水泥混凝土橋面耐久性鋪裝結構研究

殷 魏 峰

(江蘇京滬高速公路有限公司，江蘇 淮安 223005)

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水泥混凝土橋面耐久性鋪裝結構研究

殷 魏 峰

(江蘇京滬高速公路有限公司，江蘇 淮安 223005)

針對不同橋型，設計了六種不同的耐久性水泥混凝土橋面鋪裝方案，通過復合結構疲勞試驗和動態蠕變試驗，對所提出的鋪裝方案的耐久性進行了綜合比較與經濟性評價，推薦了適用于不同橋型水泥混凝土橋面的鋪裝方案。

橋面鋪裝，耐久性，鋪裝材料,環氧瀝青

隨著我國經濟的不斷發展，道路交通量日益增加且車輛荷載日趨重型化，許多水泥混凝土橋面鋪裝出現了各種不同類型的病害，甚至有的鋪裝在通車幾個月后就出現橋面鋪裝大面積破壞的現象，直接影響了橋面鋪裝的耐久性和路用性能[1-4]。通過調研發現，只有從結構和材料的角度全面考慮水泥混凝土橋面鋪裝方案，才能提高水泥混凝土橋面的耐久性。為此，本文依托實體工程，提出了混凝土橋面鋪裝結構和材料組成方案，并采用復合梁疲勞試驗及復合結構動態蠕變試驗評價了不同結構方案的耐久性能，為改善水泥混凝土橋面鋪裝的耐久性提供必要的技術支撐。

1 橋面鋪裝結構方案設計

本文依據不同跨徑橋面的路用性能要求，針對水泥混凝土橋梁瀝青鋪裝制定了6種方案，具體方案如下所示：

方案A：3.5 cm改性瀝青AC-13+粘層+3.5 cm高強瀝青AC-13+環氧瀝青防水粘結層+水泥混凝土橋面板；方案B：2.5 cm改性瀝青ECA-10+粘層+3.5 cm高強瀝青AC-13+環氧瀝青防水粘結層+水泥混凝土橋面板；方案C：3.5 cm改性瀝青AC-13+粘層+3.5 cm改性瀝青AC-13+環氧瀝青防水粘結層+水泥混凝土橋面板；方案D：2.5 cm改性瀝青ECA-10+粘層+3.0 cm環氧瀝青EA-13+環氧瀝青防水粘結層+水泥混凝土橋面板；方案E：3.5 cm改性瀝青AC-13+粘層+3.0 cm環氧瀝青EA-13+環氧瀝青防水粘結層+水泥混凝土橋面板；方案F：2.5 cm高強瀝青ECA-10+粘層+3.0 cm環氧瀝青EA-13+環氧瀝青防水粘結層+水泥混凝土橋面板；方案G：4.0 cm改性瀝青AC-13+粘層+6.0 cm環氧瀝青AC-20+三涂FYT-1改進型防水粘結層+水泥混凝土橋面板。

其中方案A～方案C推薦適用于中小型橋梁，方案D～方案F適用于大型、特大混凝土橋梁，方案G為路面段落結構。在各方案中AC20的集料為石灰巖，其他混合料采用玄武巖；ECA-10級配混合料中摻加0.25%聚酯纖維。ECA-10級配增設了6.7 mm的篩孔，主要為了保證級配的穩定性，通過細分篩孔的方法，進一步控制4.75 mm～9.5 mm之間的通過率。

2 復合梁疲勞試驗

2.1 試驗方法

本文采用UTM試驗系統對各鋪裝方案的試件進行重復彎曲試驗，試驗溫度為15 ℃，荷載波形為半正弦波，為了加快試驗速度，在相鄰波形之間不插入間歇時間。為避免長時間的試驗可能出現的試件脫空現象，從而對試件產生沖擊作用，正弦波荷載的最小荷載取為最大荷載的2%。在正式試驗前，以最小荷載對試件進行預壓10 s，使壓頭與試件間接觸良好。

對于室內小型試驗，車輪荷載的加載時間可根據VanderPoel的公式來確定t=1/(2πf)，選擇加載頻率為10 Hz，加載時間為t=1/(2πf)=0.016 s。本文的疲勞試驗為控制應變水平的瀝青混合料四點彎曲試驗，針對不同的鋪裝方案，應變水平為400 με～1 200 με之間。

2.2 試件成型

按規范規定的輪碾法壓實成型40 cm×30 cm×5 cm鋪裝結構下層試件，冷卻后在試件表面涂刷粘結層，再快速成型40 cm×30 cm×5 cm鋪裝結構上層試件，待試塊冷卻、脫模后，采用雙面鋸切割成復合梁標準試件，梁尺寸為38.1 cm×6.35 cm×5 cm(上下層厚度比例1∶1)。試件按照常規的三分點加載，兩端支點的距離是35.6 cm。試驗前放到UTM試驗機中，在試驗溫度下養護6 h。

2.3 試驗結果分析

能耗指標及疲勞壽命分析。根據已有研究成果[5]可知，應變水平與疲勞壽命具有良好的相關性，在雙對數坐標下表現為良好的線性關系，通常可以用方程lgNf=k-nlgε來表示。類似地，有關研究顯示[6]，不同瀝青混合料累積能耗與應變同樣表現為良好的雙對數線性相關性，可用方程lgW=k-nlgε表示，累積能耗隨著應變的增加而減少。

各疲勞壽命方程和能耗疲勞方程曲線分別如圖1，圖2所示。

由圖1,圖2可知，使用環氧瀝青混合料的結構疲勞壽命和累積能耗要明顯高于其他類型瀝青混合料結構。對于結構D,E,F來說，結構E疲勞壽命及累積能耗要明顯高于結構D和F，而D略優于F。對于結構A,B,C來說，在較高應變條件下，結構C疲勞壽命和累積能耗要高于A，而A高于B；在較低應變情況下，A與C相差不大，而B要略差；因而A,B,C三種結構中，C的疲勞性能最佳。路面結構G疲勞壽命整體要低于所提出的6種結構方案。

3 復合結構動態蠕變試驗

復合結構動態蠕變試件需由兩層混合料試件粘貼而成，因此需要首先用旋轉壓實儀分別成型直徑150 mm，高約165 mm的上下層瀝青混合料試件，鉆芯取樣后切片，然后使用粘結層材料將兩層試件粘結而成。試件制備過程分為四部分：壓實→鉆芯→切割→粘結。

本試驗采用加載力為0.7 MPa，加載波形為半正弦波，加載周期為1 s，其中包括0.1 s的半正弦壓力荷載和0.9 s的間歇時間，圍壓為138 kPa。試驗終止條件為荷載作用次數達到10 000次或是試件軸向變形量達到5%。本試驗的溫度定為60 ℃。

本文擬采用流變次數Fn、累積總應變和第二階段累積應變斜率k值來評價七種復合結構的高溫性能。七種復合結構的動態蠕變試驗結果如圖3所示。

試驗結果分析如下：

1)累積應變。各結構累積微應變如圖4所示。

若按累積應變的大小來對各復合結構的抗高溫變形能力進行排序，累積應變越大則抗變形能力越差，故高溫性能從優到劣依次為：F，D，B，E，A，C，G。A，B，C三種方案之中，結構B最優；D，E，F三種方案中，結構F高溫性能最佳。

2)累積應變斜率k值。由典型蠕變試驗三階段分析圖可知，在第二階段永久應變的累積應變斜率是恒定的。有關研究認為[7,8]，累積應變與荷載作用次數關系圖中第二階段累積應變斜率k值可以用來評價瀝青混合料抗永久變形能力。斜率值越大，瀝青混合料在荷載作用下產生永久變形的速度越快，反之則速度越慢。圖5為七種混合料結構在動態蠕變試驗中第二階段曲線的斜率k值比較。

考慮到試件成型過程中壓實程度有所差異，因而在動態蠕變試驗進行過程中，尤其是初期階段，試件會經受一個壓密過程從而產生一部分應變包含在蠕變試驗中的累積總應變中，因而若遇到累積應變較為接近的混合料，難以依靠累積應變來準確判斷高溫性能的優劣。而k值則能很好地體現混合料高溫抗車轍的能力，相對于累積應變來說更直觀、更精確。由圖5可知，按第二階段累積應變斜率k值來對七種結構的高溫性能進行排序，k值越小則高溫性能越好，則有：F>D>B>E>A>C>G。與上述按照累積應變評價的結論完全一致。

4 結語

1)在應變控制疲勞試驗中，雙對數坐標下疲勞壽命與應變、累積能耗與應變之間均具有很好的線性相關性，故疲勞壽命與累積能耗均可以作為評價鋪裝層結構疲勞性能的有效指標，并且這兩者之間也存在很好的線性相關性。通過這兩個指標對各結構疲勞性能進行評價得出的結果完全一致：在A,B,C三種結構中，C最佳；在D,E,F三種結構中，E疲勞性能最佳。

2)在復合結構動態蠕變試驗中，可采用累積總應變和蠕變曲線第二階段累積應變斜率來評價各結構的高溫抗變形能力，并且兩者評價結果一致，得到各復合結構的高溫性能比較結果為：F>D>B>E>A>C>G。

3)采用環氧瀝青混合料的鋪裝結構與其他結構相比，在疲勞性能和高溫性能方面具有明顯優勢，因而在大型水泥混凝土橋梁橋面鋪裝材料中加入環氧瀝青混合料鋪裝層可大大提高橋面鋪裝耐久性。

[1] 朱云升,郭忠印,王 景.高溫重載條件下瀝青混合料的蠕變試驗研究[J].建筑材料學報,2008,11(5):545-549.

[2] 劉 云.重載交通作用下混凝土箱梁橋鋪裝結構動響應分析[J].公路,2014(2):98-101.

[3] 王冀蓉.重載道路長壽命瀝青路面設計軸載分析[D].長沙：湖南大學碩士學位論文,2007.

[4] 黃 衛,鄧學鈞,C.L.Monismith.能量方法分析瀝青混合料的疲勞特性[J].中國公路學報,1994,7(3)：23-28.

[5] 尹應梅.聚酯玻纖布在高速公路罩面工程中的應用研究[D].南京：東南大學碩士學位論文,2005.

[6] W.VANDIJK，W.VISSER. The energy approach to fatigue for pavement design, proceedings association of asphalt paving technologists，1975.

[7] 王燕芳.合肥市道路交叉口瀝青路面車轍防治研究[D].南京：東南大學碩士學位論文,2009.

[8] 李 健.京滬高速公路沂淮江段車轍調查及成因分析[D].南京：東南大學碩士學位論文,2010.

Durable concrete bridge deck pavement structures research

Yin Weifeng

(JiangsuJinghuExpresswayCo.,Ltd,Huai’an223005,China)

According to different size of bridge, six kinds of durable concrete pavement structures were raised in this paper. Through the fatigue test and dynamic creep test on composite structures, we made comprehensive comparative analysis and conducted economic evaluation on the six proposed pavement structures. We recommended structures for deck pavement of concrete bridge in different length.

bridge deck pavement, durability, pavement materials, epoxy asphalt

1009-6825(2017)06-0188-02

2016-12-08

殷魏峰(1981- )，男，工程師

U443.33

A