鐵路鋼橋面澆注式瀝青混凝土保護層材料特性分析

王 民,尚 飛,茍舉瓊

(1.招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司,重慶 400074； 2.重慶市智翔鋪道技術(shù)工程有限公司,重慶 401336)

引言

正交異性鋼橋面系結(jié)構(gòu)以自重輕、跨度大、抗風(fēng)能力強、施工便捷等優(yōu)點，在公路大跨徑橋梁及城市高架橋中廣泛應(yīng)用，所占比例逐日提升[1]。雙層鐵路橋或公鐵合建橋成為大跨徑橋梁規(guī)劃的主流形式，而鋼結(jié)構(gòu)橋，以其獨特優(yōu)勢，成為最佳選擇。近5年，我國已有十余座建設(shè)和規(guī)劃中的鐵路橋采用鋼橋面結(jié)構(gòu)[2-3]。

鐵路保護層是鐵路鋼橋的重要組成部分。保護層在使用過程中長期承受疲勞荷載作用往往會出現(xiàn)不同程度的裂縫、破碎等破壞現(xiàn)象。保護層一旦開裂，便會造成防水層的破壞，進而直接影響橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性。而鐵路網(wǎng)特殊通行條件，對于鐵路鋼橋面保護層耐久性提出更高的要求，其質(zhì)量優(yōu)劣直接影響到列車通行安全及鋼結(jié)構(gòu)使用耐久性。

目前，鐵路保護層較多采用以細石纖維混凝土為代表的剛性防水保護層，由于材料自身的特點，其抗拉性能和變形協(xié)調(diào)能力較差，較易產(chǎn)生裂縫類病害而使水分侵入到鋼橋面板[4-5]。相比之下，澆注式瀝青混合料作為柔性保護層具有以下優(yōu)點：①防水性能較為優(yōu)越；②能適應(yīng)鋼橋面板的反復(fù)變形，追從性較好，抗疲勞性能優(yōu)越；③具有足夠的強度與穩(wěn)定性[6-8]。故本文對澆注式瀝青混合料作為鋼橋面保護層的特性進行分析研究。

1 原材料及試驗方案

1.1 原材料

澆注式瀝青混合料GA10用膠結(jié)料采用聚合物改性瀝青[9-11]，針入度為25.0(25 ℃，0.1 mm)，軟化點95.5 ℃，5 ℃延度11.9 cm；集料采用玄武巖集料、石灰石礦粉。

細石纖維水泥混凝土用水泥采用強度等級42.5級的標準硅酸鹽水泥[12-13]，集料采用玄武巖集料和標準砂，纖維采用聚丙烯晴纖維。

1.2 試驗方案

根據(jù)鐵路鋼橋鋪裝保護層的服役環(huán)境，有針對性地對兩種材料進行試驗研究，以對比兩者性能，試驗方案及方法見表1。

表1 鐵路鋼橋鋪裝保護層試驗方案

2 試驗結(jié)果對比分析

2.1 抗壓強度試驗

澆注式瀝青混合料成形3 d后進行測試，細石纖維水泥混凝土養(yǎng)護28 d后進行測試，試驗結(jié)果見表2。

表2 材料抗壓強度試驗結(jié)果

從表2可以看出，兩種材料的立方體抗壓強度中，水泥混凝土高于澆注式瀝青混合料。根據(jù)鐵路特種活載綜合工況的條件下鐵路保護層承受的荷載數(shù)據(jù)，列車通過時通過道砟傳遞到保護層的正應(yīng)力僅為0.16 MPa[17]，所以作為保護層材料，剛性保護層與柔性保護層均能夠滿足使用要求。

2.2 彎曲變形試驗

彎曲變形性能測試采用瀝青混合料小梁試件，尺寸為300 mm×50 mm×63.5 mm，試驗結(jié)果如表3所示，溫度采用20 ℃。試驗完畢后計算其最大應(yīng)力、應(yīng)變值，計算其彎曲勁度模量。

表3 三點彎曲試驗結(jié)果

作為柔性保護層材料的澆注式瀝青混合料破壞時的最大力為5 203 N，大于細石纖維混凝土的4 698 N，由于其勁度模量較小，所以撓度位移達到了2.22 mm，表現(xiàn)出了優(yōu)異的變形能力。細石纖維混凝土試件為脆性斷裂損傷，而澆注式瀝青混合料試件則為彎曲裂紋損傷，更適合對于變形協(xié)調(diào)性能要求極高的鐵路鋼橋鋪裝系統(tǒng)。

2.3 三點加載疲勞試驗

為了真實模擬橋面鋪裝服役過程，采用UTM試驗系統(tǒng)，以0.5的應(yīng)力比、10Hz的加載頻率，進行20 ℃三點加載彎曲疲勞試驗，試驗結(jié)果見表4。

表4 組合結(jié)構(gòu)混合料疲勞試驗結(jié)果

從表4可以看出，細石纖維水泥混凝土的抗疲勞性能遠差于另一種材料；在相同應(yīng)力水平下，澆注式瀝青混合料的抗疲勞次數(shù)達到了17.3萬次以上，而纖維水泥混凝土只有不到100次，即發(fā)生開裂。這說明相較于剛性保護層材料，柔性保護層材料更加適合于對于抗疲勞性能要求更為苛刻的鐵路鋼橋面保護層。

2.4 抗?jié)B試驗

細石纖維混凝土和澆注式瀝青混凝土試件、抗?jié)B試驗器如圖1所示。澆注式瀝青混合料成型3 d后進行測試，細石纖維水泥混凝土養(yǎng)護28 d，試驗結(jié)果見表5。

圖1 抗?jié)B試驗器

表5 抗?jié)B性能試驗結(jié)果

從表5可以看出，兩種材料的抗?jié)B性能均能達到《鐵路混凝土橋面防水層技術(shù)條件》(TB/T 2965—2011)中規(guī)定的≥P20的指標。其中剛性保護層材料細石纖維水泥混凝土抗?jié)B等級剛好達標，澆注式瀝青混合料防水性能明顯優(yōu)于剛性保護層，這也是源于該混合料致密的組成結(jié)構(gòu)。

2.5 抗凍試驗(圖2)

采用水泥混凝土快凍法研究澆注式瀝青混凝土、水泥纖維混凝土抵抗水和負溫共同反復(fù)作用的能力，以動彈性模量、質(zhì)量損失率和相對耐久性指數(shù)作為評定指標，材料抗凍性試驗結(jié)果見表6。

圖2 共振儀測試動彈性模量

表6 材料抗凍性試驗結(jié)果

由表6可以看出，在相同凍融循環(huán)次數(shù)下，依照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》中的水泥混凝土快凍法，從動彈性模量、質(zhì)量損失率和相對耐久性指數(shù)指標來看，澆注式瀝青混合料完全滿足要求，并優(yōu)于細石纖維混凝土，這更利于保障鐵路鋼橋鋪裝系統(tǒng)的使用耐久性。

2.6 抗道砟刺破試驗(圖3)

該試驗采用UTM-100系統(tǒng)，將循環(huán)荷載通過鐵路道砟施加在鋪裝保護層上，從而模擬鐵路鋼橋上保護層的實際受力情況，驗證保護層是否能夠經(jīng)受鐵路道砟長期的壓刺作用。試驗加載荷載8.8 kN，相當于道砟與鋪裝層平均壓強0.5 MPa，遠高于實際0.2 MPa。

圖3 抗道砟刺破試驗示意

鑒于所采用的結(jié)構(gòu)為道砟+鋪裝層，加載前期位移變化主要是道砟自身壓密與少量壓碎所致[18]，因此，通過觀測試件表觀形態(tài)來評價道砟對保護層的抗刺破能力，試驗結(jié)果見表7。

表7 抗道砟刺破能力疲勞試驗結(jié)果

從表7可以看出，在經(jīng)歷了疲勞加載后，澆注式瀝青混凝土表面出現(xiàn)刺痕，刺入深度約1 mm，兩種材料均無刺裂。

3 結(jié)論

鐵路鋼橋面的特殊使用環(huán)境，對鋪裝材料疲勞耐久性、密水性及協(xié)調(diào)變形能力的要求很高[19-20]，通過對細石纖維混凝土、澆注式瀝青混合料的各項材料性能進行試驗對比，結(jié)果表明澆注式瀝青混合料在多項關(guān)鍵指標上均優(yōu)于細石纖維混凝土。

(1)澆注式瀝青混合料作為柔性保護層在抗壓強度上存在劣勢，但其本身強度完全可以滿足服役過程中抗道砟壓力刺破能力要求。

(2)澆注式瀝青混凝土保護層材料疲勞耐久性、密水性及協(xié)調(diào)變形能力具有明顯優(yōu)勢，與聚合物水泥混凝土相比，疲勞壽命極大提高，密水性提高50%。

(3)澆注式瀝青混合料具有比細石纖維水泥混凝土更優(yōu)的綜合使用性能及更低的維護成本。

澆注式瀝青混合料體系結(jié)構(gòu)(35 mm厚澆注式GA+35 mm厚瀝青混合料AC)已于2013年成功應(yīng)用于安徽銅陵長江公鐵兩用橋，目前運營使用狀況良好。