寒冷条件下钢桥面铺装层沥青混合料低温特性试验研究

王正中

摘 要：钢桥在我国北方寒冷地区应用日益普遍，寒冷条件下钢桥面铺装层材料的选择及设计参数的确定方面研究相对较少，针对铺装层材料的低温性能设计是我国北方地区钢桥面铺装设计的关键。对SMA-13和AC-20两种沥青混合料低温蠕变性能、低温模量和低温断裂性能进行了试验研究，研究表明，两种材料对于寒冷条件下的钢桥面铺装均具有良好的低温适应性，为类似条件下钢桥面铺装层材料的选型和设计提供借鉴。

关键词：钢桥面铺装;低温蠕变;低温模量;抗裂性能

1 序言

在我國桥梁建设中，钢桥因其具有强度高、自重轻、抗震性好，便于工业化制造和施工，自重、承重和跨越能力协调好等特点，在我国应用越来越普遍[1-2]。钢桥在寒冷地区应用时，桥面沥青混合料铺装层的低温特性对于钢桥整体耐久性具有重要影响[3-5]。吉林省年平均气温5℃～7.7℃，冬季（12月-2月）平均气温-13.5℃，在该区域建设的钢桥桥面沥青混凝土铺装材料耐低温性能是决定桥面整体耐久性的关键[6-7]。通过不同铺装层SBS改性AC-20和SMA-13沥青混合料低温蠕变性能试验、低温条件下模量试验和约束条件下低温断裂试验等低温力学特性的试验研究，掌握钢桥面沥青铺装层材料的低温力学性能，为寒冷地区钢桥面铺装的材料选择及混合料组成设计及设计参数确定提供借鉴[8-9]。

2 低温蠕变性能试验

大量的沥青混合料对比试验表明，沥青混合料的蠕变柔量及蠕变速率指标等粘弹性指标与沥青的劲度直接相关，沥青混合料蠕变柔量性能指标作为重要的设计参数，可以用于线弹性或非线弹性层状体系理论计算，评价沥青路面在温度及车辆重载作用下的低温抗裂性能。

采用间接拉伸蠕变试验对铺装层SBS改性沥青混合料在0℃、-5℃、-10℃条件下的低温蠕变性能进行对比试验研究[10]，结合试验给出改性沥青不同温度下的蠕变柔量，分析评价改性沥青对沥青混合料低温劲度的影响。

两种沥青混合料在不同温度下的蠕变柔量如表1所示，由表1中试验数据可以看出：

（1）沥青混合料的蠕变柔量随温度的降低而减小;

（2）SMA-13结构沥青混合料的蠕变柔量高于AC-20沥青混合料。

对于沥青混合料而言，在恒定应力作用下，应变随时间和温度的变化而变化。蠕变柔量和蠕变劲度模量呈倒数关系，即，为沥青混合料的蠕变劲度模量，为不同时间作用下试件的应变值，为试件的蠕变荷载。沥青混合料蠕变柔量值较高，表明混合料在低温条件下劲度模量较小。

此外通过试验我们可以看出，同种沥青在同一温度下SMA结构沥青混合料的蠕变柔量大于AC结构沥青混合料，表明SMA结构沥青混合料低温劲度模量要低于AC结构沥青混合料，这在一定程度上解释了SMA沥青路面低温抗裂性优于AC结构沥青路面的原因所在。

3 低温模量试验

采用动态模量试验对2种沥青混合料不同温度下的模量进行了对比试验研究，动态模量主要是通过单轴压缩试验测定的，反映的是沥青混合料抗压状态下抵抗变形的能力，然而沥青路面在低温状态下，应力状态是竖向作用力，纵向、横向变形均为拉伸变形，因此采用单轴压缩试验评价沥青混合料低温模量与沥青路面真实状态还存在一定的差别，鉴于此，采用间接张力法对沥青混合料的低温模量进行了对比试验研究。

对试验数据进行整理计算，得出2种沥青混合料不同频率下的沥青混合料弹性模量指标如表2所示。

由表中数据可以看出，间接拉伸试验测得铺装层改性沥青混合料弹性模量在高频区，AC结构沥青混合料和SMA结构沥青混合料低温条件下的刚度较小，柔度较高，具有较好的粘弹性，从力学角度分析原因，沥青是一种粘弹性材料，在低温条件下由粘弹性状态转化为弹性状态，SBS改性沥青混合料低温状态下更接近弹性体，具有良好的低温性能。

4 低温冻断试验

我国沥青混合料低温抗裂性能通常采用小梁弯曲来评价，但普遍研究认为采用低温小梁弯曲试验方法评价沥青混合料的低温性能仍存在一定的偏差，为更为合理更为精确的评价沥青混合料的低温抗裂性，研究中采用旋转压实仪、约束试件温度应力试验仪等先进仪器设备，通过低温冻断试验对钢桥面铺装层沥青混合料的低温性能进行了试验研究。

试件成型方法参照美国SHRP中成型方法，以马歇尔试验所得体积指标及油石比为依据，计算20 cm高、直径15 cm

的圆柱试件所需混合料质量，采用旋转压实仪成型，成型后待试件冷却采用5 cm钻头对其进行钻孔取芯，所取20 cm高、直径5 cm圆柱试件为试验中所采用试件。试验结果见表3。

根据两种沥青混合料的低温冻断试验和吉林省气温统计调查结果（如表4），钢桥面铺装层采用SBS改性沥青混合料满足低温抗裂性要求。

5 结论

（1）对钢桥面铺装层沥青混合料进行的低温蠕变试验研究结果表明SBS改性沥青混合料具有较低水平的低温蠕变柔量值，表明混合料在低温条件下具有较好的粘弹性，且劲度模量相对较小，具有较好的低温延展性，可用作寒冷地区钢桥面沥青铺装层材料。

（2）对两种铺装层材料的低温模量试验研究表明，在高频区，AC结构沥青混合料和SMA结构沥青混合料低温条件下的刚度较小，柔度较高，具有较好的粘弹性，从力学角度分析原因，沥青是一种粘弹性材料，在低温条件下由粘弹性状态转化的弹性状态，SBS改性沥青混合料低温状态下更接近弹性体，具有良好的低温性能。

（3）采用低温约束应力试验评价了铺装层的低温抗裂性能，根据试验结果结合吉林省最低气温经验值，钢桥面铺装层采用SBS改性沥青混合料可满足抗裂要求，同时研究发现SMA-13沥青混合料的低温抗裂性能优于AC-20沥青混合料。

参考文献：

[1]美国沥青协会.高性能沥青路面（Superpave）基础参考手册[S].北京：人民交通出版社，2005：13.

[2]郝培文.利用SHRP结合料规范评价改性沥青的技术性能[J].公路交通技术，2003（2）：31-35.

[3]苏子元.寒区浇筑式沥青混凝土低温指标及铺装技术研究[D].长安大学硕士论文，2018.

[4]公路钢箱梁桥面铺装设计与施工技术指南[M].人民交通出版社，2006.

[5]张锋.钢箱梁桥桥面铺装层材料研究与结构优化设计[D].武汉理工大学硕士论文，2006.

[6]冯源，李运，陈祺.香港路立交桥钢桥面铺装的设计与施工[J].施工技术，2006，35（1）：80-82.

[7]丁庆军，张锋，黄修林，等.防止钢箱梁桥面推移、开裂的技术方案[J].公路，2007（1）：78-82.

[8]黄卫.大跨径桥梁钢桥面铺装设计理论与方法[M].中国建筑工业出版社，2006.

[9]李昶，顾兴宇.大跨径钢桥桥面铺装立项分析与结构设计[M].东南大学出版社，2007.

[10]中华人民共和国行业标准.JTG E20-2011，公路工程沥青及沥青混合料试验规程[S].人民交通出版社.