钢筋混凝土桥梁沥青混合料桥面铺装技术研究

1．引言
　　钢筋混凝土桥面沥青铺装层能缓和行车对桥面板的冲击，满足行快速、舒适的行车要求，随着沥青混合料性能的改进，应用将更加广泛。但是山区高速公路桥面铺装层在荷载作用、工作环境等方面受到的不利作用也是非常明显的，出现早期破坏的现象很严重。目前，已经建成投入运营的许多高速公路，最早开始破坏的部位往往是桥面沥青混凝土铺装层。桥面铺装上部沥青层的破坏也常常表现得很严重，其早期破坏主要有以下几种形式：（1）推移、拥包和车辙、（2）松散、坑槽、（3）开裂，以及（4）桥面铺装层脱落等。
　　通过对桥面铺装病害处的剖析发现，不少常规混凝土桥梁在通车1～2年后，其桥面铺装就出现类型和程度不同的开裂现象，部分已形成破碎带，其下钢筋混凝土防水层也发生了较严重的破坏，并有部分主梁出现浸水和钢筋锈蚀，影响桥面的使用性能和耐久性。现今，桥面铺装的开裂及由此导致的恶化病害已经严重影响桥梁的正常使用，其维修也常常使得交通中断或不畅，极大地影响了高速公路的运营和安全。
　　另一方面，对于水泥混凝土桥这种特殊路段的沥青路面铺装来说，其耐久性和使用功能的保证除具有较好的铺装路面结构外，还应具有良好的防水功能，以保证桥面上的雨、雪水不能通过铺装层渗透到桥面板，侵蚀桥面板或桥梁结构的材料，造成铺装层的水损害等病害。在考虑到铺装防水要求的同时，由于桥面铺装的特点，铺装层与混凝土板或防水层间的粘结问题又是一个必须重视的问题，如果层间粘结强度不足，在行车荷载的反复作用下，层间产生的剪切力将造成铺装层的推移、脱层等病害，这在已通车运营的混凝土桥面铺装中比较常见，桥面铺装出现破坏，将严重影响高等级公路的使用效果，给行车安全造成隐患，影响了公路的通行环境，同时又增加了维修养护成本。由于我国现行规范中对于桥面铺装的防水粘结设计还是空白，在工程实践中，工程技术人员多凭经验进行设计和施工。为便于施工，桥面铺装结构类型一般均与正常路段一致，多采用密级配沥青混凝土或SMA沥青混合料的铺装形式，铺装厚度4～10cm，铺装层与水泥混凝土板之间仅采用一层薄弱的沥青类柔性联结层（如乳化沥青，改性乳化沥青，水性沥青基放水涂料或聚胺脂沥青粘接剂等）。这类铺装结构体系，即使铺装层使用性能优良的改性沥青混合料或SMA混合料，但由于沥青铺装主体与水泥混凝土板之间不能形成有效连接，在汽车荷载作用下，铺装层与水泥混凝土之间易发生脱层而致使铺装层开裂等破坏。
　　造成桥面铺装一系列早期破坏的原因是多方面的、是综合性的，概括起来主要包括桥面铺装构造上的特殊性、受力环境恶化、材料性能差异和性能不足。此外施工工艺质量欠佳和外界因素的不利作用也是造成桥面铺装早期破坏的重要原因。同时，在设计方面也有不足之处，现行设计规范对沥青铺装结构的设计主要从所用材料、做法及厚度等方面作了指导性的说明，关于具体的设计理论与方法还是空白，铺装层的设计无章可循，大多数情况是非桥面路段沥青路面向桥面的自然延伸。这就造成了在实际设计中，桥面铺装层只是作为桥梁工程的附属结构，未引起设计者足够的重视，很少进行专项设计，从而为桥面铺装的早期损坏埋下了隐患。因此，必须对沥青路面铺装的防水粘结问题加以足够重视，水泥混凝土桥路面铺装防水粘结技术的成功应用将具有重要的经济意义和工程实用价值。
　　2．一般混凝土桥梁桥面铺装层间剪切强度与抗拉强度标准研究
　　桥面板的处理和粘结层材料的粘结强度是保证桥面铺装与桥面板之间有效粘结和抗剪的两个主要因素。通过力学分析、有限元数值模拟和室内试验结果得到以下结论：
　　1）根据力学计算结果再次表面，目前桥面防水粘结层的剪切强度按大于0.4MPa控制、粘结强度按大于0.2MPa控制是基本合理。
　　2）采用无尘自动喷砂机、精铣刨均可以对桥面板进行有效的处理，均满足桥面铺装的要求。
　　3）从研究结果分析可知，防水粘结层与界面处置共同形成桥面铺装的基础条件，铺装成功与否的首要问题是铺装界面的抗剪和粘结问题。不重视界面处置方式，过分倚重于某些材料的特性，不仅直接给桥面铺装的质量埋下了隐患，而且使施工繁杂，造价大幅提高。
　　3．桥面防水混凝土调平层合理厚度与防水等级
　　本研究从桥面平整度标准对调平层厚度的要求、施工工艺对调平层厚度的要求、铺装层厚度对于行车道板承载力的影响、铺装层厚度选取对日照非线性温差及结构受力影响的分析等因素的影响分析，认为调平层厚度宜大于8cm。钢纤维混凝土，柔性纤维混凝土或抗裂增强工程纤维均能有效提高调平层混凝土的抗裂性、防水性能及强度，而相对之下，普通防水混凝土的防水性能受实际施工操作水平的有效太大，具有较大的不确定性。因此综合考虑不同桥梁结构施工特点及桥面铺装层性能、耐久性、可施工性、平整度及防水性能等，本研究推荐的混凝土调平层的设置方案为：
　　1）一般简支梁桥及简支变连续梁桥：8cm～10cm厚的柔性纤维或抗裂增强工程纤维混凝土，钢筋网间距为10cm×10cm，混凝土标号为C40，防渗等级不低于W6级；
　　2）大跨度连续刚构桥梁及混凝土斜拉桥：10cm～12cm厚的钢纤维、柔性纤维混凝土或抗裂增强工程纤维，钢筋网间距为10cm×10cm，混凝土标号为C50，防渗等级为W8级；
　　3）为增强防水性能，采用柔性纤维或抗裂增强工程纤维混凝土时，可同时采用沥青基防水粘结层。
4．一般混凝土桥梁桥面铺装防水粘结材料的室内试验研究
　　研究通过室内斜剪试验和室内拉拔试验发现：无论是哪一种防水粘结层材料，其温度的敏感性都是十分明显的。强度随温度的提高，显著下降。抗剪强度较粘结强度下降更明显。因此，选择温度敏感性小的防水粘结层材料尤为重要。常温20℃下，除溶剂型涂料抗剪强度较低外，其他材料均在0.3MPa以上，接近0.4MPa。综合来看，无论是粘结强度还是抗剪强度，热喷橡胶粉改性沥青的性能都是最好的；以下依次是：AWP-2000P型（改性乳化沥青涂料同步切割玻璃纤维）、AWP-2000型涂料（改性乳化沥青涂料）、热喷SBS改性沥青和热喷SBR改性沥青的性能相当，SBS略好于SBR；以下依次是：AWP-2000P型（改性乳化沥青涂料同步切割玻璃纤维）、AWP-2000型涂料（改性乳化沥青涂料）、热喷SBS改性沥青和热喷SBR改性沥青的性能相当，SBS略好于SBR；环氧沥青由于固化条件等因素的影响，其性能很不稳定，测出的数据离散性较大，表中数据为出现频率较高的数值。仅从界面强度出发考虑，最差的溶剂型防水粘结材料，其粘结强度和抗剪强度都是最低的。但是，溶剂型涂料的储藏、运输和施工都是最简单和方便的。实际工程中，应根据具体情况，界面层所受力大小，选择合理的防水粘结层材料。
　　此外，通过不同界面处理方式强度试验结果对比发现，精铣刨界面抗剪强度最高，其次是喷砂界面，抗剪最差的光面。但是，从粘结强度来看，三种界面差别不大，其中，喷砂界面粘结强度最高，其次是光面，最差的是铣刨界面。综合抗剪强度和粘结强度来看，喷砂界面较好，其次是铣刨界面，光面强度最低。
　　5．一般混凝土桥梁沥青铺装层材料室内试验研究
　　1）纤维沥青混合料路用性能研究
　　从路用性能综合的改善来看，Dolanit?AS和BoniFbers?效果最好，福塔和DCPET纤维与前两种纤维较为接近，矿物纤维次之，木质素纤维的改善幅度相对最低，但木质素纤维具有明显的价格优势。从经济技术综合指标来看，木质素纤维和国产聚酯纤维DCPET具有较好的推广应用价值。纤维沥青混凝土路面虽然初期费用增加，但是纤维可以大大提高路面的使用性能，降低养护费用和用户费用，具有极为明显的工程效益和社会效益，一次投入增加不多而可长期受益，综合效益明显，对于公路建设具有极其重要的意义。
　　2）桥面铺装抗车辙沥青混合料室内试验研究
　　(1)试验表明无纤维SMA具有较强的抗车辙性能，能够满足水稳定性的要求，具有良好的耐久性；
　　(2)根据本课题建立的混合料粗集料间隙率(VCAmix)回归公式，4.75mm筛孔的通过率为34%时混合料处于紧密骨架结构与松散骨架结构的临界状态；
　　(3)2.36mm筛孔通过率、0.15mm筛孔通过率、2.36mm筛孔筛余率对混合料的空隙率和矿料间隙率有显著影响；
　　(4)通过两次车辙试验，分析了矿料级配对沥青混合料抗车辙性能的影响，提出了无纤维SMA的推荐级配见表1。
　　表1桥面铺装沥青混凝土推荐级配表
　　(5)通过对比试验可以看出，改善矿料的级配比提高沥青的性能对混合料抗车辙性能而言更为有效；
　　(6)对成型的混合料的渗水试验表明，在推荐级配范围附近的沥青混合料具有良好的水稳定性。
　　6．重庆高速公路桥面铺装推荐结构
　　根据项目调研和室内试验结果，针对不同桥型我们提出了以下桥面铺装方案：
　　1）特大桥
　　10cm厚调平层(防渗等级W8、C40聚丙烯纤维或抗裂增强工程纤维水泥混凝土、单层10×10cmφ8钢筋网）＋聚合物水性沥青基同步切割纤维增强型防水层(二涂纤维增强层)＋6cmAC-20＋4cm纤维AC-16(或SMA-16)
　　2）大桥
　　8cm~10cm厚调平层(防渗等级W8、C40聚丙烯纤维或抗裂增强工程纤维水泥混凝土、单层10×10cmφ8钢筋网）＋聚合物水性沥青基同步切割纤维增强型防水层(一涂纤维增强层)＋6cmAC-20＋4cm纤维AC-13(或SMA-13)
　　3）中桥
　　>10cm厚调平层(防渗等级W6、C40水泥混凝土、单层10×10cmφ8钢筋网）＋水性沥青基涂料防水层＋6cmAC-20＋4cmAC-13
　　对于上部结构为连续型，沿行车方向支座中心两侧2.5m范围需布置双层钢筋网，上部结构为简支结构的中桥，其厚调平层厚度可以采用8cm。
　　对于界面的处理，我们提出了统一的抛丸喷砂处理方式。以上桥面铺装结构的下面层厚度需与试验路一般路基路段的中面层厚度协调。
　　7．结束语
　　为了保证钢筋混凝土桥面沥青混合料铺装层的耐久性，桥面设置混凝土调平层是必要的，而且其防渗等级、抗裂性能和厚度必须满足一定要求；水泥混凝土刚性层与沥青混合料柔性层之间的粘结与防水同等重要，因此必须保证该结构面的粘结与抗剪能力以及其防水功能“完善性”，工程实践表明同步切割纤维增强型是最佳选择；保证沥青面层的抗水破坏能力与抗车辙能力也是十分重要的。
　　另外，应及时建立施工过程中的质量监控体系，开展抽检沥青混合料铺装层施工完成后的层间抗剪强度与抗拉强度是非常必要的。