曾成福 颜华平
(1.江西省交通工程集团有限公司,江西 南昌 330000;2.江西省交通投资集团南昌北管理中心,江西 南昌 330000)
桥面铺装质量直接影响行车的舒适性和安全性,经过长期研究和试验,世界各地已成功应用了大量的钢结构桥梁铺装。但是,钢桥面上仍存在较为严重的路面结构病害。目前,关于钢桥面铺装技术仍存在一定争议,并没有形成统一标准。桥面铺装层直接作用于各向异性钢桥面,具有复杂的应力和应变状态,在外部环境、超载等作用下容易发生损坏。几乎所有的钢桥面铺装层都会出现推移病害和车辙病害。目前,国内外尚没有完全解决的方法。针对这一问题,除了引进国外先进设计技术,研究开发优秀的新型铺装材料外,还必须分析钢桥面铺装结构的性能。
目前,国内外钢桥面主要采用五种铺装材料,即浇注式沥青混凝土混合料(GA)、SMA沥青混合料、SMA改性沥青混合料、环氧沥青混合料(EA)和树脂沥青组合体系。主要采用的3种典型铺装结构是,同类材料单层铺装(同质单层)、同一种材料双层铺装(同质双层)和不同材料双层铺装(异质双层)。相关研究表明,由于气候条件和交通条件的原因,单层桥面铺装结构并不适用于我国。例如,采用单层GA路面结构的江阴长江大桥出现了严重的横向、纵向裂缝,块状裂缝,以及推移和车辙等早期破坏。因此,本文选择3种常用的钢桥面铺装材料(SMA、GA、EA),分析其同质双层和异质双层的不同组合结构性能。
目前,钢桥面铺装主要由不同铺装功能的双层结构组合形成。作为表面层的功能,上面层应具有良好的路面性能,需要能够满足抗裂性和抗渗性。下面层应具有良好的抗水损性和抗荷载功能。
高性能聚合物改性沥青具有较长的疲劳寿命和较低的开裂温度。在大跨径钢桥面铺装中,保护层采用浇注式沥青混合料时,表面磨耗层通常采用高弹改性沥青SMA,该组合结构在港珠澳大桥、武汉杨泗港大桥等120多座大跨径钢桥上的应用面积超300万平方米。环氧沥青混凝土具有强度大、耐高温、黏结能力强等优点,作为钢桥面铺装的下面层,不仅能够承受较大的荷载作用,且与钢桥结构黏结牢固,表现出良好的路用性能。
因此,本文分析了3 种典型铺装结构,分别为“SMA-10+SMA-13”“GA-10+SMA-13”和“EA-10+SMA-13”。各结构层采用相同的4cm厚度。
在60℃和70℃条件下,分别测试3种铺装结构的动稳定度和车辙深度,车辙试件成型按铺装下层—黏结层—铺装上层的顺序开展。对于浇注式沥青混凝土则采用自流平方式成型,对于环氧沥青混凝土则采用轮碾成型。试验结果如表1所示。
从试验结果可以看出,高温抗车辙性能从高到低为:“EA-10+SMA-13”“SMA-10+SMA-13”“GA-10+SMA-13。60℃下的动稳定度均大于4000次/mm,车辙深度均小于1.2mm。当试验温度提高到70℃时,只有“GA-10+SMA-13”组合结构动稳定度低于2800次/mm,另外两种组合结构动稳定度仍大于4000次/mm,车辙深度均小于1.5mm。这表明3种铺装结构组合方案均具有良好的耐高温性能,但是,在钢桥面上采用“GA-10+SMA-13”铺装结构时,须注意其在高温条件下的稳定性。
对3种铺装结构开展疲劳试验,成型的试验板尺寸为700mm×200mm×98mm。试验中,将试件放在直径为50mm,间距为300mm的3个钢制滚柱支座上,借助伺服液压油缸施加正弦波荷载,通过四脚施力架将加载力直接导向钢板。疲劳试验参数如表3所示。
表2 疲劳试验参数
表3 疲劳试验结果
从试验结果可以看出,抗疲劳性能从高到低为:“EA-10+SMA-13”“GA-10+SMA-13”“SMA-10+SMA-13”。3种铺装结构的疲劳寿命均随着应变水平的增加而降低,疲劳寿命变化趋势是相同的。在500应变水平条件下,3种铺装结构的疲劳寿命均达到了80万次以上,其中EA-10+SMA-13铺装结构疲劳寿命可达100万次。因此,在钢桥面上采用3种铺装结构均具有较好的疲劳耐久性。
通过室内试验及对大量文献的阅读研究,分析比较了3种铺装结构的其他路面性能,研究结果如表4所示。
从表4可以看出,3种铺装结构的抗裂性能均表现一般;水稳定性EA-10+SMA-13和SMA-10+SMA-13结构较好;EA-10+SMA-13和GA-10+SMA-13结构抗老化性能和耐久性均较好;因为3种铺装结构的表面层均为SMA-13,所以,它们在抗滑性能和交通噪声方面均表现较好。
表4 其他路面性能比较分析
通过对路用性能的分析,建议根据交通荷载情况选择不同的桥面铺装结构进行组合。不同铺装结构的适用条件如表5所示。
表5 铺装结构适用条件
EA-10+SMA-13结构因其具有优异的抗车辙性能和耐久性,推荐用于特重交通等级钢桥面。尽管GA-10+SMA-13结构整体有一定的抗车辙性能,但是GA缺乏高温稳定性,易形成车辙,这种结构在重载交通路段可考虑使用。因为EA和GA施工难度较大,且成本较高,轻交通路段不建议考虑这两种材料,考虑到经济性,推荐使用SMA-10+SMA-13结构。
EA-10+SMA-13铺装结构具有抗车辙性能好、耐久性好及耐低温开裂的优势,但造价高、施工难、维护时间长;由于GA空隙率低,GA-10+SMA-13铺装结构具有防水、防腐、抗老化等优点,同时具有优异的抗滑、耐久性能;SMA-10+SMA-13铺装结构具有技术可靠、经济和施工优势,非常适用于钢结构桥梁铺装;EA-10+SMA-13铺装结构推荐用于非常繁忙的交通,中、重交通路段可以考虑采用GA-10+SMA-13铺装结构,轻交通情况下建议使用SMA-10+SMA-13铺装结构。