国内外桥面铺装材料及应用研究

2022-09-11

1 桥面铺装常见结构形式

水泥混凝土桥面铺装层, 按其结构类型, 常见的有三种。

(1) 柔性铺装:沥青混凝土铺装, 一般上层起到防水抗滑作用;下层起到分散和传递荷载的作用。总厚度一般厚度在5cm~10cm。

(2) 刚性铺装:水泥混凝土铺装, 层厚通常是8cm~10cm, 并配有小直径钢筋网。

(3) 组合式铺装:即下层为6cm~9cm厚的水泥混凝土铺装层或现浇结构的刚性防水层, 上层为4cm~9cm沥青混凝土, 组合式铺装结构如图1所示。

《公路沥青路面设计规范》 (JJTO14-79) 中要求高速公路, 一级公路的沥青混凝土铺装层应采用双层式, 厚度应为6cm~8cm, 特殊情况可增至10cm, 在我国, 高速公路沥青面层一般均采用表面层4cm细粒式沥青混凝土;中面层:5cm或6cm的中粒式沥青混凝土;下面层:6cm或7cm的粗粒式沥青混凝土。建议高速公路沥青混凝土铺装层的厚度应与主线路面的表面层, 中面层结构相一致, 厚度以大于9cm为宜。

2 桥面铺装材料选择研究

2.1 铺装层材料

(1) 普通沥青混凝土。

普通沥青混凝土是目前使用比较广泛的桥面铺装材料。

(2) 沥青玛蹄脂碎石SMA。

沥青玛蹄脂碎石是一种间断级配的骨架结构, 由沥青、纤维稳定剂、矿粉、少量的细集料组成的沥青玛蹄脂填充骨料间隙, 形成骨架密实结构, 沥青玛蹄脂碎石与普通沥青混凝土相比, 具有较好的高温稳定性、耐久性、低温抗裂性、抗松散性, 防水性能和抗变形的能力也较强, 不易产生车辙。

(3) 浇注式沥青混凝土。

浇注式沥青混凝土是由高含量且高粘度的沥青、高剂量矿粉, 有时还加入纤维材料, 再配以适量的集料, 在220℃以上的高温下, 经过长时间的搅拌熬制, 形成一种粘稠且具有很好流动性的沥青混合料, 浇注后用木制慢刀抹平即可, 而不需要压路机碾压, 冷却后即能密实成型。

(4) 环氧沥青混凝土。

环氧沥青混凝土是在拌和厂将能够缓慢固化的环氧沥青与热集料混合后制成的聚合物改性混凝土, 使用传统的沥青混凝土筑路设备进行铺筑和碾压。

(5) 钢纤维混凝土 (SFRC) 。

钢纤维混凝土是近20年来迅速发展起来的一种新型复合材料, 具有良好的抗裂性、抗弯曲特性、耐冲击性、耐疲劳性等特点, 因而在桥面铺装中的应用受到研究及工程人员的重视。

2.2 防水粘结层材料

《公路沥青路面设计规范》 (JJT014-79) 对于防水粘结材料从材料种类和做法上推荐三类。

(1) FYT桥面二涂防水粘结材料。

厂家成品, 主要化学成分为阳离子氯丁胶乳乳化沥青。分为1号料和2号料两种, 施工时1号为底层料, 喷涂第一层, 用量1.45kg/m2~1.52kg/m2, 实干后, 用2号料, 按0.1kg/m2~0.15kg/m2用量, 喷涂第二层。

(2) 高剂量SBS改性沥青。

通常意义上的改性沥青是指以聚合物为改性剂的沥青, 聚合物的种类不同, 则对沥青性能的影响就不同。SBS系三元嵌段聚合物, 是一种热塑性弹性体, 在常温下呈强韧高弹性, 在高温下呈接近线性聚合物的流体状态。《公路改性沥青路面施工技术规范》建议:SBS的剂量可为3%~6%。

(3) 环氧沥青。

环氧沥青属热固性材料, 它将环氧树脂加入沥青中, 经与固化剂发生固化反应, 形成不可逆的固化物。这种材料从根本上改变了沥青的热塑性质, 赋予沥青全新的优良物理力学性质, 在粘结性能、热稳定性方面具有优势。

我国目前还没有统一的公路桥面防水粘结层的设计、试验和施工标准, 为此在选择、使用防水粘结材料时盲目性较大, 而且国内桥面上应用的防水层材料品种较多, 各种材料的质量没有一个统一的判别方法。因而导致桥面防水粘结层设计施工不当, 质量控制无章可循。而国内各个科研机构采用的试验方法各不相同, 如通过剪切拉伸等试验:研究粘结层材料的力学性能;粘结层材料用量对其力学性能的影响;粘结层的防水性能:粘结层表面物理状态对其力学性能的影响等。因此有待进一步探索和研究。

3 相关桥面铺装理论

我国对大跨径钢桥面的桥面铺装的研究较多, 也取得了一定成果, 但对数量较多的混凝土桥及组合桥的沥青混凝土桥面铺装相关的计算理论及研究文献相对较少, 而实际设计中多以经验为主, 急需要建立起桥面铺装的设计指标。

国内对桥面铺装设计理论方面的探索, 如将桥梁整个上部结构简化为一块纵向的板体结构, 把这一纵向板体结构分为两层:第一层为桥面铺装, 第二层为主梁。桥面板等简化成的板, 在此称为主板, 这样整个结构变为叠合板体。根据主板的受力及变形特性将其简化为正交各向异性小挠度弹性薄板, 符合弹性薄板理论的有关假设和要求, 假定两板之间是可以相对滑动的, 完全无摩阻力且没有脱空现象。根据板壳理论, 求出弯曲基本方程, 建立设计指标。采用三维有限元法对水泥混凝土桥的层间剪应力进行了力学计算和分析, 提出了以层间抗剪强度为指标的沥青混凝土铺装层设计方法。针对大跨径桥梁沥青混凝土铺装受力特点, 经过模型简化, 建立有限元模型, 提出以最不利荷载位置处的层内横向最大拉应力作为主要设计指标, 控制铺装层开裂破坏;有的单位以层间横向最大剪应力作为铺装粘结层设计的主要指标, 控制铺装层脱落等破坏形式:以层内最大剪应力作为铺装层的主要设计指标控制铺装层搓板、拥包等破坏形式。

总之, 如何建立合理的力学模型是一个关键问题, 是研究铺装层结构设计理论的一个重点。特别是如何来考虑粘结防水层的影响, 如何简化模拟层间接触状况, 应采取理论计算与试验分析相结合的方法, 寻找一种与结构实际受力吻合的模型。

4 国外桥面铺装应用概况

水泥混凝土桥桥面铺装形式有沥青混凝土, 水泥混凝土, 钢纤维混凝土, 水泥混凝土与沥青混凝土相结合等, 国内外经过长时间的实践和研究, 结合自己国家的气候特点以及材料特性等因素, 在混凝土桥面铺装结构形式选用上各有不同。

日本采用如下铺装结构:沥青层+板状防水层+沥青橡胶粘结材料+混凝土:沥青层+3层氯丁橡胶型防水材料+氯丁橡胶粘结剂混凝土;沥青层十乳化沥青 (粘结) +沥青层 (防水) +沥青橡胶粘结剂。

印度使用平均75mm的钢筋混凝土 (钢筋网格200×200mm) 磨耗层, 水泥用量为350kg/m3, 最大水灰比为0.4。磨耗层和路缘石之间的垂直接缝填以沥青。其使用寿命可达4年至10年。平均8mm厚的沥青混凝土磨耗层分两层铺设, 使用寿命可达5年至6年。

美国从1927年就开始将FSCR用于桥面铺装层, 如州际公路9-G桥, 其铺面厚7.5cm, 钢纤维体积掺量1.2%, 水泥用量446kg/m3, 钢纤维尺寸为0.25×0.56×25.4mm。日本用钢纤维混凝土加固某桥面板时, 先除去7cm厚的沥青路面, 对混凝土路面进行粗糙处理后, 浇筑12cm厚的SFRC, 使桥面板的承载能力提高了一倍。

摘要：笔者在参阅大量相关文献的基础上, 结合多年从事市政工程的经验, 深度探讨了国内外桥面铺装的方式方法, 重点研究了桥面铺装方法和铺装理论, 给出了国内外桥面铺装的应用概况, 相信对从事相关工作的同行有着重要的参考价值和借鉴意义。

关键词：桥面铺装,混凝土,理论方法