桥梁无缝伸缩缝材料力学性能试验分析

谢严君，武银君，代 洋，磨炼同

（1.武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室，武汉 430070；2.锡林郭勒盟太仆寺旗公路管理段，宝昌 027000）

桥梁无缝伸缩缝材料力学性能试验分析

谢严君1，武银君2，代 洋1，磨炼同1

（1.武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室，武汉 430070；2.锡林郭勒盟太仆寺旗公路管理段，宝昌 027000）

对英国BJ200－Green无缝伸缩缝材料进行了室内力学性能试验分析，重点对无缝伸缩缝胶结料及其混合料的高温稳定性和低温柔性进行检测。胶结料试验结果表明其软化点为84℃，低温界面粘粘强度为0.85MPa，在1min内应力松弛可达到80%，具有很好的应力松弛能力。车辙试验结果表明在1万次加载作用下其永久变形小于15%，低温弯曲最大破坏应变大于20 000μm／m，具有很好的高温稳定性和低温柔性。

桥梁无缝伸缩缝； 性能评价； 车辙； 柔性

桥梁伸缩缝是桥梁设计中的一个重要组成部分，是为满足桥梁的伸缩变形而在桥梁结构的梁端之间或其他适当位置安装的能够自由变形的装置。桥梁伸缩缝在桥梁结构中直接承受轮胎载荷的冲击作用，并且长期暴露在空气中，使用环境恶劣，容易破坏并且维护成本高。调查研究表明伸缩缝是桥梁结构最薄弱的环节，它的使用寿命要远低于桥梁的期望寿命，需要频繁的维护，严重影响了交通畅通与安全，而且频繁的维护也带来了资源的浪费与环境问题。法国和葡萄牙调查结果表明伸缩缝的养护成本约占到整个桥梁养护成本的7%～22%［1］，而我国目前尚未见到这方面的统计数据。

目前国内外主要使用的桥梁伸缩装置可分为以下6种类型，即无缝式、填塞对接式、嵌固对接式、橡胶板式、钢制支承式和模数式。此外，桥梁伸缩缝可大致分为开口缝和闭口缝两大类。开口伸缩缝容易让水和腐蚀性的污染物进入，加快桥梁面板、支座和底层结构性能的衰减，因此这类伸缩缝已经很少使用。而闭口伸缩缝近年来发展迅速种类繁多，根据Lima的调查报告显示截止2010年使用最多的为加固橡胶缓冲型（51%），其次为橡胶柔性条型（22%），沥青填塞型（9%）。Johnson等1993调查了公路桥梁的250处伸缩缝，发现沥青填塞型比例最大，约占50% ，橡胶柔性条型占30% ，加固橡胶缓冲型占20%［1］。对于桥梁伸缩量比较小时，沥青填塞型是最常用的一种伸缩缝装置。此外，沥青填塞式伸缩缝在混凝土老桥上的应用比例也很高。

无缝式伸缩缝又名沥青填塞式伸缩缝，相比于其他类型的伸缩缝，它能使桥梁结构无缝化，其主要工作原理是在桥梁梁端间隙中填入特殊的聚合物改性沥青混合料来满足由于温度和载荷引起的桥梁变形。无缝式伸缩缝具有良好的整体性和耐久性，施工方便，易于维修和养护，行车舒适，造价相对较低。但其主要缺点是使用寿命较低，一般为5～7年。出于对降低行车噪音污染和提高行车舒适性的考虑，欧洲一些发达国家，如德国、瑞士和荷兰，针对无缝式伸缩缝开展了许多深入的研究，旨在提高其服役性能和延长其使用寿命。

低温开裂，高温推移，与原有路面粘结不足是无缝式伸缩缝目前所面临的主要问题［2］。另外，无缝伸缩缝一般只适用于最大伸缩量为50mm的中小跨度桥梁，限制了无缝式伸缩缝的应用。因此，瑞士EMPA针对伸缩量达到100mm的无缝式伸缩缝也进行诸多研究工作［3］。

无缝式伸缩缝的性能与所用的沥青材料直接相关，如沥青的高温稳定性、应力松弛性能和低温柔韧性与其制备的沥青混合料的抗永久变形、低温开裂和疲劳开裂有直接的联系。目前，无缝式伸缩缝在英国使用广泛，并建立了相应的设计指南，该文将对英国典型产品BJ200－Green进行室内性能分析，以了解该材料的相关性能，为国内同类产品的研发提供参考。

1 试 验

1.1 原材料

无缝式伸缩缝材料主要由沥青胶结料和集料组成，其中胶结料采用英国PRISMO公司生产的高分子聚合物改性沥青BJ200－Green伸缩缝材料，其相关性能指标试验结果见表1。集料采用单一粒径为10～20mm的玄武岩。

1.2 混合料制备及成型方法

无缝式伸缩缝所用的沥青混合料由沥青胶结料和集料按照1∶3的比例组成。室内混合料的制备应与现场施工相同，主要步骤如下：首先将沥青胶结料按10%的油石比与集料进行预拌，以确保集料与沥青的粘结性能，将预拌合沥青混合料倒入模具，再把加热到180℃的沥青胶结料灌入混合料内部连通孔隙，利用沥青的大流动性充分灌入孔隙中，尽可能充满集料的间隙。

1.3 试验内容

无缝式伸缩缝胶结料性能测试项目主要包括软化点、锥入度、弹性、低温拉伸和应力松弛。

1）软化点试验：无缝式伸缩缝胶结料软化点高于普通路用沥青，且大于80℃，该文采用环球法测定，加热介质为甘油，试验按 ASTM D36［4］进行。2）锥入度试验：按 ASTM D5239［5］规范进行，试验温度为25℃，其试验步骤与针入度试验相同，区别在于该试验将针入度试验所用的标准针换成了质量为102.5g的标准锥，锥杆总质量为150g，另外试验过程中玻璃皿不盛水。3）弹性试验：弹性是伸缩缝材料的一个重要指标，该文的弹性试验温度为25℃，按ASTM D5239［5］规范进行，将贯入球匀速压入沥青胶结料内一定深度然后使其自然回弹，通过回弹量计算沥青胶结料的弹性恢复率。4）低温拉伸试验：低温拉伸试验主要测试伸缩缝胶结料低温抗裂性能以及粘结性能，该文按照ASTM D5239［5］成型拉伸试验试件，试验温度－10℃，拉伸速率0.5mm／min，实验仪器采用澳大利亚进口的伺服液压试验机（UTM－25）。5）应力松弛试验：试验仪器采用DSR动态剪切流变仪，在－10℃施加5%最大剪切应变，测量应力随时间的变化关系。

无缝式伸缩缝混合料性能测试试验包括车辙试验、高温蠕变和低温弯曲。1）车辙试验：参考规范T0719—2011［6］，试件尺寸300mm×300mm×100mm，试验温度为60℃，试验时间4h。2）高温动态蠕变试验：采用伺服液压试验机（UTM－25）进行，所用试件尺寸为直径150mm，高度170mm圆柱体。试验温度60℃，施加半正弦波应力，峰值为0.2MPa，加载时间为0.1s，卸载时间为0.1s。3）低温三点弯曲试验：参考规范T0715—2011［6］，试件尺寸300mm×100mm×50mm，试验温度－10℃，加载速率50mm／min，采用伺服液压试验机（UTM－25）开展试验。

2 结果与讨论

2.1 沥青胶结料性能

表1列出了BJ200－Green无缝式伸缩缝胶结料常规指标的试验结果。其中，BJ200－Green胶结料软化点达到84℃，具有较好的抗高温性能，满足英国及美国ASTM规范要求。锥入度为32.3dmm，也在英国规范对橡胶改性胶结料25～45dmm的要求范围内。利用美国ASTM试验规程对其弹性进行的测试发现其弹性为19.2%，并未达到ASTM规范要求的40%～70%。

表1 BJ200－Green无缝伸缩缝胶结料常规性能指标

无缝伸缩缝最常见的破坏就是低温开裂，包括伸缩缝与原桥面的界面处的开裂以及低温下铺垫钢板边缘处由于应力集中而出现的开裂，因此用于无缝伸缩缝的沥青胶结料应具有良好的粘附性和低温柔性。图1给出了BJ200－Green沥青胶结料拉伸应力－应变曲线，试验温度为－10℃，拉伸速率为0.5mm／min，试验包括3组平行试验。由图1可知，在10%～15%的应变范围内应力都会达到峰值，随着应变的增加，应力呈逐渐下降趋势，这表明材料发生了强度破坏，经观察证实破坏都发生在沥青胶结料与混凝土界面粘结处。试验最大应力值分别为0.69MPa、0.85MPa和0.76MPa，而在达到峰值应力前，沥青胶结料的弹性模量大约在8MPa。

无缝式伸缩缝材料低温下出现的各种问题可以归结为在温度骤降时产生的温度收缩应力来不及松弛而被积累，如果超过界面以及伸缩缝材料的抗拉强度就会导致界面或伸缩缝材料出现开裂。Bramel采用应力松弛掉75%所需要的时间来评价无缝式伸缩缝材料的应力松弛性能［7］。图2给出了BJ200－Green沥青胶结料的应力松弛曲线，所施加的恒定应变为5%，试验温度为－10℃。图中曲线表明在前20s，应力急剧下降，从0.48MPa下降到0.16MPa，降幅即累积应力松弛率达到68%，180s累积应力松弛率能达到87.8%。累积应力松弛率达到75%所需要的时间为30s，表明与混凝土桥面实际温缩速度相比较，其在降温时具有快速的应力松弛能力，可有效避免低温开裂。

2.2 混合料性能评价

无缝伸缩缝所填充的沥青混合料中沥青用量大，所用集料为单一级配，粗集料形成骨架结构不如传统沥青混凝土骨架稳定，在高温及长时间或反复荷载作用下，更易产生永久变形。此外，该类沥青混合料的低温变形主要由沥青胶结料起贡献。该文对无缝伸缩缝BJ200－Green沥青混合料进行了高温动态蠕变试验、车辙试验和低温三点弯曲试验，分别用以检测其高低温性能。

沥青混合料是一种典型的粘弹性材料，而沥青混合料的蠕变试验是研究其粘弹性的重要方法之一，蠕变是在一定温度和恒定应力作用下变形随时间逐渐增大的现象。沥青混合料的蠕变性能对沥青混合料的高温抗车辙性能有很大的影响［8］。该文采用能够更加真实模拟伸缩缝材料受力模式的动态蠕变试验，图3给出了BJ200－Green沥青混合料动态蠕变试验结果，试验温度为60℃，施加半正弦波应力，峰值为0.2MPa，加载时间为0.1s，卸载时间为0.1s。混合料的蠕变曲线完整反应了动态蠕变的3个阶段，即蠕变迁移区、蠕变稳定区和蠕变破坏期。蠕变迁移区发生在前20个加载循环，试件发生了弹性变形，蠕变速率较大；在20～311个加载循环内，蠕变速率趋于稳定，变形匀速增长；311个加载循环后，变形速率由匀速逐渐变大。蠕变寿命为311个循环（62.2s），此时的蠕变劲度为1.7MPa，蠕变破坏时的累积应变为11.75%。实验结果表明，BJ200－Green沥青混合料蠕变稳定区维持的时间很短，累积应变值较大，蠕变劲度较小，其抵抗高温变形的能力较差。这主要是由于试件成型过程类似浇筑，混合料没有形成较强的骨架密实结构。

沥青混合料车辙试验是国内外较常采用的沥青混合料高温性能评价手段，一般用动稳定度来评价高温性能。但是，为了消除由于试件本身的压密变形，动稳定度指标取最后15min的变形计算，这样就会常出现动稳定度较大而实际车辙深度却很大的矛盾［9］。另外，瑞士研究指出无缝伸缩缝的抗车辙能力至少要与相邻路面相当。该文使用改进的车辙试验，即在普通车辙试验基础上，将作用时间延长至4h，引入10 000次车辙深度指标和相对变形率，结合动稳定度进行分析。

图4和表2给出了BJ200－Green沥青混合料车辙试验结果，试验在60℃下进行。从图4可以看出，轮压开始后的短时间内，初期车辙深度已经较大，这主要是由于试件碾压追密造成的，经过前期轮压追密后，混合料内骨架嵌挤结构逐渐变强，永久变形增加速度逐渐减小，并趋向稳定。表2试验数据显示，1h相对变形率偏大，达到8.86%，4h后相对变形率为13.31%，从抗车辙能力不低于相邻沥青路面的角度考虑，所制备的混合料满足法国对于高交通量水平的道路10 000次作用下相对变形率小于15%的要求。若以单个小时计算动稳定度，则每个小时对应的动稳定度分别为1 384 次／mm、2 176 次／mm、3 000 次／mm 和4 118次／mm。若当相邻路面为浇筑式沥青混凝土时，其抗车辙能力满足日本对于浇筑式沥青混凝土要求，即60℃车辙试验动稳定度大于350次／mm［10］的要求。若相邻路面如果采用SMA改性沥青混凝土，其抗车辙变形能力没有达到国内对SMA改性沥青路面60℃动稳定度3 000次／mm的要求［11］。另外，从图5的车辙试件截面图也可以看出，车辙主要由轮载作用下混合料进一步追密造成的，表明了可采用适当的碾压手段来减少永久变形。此外，辙槽两侧产生轻微隆起，表明混合料内部产生了较大的剪切侧向变形。

无缝式伸缩缝材料应具备适应桥梁梁端较大变形的能力，尤其是在寒冷地区使用时，对沥青混合料的低温柔性要求更高。该文采用三点弯曲试验评价沥青混合料的低温性能，图6和表3给出了BJ200－Green沥青混合料三点弯曲试验结果，试验温度－10℃。从试验结果可以看到，BJ200－Green沥青混合料的低温弯曲最大破坏应变可以达到20 000～30 000μm／m，弯曲劲度模量200～300MPa。而普通沥青混凝土最大弯拉应变在2 000～4 000μm／m左右，弯曲劲度模量在3 000～4 000MPa左右［12］。试验结果证实BJ200－Green沥青混合料具有很好的低温柔性，可较好的适应桥面温缩变形。

表2 BJ200－Green沥青混合料车辙试验结果

表3 BJ200－Green沥青混合料低温三点弯曲试验结果

3 结 论

与其他的桥梁伸缩缝相比，无缝式伸缩缝具有整体性、防水效果好、行车舒适、施工简单等优势，但在国内相关研究和应用相对较少。该文对英国产品BJ200－Green无缝式伸缩缝材料进行了室内性能分析，为国内无缝式伸缩缝材料研发提供性能参考依据。BJ200－Green材料具有较高软化点，快速低温应力松弛能力，有利于抵抗高温流动性和适应桥梁的温缩变形。低温拉伸试验可用于评价胶结料的低温粘结性能和延展性，界面破坏表明粘结性能不足，而断裂应变则说明了材料低温柔性。混合料高温蠕变试验显示其蠕变稳定区维持的时间较短，破坏时的累积应变较大，表明其抵抗高温变形的能力较差。混合料车辙试验表明无缝式伸缩缝材料具有较高的动稳定度，与普通沥青混合料的高温稳定性相当，但由于集料骨架结构没有形成，其车辙初期变形较大。其低温弯曲断裂应变大于20 000μm／m，显著优于普通沥青混凝土，可适应桥面低温收缩变形。

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Experimental Investigation of Mechanical Properties of Asphalt Plug Joint Materials

XIE Yan－jun1，WU Yin－jun2，DAI Yang1，MO Lian－tong1
（1.State Key Lab of Silicate Materials for Architectures，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China；2.Xilingol League Taipu Temple Highway Mnagement Station，Baochang 027000，China）

This paper provides an experimental evaluation on the mechanical properties of BJ200－Green asphalt plug joint materials.Focus is on stability at high temperature and flexibility at low temperature of the binder and the joint mixture.Binder tests indicates that the softening point is 84 ℃，adhesion strength at low temperature is 0.85MPa.The binder can relax 80%of initial force within 60s，indicating good relaxation performance.Rutting test on the mixture shows that permanent deformation is less than 15%after subjected to 10 000passes of wheel loading.Three point bending test indicates that the maximum bending strain at failure is larger than 20 000μm／m.The data obtained confirms the good performance of mixture at high and low temperature.

asphalt plug joint； performance evaluation； rutting； flexibility

10.3963／j.issn.1674－6066.2013.02.013

2013－03－20.

高等学校博士学科点专项科研基金新教师类资助课题（20110143120013）和广东省教育部产学研结合项目（2012B091000162）.

谢严君（1988－），硕士生.E－mail：molt＠whut.edu.cn