沥青混凝土桥面铺装层质量浅谈

张一帆

1 概述

桥面铺装(bridge deck pavement)指的是为保护桥面板和分布车轮的集中荷载,用沥青混凝土、水泥混凝土、高分子聚合物等材料铺筑在桥面板上的保护层,又称车道铺装,其作用是保护桥面板防止车轮或履带直接磨耗面,保护主梁免受雨水侵蚀,并借以分散车轮的集中荷载。常用的桥面铺装有水泥混凝土,沥青混凝土两种铺装形式。在不设防水层的桥面上,也有采用防水混凝土铺装的。近年来,临汾地区沥青混凝土复合桥面铺装使用较多,无论是水泥混凝土复合桥面、钢结构复合桥面,沥青混凝土铺装早期破损现象也时有发生,如出现局部铺装脱落、严重车辙破损等,这些病害比较普遍,直接影响了行车舒适性、交通安全及钢结构桥梁耐久性。

2 破坏原因的简要分析

2.1 主要病害

1)铺装层内部产生较大的剪应力,引起不确定破坏面的剪切变形,或者由于铺装层与桥面板层间结合面粘结力差,抗水平剪切能力较弱,在水平方向上产生相对位移发生剪切破坏,产生推移、壅包等病害;2)因温度变化并伴随桥面板或梁结构的大挠度而产生的裂隙,在车辆荷载及渗入水的作用下产生面层松散和坑槽破坏。

2.2 造成沥青铺装层早期破损的原因

1)荷载因素:交通量猛增、车辆大型化、荷载等级超过设计标准。2)结构因素:由于受力体系较为复杂,各种形式的主梁及铺装本身的构造均影响其应力的分布。对复合桥面沥青铺装特别是中小跨径小铰缝简支梁板桥、大跨径钢结构桥面,梁板整体性差、铰缝处及支座负弯矩区开裂。结合层、防水层等界面材料未进行重点要求,致使结合层抗剪强度不足。3)施工因素:对钢筋混凝土简支梁板桥,支座安装不稳或垫块材料强度不高,造成个别梁板行车挠动,铰缝开裂甚至脱落。梁板侧向结合面处理不规范、铰缝质量差。梁板安装标高控制不精确,有些现浇梁板堆载预压不规范,实际沉降不均匀造成梁顶标高偏差过大,因而铺装层厚薄不一致,从而降低了梁板与铺装层的整体性强度。部分梁板顶部清理不彻底,使混凝土与沥青面层的结合层施工质量较差。面层沥青局部过薄、沥青混合料配合比控制不严、混合料离散性过大、现场摊铺碾压环节局部离析、碾压不密实。4)环境因素:厄尔尼诺现象使全球气候变暖,夏季炎热天气延长,冬季极值气温更低。5)使用管理因素:车道间车流量分布不均衡,偏载使用。最高及最低气温等极值天气使用管养措施可能不够到位,治超力度不足等。

3 改进途径

3.1 优化设计

水泥混凝土桥面铺装层的结构组合:水泥混凝土桥面铺装层形式有沥青混凝土、普通水泥混凝土、钢纤维混凝土、连续配筋混凝土、扩张网混凝土等。国内外经过几十年的实践与探索,结合各自国家和地区的具体情况,在水泥混凝土桥面铺装方面选用的结构类型与厚度不尽相同,一般采用沥青混凝土铺装层,包括防水层和沥青混凝土面层。

3.1.1 设计因素

1)剪应力对厚度要求。通过沥青类桥面铺装层的破坏现象分析,使用摩尔—库仑强度理论来确定铺装层厚度是比较合适的,即要求桥面与沥青铺装层之间的层间剪应力不超过层间抗剪强度,即:τf≤τR。其中,τf为层间剪应力;f为制动摩擦系数,可取0.2或0.5,f=0.2时表示缓慢制动,f=0.5时表示紧急制动情况;τR为层间抗剪强度。采用涂膜层材料与防水层粘结时,在满足桥面铺装结构层间抗剪强度的要求下,铺装结构层厚度宜在5 cm～8 cm。2)防水层对厚度要求。随着沥青层厚度的增加,层间剪应力降低,当沥青层厚度大于6 cm时,基本可满足防水层不被剪切破坏的要求,如沥青层厚度在10 cm以上,防水层一般不会因水平剪应力而破坏。3)平整度对厚度的要求。满足平整度指标要求的沥青层厚度宜为6 cm～15 cm。4)施工工艺对厚度的要求。考虑到沥青混合料的摊铺、碾压等施工工艺,尤其是材料离析现象,综合考虑沥青混合料铺装层的施工厚度不宜小于最大公称粒径的2.5倍,最好为3倍。如表面层采用AK-16A,则结构层厚度宜为4 cm～5 cm;AK-13A时则宜为3 cm～4 cm。5)厚度设计方案。根据以上分析提出沥青混凝土桥面铺装层结构为:4 cm AK-13抗滑表层+2 cm AC-10Ⅰ细粒式沥青混凝土+粘结与防水层+桥面防水混凝土。为保护水泥混凝土桥面及加强沥青面层与水泥混凝土桥面的粘结,需在水泥混凝土桥面上设置粘结与防水层结构,采用SBS改性沥青作涂膜防水层。

3.1.2 桥面铺装排水设计

1)桥面排水措施。桥面排水包括桥面铺装层表面排水和桥面铺装层结构层内部排水两部分。为迅速排除桥表面积水,除原有的泄水管与泄水孔外,在桥梁两外侧边缘(或弯桥的弯道内侧)设置桥面排水盲沟,以加强桥面铺装内部排水,尺寸为10 cm×5 cm,用沥青碎石或沥青贯入式碎石填充,要求空隙率大于20%。2)桥面防水措施。为防止雨水滞积在桥面或渗入到桥面结构层内(或梁体)而影响桥梁使用耐久性,除做好桥表面排水系统外,还应在混凝土桥面设置防水层。设置防水层至关重要,可有效防止渗入的雨水再渗入到钢筋混凝土结构内,对混凝土结构起到很好的保护作用。

3.2 掌握现场指标控制的操作技巧

沥青混合料的各项性能指标要求经常是矛盾的,因此熟悉各项技术指标的实际控制意义在于灵活应用,努力实现沥青混合料的最佳综合性能指标。如实际空隙率与集料品种、级配、含油量、摊铺均匀性、摊铺及碾压温度、压实功等均有关系。因此,要控制沥青混合料的实际性能指标,应从集料、结合料、混合料配合比、混合料技术指标、施工工艺进行系统控制,全面控制方能达到设计要求。本人认为尤其应抓好以下几点:1)严格按规范要求进行目标配合比、生产配合比验证。2)抓好原材料料源,提高稳定性、均匀性。3)采用先进的沥青拌和加工设备,如进口拌和楼,精确计时,提高混合料均匀性,技术性能指标稳定性。4)加强前场与后场的配合,注意拌合能力与摊铺能力匹配。

3.3 重视缺陷责任期内管理

项目实施完成后,实体质量已经定型,合理使用及时修补处理质量缺陷仍是提高路面使用寿命的重要环节。在缺陷责任期内承包人应注意定期检查,及时处理施工缺陷。如混合料不均匀、施工碾压不足造成局部泛油;车辙车道凹陷,局部雨天积水、路面坑洞等等。接管养护单位在使用管理方面应注意:1)合理组织交通,提高车道间车流量分布的均衡性,减少偏载使用。2)合理设置路口各向通行时间,避免在长陡坡等特殊部位车辆拥堵,减少汽车尾气加温造成轮迹带软化泛油,急转弯、急刹车造成局部车辙损害。3)加强关键阶段的针对性管养:如夏季对特殊路段采用多浇水喷淋、降低沥青表面温度。及时巡查、减少路段积水,及时清理路面泥砂等脏物,避免滑溜性污染。4)加强特殊时期的治超工作,如最高、最低气温时节,梅雨季节等,对可能产生大量车辙破坏、水损破坏的时机进行专项管理。5)做好交通量及轴载监测,对典型桥梁的变形观测,为今后设计、维修提供数据保障。

4 结语

本文对钢筋混凝土桥柔性桥面铺装的早期病害及其原因进行了分析与研究,总结了当前国内桥面铺装结构分析的主要方法,提出了用有限元分析需要注意的一些问题,指出了今后主要的研究方向。当务之急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;同时,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;另外,还要改进铺装技术及提高施工质量,保证设计模型的准确性,从根本上解决桥面铺装早期损坏问题。

[1]立 峰,钟 鸣,黄成造.桥面铺装设计方法探讨[J].中南公路工程,1999,24(2):20-22.

[2]景彦平.沥青结构及高聚物改性沥青机理研究[D].西安:长安大学,2006.

[3]张 磊.江阴大桥钢结构铺装桥面病害机理研究[D].南京:东南大学,2004.

[4]照宏朱,许志宏.柔性路面设计理论与方法[M].上海:同济大学出版社,1987.

[5]重庆交通科研设计院.宁波庆丰大桥钢桥面铺装建议方案[Z].2008.

[6]JTJ 071-98,公路工程质量检验评定标准[S].