特大水泥混凝土橋面耐久性鋪裝結(jié)構(gòu)設(shè)計與性能研究

姜培源， 關(guān)永勝， 張?zhí)K龍， 周 文

(1.南京市公路管理處， 江蘇 南京 210008； 2.江蘇中路工程技術(shù)研究院有限公司， 江蘇 南京 211806)

特大水泥混凝土橋面耐久性鋪裝結(jié)構(gòu)設(shè)計與性能研究

姜培源1， 關(guān)永勝2， 張?zhí)K龍2， 周 文2

(1.南京市公路管理處， 江蘇 南京 210008； 2.江蘇中路工程技術(shù)研究院有限公司， 江蘇 南京 211806)

為了解決傳統(tǒng)的4 cm上面層+6 cm下面層橋面鋪裝結(jié)構(gòu)耐久性能不足的問題，結(jié)合長壽命的理念，提出了2.5 cm超薄鋪裝上面層+7.5 cm高模量下面層的耐久性橋面鋪裝結(jié)構(gòu)；基于室內(nèi)的復(fù)合試件試驗，對鋪裝結(jié)構(gòu)的高溫性能、粘結(jié)性能進行了對比分析，并且工后通過現(xiàn)場觀測對耐久性橋面鋪裝結(jié)構(gòu)的使用性能進行了評估。結(jié)合室內(nèi)試驗和現(xiàn)場的觀測結(jié)果表明，研究提出的橋面鋪裝結(jié)構(gòu)具有良好的抗車轍與粘結(jié)性能，在運營過程中體現(xiàn)出良好的耐久性能。

橋面鋪裝； 結(jié)構(gòu)設(shè)計； 耐久性； 力學(xué)響應(yīng)； 復(fù)合試件； 指標(biāo)體系

0 引言

我國一般瀝青路面設(shè)計壽命為15 a，一般采用路表彎沉作為主要設(shè)計指標(biāo)，而水泥混凝土橋橋面鋪裝的受力特點、使用特點、施工特點與一般的瀝青路面有較大的不同[1]，完全采用與路面結(jié)構(gòu)相同的中上面層，在實際使用過程中反映出推移、水損害等病害，嚴(yán)重降低了橋面鋪裝結(jié)構(gòu)的使用性能。鋪裝層的耐久性不僅與本身強度或材料本身有關(guān)，鋪裝層結(jié)構(gòu)、材料與橋梁結(jié)構(gòu)、混凝土橋面的適應(yīng)性更起到重要影響[2]。

考慮到使用條件以及后期的養(yǎng)護難易程度，特大水泥混凝土橋面鋪裝對鋪裝結(jié)構(gòu)的使用性能提出了更高的要求，為提高鋪裝結(jié)構(gòu)在環(huán)境溫度和車輛荷載作用下的高溫性能，需提高整體鋪裝結(jié)構(gòu)的抗車轍性能；為提高鋪裝結(jié)構(gòu)的防水性能，需減少表層和下面層混合料的空隙率，從而提高整體鋪裝結(jié)構(gòu)的水穩(wěn)定性；為提高鋪裝結(jié)構(gòu)的整體性，減少推移病害的發(fā)生，需提高鋪裝結(jié)構(gòu)與水泥混凝土橋面板之間的粘結(jié)性能[3]。然而，傳統(tǒng)的橋面鋪裝方案在耐久性方面仍有所不足，因此需要進行特大水泥混凝土橋面耐久性鋪裝結(jié)構(gòu)的研究[4]。

寧高新通道石臼湖大橋，橋梁全長12617.2 m，路線采用四車道一級公路標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計速度100 km/h，是一座典型的跨湖特大型橋梁。在橋面鋪裝結(jié)構(gòu)設(shè)計時，本項目借鑒長壽命的設(shè)計理念[5]，分別從抗車轍、提高密水效果和改善層間粘結(jié)的方面對鋪裝結(jié)構(gòu)性能進行提升，提出了一種耐久性橋面鋪裝結(jié)構(gòu)，并通過室內(nèi)復(fù)合試件試驗與現(xiàn)場的使用性能檢測，對其耐久性能進行了評估與論證。本研究對于延長我國水泥混凝土橋橋面鋪裝結(jié)構(gòu)的使用壽命，提高全壽命周期內(nèi)的服務(wù)水平，降低養(yǎng)護成本具有重要的意義。

1 特大水泥混凝土橋面耐久性鋪裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

石臼湖大橋原先采用傳統(tǒng)的4+6的鋪裝方案，本節(jié)首先針對原設(shè)計方案進行分析，分析原設(shè)計方案的不足，進而提出優(yōu)化后的耐久性橋面鋪裝方案。

1.1 傳統(tǒng)設(shè)計方案評價

原方案采用了6 cm SUP-20+4 cm SMA — 13的鋪裝結(jié)構(gòu)，具體見圖1所示。該鋪裝方案在江蘇省內(nèi)高速公路、干線公路中小橋橋面鋪裝中得到較為廣泛的應(yīng)用，通過采用與主線相同的方案有利于施工組織，同時一般橋梁長度較短，對施工要求小、后期維護相對簡單。

圖1 石臼湖大橋原橋面鋪裝方案

但是結(jié)合石臼湖大橋所處的氣候以及交通荷載條件，該橋面鋪裝結(jié)構(gòu)存在以下不足： ①傳統(tǒng)的4+6橋面鋪裝結(jié)構(gòu)，后期的養(yǎng)護維修通常采用銑刨回鋪上面層4 cm的瀝青混合料，而上面層采用的是玄武巖集料，在優(yōu)質(zhì)玄武巖集料供應(yīng)減少的前提下，采用該方案會提高建設(shè)與后期的養(yǎng)護成本； ②下面層SUP — 20混合料對在橋面上較難壓實，局部位置空隙率偏大，容易產(chǎn)生滲水，影響鋪裝的整體性能； ③熱噴改性瀝青防水粘結(jié)層與混凝土板粘接強度低，施工過程中容易受到破壞等缺點，對橋面鋪裝的使用壽命帶來較大的隱患。因此，針對石臼湖大橋原設(shè)計方案存在的不足，有必要結(jié)合長壽命的理念，進行耐久性橋面鋪裝結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。

1.2 鋪裝結(jié)構(gòu)方案優(yōu)化設(shè)計

近年來國內(nèi)路面新材料、新工藝層出不窮[3]，新型橋面鋪裝防水粘結(jié)層、橋面鋪裝混合料以及新型組合結(jié)構(gòu)性能越來越好，愈來愈多。因此，本研究為提高橋面鋪裝結(jié)構(gòu)的耐久性能，結(jié)合長壽命的理念，對原設(shè)計方案的不足進行優(yōu)化調(diào)整，最終形成如圖2所示的適合石臼湖大橋的耐久型橋面鋪裝結(jié)構(gòu)。

圖2 石臼湖大橋耐久性橋面鋪裝方案

與傳統(tǒng)的設(shè)計方案相比，優(yōu)化后的石臼湖大橋橋面鋪裝方案，在經(jīng)濟性和耐久性能方面具有明顯的優(yōu)勢：

1) 減少了對玄武巖的使用。下面層采用的是7.5 cm高模量瀝青混合料，以石灰?guī)r為主要原材料，整體鋪裝結(jié)構(gòu)中只有上面層2.5 cm U — PAVE10超薄鋪裝采用的是玄武巖集料，從而有效地減少了對優(yōu)質(zhì)玄武巖集料的使用，同時后期養(yǎng)護施工簡單，僅需銑刨回鋪上面層的2.5 cm U — PAVE10，從而降低了養(yǎng)護成本。

2) 良好的路用性能。鋪裝下層采用高模量瀝青混合料，具有較高的強度，有效抵抗車轍變形，并且空隙率較小，可以有效地防止水分下滲；鋪裝面層采用密級配超薄鋪裝作為表面功能層，本身密實防水，動穩(wěn)定度高。因此，整體鋪裝結(jié)構(gòu)具有良好的水穩(wěn)定性和抗車轍性能。

3) 良好的層間粘結(jié)效果。水性環(huán)氧防水粘結(jié)層，與傳統(tǒng)的熱噴SBS改性瀝青相比，大幅提高了層間的粘結(jié)強度，從而有效地避免了推移病害的產(chǎn)生。

2 基于復(fù)合試件的耐久性橋面鋪裝結(jié)構(gòu)試驗研究

對于設(shè)計的耐久性橋面鋪裝結(jié)構(gòu)，本研究采用在室內(nèi)成型復(fù)合試件，通過鋪裝結(jié)構(gòu)的車轍試驗與拉拔試驗，對耐久性橋面鋪裝結(jié)構(gòu)的高溫性能與層間粘結(jié)效果進行評價，并與傳統(tǒng)的橋面鋪裝結(jié)構(gòu)進行比較，從而論證本研究提出的耐久性橋面鋪裝結(jié)構(gòu)的性能提升效果。

2.1 復(fù)合結(jié)構(gòu)車轍試驗

本研究采用復(fù)合試件的3 h車轍試驗，以不同時間段內(nèi)的變形量指標(biāo)評價不同橋面鋪裝結(jié)構(gòu)的抗車轍性能。

如圖3所示的2種橋面鋪裝結(jié)構(gòu)，在厚度為10 cm的車轍試模底部鋪筑7.5 cm EME — 14或6 cm SUP — 20下面層，灑布改性乳化瀝青粘層后鋪筑2.5 cm U — PAVE10或4 cm SMA — 13上面層。復(fù)合試件成型后進行3 h車轍試驗，試驗溫度60 ℃，試驗過程中分別在第1 h、2 h、3 h時記錄不同鋪裝結(jié)構(gòu)的車轍變形量，試驗結(jié)果如圖4所示。

圖3 復(fù)合車轍板試件

圖4 復(fù)合車轍板試件不同時段內(nèi)的車轍變形量

評價鋪裝結(jié)構(gòu)的抗車轍能力不僅要關(guān)注車轍動穩(wěn)定還要關(guān)注車轍位移的變化量，通過對這些指標(biāo)的跟蹤監(jiān)測才能正確評價混合料的抗車轍能力。由圖4可知，結(jié)構(gòu)1在不同時間節(jié)點的車轍變形量均低于結(jié)構(gòu)2，而且比較車轍變化率可以看出，結(jié)構(gòu)1在1 h以后變形率趨于穩(wěn)定，而結(jié)構(gòu)2繼續(xù)呈上升趨勢，綜合可以得知結(jié)構(gòu)1具有更好的抗車轍能力，可以減少3 h車轍深度29%。因此，與原方案相比，優(yōu)化后的耐久性橋面鋪裝結(jié)構(gòu)在高溫性能方面具有明顯的優(yōu)勢。

2.2 界面凍融拉拔試驗

由于石臼湖大橋冬季在橋面會形成一定量的積水，雨水的反復(fù)凍融對界面的抗凍性能要求極高，本項目針對鋪裝下層、水泥混凝土板之間的界面進行凍融試驗，通過界面的凍融拉拔試驗評價凍融條件下界面處的粘結(jié)效果。

如圖5所示成型2種復(fù)合拉拔試件，試件成型后在表面鉆芯至水泥板與混合料的界面位置，然后將復(fù)合試件置于水箱中常溫飽水2 h后，放入恒溫冰箱-18 ℃保持16 h，再將試件在60 ℃±0.5 ℃水浴中保溫24 h，最后，試件在25 ℃±0.5 ℃水浴中保溫2 h后進行拉拔試驗，試驗結(jié)果如表1所示。

圖5 凍融拉拔試驗復(fù)合試件

層間粘結(jié)效果不僅與防水粘結(jié)層有關(guān)，還與層間的接觸狀態(tài)有關(guān)。如表1所示，通過對比拉拔強度可知，2種結(jié)構(gòu)的界面拉拔強度與凍融前比值均在80%以上，具有較好的粘結(jié)穩(wěn)定性；但是通過比較結(jié)構(gòu)1和結(jié)構(gòu)2的凍融拉拔強度比可知，結(jié)構(gòu)1采用的的EME — 14混合料空隙率較低，在接觸界面可以形成較好的面接觸狀態(tài)，并且采用了水性環(huán)氧瀝青作為防水粘結(jié)層，進一步地提高了粘結(jié)效果，凍融前后的拉拔強度相比原設(shè)計方案提高了30%～45%，因此具有更好的粘結(jié)效果。

表1 不同鋪裝結(jié)構(gòu)的凍融前后拉拔強度對比鋪裝結(jié)構(gòu)鋪裝層空隙率/%拉拔強度/MPa凍融前凍融后凍融拉拔強度比/%EME-14+水泥板(結(jié)構(gòu)1)3.70.310.2995.1SUP-20+水泥板(結(jié)構(gòu)2)4.90.240.2085.4

3 耐久性橋面鋪裝結(jié)構(gòu)使用性能觀測

石臼湖大橋所采用的耐久性橋面鋪裝試驗段長度約為1 km，考慮到石臼湖大橋的氣候環(huán)境與交通荷載作用，在通車半年后對耐久性橋面鋪裝段的進行了跟蹤觀測，并進行了相應(yīng)的現(xiàn)場檢測。

耐久性橋面鋪裝試驗段的整體外觀如圖6所示，從圖中可以看出，試驗段表面未發(fā)現(xiàn)車轍、水損害和破損現(xiàn)象，行車舒適性較好。此外，本研究采用滲水試驗和構(gòu)造深度試驗，對試驗段的防水效果與抗滑性能進行了現(xiàn)場檢測，試驗結(jié)果如表2、表3所示。

圖6 耐久性橋面鋪裝試驗段整體外觀

表2 試驗段滲水試驗結(jié)果樁號距中樁位置/m滲水系數(shù)/(mL·min-1)技術(shù)要求/(mL·min-1)K26+100105.0K26+20070.0K26+400108.0≤50K26+60070.0K26+8001012.0

表3 試驗段構(gòu)造深度試驗結(jié)果樁號距中樁位置/m構(gòu)造深度/mm技術(shù)要求/mmK26+25050.75K26+20090.68K26+40070.71≥0.6K26+50040.65K26+60080.67K26+80030.69

從現(xiàn)場檢測的試驗結(jié)果可以看出，通車半年后，耐久性橋面鋪裝試驗段表面的滲水系數(shù)在20 mL/min以下，基本不滲水，具有良好的防水效果；從構(gòu)造深度的檢測結(jié)果來看，在車輪荷載和環(huán)境的作用下，試驗段表面的構(gòu)造深度仍能滿足設(shè)計要求。因此，本研究提出的橋面鋪裝結(jié)構(gòu)在運營過程中，體現(xiàn)出良好的耐久性能。

4 結(jié)論

本研究通過對石臼湖大橋鋪裝結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，以及室內(nèi)復(fù)合件試驗研究與現(xiàn)場的跟蹤觀測，得出以下主要結(jié)論：

1) 本研究基于長壽命的理念，設(shè)計提出的7.5 cm高模量下面層+2.5 cm超薄鋪裝上面層的鋪裝結(jié)構(gòu)，與原設(shè)計方案相比，減少了對優(yōu)質(zhì)玄武巖集料的使用，并且養(yǎng)護維修方便，在全壽命周期內(nèi)具有良好的經(jīng)濟性。

2) 室內(nèi)復(fù)合試件的試驗結(jié)果表明，本研究提出的耐久性橋面鋪裝結(jié)構(gòu)，相比原設(shè)計方案具有更好的抗車轍性能與層間粘結(jié)效果，可以降低3 h車轍深度29%，提高拉拔強度30%～45%。

3) 針對耐久性橋面鋪裝結(jié)構(gòu)的跟蹤觀測表明，在環(huán)境因素和車輛荷載的作用下，耐久性橋面鋪裝段沒有車轍、破損產(chǎn)生，并且防水效果與抗滑性能良好，在運營期內(nèi)表現(xiàn)出良好的耐久性能。

[1] 董強,鄭智能,凌天清.水泥混凝土橋面瀝青鋪裝結(jié)構(gòu)力學(xué)性能分析[J],北方交通,2007(11):46-49.

[2] 黃曉明.水泥混凝土橋面瀝青鋪裝層技術(shù)研究現(xiàn)狀綜述[J].交通運輸工程學(xué)報,2014,14(1):1-10.

[3] 王選倉,侯榮國.長壽命路面結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].交通運輸工程學(xué)報,2007,7(6):46-49.

[4] 徐勤武,胡長順,王虎.混凝土橋面復(fù)合式鋪裝層受力分析和設(shè)計[J].長安大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2007,27(4):28-32.

[5] 徐鷗明,韓森,于靜濤.層間界面對混凝土橋面鋪裝結(jié)構(gòu)性能的影響[J],長安大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2009,29(5):17-20.

2016-12-29

南京市交通科技項目《濕熱地區(qū)長大水泥混凝土橋長壽命橋面鋪裝設(shè)計施工關(guān)鍵技術(shù)研究》

姜培源( 1974-) ，男，高級工程師，長期從事交通工程組織管理工作。

1008-844X(2017)01-0104-03

U 443.33

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