瀝青混凝土橋面鋪裝設計與施工技術研究

1、瀝青混凝土橋面鋪裝設計與施工技術研究【摘要】文章針對水泥混凝土橋面瀝青混凝土鋪裝層的損壞現(xiàn)象，分析了橋面鋪裝結構損壞的原因，提出了水泥混凝土橋面鋪裝結構功能要求。同時，根據(jù)結構厚度、防水層對厚度的要求、平整度對厚度的要求、施工工藝對厚度的要求，提出了水泥混凝土橋面瀝青混合料鋪裝結構設計方法并進行了瀝青混合料厚度設計?！娟P鍵詞】橋梁工程；瀝青混凝土；橋面鋪裝；防水層一、前言我國近些年在大規(guī)模修建高速公路時相應地修筑了大量公路橋梁，橋梁建設中對橋梁結構的設計和施工都十分重視，但對橋面瀝青混凝土鋪裝層應用技術沒有引起足夠的關注。部分混凝土橋面水泥混凝土鋪裝層和瀝青混凝土面層出現(xiàn)早期大量損壞現(xiàn)象。而實

2、際上橋面的早期損壞現(xiàn)象嚴重影響橋面行車舒適性和橋梁結構的正常使用，解決不好必將造成較大的經(jīng)濟損失和不良的社會影響。本文結合某高速公路瀝青混凝土橋面鋪裝的實體工程，重點研究解決瀝青混凝土橋面鋪裝層早期損壞現(xiàn)象，通過分析瀝青混凝土橋面鋪裝結構的損壞原因、結構受力與結構設計原則，提出橋面鋪裝結構設計方法以及結構組合、排水措施和橋面防水層鋪筑技術。二、瀝青混凝土橋面鋪裝結構損壞原因分析造成橋面早期損壞的原因是多方面的、綜合的，涉及到設計、施工、材料、氣候、交通條件等方面，尤其是在鋪裝層材料、粘結層及防水層材料的選擇與設計。瀝青混凝土橋面鋪裝結構的損壞原因主要有以下幾個方面：（一）水所引起的損壞由于瀝青

3、的粘附性差，空隙率過大或鋪裝層開裂導致水分滲入，水滲入到瀝青面層內部和水泥混凝土橋面與瀝青面層的界面之間，在行車荷載及溫度變化下產(chǎn)生水損害，從而出現(xiàn)唧漿、網(wǎng)裂、剝落、松散、坑洞等現(xiàn)象，另一方面由于界面之間存在水壓力，降低了界面之間的聯(lián)結強度，造成瀝青層脫落、起皮等現(xiàn)象，使鋪裝層失去強度和防水能力。（二）溫度條件所引起的損壞橋面結構直接承受氣候條件的影響，同正常路面結構相比，鋪裝層材料夏季溫度更高，冬季溫度更低，即相同的氣候條件對鋪裝結構材料的影響更苛刻。因此，在普通路面中使用良好的材料，用在鋪裝結構中往往會由于溫度產(chǎn)生損壞。同時由于橋面板或梁結構產(chǎn)生過大撓度也易引起瀝青混合料鋪裝層開裂，水滲入

4、后易造成面層松散和坑槽破壞。（三）瀝青混凝土鋪裝層結構受力所引起的損壞瀝青混凝土橋面鋪裝層同橋梁結構在材料性能上差異較大，即一柔一剛，因此在外力作用下會導致應力與變形的不連續(xù)。在剛度大得多的橋梁結構上，柔性鋪裝層必須具有足夠的強度和穩(wěn)定性，尤其是抗剪強度更為重要。鋪裝層內部容易產(chǎn)生較大的剪應力，引起不確定破壞面的剪切變形，或者由于鋪裝層與橋面板層間粘結力差，抗水平剪切能力較弱，在水平方向上產(chǎn)生相對位移以致剪切破壞，產(chǎn)生車轍、推移、擁包、波浪等病害。（四）交通荷載所引起的損壞車輛超載造成橋面鋪裝層結構應力增大，加劇結構的損壞。目前車輛超載嚴重，軸載高達200300KN，而路面設計標準軸載為100

5、KN，超載是橋面嚴重損壞的一個重要方面。因此，一方面應嚴格限制大型超載車上橋，另一方面要提高鋪裝層材料的性能等級與設計標準。（五）其他原因所引起的損壞在橋梁結構與柔性鋪裝層之間的粘結層，對橋面鋪裝結構起著至關重要的作用。這一層次應能起到承上啟下的過渡作用，同時還應能防水。但一些研究表明，許多的損壞是由這一層誘發(fā)的，其原因是通常采用普通瀝青作為粘層油，軟化點較低，高溫條件下易產(chǎn)生推移、擁包、波浪和車轍，由于瀝青灑布量難以控制，更加劇了界面剪切損壞。從目前水泥混凝土橋面瀝青混凝土面層鋪裝結構的損壞來看，橋面鋪裝結構的防排水與密水性能是克服橋面水損害的關鍵功能要求，設置有效的防水層和完善的排水系統(tǒng)以

6、及采用密實的瀝青混合料面層是減少水損害的重要措施。良好的層間結合是克服行車荷載所產(chǎn)生的水平剪切破壞的關鍵功能要求，剛柔層間處的抗剪強度往往是一個薄弱處，需采取特殊的方式進行處理。三、瀝青混凝土橋面鋪裝的功能要求為保證瀝青混凝土橋面鋪裝結構在設計使用期限內的使用性能和耐久性，橋面鋪裝應具備以下功能：（一）良好的抗裂性和適應變形的能力。在車輪荷載作用下，某些結構鋪裝層內產(chǎn)生較大的拉應力，反復作用容易導致鋪裝層的疲勞開裂；連續(xù)梁橋橋墩處出現(xiàn)的負彎矩引起橋面開裂，從而引起鋪裝結構層開裂；大跨度橋梁結構變形較大，因此要求橋面鋪裝具有優(yōu)良的柔韌性和適應變形的能力，以避免鋪裝層早期疲勞開裂和較低溫度時的收縮

7、開裂。（二）優(yōu)良的熱穩(wěn)定性。水泥混凝土橋面在夏季高溫季節(jié)，太陽輻射大，瀝青鋪裝層從上到下溫度都較高，要求具有優(yōu)良的高溫抗蠕變及抗剪切性能，才能將車轍深度限制在容許范圍內。（三）良好的抗老化能力。為保證瀝青鋪裝層的耐久性，鋪裝層結構必須具備良好的抗老化的性能。（四）良好的防水性。保護水泥混凝土橋梁及預應力鋼筋不被腐蝕，是保證橋梁功能的首要問題，因此不僅要求瀝青鋪裝層混合料具有高度的密水性和抗水損害的能力，而且要求橋面鋪裝結構具有完善的防水體系。（五）良好的層間結合。在橋面混凝土與防水層之間、防水層與瀝青鋪裝層之間都必須具有良好的粘結力，使各層能夠形成牢固的整體，才能保證在荷載作用或溫度變化時共同

8、作用。（六）良好的表面特性。要求瀝青鋪裝層表面具有良好的平整和粗糙性，以減少車輛的沖擊和提高鋪裝層的抗滑能力。四、橋面鋪裝層結構設計（一）水泥混凝土橋面鋪裝層的結構組合水泥混凝土橋面鋪裝層型式有瀝青混凝土、普通水泥混凝土、鋼纖維混凝土、連續(xù)配筋混凝土、擴張網(wǎng)混凝土等。國內外經(jīng)過幾十年的實踐與探索，結合各自國家和地區(qū)的具體情況，在水泥混凝土橋面鋪裝方面選用的結構類型與厚度不盡相同，一般采用瀝青混凝土鋪裝層，包括防水層和瀝青混凝土面層。日本一般采用如下的鋪裝結構形式：瀝青層+板狀防水材料+瀝青橡膠粘結劑+水泥混凝土板瀝青層+3層氯丁橡膠型防水材料+氯丁橡膠粘結劑+水泥混凝土板瀝青層+乳化瀝青（粘結

9、）+瀝青層（防水）+瀝青橡膠粘結劑+混凝土板丹麥在防水層之上鋪筑1.52.0cm的開級配瀝青混凝土作保護層、4cm改性瀝青混凝土聯(lián)結層和4cmSMA結合料磨耗層。我國對不考慮設置防水層的小跨徑橋梁，直接在橋面上鋪筑58cm的普通水泥混凝土或瀝青混凝土（單層或雙層）。對于需要防水的橋梁，修筑時在橋面板上鋪筑810cm的防水混凝土作為鋪裝層，同時為提高橋面的耐久性，可在其上再鋪筑防水層及瀝青混凝土表面層或2cm厚的瀝青表面處治層作為磨耗層。（二）結構層厚度設計1設計因素（1）剪應力對厚度要求通過瀝青類橋面鋪裝層的破壞現(xiàn)象分析，使用莫爾庫侖強度理論來確定鋪裝層厚度是比較合適的，即要求橋面與瀝青鋪裝層

10、之間的層間剪應力不超過層間抗剪強度，即： （1）式中：f為層間剪應力；f為制動摩擦系數(shù)，可取0.2或0.5，f=0.2時表示緩慢制動，f=0.5時表示緊急制動情況；R為層間抗剪強度，參考城市道路路面設計方法，可按下式確定：（2）式中：max為層間剪切試驗中一次加載破壞時的層間抗剪強度；C、為瀝青混合料的粘結力與內摩擦角；z為層間接觸面的法向應力；Kf為層間抗剪結構強度系數(shù)，與制動情況有關，（其中，Ne為設計年限內一個車道的累計標準軸數(shù)；Ac為道路等級系數(shù)，高速、一級、二級公路依次取為1.0、1.1、1.2）。采用涂膜層材料與防水層粘結時，在滿足橋面鋪裝結構層間抗剪強度的要求下，鋪裝結構層厚度宜

11、在58cm。（2）防水層對厚度要求因車輛制動、起動、行駛而產(chǎn)生的水平剪力是防水層破壞的主要原因，同時環(huán)境溫度、氣候條件、瀝青鋪裝層的施工、橋面狀況、面層級配、面層厚度及不同品牌防水層的材料性能，也是防水層損壞的原因。分析表明：隨著瀝青層厚度增加，層間剪力降低，當瀝青層厚度大于6cm時，基本可滿足防水層不被剪切破壞的要求，如瀝青層厚度在10cm以上，防水層一般不會因水平剪應力而破壞。（3）平整度對厚度的要求部頒公路工程質量檢驗評定標準（JTJ 071-98）對高速公路橋面鋪裝平整度要求是：連續(xù)平整度儀為=1.5mm或IRI=2.5m/km，若采用3m直尺最大間隙不超過5mm。實際工程中整平層的平

12、整度狀況不令人滿意，采用3m直尺檢測一般在69mm之間，最大可達1520mm。滿足平整度指標要求的瀝青層厚度范圍由下式計算：（3）式中：ha為瀝青層厚度（cm）；Rc為混凝土橋面整平層平整度（mm）；Ra為瀝青層要求平整度（mm）；C為厚度影響系數(shù)（mm/cm），據(jù)研究認為C值0.6714。因此滿足平整度指標要求的瀝青層厚度宜為615cm。（4）施工工藝對厚度的要求結合關于瀝青混合料最大骨料粒徑與厚度對壓實效果的影響規(guī)律以及部頒公路瀝青路面施工技術規(guī)范（JTJ 032-94）關于瀝青混凝土結構層最小厚度的規(guī)定，瀝青鋪裝上層的厚度不宜小于瀝青混合料最大公稱粒徑的2.53倍；鋪裝層下層的厚度不宜小

13、于瀝青混合料最大公稱粒徑的22.5倍。考慮到瀝青混合料的攤鋪、碾壓等施工工藝，尤其是材料離析現(xiàn)象，綜合考慮瀝青混合料鋪裝層的施工厚度不宜小于最大公稱粒徑的2.5倍，最好為3倍。如表面層采用AK-16A，則結構層厚度宜為45cm；AK-13A時則宜為34cm。2厚度設計方案根據(jù)以上分析提出瀝青混凝土橋面鋪裝層結構為：4cmAK-13抗滑表層+2cmAC-10I細粒式瀝青混凝土+粘結與防水層+橋面防水混凝土，如表1。為保護水泥混凝土橋面及加強瀝青面層與水泥混凝土橋面的粘結，需在水泥混凝土橋面上設置粘結與防水層結構，采用SBS改性瀝青作涂膜防水層。表1瀝青混凝土橋面鋪裝層結構方案（三）橋面鋪裝排水設

14、計要解決水的影響可從以下幾個方面考慮：一是密水，選擇空隙率小的瀝青混合料類型，加強壓實，防止雨水的滲入；二是加強排水，設置完善的排水設施與排水系統(tǒng)，盡快將不可避免滲入面層的雨水排除；三是提高瀝青混合料與水泥混凝土橋面的水穩(wěn)定性和抗沖刷能力，加強界面連結與防水層的作用。1橋面排水措施。橋面排水包括橋面鋪裝層表面排水和橋面鋪裝層結構層內部排水兩部分。為迅速排除橋表面積水，除原有的泄水管與泄水孔外，在橋梁兩外側邊緣（或彎橋的彎道內側）設置橋面排水盲溝，以加強橋面鋪裝內部排水，尺寸為105cm，用瀝青碎石或瀝青貫入式碎石填充，要求空隙率大于20%。2橋面防水措施。為防止雨水滯積在橋面或滲入到橋面結構層

15、內（或梁體）而影響橋梁使用耐久性，除作好橋表面排水系統(tǒng)外，還應在混凝土橋面設置防水層。設置防水層至關重要，可有效防止?jié)B入的雨水再滲入到鋼筋混凝土結構內，對混凝土結構起到很好的保護作用。實體工程中，考慮到SBS改性瀝青作涂膜防水層能既起防水層作用又起粘結層作用，設計時采用了該方案。五、瀝青混凝土橋面鋪裝防水層施工技術（一）材料技術要求綜合考慮氣候、交通以及結構層厚度等因素，提出瀝青混凝土橋面鋪裝SBS改性瀝青涂膜防水層材料技術要求，見表2。表2改性瀝青涂膜防水層材料技術要求（二）施工工藝1清理橋面，橋面應平整、粗糙、干燥、整潔，不得有浮漿、塵土、雜物或油污。2采用法國進口瀝青灑布車均勻噴灑0.3kg/m2的乳化瀝青做底層。3均勻噴灑2.0kg/m2的SBS改性瀝青涂膜防水層。4撒鋪單一粒徑規(guī)格的石灰?guī)r碎石，覆蓋率60%左右。5用輪胎壓路機碾壓成型。6對橋面封閉一個晚上進行養(yǎng)護。7進行橋面瀝青混凝土鋪筑。六、結語本文針對橋面瀝青混凝土鋪裝層的損壞現(xiàn)象，分析了橋面鋪裝結構損壞的原因；提出水