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.蘇交科集團股份有限公司，江蘇 南京 211112；3.新型道路材料國家工程研究中心，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)劣對整個橋面影響巨大。我國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、性能指標及施工質(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)計合理的鋪裝層厚度、混合料和粘結(jié)層，實現(xiàn)鋪裝層整體厚度的減??；另一方面也可采用雙層超薄結(jié)構(gòu)，設(shè)計性能優(yōu)良且厚度較小的兩層結(jié)構(gòu)。但是目前國內(nèi)對于薄層橋面鋪裝技術(shù)的研究及應(yīng)用較少，因此本文主要針對厚度在4～7 cm的單層橋面鋪裝體系進行研究[1-2]。

本文針對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、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)護改造工程中進行試驗段試鋪和評估，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)試驗研究

1.1 薄層瀝青鋪裝材料設(shè)計及室內(nèi)性能評價

1.1.1 原材料質(zhì)量檢測

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，試驗各項指標如表1所示。試驗結(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)試驗結(jié)果表

1.1.2 礦料級配設(shè)計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SMA型混合料配合比設(shè)計的規(guī)定，初選三種級配，進行瀝青混合料體積指標測試，根據(jù)粗骨料骨架間隙率和礦料間隙率試驗結(jié)果選擇設(shè)計級配(見表3)。

表3 集料、礦粉篩分結(jié)果和合成級配表

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

如表4試驗結(jié)果顯示：級配A的空隙率和級配C的間隙率不符合要求，級配B滿足設(shè)計要求，故采用級配B為設(shè)計級配。

初選設(shè)計級配B以預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，測定馬歇爾試驗指標。不同瀝青含量馬歇爾試驗結(jié)果如表5所示。

表4 三種級配的馬歇爾試驗結(jié)果表

表5 設(shè)計礦料級配不同瀝青含量的馬歇爾試驗結(jié)果表

根據(jù)SMA路面設(shè)計要求結(jié)合實際工程情況，本次設(shè)計最佳瀝青用量為5.6%，且其他指標(VMA、VCA、穩(wěn)定度、飽和度等)均滿足設(shè)計要求。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

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

表6 SMA-13混合料路用性能試驗結(jié)果表

從表6試驗結(jié)果可以看出，添加聚丙烯腈纖維的改性瀝青SMA-13混合料的動穩(wěn)定度達到8 431次/mm，浸水殘留穩(wěn)定度達到90.2%，凍融劈裂強度比達到86.5%，低溫最大破壞應(yīng)變達到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 薄層瀝青鋪裝復合件力學性能

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，碾壓成復合結(jié)構(gòu)試件，并通過直接拉伸試驗、剪切性能試驗、老化后剪切試驗、老化后拉拔試驗對其力學性能進行評估，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)層材料拉伸試驗結(jié)果如圖1所示。

圖1 拉伸試驗結(jié)果對比柱狀圖(20 ℃)

從圖1試驗結(jié)果可以看出：

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

(2)在20 ℃時，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 抗剪強度

相關(guān)實橋測試表明，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)層間的抗剪強度在60 ℃時要求最高。復合件60 ℃剪切試驗結(jié)果如圖2所示。

圖2 抗剪強度試驗結(jié)果對比曲線圖(60 ℃)

從圖2試驗結(jié)果可以看出：在60 ℃時，三種防水粘結(jié)材料的抗剪強度隨著灑布量的增加呈先增加后減小的趨勢；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 ℃抗剪強度明顯優(yōu)于改性乳化瀝青+碎石。

1.2.3 抗拉強度

復合件拉伸試驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 20 ℃拉伸試驗結(jié)果對比曲線圖

從圖3試驗結(jié)果可以看出：在20 ℃時，三種防水粘結(jié)材料的抗拉強度隨著灑布量的增加呈先增加后減小的趨勢；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 加速老化后抗剪強度

加速老化后的剪切試驗結(jié)果如圖4所示。

圖4 加速老化后剪切試驗結(jié)果對比柱狀圖(20 ℃)

從圖4試驗結(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度最大，改性乳化瀝青+碎石材料加速老化后抗剪強度最小，TLT-特種防水粘結(jié)層材料加速老化后抗剪強度居中。

1.2.5 加速老化后抗拉強度

加速老化后的拉拔試驗結(jié)果如圖5所示。

圖5 加速老化后拉拔試驗結(jié)果圖(20 ℃)

從圖5試驗結(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度最大，改性乳化瀝青+碎石材料加速老化后抗拉強度最小，TLT-特種防水粘結(jié)層材料加速老化后抗拉強度居中。

綜合直接拉伸試驗、剪切性能試驗、老化后剪切試驗、老化后拉拔試驗的各項結(jié)果，水性環(huán)氧防水粘結(jié)層材料的抗剪強度、抗拉強度、老化后抗剪強度、老化后抗拉強度較優(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 試驗段應(yīng)用

2.1 工程應(yīng)用

2.1.1 試驗段方案

該試驗段依托南京G312國道某中橋，試驗段長度為30 m，幅寬為8 m，采用的橋面鋪裝方案如圖6所示。

圖6 試驗段橋面鋪裝方案示意圖

2.1.2 工后檢測

本次試鋪段現(xiàn)場檢測采用隨機抽檢的方式進行，其路面拉拔強度、剪切強度、滲水系數(shù)均滿足規(guī)范要求，芯樣壓實度也滿足規(guī)范要求(見下頁圖7～10)。

圖7 各測點拉拔試驗結(jié)果柱狀圖(25 ℃)

圖8 各測點剪切試驗結(jié)果柱狀圖(25 ℃)

圖9 各測點芯樣壓實度試驗結(jié)果柱狀圖

圖10 各測點滲水系數(shù)試驗結(jié)果柱狀圖

2.1.3 試驗段后期觀測

通車半年后，瀝青路面表面沒有車轍、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(含材料費和施工費)，用量為1.5～2.0 kg/m2,所用集料單價按平均100元/t計，密度取2.43 t/m3，油石比按5.5%計。而改性瀝青SMA-13混合料單價為1 400元/m2，油石比按5.7%計，水性環(huán)氧防水粘結(jié)層工程費用約30元/m2。據(jù)此不同組合，計算一般橋面鋪裝層的工程造價如表7所示。

表7 一般橋面鋪裝方案造價(每m2)估算表

以試驗工程為例，按一個1 km長的簡支梁橋計算，橋面寬度為8 m，三種方案的建設(shè)造價如表8所示。

表8 試驗段橋面鋪裝方案總造價估算表

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

3 結(jié)語

(1)添加聚丙烯腈纖維的改性瀝青SMA-13混合料的動穩(wěn)定度達到8 431次/mm，浸水殘留穩(wěn)定度達到90.2%，凍融劈裂強度比達到86.5%，低溫最大破壞應(yīng)變達到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、剪切性能試驗、老化后剪切試驗、老化后拉拔試驗的試驗結(jié)果，水性環(huán)氧防水粘結(jié)層材料的抗剪強度、抗拉強度、老化后抗剪強度、老化后抗拉強度較優(yōu)。

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