基于实际工况的桥面板处理方法与效果

曾永旺+苏子元+孙晓文+侯贵+侯平+王选仓

摘 要：根据现有施工经验，提出以3个主要指标及1个附加指标来评价桥面板处理效果，通过室内试验，研究各种处理方法的处理效果与评价指标的合理性。结果表明：构造深度、糙化深度、摆值及露骨率能够准确反映桥面板的处理效果，不同桥面板处理方法中，铣刨、露石效果最好；凿点、刻槽次之；拉毛效果最差。此外，研究了桥面板层间工作状态，提出了桥面层间实际工况分级，并在此基础上推荐了不同工况下板面处理技术标准和相应的处理方法。

关键词：桥面铺装；处理方法；工况分级；评价指标

中图分类号：U443.33 文献标志码：B

文章编号：1000-033X（2017）03-0076-06

Abstract： According to the construction experience， three main indices and one additional index were put forward to evaluate the effect of bridge deck treatment， and the treatment effect and the rationality of the evaluation indices were studied through indoor experiment. The results show that the depth of structure， the depth of roughening， the pendulum value and the rate of exposed bone can accurately reflect the treatment effect of bridge deck. Among the treatment methods， milling has the best effect， and grooving is better than galling. In addition， the interlayer working state of bridge deck was researched， and the classification of actual working conditions of bridge deck was put forward， based on which the technical standards and corresponding treatment of bridge deck under different working conditions are recommended.

Key words： deck pavement； treatment method； working condition classification； evaluation index

0 引 言

防水黏結层是保证桥梁结构稳定性和层间黏结性的关键，铺设前采用露石、铣刨等方法对桥面板进行相应的处理，能大大延长桥梁的使用寿命[1-5]。目前常用的桥面处理方法主要有铣刨、露石、凿点、刻槽和拉毛等，这些方法一般是用物理或化学手段对桥面板制造一些表面纹理使板面凹凸不平，增加接触面积，在铺筑沥青铺装层后增加上下2层的嵌挤力，从而加强层间连接，避免铺装层破坏[6-12]。然而在现有研究中，人们只是论述了各种处理方法的具体施工工艺及注意事项，并没有对处理效果进行深入研究，导致无法判断不同板面处理方法的优劣及实际适用情况。

鉴于此，本文依据现有施工经验，提出以构造深度、摆值、糙化深度和露骨率作为桥面板处理效果的评价指标，通过室内试验，研究各种处理方法的处理效果，并以剪切试验验证所提评价指标的合理性。此外，本文利用有限元力学分析模型，全面研究铺装层厚度、铺装层模量、路面纵坡坡度、跨径、超载和路面温度对桥面层间应力的影响，在此基础上提出桥面层间综合工况分级。通过对拉毛、铣刨、露石、刻槽与凿点等方法处理桥面板综合效果的排序，提出各自的技术标准，并结合综合工况分级进行匹配，推荐不同工况下的板面处理方法。

1 桥面板处理效果评价指标

为了对桥面板处理方法进行对比分析，首先要提出相关指标及相应的试验方法。目前，国内并没有相关技术规范及标准对板面处理效果进行评价，本文根据施工经验，提出了3个主要指标及1个附加指标。

1.1 构造深度

构造深度指的是在一定路面面积内路表面混合料开口孔隙的平均深度[13-15]，主要用于路面的抗滑性能评价，本文提出将构造深度作为板面处理效果的一项评价指标。对于铣刨、露石等处理方法室内试验时，1个量砂筒的容积为25 mL，推平之后标准砂覆盖不均匀，所铺出的面积较小，影响数据的稳定性，故本文采用了2倍量砂筒容积的标准砂进行铺砂试验。构造深度DT计算公式如下

试验方法：用毛刷将板面清扫干净，然后用量砂筒量取2筒砂，慢慢地倒在板面上，用摊平器从中间向两边均匀摊平，使细砂填入板面上的凹坑中。用直尺量取所摊圆的2个垂直方向上的直径，取均值d，代入式（1）计算出构造深度。

1.2 糙化深度

糙化深度指的是板面处理的最大凹向高度，如果糙化深度太大，则洒铺黏层油时黏层油就会积聚在凹槽里，造成黏层油分布不均匀，表面黏层油过少，达不到应有的效果[16-17]，所以本文提出将糙化深度作为一项评价指标。

试验方法：首先，通过目测选取板面糙化深度较大处；然后，取适量的标准砂均匀铺平，用蘸有油的钢条竖向垂直插入所铺的标准砂中，并尽量多次插入；最后量取钢条上所黏标准砂的最高位置距钢条底端的距离，即糙化深度。

1.3 摆值

摆式仪测量值是路面现场检测抗滑性能的一项指标，用来反映路面的粗糙度，本文引入摆值来评价板面处理的效果。

试验方法：将板面用水湿润，调整摆式仪；记录试验温度后进行试验，读取摆值，在同一点连续测3次取平均值；最后进行温度修正，换算成20 ℃下的摆值。

1.4 露骨率

对于露石、铣刨等板面处理方法，本文参考相关地方规范引入露骨率评价石料的暴露程度，从而反映层间黏结性，计算公式如下

露石度指的是在板面110 cm×10 cm的范围内露出骨料（粒径在5 mm以上）的个数。

试验方法：在板面上取110 cm×10 cm的范围，数出露石个数，得到露石度，根据表1的最大露石度得到露骨率；同一处做3次平行试验，室内试验需进行面积等比换算。

2 室内试验及分析

2.1 桥面板处理效果对比

桥面板处理方法有拉毛、抛丸、露石、铣刨、打毛、刻槽、嵌石、凿点等，考虑桥面板常用的板面处理方法及实验室仪器条件，选取拉毛、铣刨、露石、刻槽、凿点方法进行试验。

水泥采用佛山南海水泥厂生产的P·O32.5普通硅酸盐水泥；石料采用三水大塘六和佛坳石场生产的石料；砂采用顺德水道河砂，所有原材料经检验全部符合规范要求。水、水泥、砂、石子质量比为0.45∶1∶1.56∶2.75，水灰比为0.45。

用拌和机将各种原材料进行拌制，将拌好的混凝土放于30 cm×30 cm×5 cm的车辙试模中，用振动台振动抹平，养生后进行试验。试验结果如图1～3所示。

（1）由图1可知，不同板面处理方法的构造深度由大到小依次为：铣刨、露石、刻槽、凿点、拉毛。在仅考虑构造深度这一参数时，推荐铣刨和露石作为板面处理的首选方法，其次考虑刻槽及凿点处理方法。

（2）由图2可知，不同板面处理方法的糙化深度由大到小依次为：铣刨、凿点、露石、刻槽、拉毛。在仅考虑糙化深度这一参数时，推荐铣刨、露石和凿点作为板面处理的首选方法。

（3）由图3可知，不同板面处理方法的摆值由大到小依次为：铣刨、露石、刻槽、凿点、拉毛。从构造深度可以看出，铣刨和露石的构造深度较大，而表面越粗糙，则摆值越大；凿点和刻槽的摆值相差不大。因此仅考虑摆值这一参数时，推荐铣刨和露石作为板面处理的首选方法。

（4）作为一个辅助性的指标，对于拉毛、刻槽和凿点不存在露骨率的概念，而对于铣刨和露石，测得露石的露骨率为78.5%，铣刨的露骨率为62%，2种处理方法的露骨率都达到了要求。

由以上对板面处理效果的3个重要指标和1个辅助指标的分析可知，露石和铣刨达到的效果要比其他3种方法好；拉毛处理后表面水泥浮皮没有得到清理，而刻槽和凿点只是清理了一部分水泥浮皮。因此在不考虑成本、施工工艺等其他影响因素时，推荐露石和铣刨作为桥面板板面处理的首选方法，其次考虑刻槽和凿点。

2.2 桥面板抗剪性能对比

为了进一步对比不同板面处理方法的层间性能，本文采用室内剪切试验进行分析。为了排除其他因素的影响，防水黏结材料选用SBS改性沥青，用量为1.4 kg·m-2，试验温度为25 ℃，剪切速率为10 mm·min-1，试验结果见图4。

由图4可知：铣刨和露石处理的桥面板的抗剪强度最高，其中露石法抗剪强度达到了0.67 MPa。这是因为这2种方法处理的板面表面浮皮基本都已处理干净，表面粗糙；当洒布黏结油、铺筑上层沥青混合料后，混合料中的碎石与板面形成了很好的嵌挤作用，抗剪强度自然也就增大。刻槽和凿点的抗剪强度在0.5 MPa左右，是因为这2种方法只是对部分混凝土表面进行了糙化处理，嵌挤作用相比铣刨和露石要弱一些。而拉毛的抗剪强度最低，是因为板面浆皮没有清理掉，糙化处理较差，嵌挤力较弱。

通过以上分析，不同板面处理方法的抗剪强度与本文提出的板面处理效果评价指标变化基本一致，驗证了本文所提指标的合理性。

3 桥面板层间工作状态及工况分级

3.1 桥面铺装层层间工作状态

本文利用有限元力学分析模型，全面研究铺装层厚度、铺装层模量、纵坡坡度、跨径、超载和路面温度等各种工况条件对高速公路桥面铺装层层间力学响应的影响，其结果见表2。

从表2可以看出：当铺装层厚度从4 cm增加到12 cm时，层间最大剪应力减小了23.53%；铺装层模量从1 000 MPa增加到1 800 MPa时，层间最大剪应力增大了11.11%；桥面纵坡度从1%调整至5%时，层间最大剪应力增大了18.52%；桥梁单孔跨径从5 m变为50 m时，层间最大剪应力增大了14.81%；当超载增加到100%时，层间最大剪应力增大了33.33%；当温度从10 ℃增加到45 ℃时，层间最大剪应力减小了16.67%。因此，本文研究的6种工况均对桥面铺装层层间工作状态有较大的影响。

3.2 桥面铺装路面综合工况分级

根据上文不同工况的有限元计算结果，将桥面层间剪应力按照各种工况从最不利水平到最佳水平进行排序，提出以桥面层间在不同工况不同水平下的最大剪应力作为单因素分级的一个指标。由表2计算出各种工况最大剪应力的平均值为0.29 MPa。因此，以0.29 MPa作为分级标准将工况级别分为2级：一级为不利工况下的桥面层间应力，最大剪应力不小于0.29 MPa；二级为一般工况下的桥面层间应力，最大剪应力小于0.29 MPa。依据该指标对不同工况进行基于桥面层间的单因素分级，如表3所示。

本文运用AHP法和熵值法分别求出各工况的主观权重和客观权值，再利用式（3）对2种权值进行优化，得到最终的权值，其结果见表4。

为了方便选择合适的板面处理方法和防水黏结层材料，需要对桥面层间工况进行综合因素分级。本文在研究铺装层厚度、铺装层模量、路面纵坡坡度、跨径、超载和路面温度对桥面铺装层层间工作状态影响的基础上，利用式（3）求出各影响因素的优化权重，根据权重得到各因素对桥面层间的影响模型

将单因素级别为一级的工况赋值为1，将单因素级别为二级的工况赋值为2，得到各工况无量纲结果；根据式（4）计算每种组合的评价指数，并对工况的组合进行筛选，得出评价指数的分级标准为1.75和1.85，并依据此标准将桥面层间综合工况分为三级，如表5所示。

实际所属道路条件夏炎热区和夏热区的特殊路段、特大桥及采用新结构新技术的桥梁、单层桥面路段夏炎热区的小道路段、夏炎热区和夏热区的大中桥路段夏炎热和夏热区的一般路段、夏热区的小道路段

注：一般路段指纵坡度不大于2%、坡长不大于1 000 m且小弯道、非重载、中小桥涵洞的高等级公路路段；特殊路段为除一般路段的其他高速公路桥面路段。虽然根据评价指数的分级结果，大纵坡路段、单层桥面铺装路段、夏炎热区和夏热区大桥特大桥路段分别属于Ⅱ、Ⅱ、Ⅱ、Ⅲ级，但考虑到工程实际，对模型计算结果进行修正，将4种情况分别提高一个等级，为Ⅰ、Ⅰ、Ⅰ、Ⅱ级。

4 板面处理标准及不同工况下的处理方法推荐

4.1 板面处理方法性能对比

通过对拉毛、铣刨、露石、刻槽、凿点处理效果的试验与分析，得到各种处理方法性能的综合排序，见表6。

由表6可知：板面处理方法综合性能较好的是铣刨法和露石法；但露石法浪费大量水资源，污染环境，只有在水资源充足且有一定预防污染措施的条件下，才推荐露石法作为板面处理方法。对于刻槽法，推荐使用在对桥面层间性能要求较低的路段。

对于凿点和拉毛，如果不能投入更多的资源或道路工况条件很好时才推荐使用。

4.2 板面处理技术标准及方法推荐

根据大量的室内试验及现场经验，并参考相关规范及论文，本文提出了板面处理的标准，如表7所示。

根据3.2中提出的桥面层间综合工况分级与4.1中提出的不同板面处理效果的性能对比，参考对板面处理已有的研究，得到了它们之间的匹配关系，见表8。

5 结 语

（1）为了对桥面板处理方法进行对比分析，本文提出了桥面板处理效果评价的3个主要指标——构造深度、摆值和糙化深度，以及1个附加指标——露骨率。

（2）根据提出的3个主要指标和1个附加指标进行相关试验，得出不同桥面板处理方法的效果由好到差依次为：铣刨和露石、凿点和刻槽、拉毛。

（3）通过室内剪切试验得到了不同板面处理后的桥面层间抗剪强度由大到小依次为露石、铣刨、刻槽、凿点、拉毛，与本文提出的板面处理效果评价指标变化基本保持一致，验证了本文所提指标的合理性。

（4）进行了桥面板层间工作状态研究，提出了桥面层间实际工况分级，在此基础上推荐了不同工况下板面处理技术标准和匹配的处理方法。

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[责任编辑：王玉玲]