復(fù)合澆注式瀝青鋼橋面鋪裝長期性能觀測與路用性能演變規(guī)律研究

朱文白， 曹健， 李金橋

(1.南京長江第四大橋有限責(zé)任公司， 江蘇 南京 210008; 2.蘇交科集團股份有限公司; 3.新型道路材料國家工程實驗室)

南京長江第四大橋(以下簡稱“南京四橋”)創(chuàng)新性地采用了“40 mm GA(壓入碎石)澆注式瀝青混凝土鋪裝下層+35 mmAC-13高彈性瀝青混凝土鋪裝上層”的復(fù)合澆注式鋪裝方案。該鋪裝方案具有密水性能好、低溫柔韌性好、維修養(yǎng)護方便、造價經(jīng)濟等優(yōu)勢。然而，作為中國首次應(yīng)用的鋪裝方案，其長期性能廣受關(guān)注，并且鋼橋面的長期性能一直是鋼橋面鋪裝領(lǐng)域關(guān)注的重點。因此，對其開展長期性能跟蹤觀測及路用性能演變規(guī)律研究，對于該鋪裝方案的養(yǎng)護規(guī)劃制定、鋪裝方案優(yōu)化與改進以及進一步推廣應(yīng)用具有重要意義。

1 鋪裝層服役環(huán)境

1.1 交通環(huán)境

2019年南京四橋各月標準當量軸次如表1所示。

表1 2019年南京四橋各月標準當量軸次

1.2 氣候環(huán)境

南京四橋鋼橋面鋪裝建設(shè)期間，在主橋G04截面布置溫度場監(jiān)測單元及橋面鋪裝溫度場監(jiān)測單元，隨時監(jiān)測鋪裝層使用溫度，2015—2019年南京四橋鋼橋面鋪裝層與鋼箱梁內(nèi)部溫度數(shù)據(jù)見表2。

表2 鋪裝層與鋼箱梁內(nèi)部溫度

由表2可知：鋪裝層內(nèi)部最高使用溫度均超過55 ℃，部分時間段最高使用溫度接近60 ℃，鋼箱梁內(nèi)最高溫度超過55 ℃，鋪裝在高溫及重載使用環(huán)境下，發(fā)生車轍病害的幾率大幅提高。

2 長期性能觀測

2.1 鋪裝層行駛質(zhì)量指數(shù)RQI

隨著服役時間的延長，鋪裝層平整度將緩慢下降，行駛質(zhì)量指數(shù)降低，當鋪裝層局部出現(xiàn)明顯不平整時，車輛通過時會出現(xiàn)顛簸、跳車等情況，行駛質(zhì)量指數(shù)的高低將直接影響駕乘人員的行駛舒適性、安全性及道路通行能力。自南京四橋建成通車至今，每年采用激光斷面儀對主橋雙向六車道進行國際平整度指數(shù)檢測，行駛速度為70 km/h，每20 m檢測一組數(shù)據(jù)，按車道取平均值，檢測結(jié)果見圖1，為節(jié)省圖表空間，圖標中將“左幅第一車道”簡寫為“左一”，以此類推，下同。

圖1 RQI檢測結(jié)果

由圖1可以看出：自2012年建成通車至2019年，經(jīng)歷7年的運營后，南京四橋鋼橋面鋪裝平整度依然良好，國際平整度指數(shù)滿足不大于2.5 m/km的設(shè)計要求，行駛質(zhì)量指數(shù)均大于90，等級為優(yōu)。此外，7年運營期內(nèi)，整體平整度走向平穩(wěn)，無明顯下降趨勢，并且在各檢測年份內(nèi)，雙向?qū)?yīng)車道平整度相當，無明顯差異。

2.2 鋪裝層抗滑性能

鋪裝層的抗滑性能直接影響高速行駛的安全性，南京四橋鋼橋面鋪裝上層高彈改性瀝青混合料表面結(jié)構(gòu)細致、密實，具有良好的密水性。但密實的鋪裝表層降低了路表的宏觀構(gòu)造，對路表抗滑性能會有一定影響。為保證檢測數(shù)據(jù)的精度及降低對交通的干擾，采用摩擦系數(shù)測試車對南京四橋雙向六車道進行了路面摩擦系數(shù)SFC檢測，行駛速度為50 km/h，每20 m檢測一組數(shù)據(jù)，按車道取平均值，檢測結(jié)果見表3。

表3 抗滑性能檢測結(jié)果

由表3可以看出：隨著服役年限的增加，南京四橋復(fù)合澆注式瀝青鋼橋面鋪裝表層的抗滑性能略有降低，但整體而言，其抗滑性能仍然保持在較高水平，經(jīng)過7年的運營后，其摩擦系數(shù)SFC仍然滿足設(shè)計文件中不小于54的技術(shù)要求。

2.3 鋪裝層損壞狀況

采用多功能檢測車對南京四橋鋼橋面鋪裝可能出現(xiàn)的龜裂、塊狀裂縫、縱向裂縫、橫向裂縫、坑槽、松散、波浪擁包、泛油及修補等進行檢測，檢測結(jié)果見圖2。

圖2 2015—2019年鋪裝層損壞狀況指數(shù)

截至2019年，南京四橋鋼橋面鋪裝層基本無破損，僅個別部位存在“硬傷”破壞，雙向各車道PCI(路面狀況指數(shù))值維持在95以上。此外，從歷年檢測結(jié)果看，左幅車道損壞狀況略優(yōu)于右幅車道。

2.4 鋪裝層車轍深度

車轍是瀝青混凝土路面永久變形的累計，氣候條件、交通條件、材料特性、配合比設(shè)計等均對車轍的形成有所影響。作為中國首次應(yīng)用的“下層GA+上層高彈改性瀝青”的鋪裝結(jié)構(gòu)，其高溫穩(wěn)定性能一直是鋼橋面鋪裝領(lǐng)域科研人員與橋梁運營管理部門關(guān)注的重點，尤其是高溫重載的使用環(huán)境下，將加速車轍病害的發(fā)展。因此對于車轍病害的檢測要求更高，采用激光斷面儀對南京四橋雙向六車道進行了車轍深度檢測，行駛速度為70 km/h，每10 m檢測一組數(shù)據(jù)，按車道取平均值，檢測結(jié)果見圖3。

圖3 各車道車轍深度檢測結(jié)果

從圖3可以看出：至2019年8月，經(jīng)歷近7年的通行后，雙向各車道車轍深度均未超過6 mm，表現(xiàn)出了良好的抗車轍能力。然而，隨著通車時間的延長，各車道車轍深度均有不同程度的增長，尤其以雙向第三車道增長最為明顯，自2015年開始幾乎呈線性增長。與鋪裝層平整度、損壞狀況及抗滑性能的平穩(wěn)變化相比，車轍病害成為南京四橋復(fù)合澆筑瀝青鋼橋面鋪裝最為突出的問題。在后續(xù)服役過程中，需在夏季高溫階段重點關(guān)注車轍發(fā)展情況，及時制定有效的養(yǎng)護措施，防止車轍病害加劇發(fā)展，延長鋪裝層使用壽命。

3 路用性能演變規(guī)律

上述檢測結(jié)果表明，車轍病害是復(fù)合澆注式瀝青鋼橋面鋪裝現(xiàn)階段的首要問題，且其增長較快，隨著服役年限的增加，該問題將日益突出。因此，有必要針對復(fù)合澆注式瀝青鋼橋面鋪裝車轍病害開展相關(guān)研究，明確其性能演變規(guī)律，為制定科學(xué)合理的養(yǎng)護規(guī)劃奠定基礎(chǔ)。

3.1 已有車轍模型驗證

南京長江第四大橋新建時期基于瀝青混合料動態(tài)模量和車轍試驗，建立了區(qū)域溫度分布、汽車行車速度、車道荷載特點與橋面車轍的關(guān)系，得出車轍預(yù)估模型如下：

(1)

式中：D為車轍深度；C為基于室內(nèi)車轍試驗條件和現(xiàn)場車轍深度的差異修正系數(shù)；Ct為溫度修正系數(shù)；Cv為行駛速度修正系數(shù)；Cw為車道及輪載修正系數(shù)；Ni為第i年的日均當量輪次(次/d)；DS為動穩(wěn)定度(次/mm)。

根據(jù)上述車轍預(yù)估模型計算南京四橋橋面鋪裝方案車轍深度，結(jié)果見表4。設(shè)計壽命10 年內(nèi)車轍深度能夠滿足要求，安全系數(shù)為1.05。

表4 不同限載條件下的車轍深度估算

2013—2018年預(yù)測車轍深度與實測車轍深度比較見圖4。

由圖4可以看出：除初始的第一年二者較為接近外，后續(xù)的實測車轍深度均小于預(yù)測結(jié)果。此外，對比不同車道車轍數(shù)據(jù)可以看出，右幅第三車道實測結(jié)果與預(yù)測結(jié)果最為接近?？傮w而言，已有模型預(yù)測結(jié)果與現(xiàn)有檢測結(jié)果間存在一定的差異，尤其是第一、第二車道。因此，需要基于現(xiàn)有檢測數(shù)據(jù)對原模型進行修正與優(yōu)化。

圖4 預(yù)測車轍深度與實際平均車轍深度

3.2 車轍模型修正方法

由原始車轍模型可知，影響每年車轍深度的唯一變量是當年的交通量。歷年預(yù)測交通量與實際交通量數(shù)據(jù)見表5。

從表5可以看出：除2013年實際交通量與預(yù)測交通量間存在較大出入外，其余年份的實際交通量均與預(yù)測交通量較為接近。表明前期所建立的交通量預(yù)測模型具有較高的精度，后續(xù)車轍發(fā)展情況可基于此交通量進行相對精確的預(yù)測。

表5 2013—2017年預(yù)測交通量與實際交通量

將2014—2017年預(yù)測交通量與實際交通量繪制成圖并做線性回歸，結(jié)果如圖5所示。

從圖5可知：預(yù)測交通量和實際交通量均有著良好的線性關(guān)系，預(yù)測交通量比實際量略大，但實際交通量的增長趨勢要大于預(yù)測交通量。

圖5 2014—2017年預(yù)測交通量與實際交通量

由于原始車轍預(yù)測模型只受交通量單一因素影響，且目前的可得數(shù)據(jù)僅有預(yù)測和實際交通量，結(jié)合上述分析中二者良好的線性關(guān)系，可采用一次線性修正方法對原預(yù)測模型進行修正?；谇笆鰴z測結(jié)果，雙向第三車道車轍深度最大、增長速度最快，故選擇車轍深度最大的第三車道進行修正。

(1) 平均車轍深度修正

由右幅第三車道實際車轍深度與預(yù)測累計車轍深度的趨勢線(圖6)可以發(fā)現(xiàn)，兩者的決定系數(shù)R2分別為0.999 2和0.992 8，說明無論是預(yù)測還是實際累計車轍深度都和時間有著很好的線性關(guān)系。因此，利用線性回歸對原預(yù)測車轍模型進行修正具有可行性。

圖6 右幅第三車道實際車轍深度與預(yù)測車轍深度

擬在原預(yù)測模型基礎(chǔ)上，增加二次線性修正系數(shù)R1、R2，修正后的模型見式(2):

(2)

經(jīng)線性回歸后，可以得出R1=0.723 8，R2=0.571 5，統(tǒng)計結(jié)果見表6。

表6 右幅第三車道均值回歸統(tǒng)計結(jié)果

從上述回歸統(tǒng)計結(jié)果可以看出，一次線性擬合的結(jié)果較為理想。修正后的右幅第三車道預(yù)測模型為：

(3)

(2) 單點車轍深度修正

以右幅第三車道各測點的設(shè)計車轍深度結(jié)合實際交通量代入原預(yù)測模型進行計算，結(jié)果見圖7。

圖7 右幅第三車道實際交通量預(yù)測車轍與實際車轍散點圖

將實際車轍深度與按實際交通量預(yù)測的車轍深度進行回歸分析，得出R1=0.76，R2=1.564，統(tǒng)計結(jié)果如表7所示。

表7 右幅第三車道散點回歸統(tǒng)計結(jié)果

以各測點實際車轍深度和實際交通量修正的右幅第三車道預(yù)測模型為：

(4)

對比采用平均車轍深度與單點車轍深度進行修正后的回歸統(tǒng)計結(jié)果可以看出，采用年平均車轍深度對原車轍預(yù)估模型進行線性修正結(jié)果更好。因此，該文將采用回歸結(jié)果相關(guān)性更好的年平均車轍深度對原模型進行修正。

基于上述修正方法，可得以年平均車轍深度和實際交通量修正后的左幅第三車道預(yù)測模型為：

(5)

3.3 車轍模型修正結(jié)果

基于上述修正方法，對左幅車轍深度進行模型修正，雙向第三車道的車轍深度模型修正系數(shù)見表8。

表8 雙向第三車道車轍深度模型修正系數(shù)

各車道修正后車轍預(yù)測結(jié)果與實測結(jié)果見表9。

由表9可知：相比于原預(yù)測模型，優(yōu)化后的預(yù)測模型結(jié)果與兩車道實際車轍發(fā)展情況更為吻合，且可以獨立預(yù)測兩車道的車轍發(fā)展規(guī)律，可為運營管理部門有針對性地制定養(yǎng)護規(guī)劃提供更加可靠的數(shù)據(jù)支撐。

表9 第三車道車轍預(yù)測結(jié)果與實測結(jié)果

4 養(yǎng)護規(guī)劃建議

基于式(3)及式(5)可得南京四橋雙向第三車道在后續(xù)各運營年份內(nèi)的車轍深度預(yù)測結(jié)果(表10)。

表10 雙向第三車道車轍深度預(yù)測結(jié)果

根據(jù)上述預(yù)測結(jié)果可知，在10年運營期內(nèi)(至2022年)，南京四橋全橋鋪裝層各車道平均車轍深度指數(shù)RDI全部為“優(yōu)”；在15年設(shè)計壽命周期內(nèi)(至2027年)，除右幅第三車道外，其余車道RDI均處于“良”及以上水平，右幅第三車道RDI等級接近“良”?？紤]到該預(yù)測結(jié)果為整車到平均車轍深度，在10年運營期內(nèi)局部段落車轍深度可能大于10 mm，在15年設(shè)計壽命內(nèi)，局部段落車轍深度可能超過16.7 mm，RDI可能處于“次”及以下等級。

基于上述預(yù)測結(jié)果及分析，建議在15年設(shè)計壽命周期內(nèi)的養(yǎng)護規(guī)劃見表11。

表11 南京四橋鋼橋面鋪裝養(yǎng)護規(guī)劃建議

5 結(jié)論

(1) 檢測結(jié)果表明，截至2019年，南京四橋復(fù)合澆注式瀝青鋼橋面鋪裝行駛質(zhì)量指數(shù)、損壞狀況指數(shù)、抗滑性能指數(shù)及車轍深度指數(shù)均處于“優(yōu)”級，整體使用狀況良好，尚未出現(xiàn)明顯病害。

(2) 在所檢測項目中，車轍是南京四橋復(fù)合澆注式瀝青鋼橋面鋪裝面臨的首要問題，尤其是雙向第三車道，車轍深度增長速度較快，建議在后續(xù)運營過程中加大車轍深度檢測頻率，及時關(guān)注車轍深度變化。

(3) 基于原有車轍深度預(yù)測模型，結(jié)合歷年實測車轍深度與實際交通量優(yōu)化后，得到針對雙向第三車道的獨立預(yù)測模型，模型預(yù)測精度較原模型有了較大提升，為南京四橋鋼橋面鋪裝路用性能發(fā)展規(guī)律研究及養(yǎng)護規(guī)劃制定奠定了基礎(chǔ)。

(4) 基于優(yōu)化后的車轍預(yù)測模型，預(yù)測了南京四橋在15年設(shè)計壽命周期內(nèi)的車轍深度發(fā)展規(guī)律，并提出了相應(yīng)的養(yǎng)護規(guī)劃。