瀝青混凝土橋面鋪裝層的病害成因

尹萍

（青海交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院交通土木工程系，青海西寧 810003)

近年來，瀝青混凝土路面被廣泛應(yīng)用于公路與城市道路的施工中，該類型的路面具有施工及養(yǎng)護時間短、表面平整無接縫、行車安全性和舒適性強、低噪聲、耐磨、振動小、養(yǎng)護維修簡便等優(yōu)點.但是，瀝青混凝土鋪裝層破損現(xiàn)象也時有發(fā)生，突出表現(xiàn)在橋面鋪裝出現(xiàn)了一些較為普遍的病害，如開裂、車轍、擁包、松散等，直接影響了行車舒適性、交通安全及橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性，隨之而來的維修和養(yǎng)護費用也成了巨大的經(jīng)濟負擔(dān).為此，筆者對瀝青混凝土橋面鋪裝層的病害成因進行分析和總結(jié).

1 橋面鋪裝層病害成因

橋面鋪裝層是直接承受各種車輛荷載和環(huán)境因素作用的功能層，其工作環(huán)境嚴酷，受力條件復(fù)雜，水泥混凝土橋梁瀝青鋪裝層主要的病害有裂縫、推移、車轍、擁包、松散等，根據(jù)其成因可以歸納為氣候條件、交通荷載和設(shè)計施工3個主要方面.

1.1 氣候條件

氣候條件對橋面鋪裝層具有直接影響，其中溫度與雨水的作用最為突出.

1）溫度.溫度變化會導(dǎo)致鋪裝層的勁度不斷發(fā)生變化從而直接影響瀝青混凝土鋪裝層的力學(xué)特性.在高溫條件下，鋪裝層材料的力學(xué)強度大幅度降低，材料本身也體現(xiàn)出粘塑性和流變性，在荷載作用下材料的殘余變形增大，因此，在高溫夏季易發(fā)生車轍破壞.在溫度下降時，整個鋪裝體系的降溫需要一個過程，這會在鋪裝結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生一定的溫度梯度，面層遇降溫而收縮的趨勢會受到其下部橋面板的約束而產(chǎn)生拉應(yīng)力，開始時瀝青混合料的勁度相對較低，拉應(yīng)力較小，但是隨著進一步降溫，混合料的勁度增加，從而伴隨收縮趨勢的進一步增強，導(dǎo)致拉應(yīng)力超過瀝青混凝土相應(yīng)條件下的抗拉強度，便產(chǎn)生開裂.

2）雨水.雨水是瀝青混凝土鋪裝層破壞的另一個重要因素.如果橋面鋪裝層未設(shè)防水層或者防水效果不好從面層滲入的雨水或防凍鹽溶液會引起橋面板的損壞，甚至腐蝕主梁鋼筋，威脅主梁安全，同時主梁下部出現(xiàn)鹽霜或滲水現(xiàn)象，影響橋梁美觀和橋下交通安全.特別是冬季的雨水和冰雪不能及時排除時，夜間凍結(jié)的層間水在白天由于溫度和車輛荷載的作用下會融化，反復(fù)凍融會迅速降低鋪裝層的強度，導(dǎo)致瀝青混凝土結(jié)構(gòu)松散，層面滯留的水分在車輛荷載的反復(fù)作用下會造成脫層.

另外，動水壓力的作用也不容忽視.橋面瀝青混合料鋪裝層具有一定的孔隙率，如果橋梁鋪裝層的排水系統(tǒng)設(shè)計不當(dāng)，雨水容易滯留在瀝青混合料面層的孔隙內(nèi).當(dāng)車輛高速通過時，行車車輪在瞬間會對路面產(chǎn)生巨大的脈沖動態(tài)水壓，先是擠壓迫使空隙中的滯留水沿隙四周擠壓、滲流；車輪駛離時，輪后的真空抽吸、路面自身的回彈，又會促使結(jié)構(gòu)內(nèi)的滯留水產(chǎn)生抽吸和回流.動水壓力理論分析和現(xiàn)場測定表明，動水壓力隨行車速度的提高呈幾何級數(shù)增長.如此不斷往復(fù)，動水壓力 (空隙水壓力)的擠壓、抽涮頻繁交替作用，促使空隙中的自由水往復(fù)劇烈地運動、沖刷.加之寒冬、炎夏、荷載應(yīng)力等諸多不利因素相互作用和影響下的損傷和破壞，進而加速了瀝青油膜與礦料顆粒之間的剝離，加劇了病變的惡性循環(huán).可見，要求橋面防水粘結(jié)材料在這樣的壓力下保持良好的抗?jié)B漏性是對材料性能的基本要求.

3）其他氣候因素.橋面鋪裝在使用過程中，在陽光和空氣等因素的綜合作用下，瀝青中的輕質(zhì)組分逐漸揮發(fā)，并不斷發(fā)生氧化聚合反應(yīng)，使瀝青中的油分、樹脂逐漸減少，瀝青質(zhì)相對增多，而且瀝青質(zhì)會部分轉(zhuǎn)化為瀝青碳，致使瀝青混合料的粘塑性降低，相繼出現(xiàn)橋面鋪裝層干澀、裂縫甚至松散.隨著老化現(xiàn)象的發(fā)展，瀝青混合料的抗變形能力降低，在行車荷載和冰凍的作用下鋪裝層極易產(chǎn)生裂縫，最終形成龜裂而導(dǎo)致橋面鋪裝的破壞.

1.2 交通荷載

目前大部分高速公路上車輛的實際載重量超過了標定載重量很多，汽車的大型化及超載運營，加重了橋面鋪裝層的負荷，車輪荷載的重型化，加大了作用在橋面鋪裝層上的垂直力和水平力的綜合作用，加劇了推移、擁包、鋪裝層剪切破壞等病害，而且荷載的大型化也給橋面帶來了更大的沖擊力、振動力，特別是路面不平整或橋面伸縮縫處，沖擊力更大，從而造成橋面鋪裝層的過早破壞.其次，在對高速公路進行交通組織管理中，由于車道功能的不同，人為強制地使橋梁結(jié)構(gòu)運營始終處于偏載狀態(tài)，使主車道的鋪裝承擔(dān)了比超車道高得多的運營應(yīng)力水平，因此加快了主車道鋪裝層的疲勞和破壞.

1.3 設(shè)計施工

設(shè)計施工因素主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)、材料與施工方面.

1）結(jié)構(gòu)方面.隨著材料工業(yè)的發(fā)展，橋梁承重結(jié)構(gòu)的改進，使橋梁主梁能以較柔的結(jié)構(gòu)達到受力要求，高等級公路大跨橋梁的橫向越來越寬.然而水泥混凝土橋梁構(gòu)理論對橋面鋪裝本身的受力與計算甚少，橋面鋪裝層在設(shè)計中只作為橋梁工程的附屬結(jié)構(gòu)，一般不做單獨設(shè)計，普遍是在主粱頂面采用8～10 cm厚的瀝青混凝土鋪裝作為磨耗層.由于對橫向受力分析不夠，主梁部分橫向剛度過小，致使橋面鋪裝層承擔(dān)了過多的次應(yīng)力；而且由于主梁的橫向分配力不一樣，隨著主梁受力大小，其撓度變化也不一樣，在重復(fù)荷載作用下，橋面鋪裝受力分布受到影響；同時橋面鋪裝層還受混凝土徐變和收縮的影響以及超靜定結(jié)構(gòu)的次應(yīng)力影響.因而，對瀝青混凝土鋪裝層進行單獨的力學(xué)分析和設(shè)計是很有必要的.

2）材料方面.鋪面材料的抗剪切性能不足是目前材料面臨的最主要問題，剪切破壞是橋面層最常見的破壞種類之一，剪切破壞有2種情況：一是橋面鋼筋混凝土模量遠大于瀝青混凝土和防水層的模量，加之瀝青混凝土層厚度較薄，瀝青層內(nèi)產(chǎn)生較大的剪應(yīng)力而引起的不確定破壞面的剪切變形；二是防水層與瀝青混凝土面層和橋面層間粘結(jié)力不足而發(fā)生剪切破壞.

3）施工方面.最主要的問題是鋪裝層與橋面板的粘結(jié)處理不好，在橋面鋪裝施工前，主梁表面未鑿毛或鑿毛的密度及深度不夠、效果差，對梁板頂部表層的浮漿、泥砂、油污、松散混凝土清理不徹底，這些都嚴重影響橋面鋪裝層與梁頂面混凝土之間的粘結(jié)力，造成一定 “空鼓”現(xiàn)象，破壞了水泥混凝土的整體性，在車輛荷載的反復(fù)作用下，橋面鋪裝層容易出現(xiàn)開裂、松散等情況.其次，鋪裝層厚度和平整度控制不嚴.由于施工工藝控制欠佳，施工中主梁頂面標高與設(shè)計值相符比較困難，一般在測量主梁頂面標高后再對橋梁進行調(diào)坡.但后期往往由于工期緊、任務(wù)重、主梁與引橋合龍時間的差異等因素，易造成鋪裝層混凝土澆筑厚度偏小，使橋面鋪裝難以承受荷載的作用而產(chǎn)生病害.同時，平整度不足也會增加行車荷載對橋面的沖擊，加速橋面的破壞.

從分析結(jié)果來看，解決瀝青混凝土橋面鋪裝病害的關(guān)鍵是加快對瀝青混凝土橋面鋪裝的進一步研究，以明確橋面鋪裝層各結(jié)構(gòu)層計算模型、力學(xué)特性及相關(guān)參數(shù)，為橋面鋪裝的設(shè)計提供指導(dǎo)；其次，加強對各鋪裝層材料的材料性能指標和測試技術(shù)的研究，開發(fā)適應(yīng)橋面破壞機理的新材料；再次，提高施工質(zhì)量使設(shè)計意圖得到完全實施；最后，做好氣候條件的調(diào)查，進行合理的施工組織也必不可少.

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