基于木质集料混合料的钢桥面铺装研究*

梁 涛，李 蕊，郭经纬，张久鹏

(1 铜川公路管理局，陕西铜川 727031；2 长安大学公路学院， 陕西西安 710064；3 西部机场集团，陕西西安 710000)



基于木质集料混合料的钢桥面铺装研究*

梁 涛1，李 蕊2，郭经纬3，张久鹏2

(1 铜川公路管理局，陕西铜川 727031；2 长安大学公路学院， 陕西西安 710064；3 西部机场集团，陕西西安 710000)

从木质集料的优势性能出发，通过性能试验和数值模拟对木质集料混合料在钢桥面铺装的应用进行分析。将木质集料用于钢桥面铺装，不仅为木质废弃物处理提供了重要的思路，而且对道路工程的再利用环保可持续发展具有一定意义；通过对比常见桥面混合料铺装(SMA10+SMA13)和回收木质集料混合料铺装(木质集料混合料+SMA13)的性能，对木质集料混合料在钢桥面铺装中的应用提供重要指导。

木质集料，桥面铺装，路用性能

随着我国交通的快速发展，对路面材料的功能要求也日益多元化，不再以力学强度作为唯一标准。人行道要求路面材料具有较好的行走舒适性；钢桥面铺装要求铺装层可以和桥面板协从变形，尤其要求铺装材料具有良好的变形性能[1-6]。本文从木质集料的优势性能出发，主要以性能试验和数值模拟的方法对新材料在钢桥面铺装应用方向进行研究。

1 木质集料混合料用于钢桥面铺装

随着我国公路交通的发展，大跨径钢桥的建设也进入了一个高峰期。钢桥面铺装由于其特殊的应用环境，对于材料的性能提出了更高的要求，因此钢桥面铺装的材料研究成为交通工程学者研究的热点和难点[7-8]。目前国内外的钢桥面铺装材料主要有：环氧沥青混合料(EA)、浇注式沥青混合料(GA)、沥青玛蹄脂混合料(SMA)等[9]。我国的钢桥面铺装主要以双层SMA铺装结构最为常见。由于木质集料混合料具有良好的低温变形性能，而高温车辙性能稍显不足；而SMA则具有较好的高温性能，但低温变形性能较差，因此采用木质集料混合料+SMA13结构有望实现优势互补，得到性能优异的混合料结构[10-12]。

1.1 钢桥面结构的设定

本文通过对我国常见的桥面铺装(SMA10+SMA13)和回收木质集料混合料铺装(木质集料混合料+SMA13)产生的跨中挠度进行性能对比，依此对木质集料混合料在钢桥面铺装中的应用进行研究。

初选钢桥面铺装为4层体系典型结构(图1)，铺装上层(SMA-13)、铺装下层(SMA-10/木质集料混合料)、环氧防水粘结层和钢桥面板。根据计算结果，两种铺装容重取2.5g/cm3和1.5g/cm3，计算时铺装体系以均布荷载形式加于桥面。

所取钢桥面模型采用钢箱梁，跨径30m，桥面宽12m，5块横隔板，18个加筋肋。梯形加筋肋开口宽250mm，闭口宽140mm，两加筋肋中心间距500mm，板厚8mm；横隔板间距2000mm，板厚14mm。钢箱梁横断面见图2。

图2 钢箱梁标准横断面图

1.2 钢桥面模型的建立

利用拟定桥面参数和铺装结构，建立有限元模型。计算中，钢桥面板30m跨径两端完全约束，桥面板下部悬空。两种铺装体系下模拟所得跨中挠度见图3。

(a)SMA10+SMA13(b)木质集料混合料+SMA13

对SMA13+SMA10与SMA13+木质集料混合料两种铺装层体系下钢桥面跨中挠度数值模拟分析，结果如图4所示。

图4 两种铺装结构下钢桥跨中挠度数值模拟结果

从图4可以看到：采用SMA13+木质混合料铺装结构相比传统的SMA13+SMA10铺装，以显著减小钢桥跨中挠度(减小约7mm)。钢桥跨中挠度减小，不仅可以提高桥梁整体刚度，大大提高桥梁的承载能力，而且可以提高桥梁结构安全系数，延长桥梁使用寿命。

2 木质集料混合料桥面铺装路用性能

木质集料混合料铺装 (SMA13+木质混合料)与传统铺装(SMA10+SMA13)的路用性能进行对比，对木质集料混合料的性能进行评价。路用性能试验包括：高温车辙试验和低温弯曲试验。试验中SMA配比参照规范中值，木质集料混合料配比由CBR试验和逐级填充试验确定，级配曲线见图5。

图5 铺装结构所用三种混合料级配曲线

2.1 高温稳定性

图6 木质集料混合料复合板铺装示意图

钢桥面在夏季的炎热气候下，面板温度可能超过60℃，这种极端高温的工作环境也对铺装层材料提出了更高的要求；木质集料混合料受材料自身性能影响，在高温情况下可能产生较大的横向位移，造成较大的车辙变形。采用木质集料混合料+SMA13的双层铺装结构如图6所示，荷载作用可以大部分被上层的SMA铺装承受，大大提高整体的抗车辙性能。

图7是两种铺装结构的车辙试验结果，通过对比两种铺装结构的车辙变形曲线，可以看出，采用木质集料混合料铺装下层的结构在经历初期的挤密压实变形后，车辙试验后期还会持续有变形增大趋势；而采用双层SMA的铺装结构在车辙试验后期变形很小。通过车辙试验结果可知，虽然采用木质集料混合料的铺装结构相比双层SMA具有更大的车辙变形，但最大车辙深度不足2mm，动稳定度达到6000次/min，这种新型铺装结构仍然体现出了优异的高温性能。

(a)车辙变形曲线(b)车辙试验动稳定度对比

2.2 低温变形性能

钢桥面铺装层材料直接铺筑于钢桥面板上，在冬季的严寒条件下，要面临更为严酷的低温环境。据有关研究表明[13-14]，在严寒条件下，桥面板温度要比路面低10℃以上；另一方面钢桥面板在桥梁结构中处于半悬空状态，在车辆荷载作用下，会产生较大的拉伸变形。钢桥面铺装的特殊使用条件对材料的低温性能和抗拉伸变形提出了更高的要求。

采用木质集料混合料+SMA13的复合铺装，一方面层底的木质集料混合料可以承受较大的变形和较低的低温环境，另一方面车辆荷载主要由表面的SMA13承担，保证铺装层高温性能和力学强度。

通过对木质集料混合料+SMA13铺装结构的小梁弯曲试验，对复合铺装的低温性能进行验证，并与SMA10+SMA13铺装进行对比。复合小梁-10℃弯曲试验得到的应力应变曲线如图8所示。

图8 复合小梁-10℃弯曲试验应力应变曲线

通过对比两种结构复合小梁低温弯曲应力应变曲线看到：采用木质集料混合料+SMA13复合小梁低温破坏呈显著的柔性破坏特点，应力应变曲线变化和缓，未出现显著明显的拐点；采用SMA10+SMA13的复合小梁破坏呈显著的脆性破坏特点，应力应变曲线有显著拐点，且达到破坏弯拉应变后弯拉强度迅速变小。

通过复合小梁低温弯曲试验结果来看，木质集料混合料+SMA13复合小梁弯拉强度与SMA10+SMA13复合小梁弯拉强度非常接近，而破坏弯拉应变较大，弯曲劲度模量较小，体现出了优异的低温性能。

3 结论

(1)通过数值模拟，采用SMA13+木质混合料的钢桥面铺装结构，相比常见的SMA13+SMA10铺装结构，可以显著减小桥面跨中挠度。

(2)通过试验验证，SMA13+木质混合料铺装结构动稳定度达6000次/mm，低温弯拉强度超过8MPa，破坏应变超过8000με，显示了良好的高低温性能。

[1] 王允飞，于文吉，吉发.废弃木质材料循环利用现状及前景分析[J].中国人造板，2010(4)：1-4.

[2] 肖川，凌天清.废旧橡胶粉改性沥青材料在道路工程中的应用与研究[J].公路工程，2009，34(4)：49-53.

[3] 王普清.橡胶粉改性沥青应用的环保问题[J].交通环保，2007(2)：45-47.

[4] 田中.市政道路施工新技术应用的必要性分析[J].价值工程，2015(6)：99-100.

[5] 叶智刚，孔宪明，余剑英.橡胶粉改性沥青的研究[J].武汉理工大学学报，2003，25(1)：11-14.

[6] 李蕊，李彦伟，柳中万，等.基于回收木质集料的沥青混合料路用性能研究[J].筑路机械与施工机械化，2012，29(4)：76-78.

[7] 陈风晨，李立寒，杜鹃.废玻璃沥青混合料性能的试验研究[J].建筑材料学报，2006(2)：41-46.

[8] 游润卫，贾刚，杨美荣.利用包钢钢渣修筑道路的室内实验研究[J].公路与运输，2002，74(2)：24-26.

[9] 胡同康，袁志英.抗剥落剂AST-3性能研究[J].西安公路交通大学学报，1999，19(4)：51-54.

[10] 陈亮.废材料在道路工程中的研究及应用[J].公路交通技术，2011(4)：65-69.

[11] 魏开军.道路工程中材料的应用分析[J].中国科技财富，2011(6)：154-154.

[12] 时尽书，李建章，周文瑞，等.脲醛树脂与纳米二氧化硅复合改善木材性能的研究[J].北京林业大学学报，2006，28(2)：123-128.

[13] 王洪顺.浅谈钢桥面铺装材料[J].天津市政工程，2011(4)：27-28.

[14] 赵朝华，韩绪，李亚.界面材料参数和层间状态对钢桥面铺装体系受力的影响[J].重庆交通大学学报：自然科学版，2013，32(3)：18-22.

Study on the Steel Deck Pavement Technology of Asphalt Mixture Based on Reclaimed Wood Aggregate

LIANG Tao1，LI Rui2，GUO Jing-wei3，ZHANG Jiu-peng2

(1 Tongchuan Highway Administration，Tongchuan 727031，Shaanxi，China；2 Highway School，Chang’an University，Xi’an 710064，Shaanxi，China；3 China West Airport Group，Xi’an 71000，Shaanxi，China)

We analyze the application of wood aggregate mixture in steel deck pavement by performance test and numerical simulation，which based on the advantages of wood aggregate. The wood aggregate is used for the paving of steel deck，which not only provides important ideas for the treatment of wood waste，but also has some significance for the recycling of road works. By comparing the performance of the common bridge deck pavement mixture (SMA10+SMA13) and recycled aggregate mixture pavement (wood aggregate mixture with SMA13)，provideing important guidance in the application of the steel bridge deck pavement.

reclaimed wood aggregate，deck pavement，road performance

陕西省科技厅交通科技项目(15-35T)

U 416.21