极薄磨耗层在水泥桥面“白改黑”工程中的应用研究

2021-09-14华春丽李俊峰洪盛祥

现代交通技术 2021年4期

华春丽，李俊峰，洪盛祥

(1. 江苏省高速公路经营管理中心，南京 210009； 2. 苏交科集团股份有限公司，南京 211112)

近年来公路交通量不断增长，在长期荷载作用下，路面各项性能指标出现明显衰减。水泥混凝土路面具有强度高、硬度大、水稳定性好、不易产生车辙以及使用寿命长等优点，我国部分公路桥面铺装会采用该路面。但随着桥面铺装层服役时间的延长，水泥路面易产生裂缝、断角和坑槽等病害，影响行车舒适性及路面美观性[1]。但由于桥梁结构承载、水泥护栏标高及铺装层铣刨深度的制约，传统的“白改黑”直接罩面方案在水泥桥面养护工程中的适用性不佳，因此水泥桥面“白改黑”工程一直是困扰公路运营管理单位的一大工程难题[2]，急需开发一种可实现大流量交通背景下水泥桥面的快速养护技术，有效恢复和提升水泥混凝土铺装桥面各项路况指标，且减少交通干扰，同时对桥梁结构承载、水泥护栏标高和结构安全影响较小[3]。

基于养护成本及养护适用性的考虑，近年来公路功能性罩面养护技术向铺装厚度不断减薄的技术方向发展[4]。目前国内已出现热拌极薄磨耗层技术，成型厚度≤16 mm，现场摊铺速度可达12 m/min，施工周期为3～5 h，该技术对交通干扰小[5]，且由于其厚度较薄，可有效应对传统罩面养护技术对桥梁标高、净空以及承载力等的影响。

结合江苏省某国道水泥桥面“白改黑”改造工程，系统分析水泥桥面“白改黑”技术难点，针对性提出“桥面板精铣刨1.2 cm调平，加铺ETFC-Ⅲ型极薄磨耗层罩面”的养护技术方案，并对极薄磨耗层的技术特点、性能特点、适用条件及其在水泥桥面“白改黑”工程中应用的适用性进行论述，同时对其室内配合比设计方法、路用性能及现场关键施工工艺和工程应用效果开展系统性研究。

1 水泥桥面“白改黑”改造技术难点分析

基于水泥桥面自身的特殊性，在进行“白改黑”改造工程时，主要存在以下技术难点。

(1) 桥梁结构承载风险。桥梁设计时会考虑结构承载的富余系数，但富余系数有限，进行水泥桥面“白改黑”改造工程时，若直接加铺3～4 cm沥青面层，则存在桥梁结构承载力不足的风险。

(2) 水泥护栏净高控制。桥梁设计时其两侧水泥护栏高度按规范要求进行设计，若直接加铺3～4 cm沥青面层，则水泥护栏净高可能出现不满足规范要求的情况，存在一定安全风险。

(3) 水泥板铣刨深度制约。水泥桥面铺装层一般设计有钢筋网片，用以有效控制水泥路面板开裂，钢筋网片距离路面板顶部一般控制在2～4 cm，因此若对水泥路面板进行铣刨，铣刨深度受到明显制约，一般控制在2 cm以内。

2 极薄磨耗层技术特点及适用性分析

2.1 技术特点

极薄磨耗层采用一体化同步摊铺设备施工，以高黏改性沥青、聚合物改性乳化沥青为沥青胶结料和黏层材料，为一次摊铺成型的热拌沥青混合料磨耗层。混合料设计采用开级配骨架空隙结构，成型空隙率为10%～18%，厚度≤16 mm。极薄磨耗层技术特点为：①具有突出的抗滑、降噪以及轻微车辙填补等功能；②厚度薄，对路面标高、隧道净空等影响小；③大空隙率，兼具路面排水功能；④一体化施工工艺，施工速度快、交通干扰小。

根据成型厚度的不同，所研究的开级配极薄磨耗层分为ETFC-Ⅰ型、ETFC-Ⅱ型和ETFC-Ⅲ型，开级配极薄磨耗层分类如表1所示。

表1 开级配极薄磨耗层分类

2.2 适用性分析

基于对水泥桥面“白改黑”改造技术难点的分析，结合极薄磨耗层技术特点，对其在水泥桥面“白改黑”改造工程中的适用性进行分析，分析结果如下。

1) 对结构承载影响分析

水泥桥面“白改黑”改造工程对桥梁结构承载有无影响主要体现在是否增加桥面恒载。极薄磨耗层成型厚度≤16 mm，原桥面铣刨深度最大可达2 cm，因此可对水泥桥面进行精铣刨处理后，加铺相应厚度的极薄磨耗层，且沥青混合料密度相比于水泥混凝土密度更低，因此该方案不会导致桥梁恒载的增加，对桥梁结构承载力基本无影响。

2) 对水泥护栏影响分析

一方面，极薄磨耗层成型厚度相对较薄，若直接加铺对水泥护栏净高的影响相对较小；另一方面，水泥桥面“白改黑”改造工程一般会先对桥面板进行精铣刨、调平处理，而后加铺极薄磨耗层，其对水泥护栏净高的影响会进一步降低，因此该方案对桥梁水泥护栏净高基本无影响。

3) 对桥面排水影响分析

极薄磨耗层成型空隙率大，具有排水功能，对于水泥桥面“白改黑”改造工程，只需保证桥面精铣刨时保持原桥面横纵坡，利用原桥面的排水系统即可实现桥面顺畅排水，且可有效避免桥面积水，提高降雨天桥面行车安全性。

根据分析可知，采用极薄磨耗层技术对水泥桥面进行“白改黑”改造，可有效解决桥梁结构承载、水泥护栏标高以及水泥铺装桥面铣刨深度制约等技术难题，具有较好的适用性。

2.3 适用条件

采用极薄磨耗层属于功能性罩面养护措施，适用于没有出现结构强度损害的路表功能性恢复养护。桥面发生大面积破损、断板等情况并不适用该措施，各级公路水泥桥面“白改黑”改造路况水平如表2所示。

表2 各级公路水泥桥面“白改黑”改造路况水平

水泥桥面实施“白改黑”改造工程前，为保障层间黏结效果需进行精铣刨处理(一般深度为1 cm左右)，存在水泥板破损、断角情况需进行挖补处理，大于3 mm的裂缝需进行抹浆处理以封堵渗水通道，减少雨水下渗对桥面结构安全的影响。

3 极薄磨耗层技术难点及原材料性能控制要求

3.1 主要技术难点及解决措施

极薄磨耗层在水泥桥面“白改黑”改造工程中应用主要有以下技术难点。

1) 沥青胶结料对集料的黏结效果与施工和易性的平衡

所研究的极薄磨耗层采用开级配结构，空隙率大，且作为表面磨耗层使用，长期受到荷载的直接作用，受到的剪切应力和摩擦力均相对较大，为有效保持磨耗层骨架空隙结构、减少松散掉粒情况，沥青胶结料需具有较高的动力黏度[6-7]。同时由于极薄磨耗层厚度较薄，摊铺后降温速度快，因此要求沥青胶结料具有较低的运动黏度，且沥青胶结料60 ℃动力黏度与135 ℃运动黏度存在一定相关性，一般表现为同时增大或同时减小的关系。针对该技术难点，所研究的极薄磨耗层通过采用专用的改性材料，实现沥青胶结料同时具有较高的动力黏度和较低的运动黏度，要求沥青胶结料60 ℃动力黏度≥150 000 Pa·s，135 ℃运动黏度≤3 Pa·s[8]。

2) 磨耗层与旧水泥板封水效果及黏结性的保障

项目所研究的极薄磨耗层采用开级配结构，具有排水功能，同时由于成型厚度较薄，因此对原桥面板的黏结强度及封水效果要求较高。针对该技术难点，所研究的极薄磨耗层采用专用的黏层乳化沥青，对轻微裂缝具有渗透和封堵作用，裂缝宽度>3 mm 时通过水泥浆灌封进行封堵裂缝，进一步保障桥面板的封水效果。此外，施工前需对原桥面板进行精铣刨处理，提高接触面的粗糙度，保障磨耗层与桥面板有效黏结，且乳化沥青黏层采用高黏改性乳化沥青，黏结强度高，可有效保障磨耗层与桥面板的黏结性。

3) 级配精确度控制

开级配极薄磨耗层粗集料最大粒径为 9.5 mm，且采用开级配结构，根据我国标准筛孔分布，混合料4.75～9.5 mm之间级配精准控制难度较大。针对该技术难点，所研究的极薄磨耗层通过引进6.3 mm非标准筛，强化极薄磨耗层混合料级配精确度控制。

3.2 原材料关键性能指标要求和检测结果

1) 粗集料

极薄磨耗层作为表面功能层，为有效保持磨耗层的骨架结构，根据相关研究成果对粗集料洛杉矶磨耗损失、压碎值、针片状颗粒含量等指标要求进行优化，所依托工程采用的粗集料相关关键指标检测结果均满足技术要求，粗集料关键指标检测结果如表3所示。

表3 粗集料关键指标检测结果

2) 改性沥青胶结料

极薄磨耗层设计空隙率较大，且厚度较薄，为保证路面耐久性，应选用黏度较大的沥青胶结料。研究采用的改性沥青为成品高黏度改性沥青，高黏度改性沥青性能检测结果如表4所示，其60 ℃动力黏度≥150 000 Pa·s，135 ℃运动黏度≤3 Pa·s，各项性能检测结果均满足技术要求。

表4 高黏度改性沥青性能检测结果

3) 改性乳化沥青黏层

项目所研究的开级配极薄磨耗层采用一体化摊铺机进行黏层洒布和磨耗层摊铺，同步施工，黏层材料为高黏度改性乳化沥青，具有快裂快凝的性能特点，改性乳化沥青性能检测结果如表5所示，各项性能检测结果均满足技术要求。

表5 改性乳化沥青性能检测结果

4) 填料

项目所研究的开级配极薄磨耗层采用的细集料、矿粉等其他原材料性能按《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)进行控制。

4 极薄磨耗层配合比设计及路用性能研究

4.1 混合料设计标准

考虑路表抗滑及排水、降噪效果的长效保持，极薄磨耗层采用开级配骨架空隙结构，结合相关研究成果，提出开级配极薄磨耗层混合料级配范围、体积指标要求以及路用性能指标要求，如表6～表8所示。

表6 开级配极薄磨耗层混合料级配范围

表7 开级配极薄磨耗层混合料体积指标要求

表8 开级配极薄磨耗层混合料路用性能指标要求

4.2 混合料设计结果

依托项目实际情况，考虑到现场交通量较大，选用ETFC-Ⅲ型极薄磨耗层。根据极薄磨耗层设计标准，室内设计结果如下。

1) 设计级配

根据矿料的筛分结果，通过尝试不同级配最终确定设计级配，极薄磨耗层混合料设计级配如表9所示，设计级配曲线如图1所示。

表9 极薄磨耗层混合料设计级配

图1 设计级配曲线

2) 沥青用量及体积指标

基于设计标准，通过尝试不同沥青用量，最终确定最佳沥青用量。最佳沥青用量条件下极薄磨耗层混合料体积指标如表10所示，各项指标均满足技术要求。

表10 最佳沥青用量条件下极薄磨耗层混合料体积指标

4.3 混合料路用性能

对极薄磨耗层混合料水稳定性、高温稳定性等路用性能进行检测验证，极薄磨耗层混合料路用性能检测结果如表11所示。可见，极薄磨耗层各项性能指标均满足技术要求，达到常规密级配改性沥青混合料路用性能水平。

表11 极薄磨耗层混合料路用性能检测结果

5 关键施工工艺研究

5.1 工程概况

江苏省某国道水泥混凝土铺装桥面因通车年限较久，路况指标衰减严重，存在明显的横纵向裂缝、块状裂缝以及坑槽等病害，且路面平整度较差，已严重影响行车舒适性及路面美观性，需开展水泥桥面板铺装层“白改黑”改造工程。考虑桥面承载力、标高以及铣刨深度等限制因素，采用“桥面板精铣刨1.2 cm调平，加铺ETFC-Ⅲ型极薄磨耗层罩面”的改造方案。试验段实施过程中对极薄磨耗层关键施工工艺进行研究，试验段实施后及时开展相关试验检测以评价极薄磨耗层实施效果。