基于植石工艺的桥面混凝土铺装层施工技术参数研究*

李 娜 韩 森 李 俊 张东省

(长安大学特殊地区公路工程教育部重点实验室1) 西安 710064) (西安公路研究院2) 西安 710065) (交通运输部公路科学研究院道路结构与材料交通行业重点实验室3) 北京 100088)

0 引 言

桥面铺装层易发生水损害，由于桥面铺装层、防水粘结层和沥青层粘结力不足，易造成铺装层相对剪切滑移、开裂、脱层，雨水下渗后动水压力冲刷发生松散和坑洞现象.优良的界面处理可以保证桥面沥青铺装层与桥面板之间有效黏结、抗剪、应力吸收和防水功能[1-2].我国混凝土桥面铺装层表面纹理处理方面大多还是延用传统的工艺，诸如凿毛、拉毛和刻槽等，但是这些方法劳动强度大、效率低[3-4]，近年来，引入了铣刨机铣刨的方法，这种方法虽然效率高、进度快，但铣刨过程只是对桥面纵向纹理的处理，很难做到全方位的抗摩阻功效[5].

桥面混凝土铺装层植石工艺是一种表面纹理处理新工艺，在混凝土浇筑、整平完毕后，采用自行研发的植石机将碎石均匀撒布在混凝土表面上，并压入一定深度，形成均匀的表面纹理，与沥青面层形成“铆钉式”连接，进而提高铺装层层间的抗剪性能，其结构见图1.

图1 基于植石工艺的桥面铺装层结构示意图

依托于安平高速公路工程，首次将植石工艺用于桥面铺装实体工程，本文研究确定了植石工艺施工关键技术参数.

1 试验方案

基于植石工艺的混凝土室内制备流程为：首先是混凝土的拌和、振捣及整平，待达到试验要求的成熟度时，称取不同撒布面积需要的碎石量，人工均匀撒布，然后采用振捣器振压，应边振压边量测，直至植入深度比满足试验要求.

1) 碎石撒布时间的确定 桥面混凝土铺装植石工艺碎石植入时间与气温和时间密切相关，本文选取成熟度作为碎石撒布时间的控制指标，采用水泥混凝土凝结时间试验方法，即贯入度试验[6]，进行4种坍落度混凝土对比试验.

2) 施工工艺参数影响 试验仪器采用LD-127路面材料强度试验仪，试件尺寸为15 cm×15 cm×10 cm.

植石工艺对水泥混凝土桥面铺装的施工的影响主要体现在坍落度、碎石撒布时间、级配、撒布面积等施工参数，因此，本文采用4因素4水平正交试验来设计试验方案，见表1.

表1 正交试验因素和水平

注：碎石级配比例为质量比；碎石的撒布面积定义为碎石层的投影面积与试件表面积的百分比.

2 碎石撒布时间的确定

四种坍落度混凝土贯入度试验结果见表2.

表2 不同坍落度混凝土贯入度试验结果 MPa

本文采用邵氏成熟度公式[7-8]计算四种坍落度混凝土的不同测试时间下成熟度，见式(1).通过计算成熟度建立4种坍落度的混凝土成熟度与贯入阻力的关系曲线见图2.

M=∑(Ti+10)ti

(1)

式中：M为成熟度，℃·h；Ti为养护温度，℃，本次试验为标准养护温度20 ℃；ti为该养护温度下的养护时间，h.

图2 不同坍落度混凝土成熟度与贯入阻力关系曲线

由图2可知，材料相同，不同坍落度的混凝土的初凝时间不同，其中，对于20～30 mm坍落度的混凝土初凝成熟度在45～50 ℃·h，50～60 mm坍落度的混凝土初凝成熟度在70～75 ℃·h，100～120 mm和160～170 mm坍落度的混凝土初凝成熟度在80 ℃·h左右.在实际施工中，混凝土的成熟度可根据当地气温计算得到，为保证混凝土的工作性，对于桥面铺装层的施工，混凝土的坍落度可达100 cm以上，因此，碎石撒布成熟度上限为75 ℃·h.

3 施工技术参数影响分析

不同的植入深度比下正交试验结果见表3.

表3 压入荷载试验结果 kN

3.1 坍落度的影响

在相同试验条件下，不同坍落度条件下压入荷载正交试验结果见图3.

图3 坍落度与压入荷载的关系

由图3可知，压入荷载随着坍落度的增大而显著减小，表明混凝土的流动性对施工工艺影响显著，桥面铺装层混凝土要求流动性高，对于100～120 mm的坍落度，植入深度比为0.2，0.4，0.6时，荷载分别为1.6，8.9，30.9 kN，压入荷载增加明显.

3.2 碎石撒布时间的影响

在相同试验条件下，不同碎石植入成熟度下压入荷载的正交试验结果见图4.

图4 植入时间成熟度与压入荷载的关系

由图4可知，对于不同植入深度比，随着植入成熟度的延后，压入荷载逐渐增大.对于0.2，0.4，0.6植入深度比，压入成熟度由15 ℃·h延长至75 ℃·h时，压入荷载分别增大了86%，15%和14%.

3.3 碎石级配的影响

在相同试验条件下，不同碎石级配条件下压入荷载正交试验结果见图5.

图5 碎石级配与压入荷载的关系

由图5可知，不同级配条件下，碎石的压入荷载同样存在差异.以0.4植入深度比为例，9.5，13.2，9.5∶13.2=1∶1，9.5∶13.2=2∶1四种石料级配的压入荷载分别为7.8，10.3，9.5，7.8 kN，掺加9.5 mm碎石的压入荷载最小，混合掺配的次之，13.2 mm碎石最大，但压入荷载值总体相差不大，表明这两种粒径的碎石及混合料均可用于植石工艺的施工.

3.4 碎石撒布面积的影响

在相同试验条件下，不同碎石撒布面积条件下压入荷载的正交试验结果见图6.

图6 碎石撒布面积与压入荷载的关系

由图6可知，石料撒布面积对压入荷载同样存在影响，在相同的压入工艺条件下，随着撒布面积的增大，压入荷载呈现增大趋势.碎石撒布面积由50%增大到80%，0.2，0.4，0.6的植入深度比下压入荷载分别增加了6%，4%，5%，表明撒布面积影响较小.

3.5 植入深度的影响

植入深度比为0.2，0.4和0.6时，压入荷载均值分别为1.9，8.8和33.4 kN，压强分别为0.84，3.91，15.84 kPa，施工采用的植石机和三辊轴重量相当，0.6的植入深度比较难实现，且植入深度比越小，桥面铺装结构层抗剪性能越好[9-10]，综上所述，以0.2或0.4作为桥面铺装层植入深度比.

4 结 论

1) 通过分析不同坍落度混凝土成熟度与贯入阻力的关系曲线，确定了植入时间对应的混凝土成熟度.

2) 通过分析不同植入深度比下，混凝土坍落度、碎石撒布时间、级配、撒布面积对植入荷载的影响，推荐出施工参数：针对桥面铺装100～120 mm坍落度的混凝土，采用9.5～13.2 mm单粒级碎石或混合料，植入深度比为0.2或0.4.撒布面积对压入荷载影响不明显.