改扩建后工字梁与T梁组合桥面病害处治及加铺设计分析

施权君,黄岩峰

(1.广西交通投资集团有限公司,广西 南宁 530022;2.广西交通设计集团有限公司,广西 南宁 530029)

0 引言

高速公路改扩建中,原有的装配式预应力混凝土旧梁与拓宽部分的新梁结合是一种常见的拼接方式[1-2],但在使用过程中,此类桥梁的桥面铺装常常会出现不同程度的开裂、破损,削弱了其耐久性和安全性。

对于桥面铺装病害治理,随着筑路新材料与施工技术的不断更新与完善,涌现出了以易密实高弹改性沥青(EMC)、超薄耐久性抗滑磨耗层(TFC)、环氧沥青混凝土(EA)、改性沥青玛蹄脂碎石(SMA)等典型沥青铺装材料为基础的主流加铺技术[3-6],以及“UHPC+SMA”等其他组合铺装技术[7]。

易密实高弹改性沥青(EMC)采用易密实高弹改性剂和SBS改性沥青进行配制,是可用于改善路面抗滑性能、封闭路面裂缝和延长路面寿命的一种预防性养护技术。由于EMC-10采用易密实高弹改性沥青和骨架密实型级配,施工和易性好,高低温性能均衡,抗反射裂缝能力优异,构造深度大,抗滑性能好,用于桥面铺装病害处治后的桥面加铺优势明显。

1 工程概况

位于G75兰州至海口高速公路(广西南宁至钦州段)的某大桥跨越钦江,建成于1997年9月,全长288.00 m。此路段于2017年改扩建时,对该桥保留旧桥结构,在旧桥两侧进行加宽处理;旧桥与拼宽桥梁间为上部结构相连接,下部结构不相连接,并于2019年10月建成通车。

桥梁上部结构为7×40 m预应力混凝土连续工字梁(旧桥部分)+7×40 m预应力混凝土简支T梁(拓宽桥梁部分)。下部结构的原旧桥桥台采用肋板式、明挖扩大基础,桥墩为薄壁墩、桩基础;拓宽桥梁的桥台为肋式桥台、桩基础;桥墩采用薄壁墩、桩基础。

桥面铺装采用15 cm厚C50水泥混凝土,上部设1 cm表面微处理层及4 cm厚AC-13沥青混凝土防滑层。该桥设计速度为120 km/h;旧桥部分设计荷载为汽车-超20级,挂车-120;拓宽桥梁为公路-Ⅰ级。桥面双幅总宽2×22.35 m,单幅桥面净宽19.5 m,典型断面如图1所示。

图1 桥梁断面图(cm)

2 病害情况及原因分析

根据现场检测结果,桥面铺装的主要病害情况及产生原因分析如下。

2.1 桥面病害情况

左幅桥面铺装存在1道纵向裂缝,裂缝长度为2.0 m,宽度为0.80 mm;存在3道块裂裂缝,面积总计19.79 m2;存在6道横向裂缝,缝长合计为24.5 m,裂缝宽度为0.15～0.30 mm;存在2处网状裂缝,面积总计为21.66 m2;存在2处破损坑槽,面积总计为57.47 m2。

右幅桥面铺装存在4道纵向裂缝,缝长合计为25.8 m,裂缝宽度为0.18～0.50 mm;存在2道块裂裂缝,面积总计为7.38 m2;存在30道横向裂缝,缝长合计为45.8 m,裂缝宽度为0.20～2.50 mm;存在4处网状裂缝,面积总计为3.30 m2;存在5处破损坑槽,面积总计为1.96 m2。

综合左右幅桥面病害情况,该桥主要病害为纵横向裂缝、块裂裂缝、网状裂缝及破损坑槽。

2.2 病害成因分析

桥面铺装块裂、网裂、坑槽等形成的主要原因是:受重载交通作用,桥面铺装层表面出现局部龟裂、网裂病害,若处理不及时,在长期雨水侵蚀与重车作用下,导致破损加大逐渐形成块裂、坑槽。

桥面铺装纵向裂缝形成的主要原因是:新旧梁间建造时间相隔较长,存在不均匀沉降导致桥面铺装纵向开裂,且常在新旧梁的湿接缝处出现裂缝。

桥面铺装横向裂缝形成的主要原因是:墩顶位置附近桥面铺装在移动荷载作用下处于受拉状态,当桥面铺装拉应力超过抗力时发生开裂,但非墩顶处的横向裂缝主要是由于桥面铺装混凝土温度变化伸缩造成。

3 桥面加铺设计

结合项目桥梁特点,根据桥梁的检测及验算评估结论,本着安全第一的原则,以经济合理、缩短交通影响及施工便捷为目的,采用适当措施消除桥梁安全隐患,确保桥梁运营安全。本文仅介绍对桥面病害的加铺前维修处治,并对桥面进行加铺设计。

3.1 加铺前病害维修

桥面加铺前须对开裂等病害进行维修处治,重点考虑抗反射裂缝和防止薄层推移。为了减少加铺薄层罩面后路面的反射裂缝,桥面铺装病害处治方案为:对左右幅桥面铺装存在的裂缝进行灌胶处理,对破损坑槽进行局部修补;对右幅新旧桥梁交接处的混凝土破损进行挖除,并采用配筋进行维修加固处理。

3.2 加铺方案比选

为了保证该桥的加铺安全,分原铺装工况(15 cm钢筋混凝土铺装+2 cm沥青铺装面层)[8]和加铺工况(原铺装+10 cm沥青铺装面层)[9-10],分别按相应规范进行荷载组合和验算。验算结果表明,各工况下,拼宽结构及旧桥结构主梁正截面抗弯强度及斜截面抗剪强度,在正常使用极限状态采用阶段应力验算,主梁挠度验算均满足规范要求,可以进行桥面加铺设计。根据实际情况及考虑材料、施工等各方面情况,进行以下加铺方案比对。

3.2.1 易密实高弹超薄磨耗层

易密实高弹超薄罩面(EMC)是一种用于改善路面抗滑性能、平整度、封闭路面裂缝和延长路面寿命的预防性养护技术,有EMC-10和EMC-13两种级配。EMC-10采取易密实高弹改性沥青和骨架密实型级配,施工和易性好,设计空隙率为3%～5%,高低温性能均衡,抗反射裂缝能力优异,构造深度大,抗滑性能好。该桥计划采用EMC-10,铺筑厚度为2 cm。

3.2.2 加铺2 cm复合封层

复合封层是碎石联结层、碎石封层和微表处(或稀浆封层)相结合,铺筑厚度为15～30 mm。有时为了提升其路用性能,常用纤维碎石封层或纤维微表处技术。复合封层表面密实,能防止石料早期脱落,同时具有防水和抗滑功能,可有效保护路面,减少路面病害的发生,延长道路使用寿命。

3.2.3 双层超薄耐久性抗滑磨耗层

超薄耐久性抗滑磨耗层(TFC)利用专用乳液作为胶结料,以3～5 mm单一粒径玄武岩作为集料,采用专用摊铺设备实现一体化作业,初步凝结后用钢轮压路机碾压成型,双层施工最终成型厚度约为1 cm。双层TFC超薄耐久性抗滑磨耗层方案具有不损伤原桥面结构、粘结牢固、美观舒适等主要性能优势。

3.2.4 加铺SMA-13沥青罩面

根据桥面加铺结构验算结果,最大加铺厚度为10 cm,因此为了提升加铺罩面的使用寿命,可选择更厚的沥青罩面,比如加铺2 cm厚AC-10沥青应力吸收层+4 cm厚SMA-13沥青玛蹄脂碎石。该方案可大幅提高桥面使用寿命(≥7年)及平整度,且抗滑性能优良。但不足之处是加铺后桥面标高抬升6 cm,现有的混凝土防撞墙高度无法满足规范要求,需进行提升改造;由于加铺厚度较大,桥面伸缩缝需拆除重做;养护成本高,工期长,对通行影响大。

3.2.5 经济技术综合分析

由于该桥位于平陆运河航道上,受运河项目的影响,大桥在未来5年需要拆除重建,为避免拆除前需对桥面进行第二次养护维修,造成养护资金的浪费,本次桥面加铺设计使用年限确定为5年。为了进行对比,下面就将四种方案的基本特性列出如下页表1所示。

表1 方案比选表

从技术层面分析,最优加铺方案为加铺2 cm厚AC-10+4 cm SMA-13,但若采用该方案,需同时对桥梁伸缩缝及混凝土护栏进行处理,项目投资及工期必将大增,故不建议采用该方案。双层超薄耐久性抗滑磨耗层(TFC)加铺厚度仅有1 cm,其抗反射裂缝能力较差,使用寿命仅有2～3年,拆除重建前很可能需要进行二次维修,且费用相对较高,因此也不建议采用。易密实超薄磨耗层EMC-10和复合封层相比,前者与桥面的粘结效果、抗反射裂缝能力、使用耐久性等更优,但其施工便易性及经济性略差,其他方面的技术经济指标,两者大致相当,因此推荐采用易密实超薄磨耗层EMC-10作为本次加铺方案。

根据以往的工程实例表明,传统的乳化沥青、改性乳化沥青、热沥青用于水泥路面薄层加铺工程中,其粘结能力表现明显不足,常引发沥青罩面推移或脱落等病害,因此建议本项目采用不粘轮的高强溶剂型粘结剂作为粘层材料。

3.3 设计要点

根据方案对比,结合大桥的现实状况,以及国内水泥桥面加铺沥青罩面技术的研究成果,在对原桥面病害进行彻底处治的基础上,确定本项目的桥面加铺设计要点如下[11],具体详见图2。

(a)正常路段

(1)对原路面进行精铣刨,铣刨深度为1.0 cm,桥面伸缩缝两侧2 m范围内的铣刨深度为1～2 cm,以提高水泥路面平整度,并为加铺超薄罩面提供平整粗糙界面,增强原桥面与加铺层层间粘结。

(2)采用抗裂贴对处治后的后浇带进行贴缝处理,从而起到桥面封水和提高加铺层抗反射裂缝能力的作用,其中抗裂贴的宽度为33 cm。

(3)撒布高粘结力的高强型溶剂粘结剂0.3～0.5 kg/m2,作为界面粘结剂,提高超薄罩面与基面间的界面粘结效果,防止超薄罩面在使用过程中发生推移。

(4)加铺2.0 cm易密实高弹超薄磨耗层EMC-10,为大桥桥面提供平整、舒适、抗滑的磨耗层。对全线标线和反光突起路标进行恢复,保障交通安全。

4 加铺施工技术要求

4.1 易密实高弹超薄磨耗层施工

易密实高弹改性沥青采用易密实高弹改性剂和SBS改性沥青进行配制,其中,易密实高弹改性剂掺量根据试验确定,粗集料采用5～10 mm辉绿岩碎石,细集料采用0～3 mm辉绿岩机制砂,技术指标必须满足规范要求。易密实高弹改性沥青应满足表2所列的技术要求。

表2 易密实高弹改性沥青技术指标要求表

EMC-10易密实高弹薄层罩面混合料的性能要求如表3所示,马歇尔试件尺寸为φ101.6 mm×63.5 mm。EMC-10的油石比通常为5.4%～5.8%,具体根据配合比试验确定。

表3 EMC-10易密实高弹薄层罩面性能要求表

4.2 高强型溶剂粘结剂施工

采用不粘轮的高强型溶剂粘结剂作为粘层,原材料应满足表4所列技术要求[12],并具有符合要求的路用性能。粘结层的撒布量应保证路面沥青膜厚度均匀,并在一定时间内完全干燥,推荐用量为0.3～0.5 kg/m2。

表4 溶剂型粘结剂的主要技术要求表

4.3 精铣刨施工技术

精铣刨时应按确定好的铣刨面积、铣刨深度沿行车方向逐刀进行,铣刨设备应采用多点找平进行施工。采用精铣刨的刀头个数为336或672,铣刨速度应控制在8～15 m/min,铣刨深度为5～10 mm。对未铣刨到的边角部位,采用人工进行修整;在桥梁伸缩缝与路面连接处,应在伸缩缝两侧至少预留10 cm宽的区域不铣刨。铣刨面要采用设备清扫,以确保铣刨裸露面洁净、干燥,且铣刨面外观、宽度、深度等要符合要求。

5 结语

基于某桥梁桥面检测的病害情况,本文提出在对病害进行处理的基础上,采用易密实高弹超薄磨耗层施工对桥面进行加铺,得到主要研究结论如下:

(1)改扩建桥梁由于新旧桥桥面连接但下部结构不连接,桥面铺装较易出现裂缝、坑槽等病害,必须分析其原因并采取合理的处治技术。

(2)分析对比表明,采用2 cm厚度的 EMC-10易密实高弹改性沥青方案对该桥桥面进行加铺经济合理、施工方便、针对性强,但必须要采用高强型溶剂粘结剂作为粘层,并对原混凝土桥面进行精铣刨。

(3)施工检测及跟踪观测数据表明,该桥利用EMC-10进行桥面加铺具有良好的抗车辙性能、抗滑稳定性及良好的排水性能,处理效果良好。