水泥混凝土桥面薄层沥青铺装结构研究

2022-10-22李清华李银山

西部交通科技 2022年7期

李清华，李银山

(1.南京宁通智能交通技术研究院有限公司，江苏南京 211112；2.苏交科集团股份有限公司，江苏南京 211112；3.新型道路材料国家工程研究中心，江苏南京 211112)

0 引言

桥面铺装层直接承受着行车荷载的作用，并能够防止雨水下渗对桥梁主体结构所形成的腐蚀，因此，桥面铺装层性能的优劣对整个桥面影响巨大。我国桥面铺装大多采用沥青混合料铺装，但是随着通车年限的增加，国内已建成通车的水泥混凝土桥面沥青铺装层均普遍出现了一系列病害。因此，水泥混凝土桥面沥青铺装结构设计、性能指标及施工质量控制等方面仍有继续深入研究的空间。

目前，国内水泥混凝土桥面沥青铺装主要采用双层结构，总厚度在8～10 cm左右，因此如果要减薄桥面铺装层厚度，一方面可采用单层铺装结构，设计合理的铺装层厚度、混合料和粘结层，实现铺装层整体厚度的减薄；另一方面也可采用双层超薄结构，设计性能优良且厚度较小的两层结构。但是目前国内对于薄层桥面铺装技术的研究及应用较少，因此本文主要针对厚度在4～7 cm的单层桥面铺装体系进行研究[1-2]。

本文针对水泥混凝土桥面沥青性能和环保的双诉求，以“减薄化+高性能+环保型”为主要出发点和总体思路，从水泥混凝土桥面铺装结构混合料设计、防水粘结层等方面展开研究，并在公路桥面铺装建设和养护改造工程中进行试验段试铺和评估，为后期水泥混凝土桥面薄层沥青铺装体系的应用和推广提供依据和参考。

1 薄层沥青铺装结构试验研究

1.1 薄层沥青铺装材料设计及室内性能评价

1.1.1 原材料质量检测

1.1.1.1 沥青

沥青胶结料采用江阴宝利生产的SBS改性沥青，试验各项指标如表1所示。试验结果表明，该沥青质量符合《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)的要求[3]。

表1 沥青技术性质试验结果表

1.1.1.2 集料

集料采用玄武岩矿料，各档集料规格为：1#料10～15 mm、2#料5～10 mm、4#料0～3 mm。检测结果如表2所示，集料质量符合《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)的要求。

表2 集料技术性质试验结果表

1.1.2 矿料级配设计及最佳沥青用量确定

根据《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)对SMA型混合料配合比设计的规定，初选三种级配，进行沥青混合料体积指标测试，根据粗骨料骨架间隙率和矿料间隙率试验结果选择设计级配(见表3)。

表3 集料、矿粉筛分结果和合成级配表

根据表3的合成级配及密度试验结果，估算三种级配的沥青混合料沥青含量为5.6%。由三种合成级配估算的初始沥青含量分别拌制沥青混合料，测定试件各项指标。

如表4试验结果显示：级配A的空隙率和级配C的间隙率不符合要求，级配B满足设计要求，故采用级配B为设计级配。

初选设计级配B以预估的沥青用量按间隔为0.3%拌制沥青混合料，成型三组试件，测定马歇尔试验指标。不同沥青含量马歇尔试验结果如表5所示。

表4 三种级配的马歇尔试验结果表

表5 设计矿料级配不同沥青含量的马歇尔试验结果表

根据SMA路面设计要求结合实际工程情况，本次设计最佳沥青用量为5.6%，且其他指标(VMA、VCA、稳定度、饱和度等)均满足设计要求。最佳沥青用量为5.6%，配合比为1#料∶2#料∶4#料∶矿粉=36%∶42%∶12%∶10%，聚丙烯腈纤维内掺量为沥青混合料的2‰。

1.1.3 性能试验

按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)试验规程进行路用性能试验[4]，试验结果如表6所示。

表6 SMA-13混合料路用性能试验结果表

从表6试验结果可以看出，添加聚丙烯腈纤维的改性沥青SMA-13混合料的动稳定度达到8 431次/mm，浸水残留稳定度达到90.2%，冻融劈裂强度比达到86.5%，低温最大破坏应变达到2 841.6 μɛ，表明改性沥青SMA-13混合料具有较优的路用性能。

1.2 薄层沥青铺装复合件力学性能

相关研究表明，由于桥面板与防水粘结层模量差异较大，导致桥面最大剪应力出现在桥面板与沥青铺装层之间，破坏形式通常为剪切破坏，表现为推移(在ABAQUS中表现为粘结滑移)，而在恶劣交通条件下(如急弯、陡坡区域)，可能导致面层和主梁脱离，因此有必要选择性能较优的防水粘结材料[5]。分别选择水性环氧防水粘结层材料与TLT-特种防水粘结层材料，预制水泥混凝土板，喷洒防水粘结层和桥面铺装混合料，碾压成复合结构试件，并通过直接拉伸试验、剪切性能试验、老化后剪切试验、老化后拉拔试验对其力学性能进行评估，以此优选防水粘结层材料。

1.2.1 延伸性能

防水粘结层材料拉伸试验结果如图1所示。

图1 拉伸试验结果对比柱状图(20 ℃)

从图1试验结果可以看出：

(1)在20 ℃时，水性环氧防水粘结层材料的直接拉伸强度均值为1.21 MPa，而TLT-特种防水粘结层材料的直接拉伸强度均值为0.26 MPa。从材料自身内聚力与拉伸强度角度分析，水性环氧防水粘结层材料的直接拉伸强度大于TLT-特种防水粘结层材料。

(2)在20 ℃时，水性环氧防水粘结层材料的断裂延伸率均值为460.57，而TLT-特种防水粘结层材料的断裂延伸率均值是166.42，与TLT-特种防水粘结层材料相比，水性环氧防水粘结层材料在20 ℃的延伸性能优良。

1.2.2 抗剪强度

相关实桥测试表明，防水粘结层材料受到高温环境的影响较大，即防水粘结层间的抗剪强度在60 ℃时要求最高。复合件60 ℃剪切试验结果如图2所示。

图2 抗剪强度试验结果对比曲线图(60 ℃)

从图2试验结果可以看出：在60 ℃时，三种防水粘结材料的抗剪强度随着洒布量的增加呈先增加后减小的趋势；三种防水粘结材料的最佳洒布量均为0.8 kg/m2，其中水性环氧防水粘结层材料、TLT-特种防水粘结层材料的60 ℃抗剪强度明显优于改性乳化沥青+碎石。

1.2.3 抗拉强度

复合件拉伸试验结果如图3所示。

图3 20 ℃拉伸试验结果对比曲线图

从图3试验结果可以看出：在20 ℃时，三种防水粘结材料的抗拉强度随着洒布量的增加呈先增加后减小的趋势；三种防水粘结材料的最佳洒布量均为0.8 kg/m2，其中水性环氧防水粘结层材料、TLT-特种防水粘结层材料的20 ℃抗拉强度明显优于改性乳化沥青+碎石。

1.2.4 加速老化后抗剪强度

加速老化后的剪切试验结果如图4所示。

图4 加速老化后剪切试验结果对比柱状图(20 ℃)

从图4试验结果可以看出：水性环氧防水粘结层材料加速老化后抗剪强度最大，改性乳化沥青+碎石材料加速老化后抗剪强度最小，TLT-特种防水粘结层材料加速老化后抗剪强度居中。

1.2.5 加速老化后抗拉强度

加速老化后的拉拔试验结果如图5所示。

图5 加速老化后拉拔试验结果图(20 ℃)

从图5试验结果可以看出：水性环氧防水粘结层材料加速老化后抗拉强度最大，改性乳化沥青+碎石材料加速老化后抗拉强度最小，TLT-特种防水粘结层材料加速老化后抗拉强度居中。

综合直接拉伸试验、剪切性能试验、老化后剪切试验、老化后拉拔试验的各项结果，水性环氧防水粘结层材料的抗剪强度、抗拉强度、老化后抗剪强度、老化后抗拉强度较优，因此选择水性环氧防水粘结层材料作为水泥混凝土桥面薄层沥青铺装的防水粘结层材料。

2 试验段应用

2.1 工程应用

2.1.1 试验段方案

该试验段依托南京G312国道某中桥，试验段长度为30 m，幅宽为8 m，采用的桥面铺装方案如图6所示。

图6 试验段桥面铺装方案示意图

2.1.2 工后检测

本次试铺段现场检测采用随机抽检的方式进行，其路面拉拔强度、剪切强度、渗水系数均满足规范要求，芯样压实度也满足规范要求(见下页图7～10)。

图7 各测点拉拔试验结果柱状图(25 ℃)

图8 各测点剪切试验结果柱状图(25 ℃)

图9 各测点芯样压实度试验结果柱状图

图10 各测点渗水系数试验结果柱状图

2.1.3 试验段后期观测

通车半年后，沥青路面表面没有车辙、水损害等病害，表现出良好的抗车辙性能和较好的抗水损害性能。

2.2 经济效益分析

目前，江苏省内常用的桥面铺装均为两层，下层为AC-16，上层为AC-13，防水粘结层材料采用改性乳化沥青，每吨大约为6 000元左右(含材料费和施工费)，用量为1.5～2.0 kg/m2,所用集料单价按平均100元/t计，密度取2.43 t/m3，油石比按5.5%计。而改性沥青SMA-13混合料单价为1 400元/m2，油石比按5.7%计，水性环氧防水粘结层工程费用约30元/m2。据此不同组合，计算一般桥面铺装层的工程造价如表7所示。