马鞍山长江大桥浇筑式沥青混凝土疲劳寿命研究

肖海龙 张 锋

(1．中铁大桥局集团武汉桥梁科学研究院有限公司，湖北武汉 430034;2．重庆市智翔铺道技术工程有限公司，重庆 400060)

0 引言

马鞍山长江公路大桥位于安徽省东南部马鞍山境内，该大桥项目起于安徽和县姥桥镇附近S206省道，在马鞍山江心洲位置处跨越长江，通过马鞍山市城区的西南侧，在超山附近接马鞍山—芜湖高速。马鞍山长江公路大桥跨江主体工程全长11．209 km，分为北引桥、左汊主桥、江心洲引桥、右汊主桥及南引桥，其中左汊主桥为钢箱梁结构，全长2 160 m，主跨为2×1 080 m三塔两跨悬索桥，设计采用35 mm高弹改性沥青SMA10+33 mm浇筑式沥青混合料GA10+2 mm甲基丙烯酸树脂防水体系，铺装结构示意图见图1。

图1 马鞍山长江大桥钢桥面铺装结构示意图

一般高速公路一个车道上设计的累计标准轴次极限约(20～30)×106，而马鞍山长江公路大桥的交通量年累计轴载次极限为33．2×106，属于特重交通，交通量较为繁重，其中大型车辆接近50%［1］。由于交通量大，通车运营后不允许道路长时间受阻或被中断，维修工作困难，设计要求铺装结构具有良好的疲劳寿命和便于后期维修工作，以减少钢桥面后期大面积的维修或整体翻修。

疲劳，指材料在循环加载下，在某点或某些点产生局部的永久性损伤，并在一定循环次数后形成裂纹、或使裂纹进一步扩展直到完全断裂的现象。浇筑式沥青混合料具有拌合温度高、拌合时间长、粉料含量高、沥青含量高的特点［2］。浇筑式沥青混合料性能80%以上取决于沥青结合料的性能［3］，拌合温度对浇筑式沥青混合料疲劳寿命也有很大的影响。关于沥青混合料疲劳寿命的研究中，能量法已是分析沥青混合料疲劳特性的有效方法之一［4］，用能量法分析研究浇筑式沥青混合料疲劳特性。

1 疲劳试验方案

1．1 疲劳试验模式

采用应变控制模式的4点弯曲疲劳试验方式研究浇筑式沥青混合料疲劳特性。4点小梁弯曲疲劳试验可以精确的测试试件疲劳寿命，并可以检测试件的粘弹力学特性，如弹性模量、初始劲度模量、滞后角、累积耗散能等。具体试验参数为试验温度:15℃;加载波形:偏正弦波;加载频率:10 Hz;疲劳破坏判定:试件的劲度模量降低到初始劲度模量的50%时，认为试件达到疲劳破坏状态。

1．2 浇筑式沥青混合料级配

马鞍山长江大桥GA10沥青混合料用粗、细集料均采用玄武岩，填料采用石灰石磨细矿粉。掺配比例为S12∶S14∶S16∶矿粉=32∶8∶32∶28。

合成级配见表1。

表1 GA-10合成级配

1．3 浇筑式沥青混合料胶结料选择

浇筑式沥青混合料在复合钢桥面铺装应用中，铺装层混合料的原材料选择需从混合料热稳性、变形性、低温抗裂性能、抗疲劳性、耐久性，以及抗滑耐磨性能等方面综合全面考虑，试验选择了目前主流使用的三种改性沥青，分别为德国Pmb25改性沥青、SBS改性沥青(SK70)、国产聚合物改性沥青(JHW-1)。

性能指标见表2。

表2 改性沥青性能指标

2 疲劳试验结果与分析

在研究拌合温度对疲劳性能影响研究中，油石比为7．9%。表3为三种浇筑式沥青混合料在不同拌合温度下疲劳试验结果平均值。

三种沥青混合料试验结果按表3中的公式得到Pmb25改性沥青、SBS改性沥青(SK70)、JHW-1聚合物改性沥青在同一应变水平不同拌合温度下浇筑式沥青混凝土的疲劳寿命Nf和达到疲劳破坏时的总的累积能耗Wf。

对于沥青混合料来说，其疲劳破坏也是一个能量耗散的过程，耗散的能量转化为热能，累积耗散能的大小直接反映混合料的疲劳寿命。由表3表明:SBS改性沥青(SK70)在拌合温度210℃和230℃下成型的浇筑式沥青混合料均具有较好的疲劳寿命，特别是在230℃下循环加载次数达到了120万次;JHW-1聚合物改性沥青在210℃下成型的浇筑式沥青混合料加载循环次数达到了150万次，呈现出了优异的疲劳寿命;而Pmb25在4种不同拌合温度下成型的浇筑式沥青混合料的疲劳寿命都比较差，但在较低拌合温度(190℃)下成型的浇筑式沥青混合料的疲劳特性要优于其他拌合温度下成型的混合料。

表3 浇筑式沥青混凝土的能耗参数

3种不同胶结料在较高拌合温度下成型的浇筑式沥青混合料的疲劳性能均很差，循环加载次数甚至相差一个数量级。

根据试验结果分析，采用国产聚合物改性沥青JHW-1，在210℃温度下拌合的浇筑式沥青混合料具有最优秀的疲劳寿命。

3 结语

通过应变控制模式下的小梁4点弯曲疲劳试验对马鞍山长江大桥用于钢桥面铺装的浇筑式沥青混合料的疲劳特性进行了研究。通过对不同拌合温度下的浇筑式沥青混合料疲劳性能的研究，确定了马鞍山长江大桥浇筑式沥青混合料的沥青材料及拌合温度。最终马鞍山长江大桥浇筑式沥青混合料配合比为:集料掺配比例 S12∶S14∶S16∶矿粉 =32∶8∶32∶28;沥青采用国产聚合物改性沥青，油石比7．9%;拌合温度210℃。

［1］重庆交通科研设计院．马鞍山长江公路大桥钢桥面铺装工程施工图设计［Z］．2013:2-3．

［2］吴文军，张 华，钱觉时．浇注式沥青混凝土应用现状综述［J］．公路交通技术，2009，6(3):59-62．

［3］重庆交通科研设计院．桥面铺装材料与技术研究［R］．2005:10-11．

［4］张 华，钱觉时，吴文军．浇注式沥青混凝土疲劳寿命的能量法［J］．土木建筑与环境工程，2010，32(4):135-136．