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刘璐霞，王立东，蒋婷婷
（1中咨公路工程监理咨询有限公司，北京 100048；
2河南水利与环境职业学院，河南郑州 450008）
钢桥面在通车两三年后往往会出现铺装结构层病害，若采用频繁的铣刨维修很可能导致桥梁结构的损伤，同时影响交通舒适与安全。目前工程界普遍认为，导致钢桥面铺装层在运营初期就出现病害的原因常在于严峻的使用环境，但也有研究发现[1-2]，现阶段在进行桥面铺装设计时，往往以材料的极限强度控制为主，忽略了铺装层可能发生的疲劳损伤，也是铺装层出现裂缝、车辙病害的起因之一。因此开展钢桥面铺装结构层的疲劳寿命研究，分析荷载、温度、厚度等因素对桥面铺装结构层疲劳寿命的影响，有助于揭示其出现早期病害的原因。
1.1 原材料
（1）沥青。本试验沥青铺装层采用SMA-10、SMA-13双层沥青混合料，沥青选择SBS改性沥青，相关性能参数见表1。
表1 SBS改性沥青性能指标Table 1 Performance indexes of SBS modified asphalt
（2）集料。SMA混合料采用间断级配。本试验用粗集料采用玄武岩，满足质地坚硬、表面粗糙、清洁等要求；
细集料采用石灰岩，满足清洁、稳定性好、有棱角性等要求。矿料选择石灰岩磨细的矿粉。
（3）纤维。本试验采用木质纤维素，性能指标见表2。
表2 木质纤维素的性能指标Table 2 Performance indexes of lignocellulose
（4）防水粘结剂。本试验用防水粘结剂为环氧树脂粘结剂Ⅰ型，分甲乙两组份，用量比为2：1，分为两层涂布。同时在第一层撒布0.3~0.6 mm碎石，用量为300~400 g/m2；
在第二层撒布1.18~2.36 mm碎石，用量为300~400 g/m2。环氧树脂粘结剂的性能测试结果见表3，各项性能均满足要求。
表3 防水粘结剂测试结果Table 3 Test results of waterproof binder
1.2 沥青混合料配合比设计
（1）矿料级配设计。本次试验铺装层采用SMA-13、SMA-10双层沥青混合料，级配结果如图1、图2所示。纤维掺量根据相关研究取沥青混合料质量的3%，过多纤维不利于沥青与集料的粘附。
图1 SMA-13级配曲线图Fig. 1 SMA-13 gradation curve
图2 SMA-10级配曲线图Fig. 2 SMA-10 gradation curve
（2）最佳油石比确定。现有研究表明[2]，SMA中的沥青用量一般为5.8%~6.5%，本次试验选择5.8%、6.0%、6.2%、6.4%、6.6%五种油石比，制备SMA-13、SMA-10马歇尔试件并开展试验，最终计算得到的SMA-13、SMA-10沥青混合料的最佳油石比分别为6.0、6.2%。同时，测定各组试件的动稳定度、飞散损失率、析漏损失率、劈裂抗拉强度比等指标，均满足规范要求。
2.1 防水粘结层最佳用量确定
材料抗剪强度、抗拉拔强度的要求分别为1.26、0.67 MPa，当防水粘结层的涂覆量为1.3kg/m2时，抗剪强度与抗拉拔强度达到曲线的最高点，此时材料抗剪强度和抗拉拔强度分别为2.11、1.12 MPa，均满足规范要求。因此，本试验确定的防水粘结层最佳用量为1.3kg/m2。
2.2 直接剪切疲劳试验参数确定
试验试件结构为“钢板+防水粘结层+铺装下层”，其中钢板为直径100mm、高50mm的圆柱体，顶部涂覆1.3kg/m2环氧树脂防水粘结层以及SMA-10沥青层，常温养护24h后进行直剪试验。试验加载选择10Hz正弦波，当剪切位移达到5mm时视为试件破坏，试验温度梯度选择五档：-10、15、25、50、70 ℃，应力水平选择四级：0.28、0.42、0.56、0.7 MPa。
3.1 应力、温度对剪切疲劳寿命的影响
根据环氧树脂防水粘结层的直剪试验结果绘制温度、应力与粘结层剪切疲劳寿命关系如图3、图4所示。
图3 应力与剪切疲劳寿命关系Fig. 3 Relationship between stress and shear fatigue life
图4 温度与剪切疲劳寿命关系Fig. 4 Relationship between emperature and shear fatigue life
从图3中可以看出，在同一温度下，随着应力水平的提高，防水粘结层的疲劳剪切寿命下降。原因在于，在温度条件一定的前提下，材料劲度模量一定，所受外部荷载越大产生的应变也增大，材料的疲劳寿命较短。观察不同温度下疲劳寿命随应力的变化幅度可以发现，随着温度的升高，曲线的下降幅度表现出先升后降的明显趋势，当温度为50℃时曲线下降幅度最大，达到97.83%，表明此温度下材料疲劳寿命对应力变化更敏感。
从图4中可以较为明显地看出，疲劳寿命的变化速率以25℃为分界线，可以划分了两个阶段，在温度-10~25℃区间内，剪切疲劳寿命的变化速率较小，说明此阶段的破坏速度较为缓和；
在温度25~70 ℃区间内，疲劳寿命的下降速率明显快于第一阶段，下降幅度均超过90%，且应力越大下降幅度也越大。对比0.7MPa应力下25℃与70℃的疲劳寿命曲线可以发现，0.7MPa、70℃时防水层已接近完全失去粘结能力，这也表明疲劳寿命在高应力下对温度的敏感性更大。
3.2 考虑应力、温度的疲劳寿命预估模型
根据已有研究[3-5]，在考虑疲劳寿命受应力变化的影响时，温度的变化不应忽略，应当对剪切疲劳寿命-应力方程进行温度因素的修正。根据上文分析，剪切疲劳寿命以25℃分界为两个阶段，且从双对数曲线图中也可以看出25℃以下的曲线斜率基本一致，因此考虑-10~25 ℃、25~70 ℃两个区间段修正剪切疲劳寿命方程。
同时，借鉴文献[6]中的温度修正方法，运用ORIGIN软件对试验数据进行拟合，发现T/T0和NSFT/NSFT0之间具有良好线性关系。其中T0为15℃，NSFT0代表温度为15℃时的剪切疲劳寿命，NSFT代表温度T时的剪切疲劳寿命。据此，拟合得到两个修正后剪切疲劳修正模型：（1）在-10~25 ℃区间内，防水粘结层的疲劳寿命预估模型为NSFT=(0.971-0.0039T)×4488426τ-2.154；
(2)在25~70 ℃区间内，防水粘结层的疲劳寿命预估模型为NSFT=(1.499-0.025T)×3300627τ-2.471。
3.3 涂覆量对剪切疲劳寿命的影响
试验选择在15、30、50 ℃三种温度下研究涂覆量对粘结层疲劳寿命的影响，共选择0.5、0.9、1.3、1.7kg/m2四档涂覆量开展试验，结果见表4。可以看出，随着涂覆量的增加，剪切疲劳寿命有所增加。值得注意的是，在涂覆量为1.3kg/m2时，材料虽然获得最大的极限破坏强度，但是剪切疲劳寿命却不是最高。原因可能在于剪切疲劳试验的荷载仅为极限破坏试验荷载的1/3，作用力小导致材料并未出现破坏，在此基础上，钢板与混合料接触面积随着涂覆量的增加而加大，二者的黏结性增强，剪切疲劳寿命提高。
表4 不同涂覆量下的剪切疲劳寿命情况Table 4 Shear fatigue life under different coating quantities
考虑到温度对疲劳寿命的显著性影响，采用前文所述的方法进行温度修正。运用ORIGIN软件对试验数据进行拟合，发现T/T0和NSFT/NSFT0之间具有良好线性关系，计算得到的温度修正系数为：NSFT/NSFT0=1.42-0.028T。因此，最终得到的涂覆量与剪切疲劳寿命预估方程为：（1）温度为15℃时，NSFT=（1.42-0.028T）（28.02X-8.25）；
（2）温度为30℃时，NSFT=（1.42-0.028T）（23.91X-7.03）；
（3）温度为50℃时，NSFT=（1.42-0.028T）（11.29X-3.66）。其中X表示防水粘结层的涂覆量。
4.1 弯曲疲劳试验结果
试验设备采用万能材料试验机UTM-25，根据相关规范要求成型SMA-13、SMA-10试件开展四点弯曲疲劳试验，温度-10、0、15、20 ℃四档，应变水平分为750、1000、1250、1500 με，频率为10Hz。每一种应变及温度水平下进行四次4次平行试验，结果如图5所示。采用统计学中的双因素分析法发现，在显著性水平为95%的情况下，级配对疲劳寿命次数无显著影响，因此后续拟合不考虑级配因素。
图5 铺装层随温度及应变水平变化趋势图Fig.5 Pavement layer variation trend with temperature and strain level
由图5可知，在温度一定的前提下，桥面铺装的疲劳寿命随着应变增大而减小，且温度越高下降趋势越明显。其原因在于随着应变增大，铺装层内部损伤积累较多，导致材料劲度迅速下降，疲劳寿命降低速率增加。在应变水平一定的前提下，随着环境温度的升高，铺装层的疲劳寿命有所升高，且在低应变水平下，疲劳寿命受温度变化的影响更敏感，原因在于铺装层的劲度模量随着温度的上升而减小，在一定应变水平下材料应力降低，损伤积累变少。同时当应变水平低时，材料内部损伤积累较少，随着温度变化，进度模量有更大的变化范围，宏观表现为材料疲劳寿命在低应变条件下的变化幅度更明显。
4.2 疲劳寿命预估模型
绘制铺装层疲劳寿命-应变水平的双对数曲线图，并拟合其疲劳寿命预估方程，结果如图6所示，从方程的精度来看，在对数坐标下二者具有良好的线性关系。采用上文提及的方法对拟合方程进行温度修正，计算得到的温度修正系数为NSFT/NSFT0=1.880-0.323T/T0，各字母含义与上文同。
图6 铺装层-应变双对数曲线Fig.6 Pavement layer-strain double logarithmic curve
考虑到室内疲劳试验加载与实际行车荷载在荷载间歇、横向分布、裂纹拓展方面的差异，可将疲劳方程扩大100倍，使模型与实际结果更好贴合。因此在考虑温度修正系数下的铺装层疲劳寿命预估模型为：NSFT=188.0×1012.74-0.323-0.1T×(ε)-3.23。
通过室内试验，建立钢桥粘结层与铺装层的疲劳寿命预估模型，分析钢桥面的防水粘结层剪切疲劳损伤及铺装层弯拉疲劳损伤的效应及原因，主要结论如下：
（1）对于粘结层而言，剪切疲劳寿命与应力双对数坐标下具有良好的线性关系，疲劳寿命以25℃为界可以分为两段，材料疲劳寿命在高于25℃与低于25℃下的应力敏感性有显著差异。在温度25~70 ℃区间内，疲劳寿命的下降速率明显快于低温度阶段。据此，本文建立了低温与常温下的温度-应力-疲劳寿命预估模型。
（2）涂覆量对防水粘结层剪切疲劳寿命有显著影响，疲劳寿命随着涂覆量增大而提高。同时考虑温度因素的显著性影响，本文建立了经过温度修正的剪切疲劳寿命-涂覆量预估模型。
（3）对于SMA铺装层而言，温度、应变对弯曲疲劳寿命有重要影响。在同一应变水平下，温度升高会导致铺装层弯曲疲劳寿命提高，且该现象在低应变水平下表现更明显；
在同一温度条件下，弯曲疲劳寿命随着应变水平的增大而减小，且该现象在温度高时更为明显。铺装层弯曲疲劳寿命与应变在双对数坐标下表现出较好线性关系，建立了温度因素修正的铺装层疲劳寿命预估模型。
