新型改性沥青填充式桥梁伸缩缝粘结特性试验研究＊

2014-12-02艾长发阳恩慧邱延峻

武汉理工大学学报（交通科学与工程版） 2014年6期

关键词：粘结性梁端桥面

艾长发杨涛阳恩慧邱延峻刘东

（西南交通大学土木工程学院1）成都 610031）（道路工程四川省实验室2）成都 100031）

（四川成渝高速公路股份有限公司3）成都 610041）

0 引言

改性沥青填充式桥梁伸缩缝是20世纪70年代由英国发展起来的一种新兴的桥梁伸缩缝，其主要工作机理是依靠高弹性特种沥青结合料与石料形成的混合物的弹性来适应由于温度和交通荷载作用而产生的桥梁端部位移［1］.构造见图1.

图1 伸缩缝构造图

由于该伸缩缝与桥面铺装连接平顺，行车舒适平稳，且具有施工方便、易修补等优点，因此，在许多中小跨径桥梁上得到推广使用.随着无缝伸缩缝专用胶结料产品的更新换代，目前该伸缩缝在许多大跨径桥梁上也进行了试验性应用.为保证该伸缩缝的使用品质，必须保证材料本身具有优良的路用性能，以适应环境与车辆荷载的共同作用，特别是适应低温环境下的梁体收缩变形.为此，文献［2］提出用橡胶粉改性SBS 沥青并辅以橡胶颗粒替代部分矿料的办法，以提高伸缩缝材料高低温及伸缩变形性能；文献［3］采用纳米粉体材料对弹塑体的填充-共混法，以提高伸缩缝材料拉伸及低温性能；文献［4］通过添加热塑性橡胶类改性剂和橡胶类改性剂的方法，以改善伸缩缝材料的低温性能.由于伸缩缝两端与梁体连接处界面是一个薄弱环节，常出现粘结不牢固现象，易开裂.为此，文献［1，3］从施工工艺改进角度，提出采用喷灯对梁端界面进行分段预热再涂底油的方法以提高界面粘结性能，工程实践检验，该措施效果明显.界面粘结是否牢固，不仅跟粘结材料属性有关，而且跟粘结界面特性有关.关于界面粘结特性，目前在桥面铺装防水层方面做了大量研究［5-10］，而在改性沥青填充式桥梁伸缩缝端部界面粘结方面鲜为报道.为此，本文针对一种新型无缝伸缩缝专用胶结料，制作其混合料，结合桥梁伸缩缝收缩受拉的工作特性，采用直接拉伸试验方法，测试并分析不同温度条件、不同界面特性对伸缩缝材料与梁端粘结性能的影响规律，解释粘结机理，分析失效原因，以资为改性沥青填充式桥梁伸缩缝设计和施工提供技术指导.

1 原材料

1.1 新型改性沥青胶结料

试验使用的改性沥青胶结料为某公司生产的无缝伸缩缝专用胶结料，该胶结料是以多元复配专用改性沥青为基材、辅以多种添加剂组成的热塑高弹性体.按照规范［11］的试验方法，测得改性沥青胶结料性能指标见表1.

表1 改性沥青胶结料性能指标

1.2 集料

试验中使用的集料为单级配玄武岩碎石，按照规范［12］的试验方法，测试集料的颗粒组成、力学指标和粘附性.试验结果见表2和表3.

表2 集料颗粒组成

表3 集料力学指标及粘附性试验结果

2 试验方案

2.1 试件制作方法

试验中改性沥青填充式桥梁伸缩缝混合料的制备由改性沥青胶结料与集料按质量1∶3的比例经高温加热拌制混合均匀而成.采用35mm×35mm×150mm小梁试件，具体制作流程见图2.

图2 试件制作流程

2.2 试验方法

研究桥梁伸缩缝粘结特性是分析伸缩缝使用性能的一个重要指标之一，在桥面铺装防水层中常采用剪切试验和拉拔试验来测试桥面防水层的粘结特性.由于伸缩缝与梁端粘结界面的工作模式与桥面防水层不同，因此，本研究采用直接拉伸的试验方法，测试并分析伸缩缝与梁端界面间的粘结性能.研究中，设计了9种试验温度条件，分别为-20，-10，0，10，20，30，40，50，60 ℃；2 种界面特性，分别为表面平整和表面粗糙.分别测试改性沥青伸缩缝混合料与梁端在不同温度条件、不同界面特性状态下的界面粘结力PN.粘结强度T可由计算式（1）求得.

式中：T为粘结强度，MPa；PN为试验中测读的最大粘结力，N；S为试件破坏处断面面积，mm2.

3 粘结性能分析

3.1 温度条件的影响

在试件粘结面平整和粗糙状态下，测得不同温度条件下的粘结面间的粘结力PNP和粘结强度TP.试验结果见表4.2种粘结面情况下的粘结强度随着试验温度变化的关系，见图3.

表4 粘结特性试验结果

图5 粘结强度与试验温度的变化关系

由表4和图3可得：（1）无论粘结面处于何种情况，随着试验温度的升高，粘结力和粘结强度均逐渐减小，呈现出非线性的下降趋势，并在-20～-10，-10～30，30 ℃以上3个温度区间递减规律显著不同；（2）在-20～-10 ℃温度区间，粘结强度急剧下降.其中：表面平整时，TP下降幅度达109.8%，递减速率为0.179 MPa／℃；表面粗糙时，TC下降幅度为86%，递减速率为0.172 MPa／℃；（3）在-10～30 ℃温度区间，粘结强度下降趋势趋于减缓，其中，在-10～10 ℃温度区间，递减速率较快，降幅大于1 MPa，而在在10～30 ℃温度区间，递减速率较慢，降幅仅0.25 MPa左右；（4）随着试验温度的进一步升高，特别在30℃以上时，粘结强度递减速度变得非常缓慢，变化趋势线几乎趋于平缓.

3.2 界面特性的影响

当粘结界面由表面平整变为表面粗糙后，其强度提高值及对应的提高百分率见表5.界面粗糙时，粘结强度提高情况见图4.

表5 粘结强度变化情况

图4 粗糙界面粘结强度提高情况

由表5及图4可得：（1）当粘结界面经表面粗糙处理后，不同温度条件下的粘结强度均有所提高.说明梁端粗糙化处理有利于提高粘结强度，从而降低改性沥青填充式桥梁伸缩缝与梁端连接处界面开裂的风险；（2）当粘结界面经表面粗糙处理后，不同温度条件下的粘结强度提高幅度与提高百分率不同.在低温0℃以下，强度提高幅度大于0.198 MPa，提高百分率大于20%；在常温10～40 ℃区间，提高幅度约0.01～0.06 MPa，提高百分率约10%～20%；在高温50 ℃以上，提高幅度小于0.005 MPa，提高百分率小于10%.因此，界面粗糙处理措施在不同季节所带来的有利作用不同，冬季效果显著，夏季效果甚微.

4 粘结失效原因分析

3种典型试验温度状态下，粘结面拉伸破坏（即粘结失效）状态见图5，表现出明显不同的特征.试验中，低温时，当拉伸力达到一定程度后突然减小，粘结面突然分离，断裂面平整，表现为“脆裂”（见图5a））；常温时，当拉伸力达到一定程度后慢慢减小，粘结面慢慢分离，但沥青胶结料依然抓扯着，表现为“扯裂”（见图5b））；高温时，当拉伸力达到一定程度后很快减小，粘结面很快分离，梁端界面明显粘有沥青胶结料，表现为“粘裂”（见图5c））.导致这3 种不同失效状态的主要原因是：试验中的所用无缝伸缩缝专用胶结料其胶体结构属于凝胶型，在本研究中的3种试验温度区间，低温时表现为弹性，粘度大，不流动，冷却后表现为脆性，具有脆性固体性质，因此，低温粘结失效表现为“脆裂”；常温时表现为高粘弹性，呈非牛顿流动特征，具有优异的变形恢复功能，因此，常温粘结失效表现为“扯裂”；高温时表现为低粘弹性，依然呈非牛顿流动特征，变形恢复功能降低，蠕变和松弛现象明显，因此，高温粘结失效表现为“粘裂”.