水泥混凝土桥面沥青铺装病害机理分析

2016-06-05郑毅强李志栋

工程与建设 2016年5期

关键词：装层层间桥面

郑毅强，李志栋

(1.安徽省交通控股集团有限公司，安徽合肥 230088；2.中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西西安 710075)

水泥混凝土桥面沥青铺装病害机理分析

郑毅强1，李志栋2

(1.安徽省交通控股集团有限公司，安徽合肥 230088；2.中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西西安 710075)

水泥混凝土桥面沥青铺装病害种类繁多，成因复杂，严重影响结构安全性能。文章对铺装病害成因进行分类归纳，结合工程实例对病害的形成机理进行探讨，并提出病害预防措施及铺装设计改进方法，供铺装设计与施工参考。

沥青铺装；病害；粘结层；超载

0 引言

不同结构的水泥混凝土桥面沥青铺装系在经受交通、环境荷载共同作用下，病害的主导类型及其成因具有其独特性，与地区、桥梁结构、交通条件、气候环境、施工条件、设计水平等因素密切关联[1-4]。本文针对裂缝、唧浆、坑槽、车辙、推移、拥包等显性病害和水损害、层间粘结失效等通过人工或者仪器难以从表观识别的隐性变害对水泥混凝土桥面铺装病害形成机理进行探讨。

1 沥青铺装系主导病害成因

1.1 桥梁上部结构及线型的影响

桥梁的上部结构及桥梁线形对桥面铺装层的耐久性影响较大，其对沥青铺装系病害的影响是永久性的，如梁桥横隔梁或连续梁支座处负弯矩的影响、桥面板横向传荷体系的破坏以及桥梁伸缩缝的影响。混凝土桥面板的材料性能、混合料设计及其施工对沥青铺装系性能也有重要影响，如果桥面防水和排水体系缺失或不完善，水分将通过沥青铺装系进入混凝土桥面板，使其发生冻融破坏、钢筋锈蚀与碱集料反应。因此，对铺装前桥面板表面的清洁程度、微裂缝预防、水泥浮浆清除、振捣方式、养护时机、潮湿程度、粗糙度、粘结剂的应用等都要严格的控制。

1.2 桥面系施工的影响

桥面系施工导致的铺装病害主要表现在：桥面板的平整度不够可能引起铺装层的离析，压实不均、桥面板调平层混凝土强度不足都将使得在沥青铺装系铺装之前桥面板就出现裂纹或微裂缝，为铺装层带来重大安全隐患。这种病害在京秦高速公路大石河桥上出现[5]：① 桥面钢筋网设置不合理引起桥面板受力不均。② 混凝土桥面板表面处治不合理以及下承层表面污染都可能引起或加剧推移、拥包等病害的出现。③ 桥面板养生不足将造成防水粘结层产生鼓包、脱皮等，产生层间粘结失效。④ 防水粘结层施工不良使其难以发挥作用。⑤ 沥青铺装系厚度不一、压实不足都将引起早期水损坏、松散、坑槽等。⑥ 沥青铺装系下承层施工温度过高也会造成防水层的破坏。

1.3 沥青铺装系设计的影响

沥青铺装系结构由沥青铺装系、防水粘结层、混凝土桥面板组成了“刚+柔+刚”的三明治结构，其中，柔性防水粘结层的存在将使得本来具备抗压优势的沥青混凝土层底承受了较大的弯拉应力，更容易在层间产生“剪切滑动效应”。当然，铺装层及防水粘结层厚度也有一定影响，据国内工程实践及计算分析，当铺装层厚度小于8 cm时，易产生层间剪切破坏，但当厚度增加至16 cm时，铺装层表面最大剪应力τmax不再变化，不过从抗疲劳性能考虑，厚度不宜太大。

1.3.1 沥青混合料材料及路用性能的影响

沥青铺装体系主要材料为沥青粘结料、集料及其他改性剂或添加剂，其材料性能与车辙、推移、拥包、坑槽、横缝等铺装层病害有直接关系，此外还有气温、水分、交通等外因影响。

混合料级配对其耐久性影响较大，对于密级配沥青混合料，级配是否合理主要对其空隙率有影响。对于OGFC等开级配磨耗层或PAC等排水面层而言，混合料空隙率高达18%～22%，这样就使得磨耗层底部与下面层或防水粘结层界面的集料接触点减少了近20%，造成层间粘结力的降低，最好在开级配磨耗层底部铺筑改性稀浆封层或SBS改性热融沥青碎石。

混合料的沥青用量也是重要因素之一。当沥青用量不足时，集料表面沥青膜厚度就减小，混合料的水稳定性、低温抗裂性能就减小，容易导致坑槽、裂缝等病害。从河北省宣大、京石、保津、京秦高速多座混凝土桥梁调查结果来看，采用SMA结构的铺装层普遍存在渗水、松散等病害，究其原因主要因为木质素纤维掺量较小，仅为3‰～4‰，这样使得本来要求高沥青含量的SMA沥青用量不足，空隙率偏大，不能起到密实封水作用[6]。尤其，当桥面铺装层与相邻路面没有同步摊铺的时候，桥面铺装层的混合料就需要拌和楼单独拌制沥青混合料，由于沥青铺装层的混合料需求量较小，后场拌和时混合料质量难以保证。

沥青材料的高温稳定性、低温抗裂性、耐疲劳性能对混合料的性能至关重要。在南方高温地区，夏季桥面最高温度高达70 ℃以上，远远高于沥青混合料动稳定度60 ℃的要求；西北、东北等寒冷地区，冬季的极端低温产生的温度应力也可能超过沥青混合料的低温抗裂强度，产生横缝；中原地区虽然夏季不太热、冬季不太冷，但是温度变化较为频繁，容易导致混合料的温度疲劳破坏，使沥青铺装层由裂纹发展为裂缝。

沥青与集料粘附性不能满足要求时，混合料的水稳定性就较差，也将导致铺装层抗水损能力下降，最终出现裂缝、松散、唧浆、坑槽等病害。

1.3.2 沥青铺装系结构组合影响

柔性防水粘结层的存在将使得本来具备抗压优势的沥青混凝土层底承受了较大的弯拉应力。防水粘结层如同软夹层一样夹在两种刚性结构层之间，在轮载作用下产生的最大剪应力一般存在于4～5 cm处，多为0.25～0.53 MPa，加上温度应力，往往大于普通混合料0.6～0.8 MPa的抗剪强度，从而将更容易在层间产生剪切滑动效应。

1.3.3 铺装层及防水粘结层厚度影响

混凝土桥面底涂层、下封层、防水层、下面层、粘结层、磨耗层或上面层的厚度对铺装层内、铺装层/粘结层、粘结层内、粘结层/桥面四种关键位置的最大剪应力的影响是不同的。对于目前国内常用的3～5 mm粘结防水层，关键位置的最大剪应力τmax均变化较小，但是当厚度增加到10 cm时，铺装层内τmax由0.95 MPa下降到0.82 MPa，其他位置τmax由0.2 MPa下降到0.16 MPa，由此可知目前的粘结层厚度偏薄。铺装层厚度在8～10cm内变化时，对铺装层内τmax影响不大，而防水层内τmax却出现峰值，当增加到16 cm时，粘结层内τmax迅速下降近40%[7]。

铺装层的结构组合与厚度对其性能的影响往往相互联系。有调查表明：沥青铺装层出现了坑槽，表面上与混合料稳定性有关，实际上与铺装层结构及其厚度有关。

1.3.4 层间粘结状况

桥面铺装层体系的层间粘结[8]包括：沥青层之间粘结、沥青层与防水层粘结、防水层与桥面板混凝土基层处治剂粘结及基层混凝土处治剂与基层混凝土粘结。

1.4 交通及自然环境的影响

超载、超限对桥面铺装层的破坏尤为严重，尽管对此进行了治理，但仍然较为普遍，如图1所示2012年垮塌的哈尔滨阳明滩大桥上4辆重卡中有3辆超载均大于300%。

图1 阳明滩大桥

该桥垮塌的原因主要为：① 超载、超限大大增加了一次性破坏的可能性[9-10]。如图1(b)所示，当超载20%时，寿命折减率近50%，而当超载率达到300%时，沥青铺装系使用寿命接近于0，说明此时的铺装层急需大修了。这一点也得到美国、南非研究的证实，即轴载超限100%时，对路面的损害将是标准轴载的4～60倍[11]。按照超载300%计算，当轴载为400 kN时，折减后剪应力将达到0.323 MPa，远远超过了规范抗剪强度要求。② 超载使车辆在桥头、桥梁伸缩缝处的刹车和换档几率大大增加，加剧了对桥面铺装层的冲击，更容易产生剪切破坏。③ 交通过度渠化使得行车道上沥青铺装系经受3～5倍于其他车道的交通荷载作用。④ 桥梁结构暴露在空气中，对温度更为敏感，容易出现冬季“冰柜效应”和夏季的“煎烤效应”。⑤ 混凝土桥面板与沥青混凝土的差异性胀缩将导致表面干缩裂缝。⑥ 沥青铺装系的胀缩受到混凝土板约束时，将产生较大的温缩裂缝。⑦ 当车速较低时，雨水将通过地表径流的形式“渗入”混合料中；当车速较高时，动水压力作用将使得水分被高速“挤入”沥青混合料中。⑧ 冰冻、海洋、工业酸雾及酸雨地区的融冰雪剂、盐、酸等均对铺装层有一定的影响。