橋面鋪裝面層結(jié)構(gòu)組合優(yōu)選試驗(yàn)研究

白曉茹 王志峰

（新疆興亞工程建設(shè)有限公司，昌吉 831100）

0 引言

橋面鋪裝作為橋梁與車輛直接接觸部分， 其質(zhì)量一方面直接影響著行車安全性與舒適性， 另一方面也對橋梁耐久性產(chǎn)生影響。 目前國內(nèi)除極少數(shù)特大型橋梁對橋面鋪裝進(jìn)行專門設(shè)計(jì)、施工外，一般橋面鋪裝普遍采用與路基主線相同的兩層路面結(jié)構(gòu)形式。 但鑒于橋面特別是大跨徑橋面具有撓度大、變形較路基差異大等特點(diǎn)，調(diào)研發(fā)現(xiàn)多數(shù)橋面鋪裝較路基面層更易發(fā)生車轍、推移以及層間剪切破壞等損壞形式，因此有必要對橋面鋪裝進(jìn)行專門研究[1,2]。 目前國內(nèi)外學(xué)者對此雖進(jìn)行了廣泛研究，但由于我國地域廣闊， 橋面鋪裝工況以及地材差異較大，相關(guān)研究仍待進(jìn)一步規(guī)范[3-9]。 為此，本文首先對橋面鋪裝的層位分工進(jìn)行分析，并制訂不同組合結(jié)構(gòu)形式擬進(jìn)行對比試驗(yàn)，然后從各結(jié)構(gòu)形式高溫性能、剪切性能等模擬試驗(yàn)入手，綜合分析以選取更優(yōu)的橋面鋪裝組合結(jié)構(gòu)形式。

1 鋪裝層層位分析

橋面鋪裝有別于一般路基段面層結(jié)構(gòu)， 由于受到橋梁結(jié)構(gòu)組成的影響， 其鋪裝質(zhì)量優(yōu)劣直接影響到橋梁使用耐久性、影響著橋梁功能的發(fā)揮。因此橋面鋪裝應(yīng)具有較普通路面更優(yōu)的使用性能，具體表現(xiàn)如下：

（1）應(yīng)具有較好的高、低溫性能。 由于梁橋不同于普通路基的特殊性，導(dǎo)致在夏季，橋面內(nèi)的混凝土溫度要比普通路面高約15℃，路面較強(qiáng)的吸熱儲熱，致使其比氣溫高25℃～35℃。由于橋梁的特殊跨徑構(gòu)造使得汽車在上橋時(shí)車速減緩，這必然會導(dǎo)致較大的車轍現(xiàn)象。而冬季由于橋面失去路基的“保溫作用”，相較普通路段溫度更低，更易發(fā)生低溫破壞。

（2）應(yīng)具有良好的抗剪性。現(xiàn)在的橋梁上下橋都是坡行路面， 汽車在上下橋的時(shí)候會對橋面施加一個(gè)較大的剪應(yīng)力，如果橋面的抗剪能力不足，則會產(chǎn)生車轍和路面推移，特別是當(dāng)下橋的時(shí)候，為了會車安全，駕駛員會頻繁使用剎車以降低車速，使得橋面承受更大的剪應(yīng)力，因此要求橋面鋪裝材料具有較強(qiáng)的抗剪能力。 另一方面抗剪性表現(xiàn)為層間粘結(jié)性能， 主要表現(xiàn)為瀝青混凝土面層與水泥混凝土橋面板的剛-柔路面層間粘結(jié)以及兩層瀝青混合料之間的粘結(jié)。

（3）另外也應(yīng)具有良好的抗滑性能及平整度。抗滑性能作為安全性指標(biāo)、 平整度作為行車舒適性指標(biāo)， 是橋面、路面最一般的路用性能要求，因此橋面鋪裝層也應(yīng)滿足此項(xiàng)要求。

2 原材料試驗(yàn)

為方便進(jìn)行對比研究，本文集料均采用統(tǒng)一集料，其中粗集料為上面層常用玄武巖集料， 細(xì)集料采用粒徑規(guī)格為0～4.75mm 優(yōu)質(zhì)石灰?guī)r機(jī)制砂， 礦粉則為石灰?guī)r研磨礦粉。 瀝青為I-D 級SBS 改性瀝青， 纖維為進(jìn)口顆粒狀木質(zhì)素纖維（摻量為混合料總質(zhì)量的0.3%）。 各原材料性能指標(biāo)見以下各表（表1～3）：

表1 粗集料主要指標(biāo)

表2 細(xì)集料試驗(yàn)指標(biāo)

表3 SBS 改性瀝青性能指標(biāo)

3 鋪裝層構(gòu)造組合設(shè)計(jì)

結(jié)合上述分析， 并通過調(diào)研目前國內(nèi)外常用的水泥混凝土橋面瀝青混凝土鋪裝組合結(jié)構(gòu)形式， 確定了如下對比試驗(yàn)方案（見表4）。

表4 不同鋪裝層結(jié)構(gòu)組合方案

本次試驗(yàn)以目前較為廣泛使用的雙SMA 結(jié)構(gòu)組合（表4 中A 類）為主要研究對象，并擬定了三種雙SMA 組合結(jié)構(gòu)形式， 其中一種為常規(guī)下粗上細(xì)遞進(jìn)式組合結(jié)構(gòu)（SMA-16+ SMA-13）， 其它兩種為驗(yàn)證倒裝結(jié)構(gòu)在橋面鋪裝應(yīng)用中的適用性而采用， 分別為SMA-16+ SMA-13與SMA-16+ SMA-13。 其中第三種為驗(yàn)證防水性能較優(yōu)的小粒徑倒裝結(jié)構(gòu)適用性。 設(shè)置組合B 在于對比在倒裝結(jié)構(gòu)形式下雙SMA 結(jié)構(gòu)與AC+SMA 組合結(jié)構(gòu)形式性能差異。 組合C 為雙AC 結(jié)構(gòu)，為目前較多項(xiàng)目普遍使用的常規(guī)結(jié)構(gòu)。

4 組合結(jié)構(gòu)性能試驗(yàn)

4.1 混合料性能試驗(yàn)

分別對表4 中三種不同橋面鋪裝層結(jié)構(gòu)組合形式共6 種混合料進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，并進(jìn)行性能試驗(yàn)，各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合規(guī)范要求，試驗(yàn)結(jié)果如下表5～6 所示：

表5 SMA 類混合料路用性能試驗(yàn)結(jié)果

表6 AC 類混合料路用性能試驗(yàn)結(jié)果

由表5、 表6 可知， 總體而言隨著最大公稱粒徑增大，SMA 類與AC 類混合料高溫穩(wěn)定性均逐漸加強(qiáng)，SMA類水穩(wěn)定性逐漸減弱，AC 類水穩(wěn)定性變化不大。 這是由于隨著粒徑增大，混合料骨架結(jié)構(gòu)逐漸增強(qiáng)，抵抗高溫變形能力增加；而隨著粒徑減小，混合料抵抗水滲透能力逐漸增強(qiáng)， 相應(yīng)受到浸水或凍融處理時(shí)混合料性能更加穩(wěn)定。 同時(shí)，SMA 類混合料高溫性能遠(yuǎn)優(yōu)于AC 類混合料、水穩(wěn)定性相差不大且均符合規(guī)范要求。

4.2 全厚式車轍板試驗(yàn)

《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011） 規(guī)定混合料車轍試驗(yàn)試件尺寸為300mm×300mm×50mm。 由于進(jìn)行的是室內(nèi)模擬試驗(yàn)，必然與實(shí)際路況存在較多的偏差，主要體現(xiàn)在：車轍試驗(yàn)使用的是裝載在模具內(nèi)的單層瀝青混凝土，地面和側(cè)面均被鋼板限制；而實(shí)際路況是多層結(jié)構(gòu)，地面為路基，側(cè)面沒有限制。 為更好的模擬現(xiàn)場工況， 采用與現(xiàn)場等厚的全厚式車轍板進(jìn)行高溫車轍試驗(yàn)。 其中上面層為4cm、下面層為6cm，試件尺寸為300mm×300mm×100mm。 試件的制作方法是先按照常規(guī)的試驗(yàn)方法制作一塊6cm 厚的瀝青混凝土板作為下面層。將此板在室溫下放置24h，然后把此塊6cm 厚的板作為底板放入全厚式車轍板模具中， 在其表面均勻涂抹SBS 改性瀝青作為粘層油。 緊接著將混合料倒入模具，按規(guī)范壓制上面層。

將上述車轍板進(jìn)行全厚式車轍試驗(yàn)， 得到不同結(jié)構(gòu)組合的動穩(wěn)定度如下表7 所示。

表7 不同結(jié)構(gòu)的動穩(wěn)定度

由表7 中的數(shù)據(jù)可以看出，在高溫抗車轍能力上，雙SMA 結(jié)構(gòu)較其它結(jié)構(gòu)要提高較多，且不同雙SMA 結(jié)構(gòu)動穩(wěn)定度差異較小， 另外倒裝結(jié)構(gòu)較常規(guī)結(jié)構(gòu)動穩(wěn)定度變化變化不大。 當(dāng)結(jié)構(gòu)組合中存在AC 結(jié)構(gòu)層時(shí)動穩(wěn)定度顯著減小，特別是雙AC 結(jié)構(gòu)，動穩(wěn)定度減小接近50%。因此在對高溫性能較高要求的地區(qū)不宜采用雙AC 組合的結(jié)構(gòu)形式。

4.3 鋪裝層直剪試驗(yàn)

作為影響橋面鋪裝質(zhì)量的關(guān)鍵因素， 抗剪性能優(yōu)劣直接影響著橋面鋪裝耐久性。 而鋪裝層剪切破壞主要發(fā)生于不同層位之間的剪切破壞， 為研究上述組合結(jié)構(gòu)之間剪切性能，本文采用直接剪切試驗(yàn)進(jìn)行性能驗(yàn)證。直剪試驗(yàn)試件采用上述全厚車轍板試件相同成型方式， 并使用鉆芯取樣鉆取試件，每組試驗(yàn)由3 個(gè)試件組成。 其中，施加正應(yīng)力與車轍試件施加應(yīng)力相同，為0.7MPa；采用應(yīng)變控制模式加載，加載速率為50mm/min。

不同組合結(jié)構(gòu)形式下抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)平均值匯總?cè)缦隆?/p>

表8 各組合結(jié)構(gòu)抗剪強(qiáng)度

通過上述結(jié)果可知：（1） 雙SMA 組合結(jié)構(gòu)較其它結(jié)構(gòu)組合具有較高的抗剪強(qiáng)度，且不同組合的雙SMA 組合結(jié)構(gòu)抗剪強(qiáng)度相差不大.（2）倒裝結(jié)構(gòu)的設(shè)置使得抗剪性能普遍提高，這是由于相同組合結(jié)構(gòu)形式下，將粒徑較大結(jié)構(gòu)層倒裝上置， 當(dāng)表層受到水平荷載作用時(shí)較大公稱粒徑骨架發(fā)揮更大作用，表現(xiàn)出抗剪強(qiáng)度增加。 （3）對比A-2 與B、C 兩類組合形式，A-2 與B 二者抗剪強(qiáng)度相差不大，而當(dāng)上面層為AC 類結(jié)構(gòu)時(shí)剪切強(qiáng)度顯著減小，表明上面層對抗剪強(qiáng)度形成起主要作用。 因此橋面鋪裝設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場工況進(jìn)行具體設(shè)計(jì)，如對抗剪強(qiáng)度要求不高時(shí)，可采取AC+SMA 的組合結(jié)構(gòu)形式。

5 結(jié)語

（1）相較于其它結(jié)構(gòu)組成，雙SMA 結(jié)構(gòu)組成具有最優(yōu)的高溫穩(wěn)定性與抗剪強(qiáng)度， 且不同組合之間高溫性能與抗剪性能差異不大。 雙AC 類組合結(jié)構(gòu)橋面鋪裝高溫穩(wěn)定性與抗剪強(qiáng)度均較低， 當(dāng)對橋面鋪裝質(zhì)量具有較高要求時(shí)，應(yīng)禁止采用雙AC 結(jié)構(gòu)組合形式。

（2）倒裝結(jié)構(gòu)設(shè)置可以提高橋面鋪裝的高溫穩(wěn)定性與抗剪強(qiáng)度，且粒徑較大的雙SMA 倒裝結(jié)構(gòu)具有更好的高溫性能與抗剪性能。

（3）綜合各單層混合料性能試驗(yàn)結(jié)果與車轍、剪切試驗(yàn)結(jié)果，考慮大粒徑混合料水穩(wěn)定性相對較差，當(dāng)采用倒裝結(jié)構(gòu)時(shí)，大粒徑混合料層直接暴露于空氣中與水接觸，水穩(wěn)定性難以保證，實(shí)際服役過程中易造成水損害。因此條件允許時(shí)，優(yōu)先采用上面層SMA-13、下面層SMA-10的小粒徑雙SMA 倒裝結(jié)構(gòu)作為橋面鋪裝層優(yōu)選結(jié)構(gòu)組合形式。