水泥混凝土橋面薄層瀝青鋪裝結(jié)構(gòu)研究

李清華，李銀山

(1.南京寧通智能交通技術(shù)研究院有限公司，江蘇 南京 211112；2.蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 211112；3.新型道路材料國(guó)家工程研究中心，江蘇 南京 211112)

0 引言

橋面鋪裝層直接承受著行車荷載的作用，并能夠防止雨水下滲對(duì)橋梁主體結(jié)構(gòu)所形成的腐蝕，因此，橋面鋪裝層性能的優(yōu)劣對(duì)整個(gè)橋面影響巨大。我國(guó)橋面鋪裝大多采用瀝青混合料鋪裝，但是隨著通車年限的增加，國(guó)內(nèi)已建成通車的水泥混凝土橋面瀝青鋪裝層均普遍出現(xiàn)了一系列病害。因此，水泥混凝土橋面瀝青鋪裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、性能指標(biāo)及施工質(zhì)量控制等方面仍有繼續(xù)深入研究的空間。

目前，國(guó)內(nèi)水泥混凝土橋面瀝青鋪裝主要采用雙層結(jié)構(gòu)，總厚度在8～10 cm左右，因此如果要減薄橋面鋪裝層厚度，一方面可采用單層鋪裝結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)合理的鋪裝層厚度、混合料和粘結(jié)層，實(shí)現(xiàn)鋪裝層整體厚度的減薄；另一方面也可采用雙層超薄結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)性能優(yōu)良且厚度較小的兩層結(jié)構(gòu)。但是目前國(guó)內(nèi)對(duì)于薄層橋面鋪裝技術(shù)的研究及應(yīng)用較少，因此本文主要針對(duì)厚度在4～7 cm的單層橋面鋪裝體系進(jìn)行研究[1-2]。

本文針對(duì)水泥混凝土橋面瀝青性能和環(huán)保的雙訴求，以“減薄化+高性能+環(huán)保型”為主要出發(fā)點(diǎn)和總體思路，從水泥混凝土橋面鋪裝結(jié)構(gòu)混合料設(shè)計(jì)、防水粘結(jié)層等方面展開研究，并在公路橋面鋪裝建設(shè)和養(yǎng)護(hù)改造工程中進(jìn)行試驗(yàn)段試鋪和評(píng)估，為后期水泥混凝土橋面薄層瀝青鋪裝體系的應(yīng)用和推廣提供依據(jù)和參考。

1 薄層瀝青鋪裝結(jié)構(gòu)試驗(yàn)研究

1.1 薄層瀝青鋪裝材料設(shè)計(jì)及室內(nèi)性能評(píng)價(jià)

1.1.1 原材料質(zhì)量檢測(cè)

1.1.1.1 瀝青

瀝青膠結(jié)料采用江陰寶利生產(chǎn)的SBS改性瀝青，試驗(yàn)各項(xiàng)指標(biāo)如表1所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，該瀝青質(zhì)量符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)的要求[3]。

表1 瀝青技術(shù)性質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果表

1.1.1.2 集料

集料采用玄武巖礦料，各檔集料規(guī)格為：1#料10～15 mm、2#料5～10 mm、4#料0～3 mm。檢測(cè)結(jié)果如表2所示，集料質(zhì)量符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)的要求。

表2 集料技術(shù)性質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果表

1.1.2 礦料級(jí)配設(shè)計(jì)及最佳瀝青用量確定

根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)對(duì)SMA型混合料配合比設(shè)計(jì)的規(guī)定，初選三種級(jí)配，進(jìn)行瀝青混合料體積指標(biāo)測(cè)試，根據(jù)粗骨料骨架間隙率和礦料間隙率試驗(yàn)結(jié)果選擇設(shè)計(jì)級(jí)配(見表3)。

表3 集料、礦粉篩分結(jié)果和合成級(jí)配表

根據(jù)表3的合成級(jí)配及密度試驗(yàn)結(jié)果，估算三種級(jí)配的瀝青混合料瀝青含量為5.6%。由三種合成級(jí)配估算的初始瀝青含量分別拌制瀝青混合料，測(cè)定試件各項(xiàng)指標(biāo)。

如表4試驗(yàn)結(jié)果顯示：級(jí)配A的空隙率和級(jí)配C的間隙率不符合要求，級(jí)配B滿足設(shè)計(jì)要求，故采用級(jí)配B為設(shè)計(jì)級(jí)配。

初選設(shè)計(jì)級(jí)配B以預(yù)估的瀝青用量按間隔為0.3%拌制瀝青混合料，成型三組試件，測(cè)定馬歇爾試驗(yàn)指標(biāo)。不同瀝青含量馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表4 三種級(jí)配的馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果表

表5 設(shè)計(jì)礦料級(jí)配不同瀝青含量的馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果表

根據(jù)SMA路面設(shè)計(jì)要求結(jié)合實(shí)際工程情況，本次設(shè)計(jì)最佳瀝青用量為5.6%，且其他指標(biāo)(VMA、VCA、穩(wěn)定度、飽和度等)均滿足設(shè)計(jì)要求。最佳瀝青用量為5.6%，配合比為1#料∶2#料∶4#料∶礦粉=36%∶42%∶12%∶10%，聚丙烯腈纖維內(nèi)摻量為瀝青混合料的2‰。

1.1.3 性能試驗(yàn)

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)試驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行路用性能試驗(yàn)[4]，試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 SMA-13混合料路用性能試驗(yàn)結(jié)果表

從表6試驗(yàn)結(jié)果可以看出，添加聚丙烯腈纖維的改性瀝青SMA-13混合料的動(dòng)穩(wěn)定度達(dá)到8 431次/mm，浸水殘留穩(wěn)定度達(dá)到90.2%，凍融劈裂強(qiáng)度比達(dá)到86.5%，低溫最大破壞應(yīng)變達(dá)到2 841.6 μ?，表明改性瀝青SMA-13混合料具有較優(yōu)的路用性能。

1.2 薄層瀝青鋪裝復(fù)合件力學(xué)性能

相關(guān)研究表明，由于橋面板與防水粘結(jié)層模量差異較大，導(dǎo)致橋面最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在橋面板與瀝青鋪裝層之間，破壞形式通常為剪切破壞，表現(xiàn)為推移(在ABAQUS中表現(xiàn)為粘結(jié)滑移)，而在惡劣交通條件下(如急彎、陡坡區(qū)域)，可能導(dǎo)致面層和主梁脫離，因此有必要選擇性能較優(yōu)的防水粘結(jié)材料[5]。分別選擇水性環(huán)氧防水粘結(jié)層材料與TLT-特種防水粘結(jié)層材料，預(yù)制水泥混凝土板，噴灑防水粘結(jié)層和橋面鋪裝混合料，碾壓成復(fù)合結(jié)構(gòu)試件，并通過(guò)直接拉伸試驗(yàn)、剪切性能試驗(yàn)、老化后剪切試驗(yàn)、老化后拉拔試驗(yàn)對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行評(píng)估，以此優(yōu)選防水粘結(jié)層材料。

1.2.1 延伸性能

防水粘結(jié)層材料拉伸試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 拉伸試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比柱狀圖(20 ℃)

從圖1試驗(yàn)結(jié)果可以看出：

(1)在20 ℃時(shí)，水性環(huán)氧防水粘結(jié)層材料的直接拉伸強(qiáng)度均值為1.21 MPa，而TLT-特種防水粘結(jié)層材料的直接拉伸強(qiáng)度均值為0.26 MPa。從材料自身內(nèi)聚力與拉伸強(qiáng)度角度分析，水性環(huán)氧防水粘結(jié)層材料的直接拉伸強(qiáng)度大于TLT-特種防水粘結(jié)層材料。

(2)在20 ℃時(shí)，水性環(huán)氧防水粘結(jié)層材料的斷裂延伸率均值為460.57，而TLT-特種防水粘結(jié)層材料的斷裂延伸率均值是166.42，與TLT-特種防水粘結(jié)層材料相比，水性環(huán)氧防水粘結(jié)層材料在20 ℃的延伸性能優(yōu)良。

1.2.2 抗剪強(qiáng)度

相關(guān)實(shí)橋測(cè)試表明，防水粘結(jié)層材料受到高溫環(huán)境的影響較大，即防水粘結(jié)層間的抗剪強(qiáng)度在60 ℃時(shí)要求最高。復(fù)合件60 ℃剪切試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比曲線圖(60 ℃)

從圖2試驗(yàn)結(jié)果可以看出：在60 ℃時(shí)，三種防水粘結(jié)材料的抗剪強(qiáng)度隨著灑布量的增加呈先增加后減小的趨勢(shì)；三種防水粘結(jié)材料的最佳灑布量均為0.8 kg/m2，其中水性環(huán)氧防水粘結(jié)層材料、TLT-特種防水粘結(jié)層材料的60 ℃抗剪強(qiáng)度明顯優(yōu)于改性乳化瀝青+碎石。

1.2.3 抗拉強(qiáng)度

復(fù)合件拉伸試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 20 ℃拉伸試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比曲線圖

從圖3試驗(yàn)結(jié)果可以看出：在20 ℃時(shí)，三種防水粘結(jié)材料的抗拉強(qiáng)度隨著灑布量的增加呈先增加后減小的趨勢(shì)；三種防水粘結(jié)材料的最佳灑布量均為0.8 kg/m2，其中水性環(huán)氧防水粘結(jié)層材料、TLT-特種防水粘結(jié)層材料的20 ℃抗拉強(qiáng)度明顯優(yōu)于改性乳化瀝青+碎石。

1.2.4 加速老化后抗剪強(qiáng)度

加速老化后的剪切試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 加速老化后剪切試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比柱狀圖(20 ℃)

從圖4試驗(yàn)結(jié)果可以看出：水性環(huán)氧防水粘結(jié)層材料加速老化后抗剪強(qiáng)度最大，改性乳化瀝青+碎石材料加速老化后抗剪強(qiáng)度最小，TLT-特種防水粘結(jié)層材料加速老化后抗剪強(qiáng)度居中。

1.2.5 加速老化后抗拉強(qiáng)度

加速老化后的拉拔試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 加速老化后拉拔試驗(yàn)結(jié)果圖(20 ℃)

從圖5試驗(yàn)結(jié)果可以看出：水性環(huán)氧防水粘結(jié)層材料加速老化后抗拉強(qiáng)度最大，改性乳化瀝青+碎石材料加速老化后抗拉強(qiáng)度最小，TLT-特種防水粘結(jié)層材料加速老化后抗拉強(qiáng)度居中。

綜合直接拉伸試驗(yàn)、剪切性能試驗(yàn)、老化后剪切試驗(yàn)、老化后拉拔試驗(yàn)的各項(xiàng)結(jié)果，水性環(huán)氧防水粘結(jié)層材料的抗剪強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、老化后抗剪強(qiáng)度、老化后抗拉強(qiáng)度較優(yōu)，因此選擇水性環(huán)氧防水粘結(jié)層材料作為水泥混凝土橋面薄層瀝青鋪裝的防水粘結(jié)層材料。

2 試驗(yàn)段應(yīng)用

2.1 工程應(yīng)用

2.1.1 試驗(yàn)段方案

該試驗(yàn)段依托南京G312國(guó)道某中橋，試驗(yàn)段長(zhǎng)度為30 m，幅寬為8 m，采用的橋面鋪裝方案如圖6所示。

圖6 試驗(yàn)段橋面鋪裝方案示意圖

2.1.2 工后檢測(cè)

本次試鋪段現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)采用隨機(jī)抽檢的方式進(jìn)行，其路面拉拔強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度、滲水系數(shù)均滿足規(guī)范要求，芯樣壓實(shí)度也滿足規(guī)范要求(見下頁(yè)圖7～10)。

圖7 各測(cè)點(diǎn)拉拔試驗(yàn)結(jié)果柱狀圖(25 ℃)

圖8 各測(cè)點(diǎn)剪切試驗(yàn)結(jié)果柱狀圖(25 ℃)

圖9 各測(cè)點(diǎn)芯樣壓實(shí)度試驗(yàn)結(jié)果柱狀圖

圖10 各測(cè)點(diǎn)滲水系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果柱狀圖

2.1.3 試驗(yàn)段后期觀測(cè)

通車半年后，瀝青路面表面沒(méi)有車轍、水損害等病害，表現(xiàn)出良好的抗車轍性能和較好的抗水損害性能。

2.2 經(jīng)濟(jì)效益分析

目前，江蘇省內(nèi)常用的橋面鋪裝均為兩層，下層為AC-16，上層為AC-13，防水粘結(jié)層材料采用改性乳化瀝青，每噸大約為6 000元左右(含材料費(fèi)和施工費(fèi))，用量為1.5～2.0 kg/m2,所用集料單價(jià)按平均100元/t計(jì)，密度取2.43 t/m3，油石比按5.5%計(jì)。而改性瀝青SMA-13混合料單價(jià)為1 400元/m2，油石比按5.7%計(jì)，水性環(huán)氧防水粘結(jié)層工程費(fèi)用約30元/m2。據(jù)此不同組合，計(jì)算一般橋面鋪裝層的工程造價(jià)如表7所示。

表7 一般橋面鋪裝方案造價(jià)(每m2)估算表

以試驗(yàn)工程為例，按一個(gè)1 km長(zhǎng)的簡(jiǎn)支梁橋計(jì)算，橋面寬度為8 m，三種方案的建設(shè)造價(jià)如表8所示。

表8 試驗(yàn)段橋面鋪裝方案總造價(jià)估算表

表8結(jié)果顯示，采用方案一單層鋪裝的造價(jià)比方案二和方案三的造價(jià)分別降低了28.6%和34.3%，具有較為明顯的直接經(jīng)濟(jì)效益。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)添加聚丙烯腈纖維的改性瀝青SMA-13混合料的動(dòng)穩(wěn)定度達(dá)到8 431次/mm，浸水殘留穩(wěn)定度達(dá)到90.2%，凍融劈裂強(qiáng)度比達(dá)到86.5%，低溫最大破壞應(yīng)變達(dá)到2 841.6 μ?，這表明改性瀝青SMA-13混合料具有較優(yōu)的路用性能。

(2)綜合直接拉伸試驗(yàn)、剪切性能試驗(yàn)、老化后剪切試驗(yàn)、老化后拉拔試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果，水性環(huán)氧防水粘結(jié)層材料的抗剪強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、老化后抗剪強(qiáng)度、老化后抗拉強(qiáng)度較優(yōu)。

(3)試驗(yàn)段路面拉拔強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度、滲水系數(shù)均滿足規(guī)范要求，芯樣壓實(shí)度也滿足規(guī)范要求。采用方案一單層鋪裝的造價(jià)比方案二和方案三的雙層鋪裝造價(jià)分別降低了28.6%和34.3%。