沥青混凝土桥面铺装层的病害成因

尹萍

（青海交通职业技术学院交通土木工程系，青海西宁 810003)

近年来，沥青混凝土路面被广泛应用于公路与城市道路的施工中，该类型的路面具有施工及养护时间短、表面平整无接缝、行车安全性和舒适性强、低噪声、耐磨、振动小、养护维修简便等优点.但是，沥青混凝土铺装层破损现象也时有发生，突出表现在桥面铺装出现了一些较为普遍的病害，如开裂、车辙、拥包、松散等，直接影响了行车舒适性、交通安全及桥梁结构的耐久性，随之而来的维修和养护费用也成了巨大的经济负担.为此，笔者对沥青混凝土桥面铺装层的病害成因进行分析和总结.

1 桥面铺装层病害成因

桥面铺装层是直接承受各种车辆荷载和环境因素作用的功能层，其工作环境严酷，受力条件复杂，水泥混凝土桥梁沥青铺装层主要的病害有裂缝、推移、车辙、拥包、松散等，根据其成因可以归纳为气候条件、交通荷载和设计施工3个主要方面.

1.1 气候条件

气候条件对桥面铺装层具有直接影响，其中温度与雨水的作用最为突出.

1）温度.温度变化会导致铺装层的劲度不断发生变化从而直接影响沥青混凝土铺装层的力学特性.在高温条件下，铺装层材料的力学强度大幅度降低，材料本身也体现出粘塑性和流变性，在荷载作用下材料的残余变形增大，因此，在高温夏季易发生车辙破坏.在温度下降时，整个铺装体系的降温需要一个过程，这会在铺装结构内产生一定的温度梯度，面层遇降温而收缩的趋势会受到其下部桥面板的约束而产生拉应力，开始时沥青混合料的劲度相对较低，拉应力较小，但是随着进一步降温，混合料的劲度增加，从而伴随收缩趋势的进一步增强，导致拉应力超过沥青混凝土相应条件下的抗拉强度，便产生开裂.

2）雨水.雨水是沥青混凝土铺装层破坏的另一个重要因素.如果桥面铺装层未设防水层或者防水效果不好从面层渗入的雨水或防冻盐溶液会引起桥面板的损坏，甚至腐蚀主梁钢筋，威胁主梁安全，同时主梁下部出现盐霜或渗水现象，影响桥梁美观和桥下交通安全.特别是冬季的雨水和冰雪不能及时排除时，夜间冻结的层间水在白天由于温度和车辆荷载的作用下会融化，反复冻融会迅速降低铺装层的强度，导致沥青混凝土结构松散，层面滞留的水分在车辆荷载的反复作用下会造成脱层.

另外，动水压力的作用也不容忽视.桥面沥青混合料铺装层具有一定的孔隙率，如果桥梁铺装层的排水系统设计不当，雨水容易滞留在沥青混合料面层的孔隙内.当车辆高速通过时，行车车轮在瞬间会对路面产生巨大的脉冲动态水压，先是挤压迫使空隙中的滞留水沿隙四周挤压、渗流；车轮驶离时，轮后的真空抽吸、路面自身的回弹，又会促使结构内的滞留水产生抽吸和回流.动水压力理论分析和现场测定表明，动水压力随行车速度的提高呈几何级数增长.如此不断往复，动水压力 (空隙水压力)的挤压、抽涮频繁交替作用，促使空隙中的自由水往复剧烈地运动、冲刷.加之寒冬、炎夏、荷载应力等诸多不利因素相互作用和影响下的损伤和破坏，进而加速了沥青油膜与矿料颗粒之间的剥离，加剧了病变的恶性循环.可见，要求桥面防水粘结材料在这样的压力下保持良好的抗渗漏性是对材料性能的基本要求.

3）其他气候因素.桥面铺装在使用过程中，在阳光和空气等因素的综合作用下，沥青中的轻质组分逐渐挥发，并不断发生氧化聚合反应，使沥青中的油分、树脂逐渐减少，沥青质相对增多，而且沥青质会部分转化为沥青碳，致使沥青混合料的粘塑性降低，相继出现桥面铺装层干涩、裂缝甚至松散.随着老化现象的发展，沥青混合料的抗变形能力降低，在行车荷载和冰冻的作用下铺装层极易产生裂缝，最终形成龟裂而导致桥面铺装的破坏.

1.2 交通荷载

目前大部分高速公路上车辆的实际载重量超过了标定载重量很多，汽车的大型化及超载运营，加重了桥面铺装层的负荷，车轮荷载的重型化，加大了作用在桥面铺装层上的垂直力和水平力的综合作用，加剧了推移、拥包、铺装层剪切破坏等病害，而且荷载的大型化也给桥面带来了更大的冲击力、振动力，特别是路面不平整或桥面伸缩缝处，冲击力更大，从而造成桥面铺装层的过早破坏.其次，在对高速公路进行交通组织管理中，由于车道功能的不同，人为强制地使桥梁结构运营始终处于偏载状态，使主车道的铺装承担了比超车道高得多的运营应力水平，因此加快了主车道铺装层的疲劳和破坏.

1.3 设计施工

设计施工因素主要体现在结构、材料与施工方面.

1）结构方面.随着材料工业的发展，桥梁承重结构的改进，使桥梁主梁能以较柔的结构达到受力要求，高等级公路大跨桥梁的横向越来越宽.然而水泥混凝土桥梁构理论对桥面铺装本身的受力与计算甚少，桥面铺装层在设计中只作为桥梁工程的附属结构，一般不做单独设计，普遍是在主粱顶面采用8～10 cm厚的沥青混凝土铺装作为磨耗层.由于对横向受力分析不够，主梁部分横向刚度过小，致使桥面铺装层承担了过多的次应力；而且由于主梁的横向分配力不一样，随着主梁受力大小，其挠度变化也不一样，在重复荷载作用下，桥面铺装受力分布受到影响；同时桥面铺装层还受混凝土徐变和收缩的影响以及超静定结构的次应力影响.因而，对沥青混凝土铺装层进行单独的力学分析和设计是很有必要的.

2）材料方面.铺面材料的抗剪切性能不足是目前材料面临的最主要问题，剪切破坏是桥面层最常见的破坏种类之一，剪切破坏有2种情况：一是桥面钢筋混凝土模量远大于沥青混凝土和防水层的模量，加之沥青混凝土层厚度较薄，沥青层内产生较大的剪应力而引起的不确定破坏面的剪切变形；二是防水层与沥青混凝土面层和桥面层间粘结力不足而发生剪切破坏.

3）施工方面.最主要的问题是铺装层与桥面板的粘结处理不好，在桥面铺装施工前，主梁表面未凿毛或凿毛的密度及深度不够、效果差，对梁板顶部表层的浮浆、泥砂、油污、松散混凝土清理不彻底，这些都严重影响桥面铺装层与梁顶面混凝土之间的粘结力，造成一定 “空鼓”现象，破坏了水泥混凝土的整体性，在车辆荷载的反复作用下，桥面铺装层容易出现开裂、松散等情况.其次，铺装层厚度和平整度控制不严.由于施工工艺控制欠佳，施工中主梁顶面标高与设计值相符比较困难，一般在测量主梁顶面标高后再对桥梁进行调坡.但后期往往由于工期紧、任务重、主梁与引桥合龙时间的差异等因素，易造成铺装层混凝土浇筑厚度偏小，使桥面铺装难以承受荷载的作用而产生病害.同时，平整度不足也会增加行车荷载对桥面的冲击，加速桥面的破坏.

从分析结果来看，解决沥青混凝土桥面铺装病害的关键是加快对沥青混凝土桥面铺装的进一步研究，以明确桥面铺装层各结构层计算模型、力学特性及相关参数，为桥面铺装的设计提供指导；其次，加强对各铺装层材料的材料性能指标和测试技术的研究，开发适应桥面破坏机理的新材料；再次，提高施工质量使设计意图得到完全实施；最后，做好气候条件的调查，进行合理的施工组织也必不可少.

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