 ℃温度条件下沥青胶砂混合料和防水黏结层的剪切强度和拉拔强度均符合力学计算的控制指标要求。此外,当温度由25 ℃升高至60 ℃时,剪切强度和拉拔强度值急剧下降,说明钢桥面铺装层间的黏结性能受温度影响显著,但其数值仍满足力学指标控制技术要求。

3.2 基于实体工程温度场监测的钢桥面铺装层间黏结性能

钢桥面铺装结构和材料具有较强的温度敏感性,不同结构层之间黏结性能与温度变化密切相关,通过监测钢桥面铺装结构温度场变化,对确定铺装结构层间强度参数和分析损坏形式的产生机理具有重要理论和现实作用。为进一步分析钢桥面铺装结构的层间黏结性能,对本文所设计的铺装结构和材料在某市政桥钢桥面铺装工程进行了应用,该钢桥属于国道跨河部分,有纵坡大、重载车辆多的特点,桥面铺装耐久保持难度较大。

为探究不利温度条件下钢桥面铺装层结构的层间黏结性能,在钢桥面铺装层表面、距道路表面3 cm的上面层层底、距道路表面6 cm的下面层层底、距道路表面8 cm的沥青胶砂层底安装温度传感器,所布设的温度传感器可实时监测钢桥面铺装层间的温度变化。根据工程所在地温度资料,该地区在4—9月平均温度较高,因此本文中对该地区4—9月温度场数据进行汇总,温度平均值如图9所示。

由图9可知,钢桥面铺装结构层内部温度高于环境温度,距离道路表面3 cm处和距离道路表面6 cm处温度场数值接近,同时,8月份该地区温度场数值最大,对于钢桥面铺装结构层间黏结性能和高温抗变形性能最为不利。本文中进一步对8月上旬温度场进行分析,变化曲线如图10所示,可以看出温度场变化曲线呈现周期变化规律,结构层最高温度接近60 ℃,出现在距离道路表面3 cm的上面层层底处,此时下面层层底和沥青胶砂层底温度均超过50 ℃,因此本文中将60 ℃设定为工程所在地的最不利温度条件。

为探究不利温度条件下钢桥面铺装层结构的层间黏结性能,对工程现场已铺装结构进行取芯,对取芯试件进行60 ℃温度下的层间拉拔和剪切试验,结果如表8所示。

由表8可知,60 ℃温度条件下钢桥面铺装结构层间剪切强度均高于0.5 MPa,拉拔强度均高于0.4 MPa,测试数据满足本文中所推荐的技术指标要求,说明本文所设计的钢桥面铺装结构和材料可以解决该地区高温环境对铺装层间黏结性能的影响,同时能够预防层间推移等病害的产生。

4 结论

收起

(1)根据钢桥面铺装特点,提出两种双层SMA钢桥面铺装结构,采用有限元分析方法确定钢桥面板最不利荷载位为跨中,应以铺装结构在跨中处的拉应力、竖向位移、层底剪应力作为钢桥面铺装的主要设计指标。

(2)有限元分析结果表明结构2(3 cm SMA-13+3 cm SMA-10+2 cm SMA-5沥青胶砂)的竖向位移及层底剪应力较小,推荐选择上述结构形式作为钢桥面的沥青层铺装结构。

(3)本文中所制备的高黏高弹改性沥青胶结料及其所成型的沥青混合料路用性能明显优于普通SBS改性沥青,其中又以A高黏高弹改性沥青性能更为优异,由其所制备的沥青混合料性能能够满足力学计算指标要求。

(4)拉拔试验测试结果表明,25、60 ℃温度条件下铺装层-钢板间黏结强度满足设计要求,同时,工程应用地区铺装结构层内温度呈周期性变化规律,最高温度未超60 ℃,以该温度层间黏结强度作设计指标科学合理,同时不利温度下实体工程各结构层间黏结强度均满足设计要求。

基金

收起

国家重点研发计划(18YFB1600103)
引江济淮工程科技创新项目(YJJH-ZT-ZX-20220708485)

参考文献

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文献

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2025年第25卷第7期

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doi: 10.12404/j.issn.1671-1815.2309868

接收时间：2023-12-14
首发时间：2026-03-30
出版时间：2025-03-08

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作者

出版历史

收稿日期：2023-12-14
修回日期：2024-07-09

基金

国家重点研发计划(18YFB1600103)

引江济淮工程科技创新项目(YJJH-ZT-ZX-20220708485)

作者信息

¹ 安徽省引江济淮集团有限公司, 合肥 230601

² 山东省交通科学研究院, 济南 250102

³ 高速公路养护技术交通行业重点实验室(济南), 济南 250102

通讯作者:

^* 刘恒彬(1996—),男,汉族,山东滨州人,博士,工程师。研究方向:道路工程材料。E-mail:hbliu1996@163.com。

参考文献

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https://castjournals.cast.org.cn/joweb/kxjsygc/CN/10.12404/j.issn.1671-1815.2309868

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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TxT

结构	材料类型	胶结料类型
结构1	SMA-13+SMA 10	普通SBS改性沥青
结构2	SMA-13+SMA-10+SMA-5	高黏高弹改性沥青

结构

材料类型

胶结料类型

结构1

SMA-13+SMA 10

普通SBS改性沥青

结构2

SMA-13+SMA-10+SMA-5

高黏高弹改性沥青

力学控制指标	材料及结构性能指标	材料及结构性能指标技术要求
最大拉应力	极限弯曲强度/MPa	≥10
最大竖向位移	车辙深度/mm	≤2.0
黏结层最大剪应力	25 ℃	黏结层层间剪切强度/MPa	≥2.5
60 ℃	≥0.4

力学控制指标

材料及结构
性能指标

材料及结构性能
指标技术要求

最大拉应力

极限弯曲强度/MPa

≥10

最大竖向位移

车辙深度/mm

≤2.0

黏结层最大
剪应力

25 ℃

黏结层层间剪切
强度/MPa

≥2.5

60 ℃

≥0.4

试验指标	A高黏高弹沥青	B高黏高弹沥青	SBS改性沥青
针入度/0.1 mm	59	51	48
软化点/℃	95	90	82
延度/mm	53	50	45
60 ℃动力黏度/Pa	185 060	175 632	90 613

试验指标

A高黏高弹
沥青

B高黏高弹
沥青

SBS改性
沥青

针入度/0.1 mm

软化点/℃

延度/mm

60 ℃动力黏度/Pa

185 060

175 632

90 613

沥青类型	劲度模量S/MPa		蠕变速率m
SBS改性沥青	61	215	458	0.315	0.283	0.201
A高黏沥青	36	85	160	0.375	0.315	0.215
B高黏沥青	37	92	201	0.368	0.308	0.203

沥青类型

劲度模量S/MPa

蠕变速率m

-12 ℃

-18 ℃

-24 ℃

-12 ℃

18 ℃

-24 ℃

SBS改性沥青

215

458

0.315

0.283

0.201

A高黏沥青

160

0.375

0.315

0.215

B高黏沥青

201

0.368

0.308

0.203

试验指标	A改性沥青胶砂	B改性沥青胶砂	SBS改性沥青胶砂
残留稳定度/%	86.9	85	83
冻融劈裂比/%	89.0	87	80
60 ℃动稳定度/ (次·mm^-1)	8 100	7 500	5 800
车辙深度/mm	1.8	1.9	2.3
-10 ℃低温弯曲应变/με	3 965	3 750	3 200

试验指标

A改性沥青
胶砂

B改性沥青
胶砂

SBS改性沥青
胶砂

残留稳定度/%

86.9

冻融劈裂比/%

89.0

60 ℃动稳定度/
(次·mm^-1)

8 100

7 500

5 800

车辙深度/mm

1.8

1.9

2.3

-10 ℃低温弯曲
应变/με

3 965

3 750

3 200

试验指标	A改性沥青 SMA-10	B高黏高弹 SMA-10	SBS-SMA-10	A高黏高弹 SMA-13	B高黏高弹 SMA-13	SBS-SMA-13
残留稳定度/%	87.6	86	84	86.9	86	83
冻融劈裂比/%	88.9	85	80	89.0	85	82
60 ℃动稳定度/(次·mm^-1)	8 300	7 900	5 600	8 100	7 650	5 900
车辙深度/mm	1.6	1.8	2.3	1.8	2.0	2.1
-10 ℃低温弯曲应变/με	4 170	4 000	3 560	3 965	3 800	3 456
构造深度/mm	0.72	0.70	0.71	0.86	0.80	0.84
摆值BPN₂₀	63	64	60	68	65-	69

试验指标

A改性沥青
SMA-10

B高黏高弹
SMA-10

SBS-SMA-10

A高黏高弹
SMA-13

B高黏高弹
SMA-13

SBS-SMA-13

残留稳定度/%

87.6

86.9

冻融劈裂比/%

88.9

89.0

60 ℃动稳定度/(次·mm^-1)

8 300

7 900

5 600

8 100

7 650

5 900

车辙深度/mm

1.6

1.8

2.3

1.8

2.0

2.1

-10 ℃低温弯曲应变/με

4 170

4 000

3 560

3 965

3 800

3 456

构造深度/mm

0.72

0.70

0.71

0.86

0.80

0.84

摆值BPN₂₀

65-

试验温度/℃	剪切强度/MPa	拉拔强度/MPa
25	2.7	0.82
60	0.49	0.37

试验温度/℃

剪切强度/MPa

拉拔强度/MPa

2.7

0.82

0.49

0.37

结构层位	上面层与下面层层间	下面层与沥青胶砂层间
剪切强度/MPa	0.65	0.56
拉拔强度/MPa	0.40	0.42

结构层位

上面层与
下面层层间

下面层与
沥青胶砂层间

剪切强度/MPa

0.65

0.56

拉拔强度/MPa

0.40

0.42