沌口长江公路大桥试验段铺装结构的路用性能

张 毅，李 璐，刘 攀

（重庆市智翔铺道技术工程有限公司，重庆401336）

0 引 言

钢桥面铺装是直接铺设在钢桥面板上、与钢桥面结构共同承重的单层或双层承重构造物［1］。它除了具有普通桥面的功能外，还应具有较强的强度、疲劳耐久性、变形稳定性和温度稳定性等［2］。沌口长江公路大桥因重载交通量巨大，气温极热，钢桥面铺装温度高，就特别需要铺装结构具有优异的高温稳定性，以免产生车辙、滑移、拥包、开裂、坑槽等病害［3－4］。纵观中国钢桥面铺装的使用现状，双层SMA、浇注式沥青混凝土及环氧沥青混凝土是常见的3种形式。其中，双层SMA具有高温性能优、施工易控制、建设成本低等优点，但在夏季高温下其与钢板的黏结性差，易出现层间脱层、推移病害；环氧沥青混凝土性能优异，然而其施工工艺复杂，施工条件苛刻，成本高，推广较为困难；浇注式沥青混凝土具有与钢板追从性好、防水效果优良、抗疲劳性能好等优点，施工时呈流淌状态，无需碾压，施工简便，因此下层浇注式沥青混凝土、上层SMA是目前较为成功的铺装方案之一［5－8］，不过其高温稳定性能（特别在高温重载条件下）仍略显不足。詹成根等［9］根据马鞍山长江公路大桥钢桥面铺装的使用条件和技术要求，对比研究了上述3种铺装方案的技术性能、建设条件适应性、使用性能及建设费用，结果表明，双层环氧沥青混凝土方案优于双层SMA方案，且GA＋SMA方案最佳。陈先华等［10］根据大跨径钢桥面铺装的使用性能要求，通过一系列试验指出浇注式沥青混凝土在钢桥面铺装中应用比SMA更有优势。刘颖［11］对钢桥面GA＋SMA方案铺装结构的材料性能进行优化，获得了性能良好的沥青胶结料。在了解各类铺装材料特性和适用性的基础上，重庆市智翔铺道技术工程有限公司针对性地提出了聚合物复合改性沥青GA－10和高弹改性沥青SMA－10组合的铺装结构方案。为了确保大桥的施工质量，在实桥铺装前进行了试验段铺装，评价、分析试验段铺装结构的路用性能，并模拟控制生产施工工艺、组织协调及施工质量，以确保主桥铺装成功。

1 项目概况

沌口长江公路大桥及接线工程连接武汉市四环线西、南段，是四环线的重要组成部分和跨越长江的关键性控制工程之一。线路起点位于武汉经济技术开发区徐家堡，接汉洪高速公路，过沌南洲，跨长江，于石咀李家村下游跨武金堤至长江南岸，再过青菱湖，跨青郑高速，止于107国道，全长8．599km。其中主桥长1 510m，为100m＋275m＋760m＋275 m＋100m的钢箱梁斜拉桥。全线采用双向八车道高速公路的设计标准，设计速度为100km·h－1，设计安全等级为Ⅰ级，车辆荷载等级为公路－Ⅰ级，路基标准宽度为41m，桥梁标准宽度为40．5m。

大桥所在地武汉属北亚热带季风性湿润气候，有雨量充沛、日照充足、夏季酷热、冬季寒冷的特点。夏季极长，达135d，夏季普遍气温高于37℃，极端最高气温为41．3℃。

根据沌口长江公路大桥的实际情况，确定采用上面层浇注式沥青混凝土GA、下面层SMA的铺装结构。

2 试验段基本情况

2．1 试验段位置

根据大桥建设的实际情况，选择线下拌合站混凝土基面为本次试验段的施工区域，长82m、宽6．1m，如图1所示。

图1 试验段施工位置

2．2 铺装结构

沌口长江公路大桥钢桥面行车道采用防水黏结层、35mm聚合物复合改性沥青GA－10、改性乳化沥青黏层、35mm高弹改性沥青SMA－10的铺装结构，具体如图2所示。试验段铺装结构的厚度及层位与主桥完全一致。

图2 沌口长江公路大桥钢桥面行车道铺装结构

2．3 铺装材料

2．3．1 沥青

用于下面层GA－10混合料的沥青采用聚合物复合改性沥青，用于上面层SMA－10混合料的沥青采用高弹改性沥青，其技术要求及检测结果分别见表1、2。

2．3．2 集料及矿粉

粗集料采用坚硬、耐磨的玄武岩碎石，细集料采用石灰岩碎石，矿粉为石灰岩矿粉。技术指标满足设计及规范要求。

2．3．3 其他

上面层SMA－10用纤维为聚酯纤维，预拌沥青碎石采用粒径10～15mm的玄武岩，主要技术指标符合设计及规范要求。

表1 聚合物改性沥青技术要求及检测结果

表2 高弹改性沥青技术要求及检测结果

2．4 配合比设计

GA－10混合料3＃热料仓（6～11mm）、2＃热料仓（3～6mm）、1＃热料仓（0～3mm）、矿粉的比例为30∶14∶20∶26，最佳油石比为7．7%。

SMA－10混合料3＃热料仓（6～11mm）、2＃热料仓（3～6mm）、1＃热料仓（0～3mm）、矿粉的比例为56∶15∶20∶9，最佳油石比为6．0%，聚酯纤维用量为混合料总质量的0．25%。

3 试验段铺装结构材料性能评价

3．1 浇注式沥青混合料的流动性

刘埃尔流动度可用来表征浇注式沥青混合料的施工和易性。浇注式沥青混合料依靠自身流淌形成密实结构，无需碾压［12］，其较好的流动性不仅有利于浇注式沥青混合料形成密实结构，还可以降低摊铺难度，方便碎石压入，加快摊铺行进速度。浇注式沥青混合料施工是在220℃～250℃高温下进行的，温度对浇注式沥青混合料流动性的影响如表3所示。

表3表明，温度对浇注式沥青混合料流动性的影响较为显著，随着温度的升高，刘埃尔流动度逐渐降低。在具体施工过程中，可以通过改变温度来改变混合料的流动性，但温度范围有限。根据经验，当流动度小于40s时，浇注式沥青混合料即可浇注成型。此外，要尽量保证施工安全性以及防止混合料由于高温而老化。综合考虑，浇注式沥青混合料的适宜施工温度在230℃～240℃。

表3 浇注式沥青混合料流动度试验结果

3．2 铺装组合结构的高温稳定性

沥青混合料在高温条件下，经过车辆荷载的反复作用，易产生车辙、推移、拥包等永久变形，降低沥青路面的使用性能，危及行车安全。对于钢桥面铺装来说，铺装层的夏季使用温度更高（可达70℃以上），铺装层相比普通高等级路面厚度偏小，因此钢桥面铺装应当具有更好的高温稳定性来保证其使用性能［13］。

3．2．1 下面层GA－10的高温稳定性评价

贯入度和贯入度增量可表征浇注式沥青混合料在静载情况下的高温稳定性，试验结果如表4所示。可以看出，GA－10的60℃贯入度及其增量较小，远小于设计要求，且相比传统浇注式沥青混合料，其高温性能更为优异。

表4 浇注式沥青混合料GA－10的贯入度试验结果（60℃）

车辙试验能较好地反映沥青路面的实际抗车辙能力，为了进一步分析浇注式沥青混合料的高温变形情况，进行车辙试验，结果如表5所示。

表5 浇注式沥青混合料GA－10的车辙试验结果（60℃）

浇注式沥青混合料的高温稳定性主要来自混合料中的沥青玛蹄脂，采用黏度较高的聚合物复合改性沥青可以有效提高浇注式沥青混合料的高温稳定性。由于浇注式沥青混合料沥青含量高，其动稳定度要比其他类型的混合料低，设计中要求其60℃动稳定度不小于350次·mm－1。由表5可以看出，浇注式沥青混合料GA－10的60℃动稳定度达到603次·mm－1，结合表4可知，浇注式沥青混合料GA－10的高温性能完全满足设计要求。

在浇注式沥青混合料施工过程中，采用专用预拌碎石撒布机撒布7～12kg·m－2的预拌碎石，覆盖率以60%～80%为宜，通过人工滚筒碾压与小钢轮碾压的方式将其压入混合料中，测试预裹碎石浇注式沥青混合料的动稳定度，结果如表6所示。

表6 预裹碎石浇注式沥青混合料GA－10的车辙试验结果

表6表明，预裹碎石的压入能提高浇注式沥青混合料的动稳定度，但是碎石的压入并没能改变混合料的结构类型，因此提高效果相对有限。车辙试验时，碎石会向浇注式沥青混合料中嵌挤，由于浇注式沥青混合料的可塑性会使包裹它的混合料产生多个方向的反作用力，实质上是增大了胶轮的承载面积［14］。

3．2．2 上面层SMA－10的高温稳定性评价

按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）中车辙试验方法来评价SMA－10混合料的高温稳定性。考虑到钢桥面铺装在夏季高温天气温度可达70℃，且上面层直接承受行车荷载的作用，因此增加70℃的车辙试验，试验结果如表7所示。

表7 SMA－10车辙试验结果

由表7可知，温度对上面层SMA－10混合料的高温稳定性影响显著，60℃动稳定度接近7 000次·mm－1，70℃动稳定度为3 576次·mm－1（大于设计要求2 500次·mm－1）。这表明SMA－10混合料具有较为优异的高温稳定性，适用于上面层铺装。

3．2．3 铺装组合结构高温稳定性评价

在实际使用过程中，组合结构要共同承受车辆荷载的作用，故采用车辙试验与车辙深度分别测试60℃和70℃条件下组合结构的动稳定度，试验结果如表8所示。

表8 组合结构车辙试验结果

从表8可以看出，铺装组合结构的60℃动稳定度可达到5 568次·mm－1，70℃动稳定度也有3 100次·mm－1。由此可见，聚合物复合改性沥青GA－10和高弹改性沥青SMA－10的组合结构具有优异的高温稳定性，能满足沌口长江公路大桥高温重载的苛刻使用条件。

3．3 铺装组合结构的低温抗裂性

采用弯曲大梁试验评价组合结构的低温抗裂性，试件尺寸为300mm×100mm×50mm，试验温度为－10℃，试验速度为50mm·min－1。弯曲梁受荷载面为成型车辙的反面，用以模拟实际钢桥面铺装最不利荷载位置的负弯矩变形。试验结果如表9所示，可以看出，该铺装结构表现出较高的低温抗弯应变，并且远大于8 000（10－6）的规范要求，这表明铺装组合结构具有良好的变形性能和抗疲劳开裂能力。

表9 组合结构低温大梁试验结果

3．4 铺装组合结构的疲劳性能

疲劳破坏是钢桥面铺装最主要的破坏形式之一，目前主要通过室内试验来评价铺装体系的疲劳寿命［15］。依据美国SHRPM－009标准，采用 UTM－100沥青混合料试验机进行三点弯曲疲劳试验，试件尺寸为50mm×65mm×385mm，试验温度为15℃，加载波形为Haversine（偏正弦波），加载频率为10Hz。试验结果如表10所示。

表10 组合结构疲劳试验结果

由试验结果可知，沌口长江公路大桥试验段铺装结构疲劳性能优异，疲劳寿命大于100万次，完全能够满足主桥使用条件对混合料柔性提出的苛刻要求。同时从组合结构的破坏状况可以看出，破坏面多出现在铺装层与防水黏结层之间，说明防水黏结层比混合料更易发生疲劳损坏。

3．5 铺装组合结构的其他性能

3．5．1 抗滑性能

按照《公路路基路面现场测试规程》（JTG E60—2008）对SMA－10进行构造深度和摩擦系数测试，结果如表11所示。

表11 SMA－10构造深度及摩擦系数测试结果

由测试结果可知，试验段摊铺区构造深度均满足设计要求，平均值为0．85mm，摩擦系数平均值为69，表明铺装组合结构具有良好的抗滑性能。

3．5．2 防水性能

根据桥面铺装的结构体系要求，防水层上的沥青混凝土在满足结构强度要求的同时，还应兼具防水保护功能。按照规范要求进行渗水系数试验，测试结果如表12所示。

表12 SMA－10渗水系数测试结果

由测试结果可知，试验段SMA－10渗水系数满足设计要求，基本不渗水，表明铺装组合结构的防水性能良好。

3．6 铺装组合结构性能对比

将本次沌口长江大桥的铺装组合结构与其他代表性桥面铺装结构的性能进行对比，如表13所示，可见沌口长江大桥的铺装结构方案具有优良的高低温性能、疲劳性能、抗滑性能及防水性能。

表13 不同钢桥面铺装组合结构性能对比

4 结 语

本文通过对沌口长江公路大桥试验段铺装结构聚合物复合改性沥青GA－10、高弹改性沥青SMA－10性能的检测与研究，得出以下结论。

（1）沌口长江公路大桥桥面铺装材料的施工工艺合理，施工质量较优。浇注式沥青混合料GA－10和SMA－10混合料配合比设计满足规范要求。

（2）下面层浇注式沥青混合料GA－10在240℃左右具有良好的流动性，易于施工；其60℃贯入度及动稳定度满足设计要求，高温性能良好，上面层SMA－10混合料具有优异的抗车辙性能，铺装组合结构高温稳定性优异；铺装组合结构还具有良好的低温抗裂性和疲劳性能，其低温弯曲应变和疲劳寿命分别超过12 000（10－6）和100万次；此外，摊铺区试验段的抗滑性能和防水性能良好。因此，该铺装组合结构能够满足沌口长江公路大桥桥面铺装的使用条件。

（3）沌口长江公路大桥 GA－10＋SMA－10试验段铺装是成功的，其试验段铺装结构的性能研究为主桥钢桥面铺装提供了有效的技术保障，并促进了中国钢桥面铺装的技术发展。