特大水泥混凝土桥面耐久性铺装结构设计与性能研究

姜培源， 关永胜， 张苏龙， 周 文

(1.南京市公路管理处， 江苏 南京 210008； 2.江苏中路工程技术研究院有限公司， 江苏 南京 211806)

特大水泥混凝土桥面耐久性铺装结构设计与性能研究

姜培源1， 关永胜2， 张苏龙2， 周 文2

(1.南京市公路管理处， 江苏 南京 210008； 2.江苏中路工程技术研究院有限公司， 江苏 南京 211806)

为了解决传统的4 cm上面层+6 cm下面层桥面铺装结构耐久性能不足的问题，结合长寿命的理念，提出了2.5 cm超薄铺装上面层+7.5 cm高模量下面层的耐久性桥面铺装结构；基于室内的复合试件试验，对铺装结构的高温性能、粘结性能进行了对比分析，并且工后通过现场观测对耐久性桥面铺装结构的使用性能进行了评估。结合室内试验和现场的观测结果表明，研究提出的桥面铺装结构具有良好的抗车辙与粘结性能，在运营过程中体现出良好的耐久性能。

桥面铺装； 结构设计； 耐久性； 力学响应； 复合试件； 指标体系

0 引言

我国一般沥青路面设计寿命为15 a，一般采用路表弯沉作为主要设计指标，而水泥混凝土桥桥面铺装的受力特点、使用特点、施工特点与一般的沥青路面有较大的不同[1]，完全采用与路面结构相同的中上面层，在实际使用过程中反映出推移、水损害等病害，严重降低了桥面铺装结构的使用性能。铺装层的耐久性不仅与本身强度或材料本身有关，铺装层结构、材料与桥梁结构、混凝土桥面的适应性更起到重要影响[2]。

考虑到使用条件以及后期的养护难易程度，特大水泥混凝土桥面铺装对铺装结构的使用性能提出了更高的要求，为提高铺装结构在环境温度和车辆荷载作用下的高温性能，需提高整体铺装结构的抗车辙性能；为提高铺装结构的防水性能，需减少表层和下面层混合料的空隙率，从而提高整体铺装结构的水稳定性；为提高铺装结构的整体性，减少推移病害的发生，需提高铺装结构与水泥混凝土桥面板之间的粘结性能[3]。然而，传统的桥面铺装方案在耐久性方面仍有所不足，因此需要进行特大水泥混凝土桥面耐久性铺装结构的研究[4]。

宁高新通道石臼湖大桥，桥梁全长12617.2 m，路线采用四车道一级公路标准，设计速度100 km/h，是一座典型的跨湖特大型桥梁。在桥面铺装结构设计时，本项目借鉴长寿命的设计理念[5]，分别从抗车辙、提高密水效果和改善层间粘结的方面对铺装结构性能进行提升，提出了一种耐久性桥面铺装结构，并通过室内复合试件试验与现场的使用性能检测，对其耐久性能进行了评估与论证。本研究对于延长我国水泥混凝土桥桥面铺装结构的使用寿命，提高全寿命周期内的服务水平，降低养护成本具有重要的意义。

1 特大水泥混凝土桥面耐久性铺装结构优化设计

石臼湖大桥原先采用传统的4+6的铺装方案，本节首先针对原设计方案进行分析，分析原设计方案的不足，进而提出优化后的耐久性桥面铺装方案。

1.1 传统设计方案评价

原方案采用了6 cm SUP-20+4 cm SMA — 13的铺装结构，具体见图1所示。该铺装方案在江苏省内高速公路、干线公路中小桥桥面铺装中得到较为广泛的应用，通过采用与主线相同的方案有利于施工组织，同时一般桥梁长度较短，对施工要求小、后期维护相对简单。

图1 石臼湖大桥原桥面铺装方案

但是结合石臼湖大桥所处的气候以及交通荷载条件，该桥面铺装结构存在以下不足： ①传统的4+6桥面铺装结构，后期的养护维修通常采用铣刨回铺上面层4 cm的沥青混合料，而上面层采用的是玄武岩集料，在优质玄武岩集料供应减少的前提下，采用该方案会提高建设与后期的养护成本； ②下面层SUP — 20混合料对在桥面上较难压实，局部位置空隙率偏大，容易产生渗水，影响铺装的整体性能； ③热喷改性沥青防水粘结层与混凝土板粘接强度低，施工过程中容易受到破坏等缺点，对桥面铺装的使用寿命带来较大的隐患。因此，针对石臼湖大桥原设计方案存在的不足，有必要结合长寿命的理念，进行耐久性桥面铺装结构的优化设计。

1.2 铺装结构方案优化设计

近年来国内路面新材料、新工艺层出不穷[3]，新型桥面铺装防水粘结层、桥面铺装混合料以及新型组合结构性能越来越好，愈来愈多。因此，本研究为提高桥面铺装结构的耐久性能，结合长寿命的理念，对原设计方案的不足进行优化调整，最终形成如图2所示的适合石臼湖大桥的耐久型桥面铺装结构。

图2 石臼湖大桥耐久性桥面铺装方案

与传统的设计方案相比，优化后的石臼湖大桥桥面铺装方案，在经济性和耐久性能方面具有明显的优势：

1) 减少了对玄武岩的使用。下面层采用的是7.5 cm高模量沥青混合料，以石灰岩为主要原材料，整体铺装结构中只有上面层2.5 cm U — PAVE10超薄铺装采用的是玄武岩集料，从而有效地减少了对优质玄武岩集料的使用，同时后期养护施工简单，仅需铣刨回铺上面层的2.5 cm U — PAVE10，从而降低了养护成本。

2) 良好的路用性能。铺装下层采用高模量沥青混合料，具有较高的强度，有效抵抗车辙变形，并且空隙率较小，可以有效地防止水分下渗；铺装面层采用密级配超薄铺装作为表面功能层，本身密实防水，动稳定度高。因此，整体铺装结构具有良好的水稳定性和抗车辙性能。

3) 良好的层间粘结效果。水性环氧防水粘结层，与传统的热喷SBS改性沥青相比，大幅提高了层间的粘结强度，从而有效地避免了推移病害的产生。

2 基于复合试件的耐久性桥面铺装结构试验研究

对于设计的耐久性桥面铺装结构，本研究采用在室内成型复合试件，通过铺装结构的车辙试验与拉拔试验，对耐久性桥面铺装结构的高温性能与层间粘结效果进行评价，并与传统的桥面铺装结构进行比较，从而论证本研究提出的耐久性桥面铺装结构的性能提升效果。

2.1 复合结构车辙试验

本研究采用复合试件的3 h车辙试验，以不同时间段内的变形量指标评价不同桥面铺装结构的抗车辙性能。

如图3所示的2种桥面铺装结构，在厚度为10 cm的车辙试模底部铺筑7.5 cm EME — 14或6 cm SUP — 20下面层，洒布改性乳化沥青粘层后铺筑2.5 cm U — PAVE10或4 cm SMA — 13上面层。复合试件成型后进行3 h车辙试验，试验温度60 ℃，试验过程中分别在第1 h、2 h、3 h时记录不同铺装结构的车辙变形量，试验结果如图4所示。

图3 复合车辙板试件

图4 复合车辙板试件不同时段内的车辙变形量

评价铺装结构的抗车辙能力不仅要关注车辙动稳定还要关注车辙位移的变化量，通过对这些指标的跟踪监测才能正确评价混合料的抗车辙能力。由图4可知，结构1在不同时间节点的车辙变形量均低于结构2，而且比较车辙变化率可以看出，结构1在1 h以后变形率趋于稳定，而结构2继续呈上升趋势，综合可以得知结构1具有更好的抗车辙能力，可以减少3 h车辙深度29%。因此，与原方案相比，优化后的耐久性桥面铺装结构在高温性能方面具有明显的优势。

2.2 界面冻融拉拔试验

由于石臼湖大桥冬季在桥面会形成一定量的积水，雨水的反复冻融对界面的抗冻性能要求极高，本项目针对铺装下层、水泥混凝土板之间的界面进行冻融试验，通过界面的冻融拉拔试验评价冻融条件下界面处的粘结效果。

如图5所示成型2种复合拉拔试件，试件成型后在表面钻芯至水泥板与混合料的界面位置，然后将复合试件置于水箱中常温饱水2 h后，放入恒温冰箱-18 ℃保持16 h，再将试件在60 ℃±0.5 ℃水浴中保温24 h，最后，试件在25 ℃±0.5 ℃水浴中保温2 h后进行拉拔试验，试验结果如表1所示。

图5 冻融拉拔试验复合试件

层间粘结效果不仅与防水粘结层有关，还与层间的接触状态有关。如表1所示，通过对比拉拔强度可知，2种结构的界面拉拔强度与冻融前比值均在80%以上，具有较好的粘结稳定性；但是通过比较结构1和结构2的冻融拉拔强度比可知，结构1采用的的EME — 14混合料空隙率较低，在接触界面可以形成较好的面接触状态，并且采用了水性环氧沥青作为防水粘结层，进一步地提高了粘结效果，冻融前后的拉拔强度相比原设计方案提高了30%～45%，因此具有更好的粘结效果。

表1 不同铺装结构的冻融前后拉拔强度对比铺装结构铺装层空隙率/%拉拔强度/MPa冻融前冻融后冻融拉拔强度比/%EME-14+水泥板(结构1)3.70.310.2995.1SUP-20+水泥板(结构2)4.90.240.2085.4

3 耐久性桥面铺装结构使用性能观测

石臼湖大桥所采用的耐久性桥面铺装试验段长度约为1 km，考虑到石臼湖大桥的气候环境与交通荷载作用，在通车半年后对耐久性桥面铺装段的进行了跟踪观测，并进行了相应的现场检测。

耐久性桥面铺装试验段的整体外观如图6所示，从图中可以看出，试验段表面未发现车辙、水损害和破损现象，行车舒适性较好。此外，本研究采用渗水试验和构造深度试验，对试验段的防水效果与抗滑性能进行了现场检测，试验结果如表2、表3所示。

图6 耐久性桥面铺装试验段整体外观

表2 试验段渗水试验结果桩号距中桩位置/m渗水系数/(mL·min-1)技术要求/(mL·min-1)K26+100105.0K26+20070.0K26+400108.0≤50K26+60070.0K26+8001012.0

表3 试验段构造深度试验结果桩号距中桩位置/m构造深度/mm技术要求/mmK26+25050.75K26+20090.68K26+40070.71≥0.6K26+50040.65K26+60080.67K26+80030.69

从现场检测的试验结果可以看出，通车半年后，耐久性桥面铺装试验段表面的渗水系数在20 mL/min以下，基本不渗水，具有良好的防水效果；从构造深度的检测结果来看，在车轮荷载和环境的作用下，试验段表面的构造深度仍能满足设计要求。因此，本研究提出的桥面铺装结构在运营过程中，体现出良好的耐久性能。

4 结论

本研究通过对石臼湖大桥铺装结构的优化设计，以及室内复合件试验研究与现场的跟踪观测，得出以下主要结论：

1) 本研究基于长寿命的理念，设计提出的7.5 cm高模量下面层+2.5 cm超薄铺装上面层的铺装结构，与原设计方案相比，减少了对优质玄武岩集料的使用，并且养护维修方便，在全寿命周期内具有良好的经济性。

2) 室内复合试件的试验结果表明，本研究提出的耐久性桥面铺装结构，相比原设计方案具有更好的抗车辙性能与层间粘结效果，可以降低3 h车辙深度29%，提高拉拔强度30%～45%。

3) 针对耐久性桥面铺装结构的跟踪观测表明，在环境因素和车辆荷载的作用下，耐久性桥面铺装段没有车辙、破损产生，并且防水效果与抗滑性能良好，在运营期内表现出良好的耐久性能。

[1] 董强,郑智能,凌天清.水泥混凝土桥面沥青铺装结构力学性能分析[J],北方交通,2007(11):46-49.

[2] 黄晓明.水泥混凝土桥面沥青铺装层技术研究现状综述[J].交通运输工程学报,2014,14(1):1-10.

[3] 王选仓,侯荣国.长寿命路面结构设计[J].交通运输工程学报,2007,7(6):46-49.

[4] 徐勤武,胡长顺,王虎.混凝土桥面复合式铺装层受力分析和设计[J].长安大学学报(自然科学版),2007,27(4):28-32.

[5] 徐鸥明,韩森,于静涛.层间界面对混凝土桥面铺装结构性能的影响[J],长安大学学报(自然科学版),2009,29(5):17-20.

2016-12-29

南京市交通科技项目《湿热地区长大水泥混凝土桥长寿命桥面铺装设计施工关键技术研究》

姜培源( 1974-) ，男，高级工程师，长期从事交通工程组织管理工作。

1008-844X(2017)01-0104-03

U 443.33

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