潘友強，張志祥，徐肖龍

(江蘇中路工程技術研究院有限公司，江蘇 南京 211806)

0 引 言

南京四橋為三跨連續(xù)鋼箱梁懸索橋，主跨為1 418 m，橋跨布置為575 m+1 418 m+483 m，采用扁平流線型加勁梁，是目前國內跨徑最大的雙塔三跨懸索橋[1-3]。大跨徑懸索橋是一種漂浮結構，其橋面受力特點對鋪裝提出了要求，尤其是在變形隨從性方面[4]。南京地區(qū)日最高氣溫為43 ℃，最低氣溫為-14 ℃，氣候條件嚴酷，南京四橋采用閉截面箱形梁結構，夏季鋪裝層內部預計最高溫度達70 ℃。南京四橋是南京繞城高速跨越長江的主通道之一，交通量大，重載多。因此，南京四橋橋梁的結構形式、氣候與交通荷載條件對橋面鋪裝結構材料提出了巨大要求。

考慮到南京四橋大跨徑懸索橋結構的大變形特點，參考國外的成功經驗，特別是日本大跨徑懸索橋的工程經驗[5]，優(yōu)先選擇復合澆注式瀝青鋪裝方案。同時，考慮到四橋氣候條件嚴酷、交通荷載繁重，故將提高鋪裝的高溫抗車轍性能作為研究重點，下層采用直餾硬質瀝青澆注式瀝青混凝土(壓入大粒徑碎石)，上層采用高彈改性瀝青AC，對結構材料進行適當優(yōu)化，并開展大量的試驗研究。

1 澆注式瀝青混凝土的設計與性能

直餾硬質瀝青澆注式瀝青混凝土在國內應用不多，因此南京四橋澆注式瀝青混凝土設計時主要參照了日本本四聯(lián)絡橋的設計方法，混合料主要由流動性和貫入度2項指標來確定級配與瀝青用量，然后采用車轍試驗和彎曲試驗進行驗證。設計指標根據(jù)國內高溫重載的特點取上限進行控制，設計流程如圖1所示。

圖1 直餾硬質瀝青澆注式瀝青混合料配合比設計流程

為提高澆注式混合料的高溫穩(wěn)定性，南京四橋適度提高了劉埃爾流動度和車轍動穩(wěn)定度指標值，如表1所示。

表1 澆注式瀝青混合料的技術指標

南京四橋澆注式瀝青混合料采用硬質直餾瀝青添加湖瀝青(TLA)的混合瀝青作為澆注式瀝青混合料的黏結料，考慮到南京四橋高溫重載的使用要求，TLA摻量按照30%配比[6]。

1.1 級配設計與最佳瀝青用量

南京四橋鋼橋面鋪裝澆注式瀝青混凝土級配設計如表2所示，級配曲線如圖2所示。

采用4個不同的瀝青用量，分別測試澆注式瀝青混合料的流動性和貫入度，試驗結果如圖3所示?？紤]到提高混合料的高溫性能和可施工性，貫入度目標值要盡可能靠近低值，瀝青用量為8.3%，對應的流動性值為18 s，在0～20 s的技術要求范圍內。

表2 澆注式瀝青混凝土合成級配

圖2 澆注式合成級配曲線

圖3 瀝青用量與劉埃爾流動性、貫入度的關系

1.2 混合料性能試驗

(1)高溫車轍試驗。采用車轍試驗評價澆注式瀝青混凝土的高溫性能，試驗結果如表3所示，可知澆注式瀝青混凝土的高溫性能符合技術要求，但與一般瀝青混合料相比偏低。

表3 車轍動穩(wěn)定度試驗

為進一步提高澆注式瀝青混凝土的高溫性能，南京四橋首次采取了在澆注式表面撒布并壓入適量預裹碎石的措施。為評價撒布適量的預裹碎石對澆注式瀝青混凝土高溫性能的提升效果，進行不同預裹碎石壓入數(shù)量的車轍試驗，結果如圖4所示，試驗結果顯示，預裹覆碎石的撒入顯著提高了澆注式瀝青混凝土的高溫性能。

圖4 壓入碎石數(shù)量與動穩(wěn)定度的關系

(2)低溫彎曲試驗。低溫彎曲試驗中試件尺寸為100 mm×50 mm×300 mm，試驗溫度為-10 ℃，加載速率為50 mm·min-1，試驗結果見表4，結果表明設計的澆注式瀝青混合料低溫性能符合技術要求。

表4 低溫彎曲試驗結果

圖5 澆注式瀝青動態(tài)模量試驗結果

圖6 澆注式瀝青與環(huán)氧瀝青混合料動態(tài)模量比較

(3)動態(tài)模量試驗。南京四橋開展了澆注式瀝青混凝土動態(tài)模量試驗，結果如圖5所示，將之與環(huán)氧瀝青混凝土動態(tài)模量試驗結果進行對比，結果如圖6所示。澆注式瀝青混合料性能受溫度和荷載影響較大，混合料的動態(tài)模量隨溫度的升高而降低，隨頻率的升高而增加[7-9]。澆注式瀝青混合料的動態(tài)模量在低溫高頻條件下與環(huán)氧瀝青混合料基本接近，具有較高的強度，能夠保證鋪裝層的使用性能；但是在高溫條件下，即溫度超過40 ℃，混合料的動態(tài)模量開始迅速降低，且在低頻條件下，澆注式瀝青混合料的模量降低更為明顯。

2 高彈改性瀝青混合料的設計與性能

南京四橋鋼橋面鋪裝高彈改性瀝青混合料采用了高彈改性瀝青作為膠結料，設計級配采用了AC結構，混合料設計參照日本本四聯(lián)絡橋相關技術要求，設計過程中將動穩(wěn)定度指標提高到3 000 次·mm-1，見表5。

表5 南京四橋高彈改性瀝青混合料技術指標

南京四橋鋼橋面鋪裝高彈改性瀝青混凝土采用馬歇爾體積設計方法，最終設計級配如表6所示，級配曲線如圖7所示。高彈改性瀝青混凝土要具有較好的施工和易性及路用性能，天然砂的摻加很關鍵[10-14]。國內的天然砂多為河沙，且0.075 mm和0.15 mm篩孔的通過率偏低，導致為了達到設計級配要求，需要增加較多的礦粉和相應的瀝青，因此成本過高。為降低礦粉與瀝青用量，南京四橋經過多方面比較，摻配一定量的天然特細砂，在保證鋪裝施工和易性的基礎上提升鋪裝的路用性能。

表6 澆注式瀝青混凝土合成級配

圖7 高彈改性瀝青混凝土級配曲線

南京四橋高彈改性瀝青混凝土的體積及性能指標試驗結果如表7所示，結果顯示各項指標均滿足設計要求。高彈改性瀝青混凝土具有非常優(yōu)良的變形性能，低溫彎曲應變超過17 000 μm，能夠滿足鋪裝的大變形需求。

3 組合結構性能

為進一步評價復合澆注式瀝青鋪裝組合結構的路用性能，本文進行了復合澆注式瀝青鋪裝復合件的室內試驗，主要開展了復合結構的高溫車轍試驗、低溫彎曲試驗、疲勞試驗和變形協(xié)調試驗[15-18]。

表7 高彈改性瀝青混合料性能試驗結果

3.1 高溫性能

鋪裝結構高溫性能是澆注式鋼橋面鋪裝研究關注的重點，本文完全按照實際橋面鋪裝結構，開展了4 cm澆注式瀝青混凝土、3.5 cm改性瀝青混凝土復合件的車轍試驗，其中澆注式瀝青混凝土表面壓入碎石，試驗溫度分別為60 ℃、65 ℃，輪壓0.63 MPa，試驗結果見表8。從試驗結果可以看出，復合件的動穩(wěn)定度在60 ℃下接近3 000 次·mm-1，在65 ℃下超過1 500 次·mm-1，在澆注式瀝青混凝土表面壓入碎石可以顯著提高整個鋪裝層的抗車轍性能。

表8 復合試件動穩(wěn)定度試驗結果 次·mm-1

3.2 低溫性能

試驗過程中在澆注式瀝青混凝土表面壓入碎石，試驗溫度分別為-15 ℃、0 ℃，試驗結果見表9。從試驗結果可以看出，復合結構具有優(yōu)良的變形性能。

表9 復合件低溫彎曲試驗結果

3.3 疲勞性能

抗疲勞性能是控制復合澆注式瀝青鋪裝設計的關鍵參數(shù)之一，本文開展了帶鋼板復合件的疲勞試驗，試件由鋼板(厚14 mm)、4 cm澆注式瀝青混合料、3.5 cm改性瀝青混合料組成，試驗參照國內已有帶鋼板疲勞試驗的研究成果，開展0 ℃、20 ℃條件下的疲勞試驗，試驗最大荷載為5 kN，具體試驗結果見表10。從表10可以看出，復合澆注式鋼橋面鋪裝復合結構疲勞壽命超過1 200萬次，特別是在應變較大的狀況下依然有良好的抗疲勞性能。

表10 復合件疲勞試驗結果

3.4 變形協(xié)調性能

為了評價澆注式瀝青鋼橋面鋪裝的變形隨從性，開展了帶鋼板復合件的破壞性試驗，試件由鋼板(厚14 mm)、3.8 cm澆注式瀝青混凝土、3.7 cm改性瀝青(實測)組成。試驗溫度為15 ℃，加載過程中以5 kN為一級進行加載，然后卸載，加載到35 kN時試件未發(fā)生破壞，但鋼板已經開始發(fā)生塑性破壞；當加載到40 kN時，試件表面一側出現(xiàn)開裂，鋼板已經發(fā)生較大的屈服變形，試驗停止。從試驗結果(圖8)可以看出，澆注式瀝青鋼橋面鋪裝具有良好的變形隨從性，在荷載增加的過程中，鋼板已經發(fā)生較大的塑性變形，而鋪裝層依然未出現(xiàn)整體脫開或者開裂的現(xiàn)象。

圖8 鋪裝結構變形隨從性試驗照片

4 跟蹤觀測

南京市四橋2012年12月建成通車，至2016年12月已成功運營4年。根據(jù)2016年8月的檢測結果(表11)。南京四橋主橋面雙向各車道行駛質量較好：各車道行駛質量指數(shù)RQI均在90以上，根據(jù)《公路瀝青路面養(yǎng)護技術規(guī)范》(JTJ 073.2—2001)評價為優(yōu)；RDI值均在90以上，車轍均值為2～4 mm；雙向橋面各車道PCI值均維持在95以上。

表11 南京四橋橋面鋪裝跟蹤觀測結果

5 結 語

(1)澆注式瀝青混凝土采用直餾硬質瀝青與TLA復配作膠結料是可行的，澆注式瀝青混凝土表面壓入預裹覆碎石可以顯著提高澆注式瀝青混凝土抗車轍性能。

(2)澆注式瀝青混凝土的性能受溫度和荷載影響較大，其動態(tài)模量在低溫高頻條件下與環(huán)氧瀝青混合料基本接近，但當溫度超過40 ℃時，混合料的動態(tài)模量開始迅速降低。

(3)高彈改性瀝青具有良好的高溫性能和變形性能，在高彈改性瀝青混凝土中摻配一定量的天然特細砂可以改善其性能。

(4)復合澆注式瀝青鋼橋面鋪裝復合結構試驗結果表明其具有良好的高溫性能(動穩(wěn)定度達到3 000 次·mm-1)、良好疲勞性能(疲勞壽命超過1 200 萬次)以及與鋼板的良好變形隨從性。

南京四橋復合澆注式瀝青鋼橋面鋪裝的成功實施為國內類似鋼橋面鋪裝工程提供了有益的借鑒。