高強(qiáng)密水橋面鋪裝結(jié)構(gòu)的應(yīng)用研究

宋閩江 張?zhí)K龍

摘要 為提升水泥混凝土橋梁橋面鋪裝的耐久性，文章結(jié)合橋面鋪裝的施工條件、運(yùn)營過程中面臨的荷載與氣候要求等因素，進(jìn)行高強(qiáng)密水橋面鋪裝結(jié)構(gòu)的應(yīng)用研究，分別開展了高模量混合料與高性能超薄鋪裝混合料的配合比設(shè)計(jì)與性能驗(yàn)證及不同鋪裝結(jié)構(gòu)的復(fù)合試件進(jìn)行了抗車轍和密水性能的對比，并對其造價(jià)進(jìn)行了分析。研究成果為優(yōu)化橋面鋪裝的材料與結(jié)構(gòu)選擇、延長使用壽命提供了新的技術(shù)路徑。

關(guān)鍵詞 橋面鋪裝；超薄；高模量；空隙率；壓實(shí)度

中圖分類號(hào) U443.33文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2024）03-0106-03

0 引言

橋面鋪裝作為橋面系結(jié)構(gòu)中與車輛接觸的部分，其不僅需要承受車輛的荷載，還需要經(jīng)受溫度、雨雪等天氣對于鋪裝材料的影響[1]，否則容易出現(xiàn)車轍、水損害等問題。然而，目前我國水泥混凝土橋面鋪裝，主要采用和瀝青路面中上層混合料相同的鋪裝結(jié)構(gòu)，考慮橋面鋪裝施工條件與路基段施工的差異，如溫度散失更快、更難以壓實(shí)等，基于傳統(tǒng)路基段中上面層混合料的橋面鋪裝結(jié)構(gòu)，容易出現(xiàn)泛白、車轍等問題[2]。

因此，針對目前橋面鋪裝結(jié)構(gòu)面臨的環(huán)境、荷載條件，為了提高在高溫、多雨等使用條件下橋面鋪裝的耐久性，從提高材料的模量、降低空隙率的維度著手，開展高強(qiáng)密水橋面鋪裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與性能，為實(shí)現(xiàn)水泥混凝土橋面鋪裝的結(jié)構(gòu)與材料優(yōu)化，延長橋面鋪裝結(jié)構(gòu)的耐久性，有著較好的推廣和應(yīng)用價(jià)值。

1 高強(qiáng)密水橋面鋪裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

江蘇省水泥混凝土橋面通常采用4 cm SMA-13 +6 cm Sup-20的鋪裝結(jié)構(gòu)，兩種混合料的最大公稱粒徑分別為13.2 mm和20 mm，在施工過程中需要一定噸位的壓實(shí)機(jī)械和足夠的壓實(shí)功，而橋面鋪裝施工過程中混合料溫降速度快[3]，橋梁對強(qiáng)力振動(dòng)有限制，因此相對路基段，這兩種混合料在橋面上相對較難壓實(shí)，容易產(chǎn)生局部滲水，影響鋪裝的最終性能。

因此，針對傳統(tǒng)橋面鋪裝結(jié)構(gòu)的不足，該項(xiàng)目采用2.5 cm 高性能超薄鋪裝+7.5 cm高模量瀝青混合料實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)密水的功能，其結(jié)構(gòu)形式如圖1所示，與傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)相比，具有如下2點(diǎn)優(yōu)勢：

（1）上面層使用最大公稱粒徑為9.5 mm高性能超薄鋪裝，選擇密級配骨架嵌擠型級配設(shè)計(jì)，通過應(yīng)用復(fù)合改性的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)上面層溫拌施工易壓實(shí)的效果，并且由于厚度變薄，減少了養(yǎng)護(hù)維修的成本以及玄武巖的使用。

（2）下面層作為主要的承重層，采用EME-14混合料，適用于單層6～12 cm施工，實(shí)現(xiàn)高模量抗車轍和4%以下低空隙率的效果，使得水分難以進(jìn)入，提高了整體鋪裝結(jié)構(gòu)的抗水損害性能。

為了實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)密水的目標(biāo)，分別針對上、下面層混合料提出性能要求：上面層2.5 cm的混合料應(yīng)為密級配混合料，避免水分的下滲導(dǎo)致水損害，其高溫、低溫、水穩(wěn)定性應(yīng)不低于傳統(tǒng)的SMA-13混合料，最重要的是應(yīng)具有溫拌的效果；下面層7.5 cm的混合料應(yīng)具有高模量、低空隙率的性能，實(shí)現(xiàn)整體鋪裝結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)和密水。

2 EME-14高模量混合料的設(shè)計(jì)與性能評價(jià)

2.1 原材料

EME-14混合料所使用的集料均為石灰?guī)r，按照其粒徑分為10～15 mm、5～10 mm、3～5 mm和0～3 mm四檔，礦粉為石灰?guī)r礦粉，所使用的瀝青為70#基質(zhì)瀝青，為了提高混合料的模量，按照與瀝青質(zhì)量比例為3∶7添加30#硬質(zhì)瀝青顆粒。

2.2 配合比設(shè)計(jì)

依據(jù)法國的高模量瀝青混合料設(shè)計(jì)理念，選擇連續(xù)級配進(jìn)行高模量混合料的級配設(shè)計(jì)，如表1所示。

高模量混合料的瀝青用量需要用豐度系數(shù)K來確定[4]，其取值主要取決于級配，經(jīng)過試算，當(dāng)油石比為5.5%時(shí)，豐度系數(shù)K=3.41>3.4，表明在5.5%的油石比條件下可以滿足豐度系數(shù)K的要求，可作為設(shè)計(jì)瀝青用量。

2.3 性能驗(yàn)證

在5.5%的油石比條件下，經(jīng)檢測，高模量混合料空隙率指標(biāo)為3.7%，要低于傳統(tǒng)的Sup-20混合料4%左右的設(shè)計(jì)空隙率，因而可以賦予混合料在潮濕環(huán)境下更好的密水性。通過車轍試驗(yàn)，在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下，混合料的動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)達(dá)到7 435次/mm，超過規(guī)范要求的不低于3 000次/mm，在水穩(wěn)定性能方面，其浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度、凍融劈裂強(qiáng)度比分別為86.4%和82.1%，小梁彎曲的破壞應(yīng)變?yōu)? 983 με，均滿足規(guī)范要求。

為了評價(jià)混合料是否達(dá)到高模量的要求，采用SPT試驗(yàn)重點(diǎn)檢測了混合料在15 ℃、10 Hz條件下的動(dòng)態(tài)模量指標(biāo)，達(dá)到15 762 MPa，超過規(guī)范要求的不低于14 000 MPa[5]，

表明采用硬質(zhì)瀝青與基質(zhì)瀝青復(fù)配的方法可以實(shí)現(xiàn)混合料高模量的目標(biāo)，進(jìn)而提升混合料在高溫下的抗變形能力。

3 高性能超薄鋪裝材料的設(shè)計(jì)與性能評價(jià)

3.1 原材料

所選擇的集料均為玄武巖集料，按照粒徑的大小分為5～10 mm、3～5 mm和0～3 mm三檔，礦粉為石灰?guī)r礦粉，所使用的瀝青為PG 76-22型SBS改性瀝青，為了改善混合料的壓實(shí)效果，按照礦物集料質(zhì)量的0.4%添加復(fù)合改性劑。

復(fù)合改性劑外觀為白色粉末，其最主要的特性是熔點(diǎn)較低，在100～120 ℃，因此在混合料施工拌和、壓實(shí)過程中可以起到改善混合料施工和易性的效果，而當(dāng)溫度在100 ℃以下時(shí)，其可以提高瀝青的軟化點(diǎn)，提高混合料的抗車轍性能。

3.2 配合比設(shè)計(jì)

高性能超薄鋪裝的級配設(shè)計(jì)主要是基于SMA-10和AC-10的經(jīng)驗(yàn)，基于骨架密實(shí)的理念，提高了粗集料的用量，降低了粉料的用量，使得混合料可以實(shí)現(xiàn)剛好的骨架嵌擠結(jié)構(gòu)，提高混合料的抗車轍性能，所選擇的級配如表2所示。

基于設(shè)計(jì)級配，通過馬歇爾試驗(yàn)確定混合料的最佳油石比為5.5%，此時(shí)對應(yīng)的空隙率為4.9%，VMA為15.8%，VFA為68.9%，穩(wěn)定度為12.32 kN，流值為35.8（0.1 mm），均滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3 路用性能驗(yàn)證

在設(shè)計(jì)級配和最佳油石比的條件下，對高性能超薄鋪裝進(jìn)行了常規(guī)路用性能的驗(yàn)證，其動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)達(dá)到

12 162次/mm，浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度、凍融劈裂強(qiáng)度比分別為90.2%和84.5%，小梁彎曲的破壞應(yīng)變?yōu)? 568 με，均滿足設(shè)計(jì)要求，特別是高溫性能相比普通SMA-13混合料提高了約100%。

4 基于復(fù)合試件的路用性能研究

4.1 復(fù)合試件的成型

基于該項(xiàng)目提出的高強(qiáng)密水橋面鋪裝結(jié)構(gòu)，為了評價(jià)其在運(yùn)營過程中與其他鋪裝結(jié)構(gòu)的抗車轍和密水性能的差異，采用項(xiàng)目組定制的10 cm厚度的模具，成型不同結(jié)構(gòu)的復(fù)合試件。所采用的模具，由10個(gè)1 cm高度的夾具組成，夾具在豎直方向通過鎖扣進(jìn)行固定，可以成型1～10 cm厚度范圍的混合料。

成型過程中，采用分層攤鋪并壓實(shí)的工藝，下層混合料與底板之間采用水性環(huán)氧瀝青進(jìn)行固定，用量為0.5 kg/m2，上下層混合料之間采用0.4 kg/m2用量的SBS改性乳化瀝青，成型了3種鋪裝結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)一為2.5 cm高性能超薄鋪裝+7.5 cm EME-14，結(jié)構(gòu)二為4 cm SMA-13+6 cm Sup-20，結(jié)構(gòu)三為5 cm SMA-13+5 cm SMA-13。高性能超薄鋪裝和EME-14使用文中提出的配合比設(shè)計(jì)參數(shù)，Sup-20和SMA-13使用某高速公路項(xiàng)目中成熟的配合比數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4.2 抗車轍性能分析

采用車轍實(shí)驗(yàn)，對不同鋪裝結(jié)構(gòu)的組合件進(jìn)行高溫性能的測試，試驗(yàn)條件為60 ℃，壓強(qiáng)為0.7 MPa，車轍實(shí)驗(yàn)的結(jié)果如圖2所示。

從復(fù)合試件的車轍實(shí)驗(yàn)可以看出，結(jié)構(gòu)一的動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)最高，其次是結(jié)構(gòu)三，結(jié)構(gòu)二最低，表明從整體結(jié)構(gòu)的角度來看，結(jié)構(gòu)一擁有最好的抗車轍性能，其動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)相比結(jié)構(gòu)二提高了51%，相比結(jié)構(gòu)三提高了約20%。

4.3 密水效果分析

傳統(tǒng)的滲水試驗(yàn)，試驗(yàn)前加入一定體積的水，試驗(yàn)時(shí)打開開關(guān)，讓水自由下降，通過測定單位時(shí)間內(nèi)的滲水量，評價(jià)材料的密水性。考慮運(yùn)營過程中由于車輛行駛過程中輪胎與混合料表面接觸時(shí)會(huì)產(chǎn)生泵吸和沖刷的效果，該項(xiàng)目用加壓滲水試驗(yàn)，對采用滲水系數(shù)評價(jià)三種鋪裝結(jié)構(gòu)在車輛荷載下的滲水效果，實(shí)驗(yàn)過程中，通過加壓設(shè)備向加壓滲水儀中沖入恒定的氣壓，在該項(xiàng)目中選擇0.1 MPa，然后和普通的滲水試驗(yàn)一樣，測定不同鋪裝結(jié)構(gòu)的滲水系數(shù)，如圖3所示。

從不同鋪裝結(jié)構(gòu)的加壓滲水試驗(yàn)結(jié)果可以看出，結(jié)構(gòu)一的滲水系數(shù)最小，相比結(jié)構(gòu)二和結(jié)構(gòu)三分別降低了49%和36%，表明使用更小粒徑的密集配上面層混合料和空隙率更小的下面層混合料，具有更好的密水性能，可以減少運(yùn)營過程中因?yàn)樗畵p害導(dǎo)致的泛白、坑塘等水損害發(fā)生。

5 社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益分析

成本控制也是影響新技術(shù)能否得到有效推廣的重要指標(biāo)，因此將該項(xiàng)目提出的高強(qiáng)密水鋪裝結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的方案、新型的雙層SMA-13鋪裝方案進(jìn)行了成本對比，如表3所示。

從表3可以看出，高強(qiáng)密水鋪裝結(jié)構(gòu)要低于傳統(tǒng)的4 cm SMA-13+6 cm Sup-20方案相比，相比雙層SMA-13的方案要降低8.3%，直接材料成本要優(yōu)于另外兩種方案，特別是考慮其在全壽命周期內(nèi)可以有效延長使用壽命，降低后期的養(yǎng)護(hù)維修成本，因此在全壽命周期內(nèi)其經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢更加明顯。

此外，該項(xiàng)目提出的高強(qiáng)密水鋪裝結(jié)構(gòu)，后期養(yǎng)護(hù)維修時(shí)僅需對上面層2.5 cm的混合料進(jìn)行銑刨回鋪，相比傳統(tǒng)的需要銑刨回鋪4 cm的混合料，減少了約40%的集料消耗，在當(dāng)前砂石集料供應(yīng)緊張的形勢下，減少了養(yǎng)護(hù)過程中對于集料的消耗，具有較好的環(huán)保效益。

6 結(jié)論

該文通過對高強(qiáng)密水橋面鋪裝結(jié)構(gòu)的提出、材料設(shè)計(jì)與性能驗(yàn)證、效益分析，可以得到以下幾點(diǎn)主要研究結(jié)論：

（1）提出了2.5 cm上面層+7.5 cm的高強(qiáng)密水橋面鋪裝結(jié)構(gòu)，并分別提出了上、下面層的混合料性能要求，便于指導(dǎo)鋪裝材料的設(shè)計(jì)與性能驗(yàn)證。

（2）基于30#硬質(zhì)瀝青顆粒與基質(zhì)瀝青復(fù)配的技術(shù)路徑，進(jìn)行了EME-14混合料的配合比設(shè)計(jì)與性能驗(yàn)證，其15 ℃、10 Hz條件下的動(dòng)態(tài)模量指標(biāo)達(dá)到15 762 MPa，實(shí)現(xiàn)了高模量的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

（3）通過復(fù)合改性劑與SBS瀝青進(jìn)行復(fù)合改性，設(shè)計(jì)了厚度在2.5 cm的高性能超薄鋪裝，動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)超過12 000次/mm。

（4）通過成型復(fù)合試件表明，高強(qiáng)密水鋪裝結(jié)構(gòu)相比傳統(tǒng)的橋面鋪裝結(jié)構(gòu)，具有更好的抗車轍性能和密水性；成本方面，高強(qiáng)密水鋪裝結(jié)構(gòu)的造價(jià)要低于傳統(tǒng)的橋面鋪裝結(jié)構(gòu)，單次養(yǎng)護(hù)可以減少約40%的集料消耗，具有較好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

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