钢桥面铺装层结构性能研究

闫军亭

(石家庄市公路桥梁建设集团 石家庄市 050000)

随着桥梁建设的不断发展，其跨径不断增加。当前大跨径桥梁常采用钢箱梁结构，但因各种因素的影响，早期钢桥面铺装损害现象较为普遍，降低了其使用年限，并具有较大的维修工作量[1]。因此研究钢桥面铺装结构性能具有较为重大的意义。

1 工程概况

该桥梁桥面铺装由35mm厚度的SMA-10改性沥青混合料构成上层结构；由300～500g/m2用量的洒布改性沥青构成粘层结构；由35mm厚度的浇注式沥青混凝土以及5～10mm厚度的预拌碎石构成下层结构。该铺装层的防水粘结层采用的材料包括有反应性粘结剂，丙烯酸树脂高分子防水涂料以及防腐底涂料，桥梁钢板具有2.5级的清洁度，以喷砂的方式进行除锈。

2 铺装材料温度稳定性研究

2.1 混合料性能研究

该桥梁所采用的SMA10混合料的铺装材料的级配曲线如图1所示。通过马歇尔试验，确定SMA10高弹改性沥青混合料的最佳油石比为6.4%。

图1 SMA10级配曲线示意图

基于对铺装材料的性能要求，开展了高弹SMA10铺装材料的性能研究。所得结果如表1所示。

(1)高温稳定性

表1 高弹SMA10沥青的高温稳定性

从表1可知，该钢桥面铺装所采用的SMA改性沥青材料具有较好的高温稳定性。

(2)抗压强度试验研究

图2 不同温度条件下高弹SMA抗压强度

由图2可知，高弹SMA10具有较高的温敏性，相比于低温环境，高温环境下的高弹SMA沥青材料具有较低的抗压强度，为降低铺装层在高温时所受的破坏，当温度较高时，应限制超载车辆。

2.2 浇注式沥青混合料性能试验

(1)高温稳定性

相比于普通沥青混合料而言，常采用贯入度对浇注式GA10沥青的高温稳定性进行评价[2]。以规范所推荐的方法制备了70.7mm边长的立方体试块，以对温度不同时GA10沥青的贯入度进行研究，以分析浇注式沥青混合料的高温性能与温度之间的关系。所得结果如表2所示。

表2 浇注式沥青混合料贯入度及其增量的试验结果

从上述试验结果可知，浇注式沥青材料的贯入度及其增加量随着温度的不断上升而均有所上升，表明随着温度的增加浇注式沥青材料的高温性能不断降低[3]。分析原因可知，浇注式沥青混合料有较高的矿粉和沥青含量，因此具有较高的温度敏感性。从整体上来看，该桥梁所采用的浇注式沥青混合料具有符合规范要求的贯入度及其增加量，因此其具有较好的高温性能。

(2)低温弯曲性能

表3 浇注式沥青混合料弯曲变形试验结果

从表3试验结果可知，浇注式沥青混合料在较低的温度环境下具有较脆的性能，在温度较低的情况下施加荷载时，其在变形程度较小时即产生破坏。当温度较高时，浇注式沥青混合料具有较高的变形能力，其弯拉强度随着不断增加的温度而不断提高。在常温条件下，浇注式沥青混合料具有较高的抗变形能力，但因沥青具有软化作用，使其弯拉强度有所下降。

3 层间结合整体性研究

对桥面结构的整体性而言，防水粘结层的设置效果对其有着直接的影响[4-5]。因此对该粘结层的粘结和防水性能进行研究。对于粘结强度的测试，所采取的方法如图3所示。

图3 粘结强度试验方法示意图

3.1 防水粘结材料与钢板间的粘结强度

在不同的温度条件下测试甲基丙烯酸树脂防水材料的拉拔粘结强度，试验所得数据如表4所示。

表4 防水粘结材料与钢桥面板间的粘结强度

从试验结果可知，防水材料的破坏面随着不断上升的温度而表现出从钢板与材料的界面逐渐转变到材料内部的规律。材料的强度可通过其内聚破坏情况进行反映，在工作温度范围内多数材料均表现出随着不断上升的温度而呈现出强度不断降低的规律，少部分材料因具有较低的温感性，因此其强度仅具有较小的变化幅度。而多数具有较大温感性的材料则具有较大的降低幅度。当温度在10℃以下时，因材料具有较高的自身强度，故其破坏面一般在两相界面的薄弱处出现；当温度较高时，破坏面常出现在材料内部以及其与钢板交界处。

从实验结果可知，随着温度的增加，钢板与甲基丙烯树脂防水粘结材料的粘结强度不断降低，但粘结性能总体而言较为良好，其粘结性能即使在50℃的温度下仍能达到2.17MPa，相比于其他常用的防水粘结材料性能较好。分析原因可知，该桥梁所采用的防水粘结材料属于反应性树脂材料，当其固化之后能够具有较高的强度，相对而言具有较低的温度敏感性，更加符合当地较高的绝对温度以及较长高温期的环境特点。

3.2 防水体系(组合结构)的结合强度

桥面铺装层的下层铺装和防水粘结层共同组成组合结构[6]。桥面铺装的整体抗剪强度可通过组合结构的强度进行反映。

(1)防水体系拉拔粘结强度

表5 防水体系拉拔粘结强度

从试块的破坏界面可知，试块破坏时的界面并非仅有单一的形式，防水层以及浇注式沥青混凝土有并存的破坏存在。随着温度的不断上升，防水体系的粘结强度不断降低，并且当温度区间不同时，其降低幅度有区别。当温度较低时，防水体系的粘结强度仅具有较低的衰减速率。

从整体上看，相比于钢板间的粘结强度而言，组合结构的较低，两者强度之差在50%以上，当温度较低时两者差距能够达到2MPa，当温度较高时两者差距约为1MPa。铺装层的下层与粘结剂间常出现破坏面，少部分破坏面出现在粘结剂内部。可知，粘结剂的强度以及钢板清洁度均会对组合结构的粘结强度产生影响。

(2)防水体系剪切粘结强度

采用压剪强度测试仪对该结构的压剪强度进行检测，以对防水体系的界面粘结效果进行评价。所得结果如表6所示。

从试块的破坏程度可知，防水粘结体系随着温度的变化而表现出不同的破坏状态。当温度较低时，破坏面常出现在铺装层与防水层之间，当温度较高时，破坏面常出现在沥青混合料内聚层。

表6 防水体系组合结构剪切强度

因温度区间不同，防水粘结体系具有不一样的破坏情况。当所得的测试结果主要破坏形式为沥青铺装层和防水粘结层的破坏时，才能将真实的剪切强度反应出来。当温度较高时，沥青混合料的强度具有较快的衰减幅度。相比于沥青层与粘结层的抗剪强度，当混凝土自身强度较低时，将会有剪切破坏出现在沥青混合料内部，该种情况下一般会得到较小的测试结果，无法将防水粘结体系真实的剪切性能体现出来。

4 结语

通过上述分析，主要得出以下结论：随着温度的增加，钢板与甲基丙烯酸树脂防水材料的粘结强度不断降低，但其粘结性能总体而言仍较好。而相比之下，组合结构的粘结强度较小。一般在铺装层下层与粘结剂间将有破坏面出现，可知对于组合结构而言，其粘结强度与粘结剂的强度以及施工界面清洁度有关。