基于實(shí)際工況的橋面板處理方法與效果

曾永旺+蘇子元+孫曉文+侯貴+侯平+王選倉

摘 要：根據(jù)現(xiàn)有施工經(jīng)驗(yàn)，提出以3個(gè)主要指標(biāo)及1個(gè)附加指標(biāo)來評(píng)價(jià)橋面板處理效果，通過室內(nèi)試驗(yàn)，研究各種處理方法的處理效果與評(píng)價(jià)指標(biāo)的合理性。結(jié)果表明：構(gòu)造深度、糙化深度、擺值及露骨率能夠準(zhǔn)確反映橋面板的處理效果，不同橋面板處理方法中，銑刨、露石效果最好；鑿點(diǎn)、刻槽次之；拉毛效果最差。此外，研究了橋面板層間工作狀態(tài)，提出了橋面層間實(shí)際工況分級(jí)，并在此基礎(chǔ)上推薦了不同工況下板面處理技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和相應(yīng)的處理方法。

關(guān)鍵詞：橋面鋪裝；處理方法；工況分級(jí)；評(píng)價(jià)指標(biāo)

中圖分類號(hào)：U443.33 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1000-033X（2017）03-0076-06

Abstract： According to the construction experience， three main indices and one additional index were put forward to evaluate the effect of bridge deck treatment， and the treatment effect and the rationality of the evaluation indices were studied through indoor experiment. The results show that the depth of structure， the depth of roughening， the pendulum value and the rate of exposed bone can accurately reflect the treatment effect of bridge deck. Among the treatment methods， milling has the best effect， and grooving is better than galling. In addition， the interlayer working state of bridge deck was researched， and the classification of actual working conditions of bridge deck was put forward， based on which the technical standards and corresponding treatment of bridge deck under different working conditions are recommended.

Key words： deck pavement； treatment method； working condition classification； evaluation index

0 引 言

防水黏結(jié)層是保證橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和層間黏結(jié)性的關(guān)鍵，鋪設(shè)前采用露石、銑刨等方法對(duì)橋面板進(jìn)行相應(yīng)的處理，能大大延長橋梁的使用壽命[1-5]。目前常用的橋面處理方法主要有銑刨、露石、鑿點(diǎn)、刻槽和拉毛等，這些方法一般是用物理或化學(xué)手段對(duì)橋面板制造一些表面紋理使板面凹凸不平，增加接觸面積，在鋪筑瀝青鋪裝層后增加上下2層的嵌擠力，從而加強(qiáng)層間連接，避免鋪裝層破壞[6-12]。然而在現(xiàn)有研究中，人們只是論述了各種處理方法的具體施工工藝及注意事項(xiàng)，并沒有對(duì)處理效果進(jìn)行深入研究，導(dǎo)致無法判斷不同板面處理方法的優(yōu)劣及實(shí)際適用情況。

鑒于此，本文依據(jù)現(xiàn)有施工經(jīng)驗(yàn)，提出以構(gòu)造深度、擺值、糙化深度和露骨率作為橋面板處理效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過室內(nèi)試驗(yàn)，研究各種處理方法的處理效果，并以剪切試驗(yàn)驗(yàn)證所提評(píng)價(jià)指標(biāo)的合理性。此外，本文利用有限元力學(xué)分析模型，全面研究鋪裝層厚度、鋪裝層模量、路面縱坡坡度、跨徑、超載和路面溫度對(duì)橋面層間應(yīng)力的影響，在此基礎(chǔ)上提出橋面層間綜合工況分級(jí)。通過對(duì)拉毛、銑刨、露石、刻槽與鑿點(diǎn)等方法處理橋面板綜合效果的排序，提出各自的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合綜合工況分級(jí)進(jìn)行匹配，推薦不同工況下的板面處理方法。

1 橋面板處理效果評(píng)價(jià)指標(biāo)

為了對(duì)橋面板處理方法進(jìn)行對(duì)比分析，首先要提出相關(guān)指標(biāo)及相應(yīng)的試驗(yàn)方法。目前，國內(nèi)并沒有相關(guān)技術(shù)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)對(duì)板面處理效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，本文根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，提出了3個(gè)主要指標(biāo)及1個(gè)附加指標(biāo)。

1.1 構(gòu)造深度

構(gòu)造深度指的是在一定路面面積內(nèi)路表面混合料開口孔隙的平均深度[13-15]，主要用于路面的抗滑性能評(píng)價(jià)，本文提出將構(gòu)造深度作為板面處理效果的一項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)。對(duì)于銑刨、露石等處理方法室內(nèi)試驗(yàn)時(shí)，1個(gè)量砂筒的容積為25 mL，推平之后標(biāo)準(zhǔn)砂覆蓋不均勻，所鋪出的面積較小，影響數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，故本文采用了2倍量砂筒容積的標(biāo)準(zhǔn)砂進(jìn)行鋪砂試驗(yàn)。構(gòu)造深度DT計(jì)算公式如下

試驗(yàn)方法：用毛刷將板面清掃干凈，然后用量砂筒量取2筒砂，慢慢地倒在板面上，用攤平器從中間向兩邊均勻攤平，使細(xì)砂填入板面上的凹坑中。用直尺量取所攤圓的2個(gè)垂直方向上的直徑，取均值d，代入式（1）計(jì)算出構(gòu)造深度。

1.2 糙化深度

糙化深度指的是板面處理的最大凹向高度，如果糙化深度太大，則灑鋪黏層油時(shí)黏層油就會(huì)積聚在凹槽里，造成黏層油分布不均勻，表面黏層油過少，達(dá)不到應(yīng)有的效果[16-17]，所以本文提出將糙化深度作為一項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)。

試驗(yàn)方法：首先，通過目測選取板面糙化深度較大處；然后，取適量的標(biāo)準(zhǔn)砂均勻鋪平，用蘸有油的鋼條豎向垂直插入所鋪的標(biāo)準(zhǔn)砂中，并盡量多次插入；最后量取鋼條上所黏標(biāo)準(zhǔn)砂的最高位置距鋼條底端的距離，即糙化深度。

1.3 擺值

擺式儀測量值是路面現(xiàn)場檢測抗滑性能的一項(xiàng)指標(biāo)，用來反映路面的粗糙度，本文引入擺值來評(píng)價(jià)板面處理的效果。

試驗(yàn)方法：將板面用水濕潤，調(diào)整擺式儀；記錄試驗(yàn)溫度后進(jìn)行試驗(yàn)，讀取擺值，在同一點(diǎn)連續(xù)測3次取平均值；最后進(jìn)行溫度修正，換算成20 ℃下的擺值。

1.4 露骨率

對(duì)于露石、銑刨等板面處理方法，本文參考相關(guān)地方規(guī)范引入露骨率評(píng)價(jià)石料的暴露程度，從而反映層間黏結(jié)性，計(jì)算公式如下

露石度指的是在板面110 cm×10 cm的范圍內(nèi)露出骨料（粒徑在5 mm以上）的個(gè)數(shù)。

試驗(yàn)方法：在板面上取110 cm×10 cm的范圍，數(shù)出露石個(gè)數(shù)，得到露石度，根據(jù)表1的最大露石度得到露骨率；同一處做3次平行試驗(yàn)，室內(nèi)試驗(yàn)需進(jìn)行面積等比換算。

2 室內(nèi)試驗(yàn)及分析

2.1 橋面板處理效果對(duì)比

橋面板處理方法有拉毛、拋丸、露石、銑刨、打毛、刻槽、嵌石、鑿點(diǎn)等，考慮橋面板常用的板面處理方法及實(shí)驗(yàn)室儀器條件，選取拉毛、銑刨、露石、刻槽、鑿點(diǎn)方法進(jìn)行試驗(yàn)。

水泥采用佛山南海水泥廠生產(chǎn)的P·O32.5普通硅酸鹽水泥；石料采用三水大塘六和佛坳石場生產(chǎn)的石料；砂采用順德水道河砂，所有原材料經(jīng)檢驗(yàn)全部符合規(guī)范要求。水、水泥、砂、石子質(zhì)量比為0.45∶1∶1.56∶2.75，水灰比為0.45。

用拌和機(jī)將各種原材料進(jìn)行拌制，將拌好的混凝土放于30 cm×30 cm×5 cm的車轍試模中，用振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)抹平，養(yǎng)生后進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如圖1～3所示。

（1）由圖1可知，不同板面處理方法的構(gòu)造深度由大到小依次為：銑刨、露石、刻槽、鑿點(diǎn)、拉毛。在僅考慮構(gòu)造深度這一參數(shù)時(shí)，推薦銑刨和露石作為板面處理的首選方法，其次考慮刻槽及鑿點(diǎn)處理方法。

（2）由圖2可知，不同板面處理方法的糙化深度由大到小依次為：銑刨、鑿點(diǎn)、露石、刻槽、拉毛。在僅考慮糙化深度這一參數(shù)時(shí)，推薦銑刨、露石和鑿點(diǎn)作為板面處理的首選方法。

（3）由圖3可知，不同板面處理方法的擺值由大到小依次為：銑刨、露石、刻槽、鑿點(diǎn)、拉毛。從構(gòu)造深度可以看出，銑刨和露石的構(gòu)造深度較大，而表面越粗糙，則擺值越大；鑿點(diǎn)和刻槽的擺值相差不大。因此僅考慮擺值這一參數(shù)時(shí)，推薦銑刨和露石作為板面處理的首選方法。

（4）作為一個(gè)輔助性的指標(biāo)，對(duì)于拉毛、刻槽和鑿點(diǎn)不存在露骨率的概念，而對(duì)于銑刨和露石，測得露石的露骨率為78.5%，銑刨的露骨率為62%，2種處理方法的露骨率都達(dá)到了要求。

由以上對(duì)板面處理效果的3個(gè)重要指標(biāo)和1個(gè)輔助指標(biāo)的分析可知，露石和銑刨達(dá)到的效果要比其他3種方法好；拉毛處理后表面水泥浮皮沒有得到清理，而刻槽和鑿點(diǎn)只是清理了一部分水泥浮皮。因此在不考慮成本、施工工藝等其他影響因素時(shí)，推薦露石和銑刨作為橋面板板面處理的首選方法，其次考慮刻槽和鑿點(diǎn)。

2.2 橋面板抗剪性能對(duì)比

為了進(jìn)一步對(duì)比不同板面處理方法的層間性能，本文采用室內(nèi)剪切試驗(yàn)進(jìn)行分析。為了排除其他因素的影響，防水黏結(jié)材料選用SBS改性瀝青，用量為1.4 kg·m-2，試驗(yàn)溫度為25 ℃，剪切速率為10 mm·min-1，試驗(yàn)結(jié)果見圖4。

由圖4可知：銑刨和露石處理的橋面板的抗剪強(qiáng)度最高，其中露石法抗剪強(qiáng)度達(dá)到了0.67 MPa。這是因?yàn)檫@2種方法處理的板面表面浮皮基本都已處理干凈，表面粗糙；當(dāng)灑布黏結(jié)油、鋪筑上層瀝青混合料后，混合料中的碎石與板面形成了很好的嵌擠作用，抗剪強(qiáng)度自然也就增大?？滩酆丸忺c(diǎn)的抗剪強(qiáng)度在0.5 MPa左右，是因?yàn)檫@2種方法只是對(duì)部分混凝土表面進(jìn)行了糙化處理，嵌擠作用相比銑刨和露石要弱一些。而拉毛的抗剪強(qiáng)度最低，是因?yàn)榘迕鏉{皮沒有清理掉，糙化處理較差，嵌擠力較弱。

通過以上分析，不同板面處理方法的抗剪強(qiáng)度與本文提出的板面處理效果評(píng)價(jià)指標(biāo)變化基本一致，驗(yàn)證了本文所提指標(biāo)的合理性。

3 橋面板層間工作狀態(tài)及工況分級(jí)

3.1 橋面鋪裝層層間工作狀態(tài)

本文利用有限元力學(xué)分析模型，全面研究鋪裝層厚度、鋪裝層模量、縱坡坡度、跨徑、超載和路面溫度等各種工況條件對(duì)高速公路橋面鋪裝層層間力學(xué)響應(yīng)的影響，其結(jié)果見表2。

從表2可以看出：當(dāng)鋪裝層厚度從4 cm增加到12 cm時(shí)，層間最大剪應(yīng)力減小了23.53%；鋪裝層模量從1 000 MPa增加到1 800 MPa時(shí)，層間最大剪應(yīng)力增大了11.11%；橋面縱坡度從1%調(diào)整至5%時(shí)，層間最大剪應(yīng)力增大了18.52%；橋梁單孔跨徑從5 m變?yōu)?0 m時(shí)，層間最大剪應(yīng)力增大了14.81%；當(dāng)超載增加到100%時(shí)，層間最大剪應(yīng)力增大了33.33%；當(dāng)溫度從10 ℃增加到45 ℃時(shí)，層間最大剪應(yīng)力減小了16.67%。因此，本文研究的6種工況均對(duì)橋面鋪裝層層間工作狀態(tài)有較大的影響。

3.2 橋面鋪裝路面綜合工況分級(jí)

根據(jù)上文不同工況的有限元計(jì)算結(jié)果，將橋面層間剪應(yīng)力按照各種工況從最不利水平到最佳水平進(jìn)行排序，提出以橋面層間在不同工況不同水平下的最大剪應(yīng)力作為單因素分級(jí)的一個(gè)指標(biāo)。由表2計(jì)算出各種工況最大剪應(yīng)力的平均值為0.29 MPa。因此，以0.29 MPa作為分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)將工況級(jí)別分為2級(jí)：一級(jí)為不利工況下的橋面層間應(yīng)力，最大剪應(yīng)力不小于0.29 MPa；二級(jí)為一般工況下的橋面層間應(yīng)力，最大剪應(yīng)力小于0.29 MPa。依據(jù)該指標(biāo)對(duì)不同工況進(jìn)行基于橋面層間的單因素分級(jí)，如表3所示。

本文運(yùn)用AHP法和熵值法分別求出各工況的主觀權(quán)重和客觀權(quán)值，再利用式（3）對(duì)2種權(quán)值進(jìn)行優(yōu)化，得到最終的權(quán)值，其結(jié)果見表4。

為了方便選擇合適的板面處理方法和防水黏結(jié)層材料，需要對(duì)橋面層間工況進(jìn)行綜合因素分級(jí)。本文在研究鋪裝層厚度、鋪裝層模量、路面縱坡坡度、跨徑、超載和路面溫度對(duì)橋面鋪裝層層間工作狀態(tài)影響的基礎(chǔ)上，利用式（3）求出各影響因素的優(yōu)化權(quán)重，根據(jù)權(quán)重得到各因素對(duì)橋面層間的影響模型

將單因素級(jí)別為一級(jí)的工況賦值為1，將單因素級(jí)別為二級(jí)的工況賦值為2，得到各工況無量綱結(jié)果；根據(jù)式（4）計(jì)算每種組合的評(píng)價(jià)指數(shù)，并對(duì)工況的組合進(jìn)行篩選，得出評(píng)價(jià)指數(shù)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為1.75和1.85，并依據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)將橋面層間綜合工況分為三級(jí)，如表5所示。

實(shí)際所屬道路條件夏炎熱區(qū)和夏熱區(qū)的特殊路段、特大橋及采用新結(jié)構(gòu)新技術(shù)的橋梁、單層橋面路段夏炎熱區(qū)的小道路段、夏炎熱區(qū)和夏熱區(qū)的大中橋路段夏炎熱和夏熱區(qū)的一般路段、夏熱區(qū)的小道路段

注：一般路段指縱坡度不大于2%、坡長不大于1 000 m且小彎道、非重載、中小橋涵洞的高等級(jí)公路路段；特殊路段為除一般路段的其他高速公路橋面路段。雖然根據(jù)評(píng)價(jià)指數(shù)的分級(jí)結(jié)果，大縱坡路段、單層橋面鋪裝路段、夏炎熱區(qū)和夏熱區(qū)大橋特大橋路段分別屬于Ⅱ、Ⅱ、Ⅱ、Ⅲ級(jí)，但考慮到工程實(shí)際，對(duì)模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修正，將4種情況分別提高一個(gè)等級(jí)，為Ⅰ、Ⅰ、Ⅰ、Ⅱ級(jí)。

4 板面處理標(biāo)準(zhǔn)及不同工況下的處理方法推薦

4.1 板面處理方法性能對(duì)比

通過對(duì)拉毛、銑刨、露石、刻槽、鑿點(diǎn)處理效果的試驗(yàn)與分析，得到各種處理方法性能的綜合排序，見表6。

由表6可知：板面處理方法綜合性能較好的是銑刨法和露石法；但露石法浪費(fèi)大量水資源，污染環(huán)境，只有在水資源充足且有一定預(yù)防污染措施的條件下，才推薦露石法作為板面處理方法。對(duì)于刻槽法，推薦使用在對(duì)橋面層間性能要求較低的路段。

對(duì)于鑿點(diǎn)和拉毛，如果不能投入更多的資源或道路工況條件很好時(shí)才推薦使用。

4.2 板面處理技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及方法推薦

根據(jù)大量的室內(nèi)試驗(yàn)及現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)，并參考相關(guān)規(guī)范及論文，本文提出了板面處理的標(biāo)準(zhǔn)，如表7所示。

根據(jù)3.2中提出的橋面層間綜合工況分級(jí)與4.1中提出的不同板面處理效果的性能對(duì)比，參考對(duì)板面處理已有的研究，得到了它們之間的匹配關(guān)系，見表8。

5 結(jié) 語

（1）為了對(duì)橋面板處理方法進(jìn)行對(duì)比分析，本文提出了橋面板處理效果評(píng)價(jià)的3個(gè)主要指標(biāo)——構(gòu)造深度、擺值和糙化深度，以及1個(gè)附加指標(biāo)——露骨率。

（2）根據(jù)提出的3個(gè)主要指標(biāo)和1個(gè)附加指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，得出不同橋面板處理方法的效果由好到差依次為：銑刨和露石、鑿點(diǎn)和刻槽、拉毛。

（3）通過室內(nèi)剪切試驗(yàn)得到了不同板面處理后的橋面層間抗剪強(qiáng)度由大到小依次為露石、銑刨、刻槽、鑿點(diǎn)、拉毛，與本文提出的板面處理效果評(píng)價(jià)指標(biāo)變化基本保持一致，驗(yàn)證了本文所提指標(biāo)的合理性。

（4）進(jìn)行了橋面板層間工作狀態(tài)研究，提出了橋面層間實(shí)際工況分級(jí)，在此基礎(chǔ)上推薦了不同工況下板面處理技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和匹配的處理方法。

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[責(zé)任編輯：王玉玲]