板梁桥面薄层沥青混凝土铺装的应用研究

 余承喜

 （同济大学道路与交通工程教育部重点实验室  上海  201804）

摘要  针对空心板梁桥的铰缝极易破坏的特征，文中提出压缩沥青混凝土铺装层，增加水泥混凝土调平层厚度，并优化防水粘结层的设计要点。室内试验表明，薄层沥青混凝土具有良好的路用性能，应力吸收层作为防水粘结层的抗剪切强度高达2. 68 MPa。最终推荐采用双层钢筋网的水泥混凝土调平层十复合改性沥青应力吸收层十单层复合改性沥青混凝土的薄层板梁桥面铺装组合形式进行桥面铺装的维修，取得良好效果。

关键词  桥面铺装  沥青混凝土  防水粘结层

 目前大量的中小型桥梁采用空心板梁结构形式，对于此类桥梁铰缝的作用尤为关键口]。而目前常用的铺装结构形式为水泥混凝土调平层十沥青混凝土铺装，由于水泥混凝土调平层较薄，刚度不足，桥梁铰缝极易出现破坏，进而导致整个桥面铺装失稳破坏，对于交通量大、重载比例较高的路段破坏尤其严重。若采用同样的铺装形式进行维修，则并不能够从根本上解决问题。其次，桥面铺装对沥青混凝土及防水粘结层的要求较高。因此，从铺装层结构形式、沥青混凝土及防水粘结层性能方面人手，提高整个桥面铺装层的结构性能具有重大的工程实践意义。

 本文结合理论分析、室内试验与实体工程，对板梁桥面铺装设计要点、高粘弹改性沥青混凝土、高粘弹改性沥青应力吸收层进行研究，提出合理的桥面铺装结构形式，并应用于工程实例，为以后的工程设计及施工提供参考。

1  板梁桥面薄层混凝土铺装设计要点分析

 对于空心板梁桥梁结构而言，铰缝是实现板梁之间横向联结的凭借，交通荷载作用下桥面产生较多的纵向裂缝，结合日常养护维修，发现此类裂缝主要因铰缝受到破坏产生裂缝并反射至沥青铺装层顶。已有研究分析表明，此类桥梁的横向分布、整体受力性能将会受到严重的影响，甚至形成不利的单板受力状态，致使板的挠度过大、板底开裂及桥面铺装破坏，而雨水下渗进而造成板梁内钢筋锈蚀、混凝土侵蚀、强度降低等危害，对桥梁结构及行车安全构成严重的隐患。针对上述分析提出压缩沥青混凝土铺装，加厚钢筋水泥混凝土调平层的设计方案，主要设计要点包括：

 (1)增加水泥混凝土调平层厚度，加配双层钢筋网片，增加水泥混凝土调平层的刚度，降低铺装层由于反射裂缝而发生破坏的可能性。

 (2)压缩沥青混凝土铺装，能够降低桥梁自重，增加承载通行能力；同时采用高粘弹改性沥青进行薄层沥青混凝土设计，可以提高混合料的高温、低温等路用性能。

 (3)优化防水粘结体系设计，实现防水粘结体系向结构层的转变。由于混凝土铺装较薄，在重交通行车环境下，易产生拥包推移、坑洞等现象。且较薄的防水粘结层极易出现应力集中，容易导致桥面防水体系破坏，进而引发整个铺装体系失稳。因此需提高防水粘结层的厚度，同时保证良好的抗推移效果，实现桥面抗推移防水粘结层的耐久性设计。

2薄层沥青混凝土性能研究

 采用SBS与橡胶粉制备的复合改性沥青超薄磨耗层用沥青混合料AR-UTWL(asphalt rub-ber ultra-thin wearing layer)进行板梁桥面薄层铺装设计及性能研究。

2.1  薄层沥青混凝土设计

选用改性沥青胶结料，集料选用玄武岩，矿粉由石灰岩磨制而成。AR-UTWI。工程粒径为9.5mm，合成级配见表1。

经过室内试验确定最佳油石比为8. 5%，采用AR-UTWL混合料成型标准马歇尔试件，测试其体积及力学指标，测试结果见表2。

2.2性能研究

 采用标准肯塔堡飞散试验、冻融劈裂试验、车辙试验测试AR-UTWL混合料的粘结性能、水稳定性能及高温性能。

 (1)粘结性能。根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20 - 2011)中标准肯

塔堡飞散试验方法，沥青AR-UTWL混合料成型标准马歇尔试件，在20℃的水中浸泡20 h后进行飞散试验，结果见表3。

 由表3可见，复合改性沥青超薄混合料的飞散值仅为2. 9%，远远低于不超过10%的技术要求。这说明混合料集料具有良好的粘结性能。这主要是因为复合改性沥青是一种SBS与橡胶粉复合改性胶结料，对集料具有很强的粘附作用；而混合料级配根据SMA-10进行设计，集料之间具有良好的嵌锁作用。

(2)水稳定性。桥面铺装对沥青混合料的抗水毁性能要求较高，防止混凝土铺装层出现水毁破坏，进而破坏桥面铺装的整体性；同时要求混合料具有良好的密实性。为了解超薄磨耗层在饱水状态时的稳定状态，本文采用冻融劈裂试验方法来进行分析研究，冻融劈裂试验结果见表4。

 由表4可见，复合改性沥青超薄混合料的冻融前、后都具有较高的劈裂强度，且冻融劈裂残留强度比为90. 9%，满足规范要求。与改性沥青和普通沥青相比，复合改性沥青与矿料间有强烈的粘附作用，可以大大提高路面的抗水损害能力。

(3)高温性能。薄层沥青混凝土铺装要求具有良好的高温性能，否则高温条件下极易出现推移、拥包等病害。本研究采用车辙试验来评价沥青混凝土的高温抗车辙能力，试验结果见表5。

 由表5可见，复合改性沥青超薄层混合料的车辙试验动稳定度高达9 000次／mm，车辙深度仅为1. 084 mm。这说明混合料具有良好的高温性能。综上所示，复合改性薄层沥青混凝土具有良好的粘结性能、水稳定性能及高温性能，能够满足桥面铺装的路用性能要求。

3  防水粘结层的选择

3.1  桥面铺装防水粘结层性能要求

 薄层沥青混凝土铺装由于厚度较薄，层间存在较大的剪切应力，因此防水层是保证整个桥面铺装具有良好性能的关键所在。主要要求如下：①在服务期内保持不透水性；②提高防水层与下面混凝土桥面板的粘结性；③具有良好的抗推移性。由于车辆运行的切向力会导致面板产生剪切破坏。有关研究表明，在行车荷载作用下，沥青铺装层下5 cm处产生较大的水平剪切应力，因此对于薄层沥青混凝土桥面铺装的抗推移性能尤为关键；④具有良好的耐久性和温度适应性；⑤关注防水粘结层的质量以及施工过程中产生的损坏。

 因此，推荐采用复合改性沥青应力吸收层作为薄层桥面铺装的防水粘结层。

3.2  防水粘结层抗剪切性能研究

本文采用斜剪试验评价防水粘结层的抗剪切性能，其中剪切角为40。。将成型的剪切试件置于试验要求的恒温空气箱中保温4h以上，将试件取出，在压力机上立即进行剪切试验，测定防水粘结层的抗剪切强度，斜剪试件见图1。

 复合改性沥青应力吸收层作为桥面铺装的防水粘结层，初定碎石采用9. 5～13.2 mm石灰岩，碎石撒布之前需加热至180℃，沥青洒布量为2. 5～2.6 kg／m2，碎石撒布量为14～16 kg/m2。斜剪试验结果表明其抗剪切强度为2. 68 MPa，满足设计要求。

4  实体工程应用

结合某小型板梁桥面大中修工程，将上述研究成果应用于实体工程中。该桥梁原桥面铺装为8 cm水泥混凝土调平层+SBS改性沥青防水卷材+8 cm沥青混凝土面层。由于所处路段重载比例高、交通量大，大部分铰缝出现严重破坏，导致沥青面层出现严重的裂缝、坑槽等病害。因此，根据上述研究，最终推荐采用双层钢筋网的水泥混凝土调平层十复合改性沥青应力吸收层十复合改性沥青混凝土的薄层板梁桥面铺装组合形式进行桥面铺装的维修。施工结束后进行现场检测，检测结果见表7。

 由表7可见，采用该铺装形式的桥面铺装具有良好的路用性能，压实度、构造深度、抗滑摆值与渗水系数都能够满足设计要求。

5结语

 由于空心板梁桥的铰缝极易出现裂缝，并反射到沥青铺装层，因此本课题提出压缩沥青混凝土铺装层，增加水泥混凝土调平层厚度，并优化防水粘结层的设计要点。结合理论分析、室内试验与实体工程，对基于抗推移的桥面薄层沥青混凝土铺装进行应用研究。室内试验表明，由于复合改性沥青对集料具有很强的粘附作用，且混合料级配根据SMA-10进行设计，集料之间具有良好的嵌锁作用，因此沥青混凝土具有良好粘结性能、水稳定性及高温性能；复合改性沥青应力吸收层作为防水粘结层的抗剪切强度高达2. 68 MPa。最终推荐采用双层钢筋网的水泥混凝土调平层十复合改性沥青应力吸收层十单层复合改性沥青混凝土的薄层板梁桥面铺装组合形式进行桥面铺装的维修，取得良好效果。