桥面铺装面层结构组合优选试验研究

白晓茹 王志峰

（新疆兴亚工程建设有限公司，昌吉 831100）

0 引言

桥面铺装作为桥梁与车辆直接接触部分， 其质量一方面直接影响着行车安全性与舒适性， 另一方面也对桥梁耐久性产生影响。 目前国内除极少数特大型桥梁对桥面铺装进行专门设计、施工外，一般桥面铺装普遍采用与路基主线相同的两层路面结构形式。 但鉴于桥面特别是大跨径桥面具有挠度大、变形较路基差异大等特点，调研发现多数桥面铺装较路基面层更易发生车辙、推移以及层间剪切破坏等损坏形式，因此有必要对桥面铺装进行专门研究[1,2]。 目前国内外学者对此虽进行了广泛研究，但由于我国地域广阔， 桥面铺装工况以及地材差异较大，相关研究仍待进一步规范[3-9]。 为此，本文首先对桥面铺装的层位分工进行分析，并制订不同组合结构形式拟进行对比试验，然后从各结构形式高温性能、剪切性能等模拟试验入手，综合分析以选取更优的桥面铺装组合结构形式。

1 铺装层层位分析

桥面铺装有别于一般路基段面层结构， 由于受到桥梁结构组成的影响， 其铺装质量优劣直接影响到桥梁使用耐久性、影响着桥梁功能的发挥。因此桥面铺装应具有较普通路面更优的使用性能，具体表现如下：

（1）应具有较好的高、低温性能。 由于梁桥不同于普通路基的特殊性，导致在夏季，桥面内的混凝土温度要比普通路面高约15℃，路面较强的吸热储热，致使其比气温高25℃～35℃。由于桥梁的特殊跨径构造使得汽车在上桥时车速减缓，这必然会导致较大的车辙现象。而冬季由于桥面失去路基的“保温作用”，相较普通路段温度更低，更易发生低温破坏。

（2）应具有良好的抗剪性。现在的桥梁上下桥都是坡行路面， 汽车在上下桥的时候会对桥面施加一个较大的剪应力，如果桥面的抗剪能力不足，则会产生车辙和路面推移，特别是当下桥的时候，为了会车安全，驾驶员会频繁使用刹车以降低车速，使得桥面承受更大的剪应力，因此要求桥面铺装材料具有较强的抗剪能力。 另一方面抗剪性表现为层间粘结性能， 主要表现为沥青混凝土面层与水泥混凝土桥面板的刚-柔路面层间粘结以及两层沥青混合料之间的粘结。

（3）另外也应具有良好的抗滑性能及平整度。抗滑性能作为安全性指标、 平整度作为行车舒适性指标， 是桥面、路面最一般的路用性能要求，因此桥面铺装层也应满足此项要求。

2 原材料试验

为方便进行对比研究，本文集料均采用统一集料，其中粗集料为上面层常用玄武岩集料， 细集料采用粒径规格为0～4.75mm 优质石灰岩机制砂， 矿粉则为石灰岩研磨矿粉。 沥青为I-D 级SBS 改性沥青， 纤维为进口颗粒状木质素纤维（掺量为混合料总质量的0.3%）。 各原材料性能指标见以下各表（表1～3）：

表1 粗集料主要指标

表2 细集料试验指标

表3 SBS 改性沥青性能指标

3 铺装层构造组合设计

结合上述分析， 并通过调研目前国内外常用的水泥混凝土桥面沥青混凝土铺装组合结构形式， 确定了如下对比试验方案（见表4）。

表4 不同铺装层结构组合方案

本次试验以目前较为广泛使用的双SMA 结构组合（表4 中A 类）为主要研究对象，并拟定了三种双SMA 组合结构形式， 其中一种为常规下粗上细递进式组合结构（SMA-16+ SMA-13）， 其它两种为验证倒装结构在桥面铺装应用中的适用性而采用， 分别为SMA-16+ SMA-13与SMA-16+ SMA-13。 其中第三种为验证防水性能较优的小粒径倒装结构适用性。 设置组合B 在于对比在倒装结构形式下双SMA 结构与AC+SMA 组合结构形式性能差异。 组合C 为双AC 结构，为目前较多项目普遍使用的常规结构。

4 组合结构性能试验

4.1 混合料性能试验

分别对表4 中三种不同桥面铺装层结构组合形式共6 种混合料进行配合比设计，并进行性能试验，各项性能指标均符合规范要求，试验结果如下表5～6 所示：

表5 SMA 类混合料路用性能试验结果

表6 AC 类混合料路用性能试验结果

由表5、 表6 可知， 总体而言随着最大公称粒径增大，SMA 类与AC 类混合料高温稳定性均逐渐加强，SMA类水稳定性逐渐减弱，AC 类水稳定性变化不大。 这是由于随着粒径增大，混合料骨架结构逐渐增强，抵抗高温变形能力增加；而随着粒径减小，混合料抵抗水渗透能力逐渐增强， 相应受到浸水或冻融处理时混合料性能更加稳定。 同时，SMA 类混合料高温性能远优于AC 类混合料、水稳定性相差不大且均符合规范要求。

4.2 全厚式车辙板试验

《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011） 规定混合料车辙试验试件尺寸为300mm×300mm×50mm。 由于进行的是室内模拟试验，必然与实际路况存在较多的偏差，主要体现在：车辙试验使用的是装载在模具内的单层沥青混凝土，地面和侧面均被钢板限制；而实际路况是多层结构，地面为路基，侧面没有限制。 为更好的模拟现场工况， 采用与现场等厚的全厚式车辙板进行高温车辙试验。 其中上面层为4cm、下面层为6cm，试件尺寸为300mm×300mm×100mm。 试件的制作方法是先按照常规的试验方法制作一块6cm 厚的沥青混凝土板作为下面层。将此板在室温下放置24h，然后把此块6cm 厚的板作为底板放入全厚式车辙板模具中， 在其表面均匀涂抹SBS 改性沥青作为粘层油。 紧接着将混合料倒入模具，按规范压制上面层。

将上述车辙板进行全厚式车辙试验， 得到不同结构组合的动稳定度如下表7 所示。

表7 不同结构的动稳定度

由表7 中的数据可以看出，在高温抗车辙能力上，双SMA 结构较其它结构要提高较多，且不同双SMA 结构动稳定度差异较小， 另外倒装结构较常规结构动稳定度变化变化不大。 当结构组合中存在AC 结构层时动稳定度显著减小，特别是双AC 结构，动稳定度减小接近50%。因此在对高温性能较高要求的地区不宜采用双AC 组合的结构形式。

4.3 铺装层直剪试验

作为影响桥面铺装质量的关键因素， 抗剪性能优劣直接影响着桥面铺装耐久性。 而铺装层剪切破坏主要发生于不同层位之间的剪切破坏， 为研究上述组合结构之间剪切性能，本文采用直接剪切试验进行性能验证。直剪试验试件采用上述全厚车辙板试件相同成型方式， 并使用钻芯取样钻取试件，每组试验由3 个试件组成。 其中，施加正应力与车辙试件施加应力相同，为0.7MPa；采用应变控制模式加载，加载速率为50mm/min。

不同组合结构形式下抗剪强度试验平均值汇总如下。

表8 各组合结构抗剪强度

通过上述结果可知：（1） 双SMA 组合结构较其它结构组合具有较高的抗剪强度，且不同组合的双SMA 组合结构抗剪强度相差不大.（2）倒装结构的设置使得抗剪性能普遍提高，这是由于相同组合结构形式下，将粒径较大结构层倒装上置， 当表层受到水平荷载作用时较大公称粒径骨架发挥更大作用，表现出抗剪强度增加。 （3）对比A-2 与B、C 两类组合形式，A-2 与B 二者抗剪强度相差不大，而当上面层为AC 类结构时剪切强度显著减小，表明上面层对抗剪强度形成起主要作用。 因此桥面铺装设计时，应结合现场工况进行具体设计，如对抗剪强度要求不高时，可采取AC+SMA 的组合结构形式。

5 结语

（1）相较于其它结构组成，双SMA 结构组成具有最优的高温稳定性与抗剪强度， 且不同组合之间高温性能与抗剪性能差异不大。 双AC 类组合结构桥面铺装高温稳定性与抗剪强度均较低， 当对桥面铺装质量具有较高要求时，应禁止采用双AC 结构组合形式。

（2）倒装结构设置可以提高桥面铺装的高温稳定性与抗剪强度，且粒径较大的双SMA 倒装结构具有更好的高温性能与抗剪性能。

（3）综合各单层混合料性能试验结果与车辙、剪切试验结果，考虑大粒径混合料水稳定性相对较差，当采用倒装结构时，大粒径混合料层直接暴露于空气中与水接触，水稳定性难以保证，实际服役过程中易造成水损害。因此条件允许时，优先采用上面层SMA-13、下面层SMA-10的小粒径双SMA 倒装结构作为桥面铺装层优选结构组合形式。