连续陡坡沥青桥面铺装施工关键技术研究

2021-04-27刘海涛

铁道建筑技术 2021年2期

刘海涛

（中铁十六局集团第一工程有限公司北京 101300）

1 引言

银百高速公路（G69）甜水堡经庆城至永和段地属温带大陆性气候，夏季炎热多雨。连续陡坡路段桥面铺装层上坡时受滚动阻力、空气阻力、坡道阻力和加速阻力的作用，下坡时主要受滚动阻力、空气阻力、加速阻力和行车制动力的作用，叠加多雨、车辆超载和低速行驶等众多因素的综合影响，导致连续陡坡路段桥面铺装层的车辙、推移和水损坏等早期病害比较严重［1］。相关研究表明，空隙率是影响沥青路面水损害的决定性因素，而空隙率也正是Superpave沥青路面设计中最为关注的参数之一［2］。因此如何提高桥面铺装质量、优化施工作业成为影响桥面铺装使用寿命的关键。

孟丛丛等［3］针对高温多雨地区展开粘结体系的研究，通过室内试验和现场试验对粘结体系进行优选；臧芝树等［4］针对南方典型气候地区桥面铺装，研究发现桥面铺装材料选择时，其致密性应作为首要考察指标。目前针对多雨地区陡坡桥面铺装层的研究相对较少，因此在甜永高速项目，研究采取0.45次幂最大密度曲线［5］及Superpave混合料设计方法，并通过乳化沥青撒布涂刷装置以及水平振荡压实技术施工，增强连续陡坡路段桥面沥青混合料铺装层抗车辙、抗推移和抗水损坏的能力，从而提高桥面铺装层的施工质量和使用寿命。

2 施工关键技术

为解决上述施工难题，主要针对混合料设计、乳化沥青涂刷和混合料压实进行了优化，分别采用0.45次幂最大密度曲线及Superpave混合料设计方法、专用的乳化沥青撒布涂刷装置和有针对性的水平振荡压实技术，从施工设计方面保证施工质量的稳定可控。同时在施工中应加强桥面抛丸与清理、Superpave沥青混凝土配合比设计、桥面粘结层铺筑以及混合料的生产、运输和摊铺等环节的管理，降低了施工环节对桥面铺装施工质量的影响。具体施工工艺流程见图1。

图1 施工工艺流程

2.1 桥面抛丸、清理

桥面铺装之前应在桥面进行抛丸试验，确保桥面抛丸处理后有足够的粗糙度。首先随机选择一块区域进行试验，面积不得小于5 m2，钢丸直径选择1.4～2.0 mm，控制抛丸机行走速度以5～6 m/min为宜。抛丸后的桥面构造深度为0.6～0.8 mm，露骨率达到80%以上，保证沥青混合料与混凝土桥面有足够的粘结力。抛丸处理后需检验其表面粗糙度，以此来确定抛丸工艺参数。用吹风机清除表面灰尘，使之达到清洁。检测标准见表1。

表1 抛丸处理检测标准

抛丸作业施工操作要点：

（1）抛丸作业温度区间为5℃～40℃。为了防止在抛丸作业中产生大量的扬尘，作业时要求风力不得大于6级；空气相对湿度不得大于90%；在雨雪天气情况下，严禁抛丸作业。

（2）抛丸设备按照试验段确定的行走速度匀速行驶。

（3）在抛丸机抛丸作业时，保证多台抛丸机能够平行纵向行驶作业，同时作业搭接面不得小于2 cm，且不能出现落差。

（4）抛丸作业过程中，应抛丸去除表面以下1～3 mm深度范围内的面层，保证取出后露骨率不小于20%。如果在抛丸作业后，存在打毛后的表面不均匀或者露骨率小于20%的情况，应对该区域表面进行二次抛丸作业，直至满足设计规范要求。

（5）抛丸作业过程中，应做好清理工作，对于尘土、油渍等应及时清理，以免污染磨料砂丸。

2.2 沥青混凝土配合比设计

沥青混凝土配合比设计时，在0.45次幂最大密实度线和控制点下限之间选取沥青混合料级配，能够使混合料结构具有密实、嵌挤的特征，兼具良好的抗高温变形、抗水侵害能力和压实性能［6］。设计参数见图2。

图2 禁区、控制点及0.45次幂最大密实度线

对于选定集料空隙率相同的条件下，混合料的油石比随着级配曲线离开0.45次幂最大密度曲线距离的增大而增大，因此在0.45次幂最大密实度曲线和Superpave控制点下限之间选取沥青混合料级配可以更好地控制级配范围。具体配合比设计流程如下：

（1）目标配合比设计

根据初试沥青用量试验的空隙率情况，以0.5%～1%为间隔，选择4种以上沥青用量，拌制混合料并制备试件，确定矿料级配和最佳沥青用量，最后进行冻融劈裂试验、水稳定性检验、渗水试验和构造深度等试验［7］。

（2）生产配合比设计

依据实验室目标配合比确定的矿量级配和最佳沥青用量，对拌和楼的各料仓进料比例和速度进行调整使之接近目标配合比。拌和楼运行启动后，对各热料取样，计算热料输送比例，控制室多次对供料速度进行调整，以达到一个平衡临界点。最后采用Superpave进行生产配合比设计，采用旋转压实试验对拌制的混合料进行旋转压实，检验沥青混合料的体积特性，以确定生产时的最佳沥青用量［8］。

（3）生产配合比验证

在庆城范围内铺筑试验段，并在试验段适当区域取样进行旋转压实试验及沥青含量和筛分试验。经过筛分得到的矿料合成级配应尽可能接近目标配合比，同时应避免级配曲线中出现“驼峰”现象。此外，进行钻芯取样检测芯样空隙率大小。由此确定生产用的标准配合比、确定拌和楼混合料原材的输送及拌和等工艺参数，并据此在现场验证其适用性。

2.3 铺筑防水粘结层

2.3.1 撒布SBR改性沥青封水层

为确保乳化沥青在陡坡桥面上能够均匀分布，SBR改性沥青防水粘结层采用了一种乳化沥青撒布后涂刷装置，见图3。该装置可以单次对喷洒的乳化沥青进行四次涂刷，即两次直线涂刷、两次斜线涂刷，能够使乳化沥青充分饱满地进入抛丸界面［9］。

图3 乳化沥青撒布后涂刷装置

对喷洒的SBR改性沥青防水涂层进行四次涂刷，使其能够将铺装层和桥面板粘结成为一个整体，共同承受荷载，改善桥面沥青混合料铺装层的受力状况。施工过程中的关键环节如下：

（1）按照设计规定、通过试验确定SBR改性沥青的施工用量（撒布量为0.25 L/m2），检测SBR改性沥青的路用性能；与此同时，在喷洒之前对桥梁上护栏等相关设施进行预防护，使护栏等设施免受污染。

（2）桥面在铺设防水粘结层时要保持桥面的干燥状态，减少粘结层起泡现象，防止粘结强度降低；其次喷洒沥青的厚度应均匀且满足规范要求。需对设备进行标定校准，其中设备距路面的高度和与地面的角度对层厚影响十分显著。

其中：tc为现场测点土在应力历史中最近一次应力开始改变至今所历经时间；tp为现场测点在应力改变后主固结完成的时间。

（3）对SBR改性沥青封水层进行充分养护，以达到破乳要求；桥面喷洒改性沥青封水层后，应保持干净、无污染且无水分存在，避免桥面封水层受泥土、机油、柴油等污染后其粘结效果和粘结强会受到影响。

2.3.2 铺筑热熔改性沥青碎石封层

为确保热熔改性沥青碎石封层施工稳定、快速、优质，其操作要点为：

（1）改性沥青选用SBS改性沥青，并通过沥青撒布车均匀撒布。沥青用量为（1.4±0.2）kg/m2；碎石选用单一粒径（4.75～9.5 mm），碎石覆盖率为60%～70%。碎石撒布前用AH-70道路石油沥青进行预裹覆处理（碎石质量的3‰）。

（2）宜在干燥和较热的季节施工，并尽量避开雨天和温度较低的天气，从而能够在一定程度上保证应力吸收层与原路面的粘结。

（3）碾压作业时，必须保证撒布的集料均匀。碾压作业采用胶轮压路机可获得较好的压实效果。作业时小范围存在泛油粘轮时，应对泛油范围内再次撒布集料。作业速度不得小于5 km/h，同时不得大于8 km/h以保证碎石能够牢固嵌入改性沥青中。

（4）待沥青温度下降符合规范要求时，碎石定位后尽可能在当天摊铺面层沥青混合料，减少封层污染，避免影响粘结层的粘结性能。

2.4 沥青混合料的生产

（1）混合料生产拌和采用间歇式自动拌和机保证原材均匀进入搅拌机，同时保证出料速度稳定。

表2 拌和机振动筛的等效筛孔尺寸 mm

（3）为了保持级配稳定，在生产过程中应加大对各热料仓的抽检、取样筛分的频次；此外，增加沥青混合料的抽检频次，及时地获取混合料的拌和参数，使得控制室能够及时有效地获取并控制混合料拌和时的各种参数。

2.5 沥青混合料的碾压

在陡坡路段桥面铺装碾压过程中采用水平振荡压实技术进行桥面铺装层碾压。水平振荡压实效果见图4。在振荡轮水平作用力和振荡轮垂直静载的共同作用下，材料颗粒发生共振、错动，位置重新分布，避免了石料振碎、铺层振松的现象，并可提高压实度。水平振荡压实对地面的搓揉作用使压实表面更加平整、致密，提高了表面层防水渗透能力［10］。碾压作业过程操作要点为：

图4 水平振荡压实效果

（1）桥面沥青铺装层碾压时，在保证碾压效果的前提下，应防止过分碾压对桥梁造成破坏。在大量的工程经验中，一般均采用水平振荡压路机，能够达到较好的压实效果。此外配套相应数量的胶轮压路机进行压实。

（2）沥青混合料的碾压作业过程应遵循“紧跟、高温、慢压、强振”的原则［11］。

（3）压路机碾压作业时，应保持作业速度恒定；作业线路和前进方向改变时，按照施工要求缓慢变化，避免混合料发生推移现象。具体按表3选用。

表3 压路机碾压方式

（4）碾压作业时，作业机械设备应将驱动轮置于摊铺机一侧，防止产生拥包现象；压路机作业启停时，应放低作业速度，严禁在作业期间采用刹车制动，作业折回时不可处在同一横断面上。

（5）碾压作业后现场压实度采用压实度和空隙率作为控制指标。压实度测定时，标准密度选择最大理论密度，值控制在93%～97%之间；采用现场钻取的芯样计算空隙率，其值范围为3%～5%。

2.6 施工接缝的处理

（1）施工接缝采用横向接缝。切缝机切割成垂直面，人工凿毛以增加接缝处的咬合力；切缝应沿路面横向进行切割，宽度贯彻整个摊铺宽度，深度为贯穿铺层厚度。

（2）在施工接缝处进行摊铺作业时，应准确测量施工接缝处沥青混合热料层的施工厚度，同时根据混合料体积参数计算其松铺厚度；熨平板在作业之前必须预热40 min以上，保证其温度接近混合料温度。

（3）碾压作业中，横向压实采用钢筒式压路机，同时碾压轮应从现有路面向新铺筑的路面缓慢过渡。

3 效益分析

采用该桥面铺装施工技术铺筑的路面，其混合料形成的骨架嵌挤结构较大幅度提高了混合料高温抗变形能力、水稳定性能及疲劳性能，有效地防止路面的早期损坏严重问题，提高桥面的质量和使用寿命，可大幅降低路面的后期养护维修费用。基于工程经济学中的现值法分析工程项目在不同时间的费用和效益［12］，经济评价模型见公式（1）。对比两种铺装层结构类型的高速公路在寿命期内发生的费用折算到项目建设初期基准年的费用见图5。