瀝青混凝土鋼橋面鋪裝的剪切分析

摘要 該研究旨在深入分析瀝青混凝土在鋼橋面鋪裝中的剪切性能及其影響因素。通過系統的試驗研究和理論分析，探究了不同骨料、瀝青類型和添加劑對瀝青混凝土剪切性能的影響，同時考察了剪切速率、溫度等試驗條件對其性能的影響規律。試驗結果表明：瀝青混凝土的剪切性能受多種因素綜合作用，其中材料組成和試驗條件是影響其性能的關鍵因素。在鋼橋面鋪裝中，優化瀝青混凝土的材料組成和施工條件，對于提高其剪切性能和延長使用壽命具有重要意義。

關鍵詞 瀝青混凝土；鋼橋面；鋪裝

中圖分類號 U444 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）19-0115-03

0 引言

在現代橋梁工程中，鋼結構橋梁的使用大量增加，而瀝青混凝土鋼橋面鋪裝因其良好的行車舒適性、防滑性能以及維護簡便等特點而被廣泛應用。然而，隨著交通流量的不斷增長和重載車輛的日益增多，橋面鋪裝層所承受的剪切應力不斷增大，導致鋪裝層出現剪切破壞的現象愈發嚴重，而鋼橋面因變形相對較大剪切破壞現象尤為突出。因此，深入分析瀝青混凝土鋼橋面鋪裝的剪切性能，探究其破壞機理，并提出有效的改進措施，對于保障橋梁的安全運營和延長其使用壽命具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

該試驗采用了6種不同的瀝青混凝土樣本，每種樣本均按照標準的工程配方（骨料∶瀝青∶添加劑=85∶10∶5）進行配制。樣本的骨料主要由碎石和砂組成，其平均粒徑分別為10 mm和2 mm。使用的瀝青為針入度60～80（0.1 mm）的石油瀝青，而添加劑則包括抗老化劑和增黏劑，以提高瀝青混凝土的耐久性和黏附性。樣本的尺寸統一為直徑100 mm、高50 mm的圓柱體，以確保在剪切試驗中受力均勻。每個樣本的質量約為500 g，密度在2.3～2.5 g/cm3之間。在試驗前，所有樣本均經過24 h的恒溫（25℃±2℃）養護，以達到最佳的固化狀態[1]。

1.2 試驗設備與儀器

試驗使用了專業的剪切試驗機（型號：XYZ-123），該設備具備可調節的剪切速率范圍（0.1～10 s?1）和溫度控制能力（室溫至80℃）。剪切過程中的力—位移數據通過高精度傳感器（力傳感器精度：±0.1 N；位移傳感器精度：±0.01 mm）進行實時采集，并由配套的數據采集軟件（版本：1.0）進行記錄和處理[2]。

1.3 試驗方法

1.3.1 樣本制備

按照標準配方將骨料、瀝青和添加劑混合均勻，然后在專業的瀝青混凝土成形機中壓制成形，在樣本成形后，將其在恒溫條件下養護24 h，以確保其固化效果。

1.3.2 試驗方案

該研究設計了一個全面的試驗方案，以剪切速率（0.5 s?1、2 s?1、5 s?1）和溫度（25℃、40℃、60℃）為變量。每個變量水平組合下至少進行3次重復試驗，以確保結果的可靠性。

1.4 試驗操作步驟

（1）將樣本放置在剪切試驗機的下夾具上，確保樣本與夾具之間無滑動；

（2）調整上夾具與樣本接觸，并施加預壓力（100 N），以確保剪切過程中樣本位置固定；

（3）根據試驗方案設置剪切速率和溫度，并啟動剪切試驗機；

（4）同時啟動數據采集軟件，記錄試驗過程中的力—位移曲線數據；

（5）持續剪切至樣本破壞或達到預設的位移限制（30 mm）；

（6）記錄每個樣本的破壞形態，包括裂縫的起始位置、擴展方向和最終破壞模式；

（7）清理試驗設備，準備下一個樣本的試驗。

1.5 數據分析方法

（1）從數據采集軟件中導出力—位移曲線數據，并進行平滑處理以消除噪聲干擾；

（2）計算每個樣本的剪切強度（峰值剪切力/樣本橫截面積）和剪切模量（彈性階段內的剪切應力與剪切應變的比值）；

（3）對每個變量水平組合下的重復試驗結果進行平均處理，以獲得更可靠的數據點；

（4）使用方差分析（ANOVA）等方法分析剪切速率和溫度對剪切強度和剪切模量的影響顯著性；

（5）根據破壞形態分析瀝青混凝土的剪切破壞機制，并與試驗結果進行關聯分析。

2 試驗結果

通過剪切試驗機進行了一系列試驗后，獲得了關于剪切力、剪切位移和剪切強度等關鍵參數的數據。以下是部分試驗數據的表格展示：

此外，還繪制了剪切力與位移的曲線圖以及剪切強度與溫度、剪切速率的關系圖，如圖1、圖2所示，以便更直觀地展示數據的變化趨勢。

通過對試驗數據進行初步的描述性統計分析，可以觀察到以下趨勢和規律：

（1）在相同溫度下，隨著剪切速率的增加，峰值剪切力和剪切強度呈現出下降的趨勢。例如，在25℃下，樣本A（剪切速率0.5 s?1）的剪切強度平均值高于樣本B（剪切速率2.0 s?1）[3]。

（2）在相同剪切速率下，隨著溫度的升高，峰值剪切力和剪切強度也呈現出下降的趨勢。例如，在剪切速率0.5 s?1下，樣本A（溫度25℃）的剪切強度平均值高于樣本C（溫度40℃）。

（3）剪切位移在不同條件下有所變化，但并未表現出明顯的規律性趨勢。這可能與試驗過程中的其他因素（如樣本的均勻性、試驗設備的微小差異等）有關。

3 剪切性能分析

3.1 剪切強度分析

剪切強度是評價瀝青混凝土抵抗剪切破壞能力的重要指標，通過該試驗，觀察到剪切強度在不同試驗條件下呈現出顯著的變化規律。例如，隨著剪切速率的增加，剪切強度呈現出下降的趨勢，由于高剪切速率下材料內部的應力分布不均勻，導致材料更容易發生破壞[4]。同時，隨著溫度的升高，剪切強度也有所下降，因為高溫使瀝青混凝土的黏聚力和內摩擦力降低，從而削弱了其抵抗剪切破壞的能力。此外，在相同試驗條件下，不同樣本之間的剪切強度存在一定的差異。可能與樣本的制備質量、骨料分布均勻性等因素有關。因此，在實際工程中，需要嚴格控制瀝青混凝土的制備和施工質量，以確保其具有良好的剪切性能。

3.2 剪切模量分析

剪切模量是表征瀝青混凝土在剪切作用下變形能力的參數。該試驗結果表明，剪切模量也受到試驗條件的影響，隨著剪切速率的增加和溫度的升高，剪切模量呈現出下降的趨勢[5]，因為高剪切速率和高溫下材料的流動性增強，導致其變形能力增大，剪切模量相應減小。同時，還發現剪切模量與瀝青混凝土的組成密切相關。在該試驗中，由于所有樣本均采用相同的標準配方制備，因此其組成對剪切模量的影響主要體現在骨料類型、粒徑分布和瀝青含量等因素上。這些因素通過影響材料的內部結構和力學性能，進而對剪切模量產生影響。

3.3 破壞形態分析

通過觀察和分析試驗過程中瀝青混凝土的破壞形態，可以了解其剪切破壞機制。該試驗中，觀察到瀝青混凝土的破壞形態主要包括裂縫的起始、擴展和最終破壞模式。隨著剪切速率的增加和溫度的升高，裂縫的起始位置更加隨機，擴展速度更快，最終破壞模式也更加復雜[6]，由于高剪切速率和高溫下材料的應力分布更加不均勻，導致其破壞過程更加復雜和不可預測。此外，還注意到不同樣本之間的破壞形態存在一定的差異。這可能與樣本的制備質量、骨料分布均勻性、內部缺陷等因素有關。因此，在實際工程中，需要嚴格控制瀝青混凝土的制備和施工質量，以減少內部缺陷和提高其抵抗剪切破壞的能力。同時，在設計和施工過程中，還需要充分考慮瀝青混凝土在復雜應力狀態下的破壞機制，以確保其在實際使用中的安全性和穩定性。

4 影響因素研究

4.1 材料因素的影響

在瀝青混凝土中，骨料、瀝青類型和添加劑是構成材料的主要組成部分，它們對剪切性能有著顯著的影響。

4.1.1 骨料的影響

（1）骨料類型

不同類型的骨料（如碎石、砂等）具有不同的強度和硬度，可以直接影響著瀝青混凝土的整體強度和剪切性能，通常較硬的骨料通常能提供更好的抗剪性能。

（2）骨料粒徑

骨料的粒徑分布對瀝青混凝土的密實性和剪切穩定性有重要影響，合適的粒徑分布能夠提高骨料的堆積密度，從而增強材料的剪切強度。

4.1.2 瀝青類型的影響

（1）瀝青黏度

瀝青的黏度是影響其與骨料之間黏結力的重要因素，高黏度瀝青在受到剪切作用時，能夠展現出更強的黏聚力，從而有效提高瀝青混凝土的剪切強度。因此，在選擇瀝青類型時，黏度是一個需要考慮的關鍵參數。

（2）瀝青老化

隨著時間的推移，瀝青會發生老化現象，導致其性能逐漸降低，會對瀝青混凝土的剪切性能產生不利影響。為了減緩瀝青的老化過程，通常會使用抗老化劑。然而，不同類型的瀝青對抗老化劑的反應和效果也可能存在差異。因此，在選擇瀝青類型時，還需要考慮其抗老化性能以及與抗老化劑的相容性。

4.1.3 添加劑的影響

（1）增黏劑

增黏劑在瀝青混凝土中能夠提高瀝青的黏度，進而增強瀝青與骨料之間的黏附力，有助于瀝青混凝土在受到剪切力時維持其結構完整性，從而顯著提升其剪切性能。因此，增黏劑是優化瀝青混凝土性能的重要添加劑之一。

（2）其他添加劑

除了增黏劑外，還有其他多種添加劑如抗剝落劑、穩定劑等，也對瀝青混凝土的剪切性能產生影響，它們通過改善瀝青與骨料之間的界面性能或提高材料的整體穩定性來發揮作用。例如，抗剝落劑能夠減少水分對瀝青與骨料界面的侵蝕，從而降低剝離風險；穩定劑則有助于抵抗氧化和老化過程，延長瀝青混凝土的使用壽命。這些添加劑的綜合應用有助于進一步優化瀝青混凝土的性能表現。

4.2 試驗條件的影響

試驗條件，如剪切速率、溫度和荷載，對瀝青混凝土的剪切性能有顯著影響。

4.2.1 剪切速率的影響

剪切速率決定了材料在剪切過程中應變速率的快慢，較高的剪切速率可能導致材料內部應力迅速累積，加速破壞過程，降低剪切強度。

4.2.2 溫度的影響

溫度升高會使瀝青軟化，降低其黏度和內聚力，從而削弱瀝青混凝土的剪切性能。同時，高溫還可能導致瀝青混凝土內部的熱應力增加，促進裂縫的形成和擴展。

4.2.3 荷載的影響

荷載大小直接影響瀝青混凝土受到的應力水平。在較高荷載下，材料更容易達到其破壞應力，導致剪切破壞。此外，荷載的持續時間和加載方式（如靜態加載、循環加載）也會對剪切性能產生影響。

5 結束語

該研究發現，瀝青混凝土的剪切性能受骨料、瀝青類型、添加劑以及試驗條件（如剪切速率、溫度）的顯著影響。在剪切力作用下，瀝青混凝土表現出一定的變形能力和抗剪強度，但隨剪切速率的增加和溫度的升高，其剪切性能有所下降。此外，材料組成的優化對于提升剪切性能至關重要。針對鋼橋面鋪裝，建議選擇具有高黏度、良好抗老化性能的瀝青，以及粒徑分布合理的骨料，并考慮添加增黏劑等來改善瀝青與骨料之間的黏附性。在施工過程中，應控制剪切速率和溫度，以確保瀝青混凝土達到最佳剪切性能。

參考文獻

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[3]曾漢輝.鋼橋面鋪裝瀝青混凝土粘彈性本構分析[J].廣東公路交通，2013（1）： 27-29+33.

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[5]王潤壽，余文科，洪丹，等.環氧瀝青混凝土鋼橋面鋪裝病害的原因分析與處治[J].石油瀝青，2011（1）：13-16.

[6]陳靜云，程偉蔚，孔令然.瀝青混凝土橋面鋪裝結構的剪切分析[J].北方交通，2010（8）：26-29.

收稿日期：2024-07-10

作者姓名：徐躍群（1966—），男，本科，高級工程師，研究方向：結構受力。