（道路与铁道工程专业论文）山区公路水泥混凝土桥面沥青铺装关键技术研究.pdf

摘要 我国山区面积广大，山区面积占全国总面积的2 3 ，受复杂地形、地貌和地质等条 件限制，山区高速公路在进行设计时，为了适应路线线形布设的需要，桥梁构造物所占 比例越来越大。因此，桥面铺装层质量的好坏，直接关系到整个山区高速公路的建设质 量。 近年来，桥面铺装层出现的车辙、开裂、坑槽和松散等早期病害，已引起了工程界 的高度重视。由于桥面铺装层受力比较复杂，工作环境特殊，因而对其强度、柔韧性、 高温稳定性、疲劳耐久性和防水性等均有较高的要求。 本文主要针对水泥混凝土箱梁连续桥桥面铺装为研究对象，以沥青铺装层为主，结 合目前国内外桥面铺装层使用现状，依托西汉高速公路桥面铺装工程，对山区高速水泥 混凝土桥面铺装层的典型病害成因分析、结构力学分析、铺装层与防水粘结层结构组合、 材料及路用性能、施工工艺和施工质量控制技术展开系统研究，对今后山区高速公路水 泥混凝土桥面铺装层设计、施工和质量控制有重要的现实意义。 关键词：山区公路、水泥混凝土、桥面沥青铺装、防水粘结层、聚酯纤维、有限元、力学分析 a b s t r a c t m o u n t a i n o u sa r e a sw h i c ha c c o u n tf o r2 3o ft h ec h i n a st o t a ja r e a sa r ev e r yl a r g e w h e n m o u n t a i n o u s f r e e w a y s a r e d e s i g n e d ，t h e y a r e s u b j e c t e d t o c o m p l e xt o p o g r a p h y ， g e o m o r p h o l o g ya n dg e o l o g yc o n d i t i o n s t h ep r o p o r t i o no fb r i d g es t r u c t u r e si si n c r e a s i n gi n o r d e rt om e e tt h er o u t el i n e t y p e t h e r e f o r e ，t h ed e c kp a v e m e n tq u a l i t yi sd i r e c t l yr e l a t e dt o t h eq u a l i t yo ft h ee n t i r em o u n t a i n o u sf r e e w a y sc o n s t r u c t i o n i nr e c e n ty e a r s ，t h e r ew e r ee a r l yd i s e a s e ss u c ha sr u t t i n g ，c r a c k s ，p o th o l e sa n ds u r f a c e l o o s e n i n gi nd e c kp a v e m e n tl a y e r s ，w h i c hh a da r o u s e dg r e a ta t t e n t i o n t h er e q u i r e m e n t so f s t r e n g t h ，f l e x i b i l i t y ，h i 曲t e m p e r a t u r es t a b i l i t y ，f a t i g u ed u r a b i l i t ya n dw a t e r p r o o f n e s sa r ev e r y h i g hd u et ot h ed e c kp a v e m e n tl a y e rc o m p l e xf o r c e sa n ds p e c i a lw o r ke n v i r o n m e n t t h em a i nt o p i c so ft h i st h e s i sa r et h ed e c kp a v e m e n tw h i c ha r ec e m e n tc o n c r e t eb o x g i r d e rc o n t i n u o u sb r i d g e sf o c u s i n go nt h ea s p h a l tp a v e m e n tl a y e r t h et h e s i sr e l i e so nt h e d e c kp a v e m e n te n g i n e e r i n go fx i a n h a n z h o n gf r e e w a yc o m b i n e d 、历t ht h ec u r r e n ts i t u a t i o n s f o rd e c kp a v e m e n ta th o m ea n da b r o a d t h ec a u s e sf o rt y p i c a ld i s e a s e s ，s t r u c t u r a lm e c h a n i c s ， s t r u c t u r ec o m b i n a t i o no fp a v e m e n tl a y e ra n dw a t e r p r o o fa n dc o h e s i v el a y e r , m a t e r i a l sa n d p a v e m e n tp e r f o r m a n c e ，c o n s t r u c t i o nt e c h n i q u e sa n dc o n s t r u c t i o nq u a l i t yc o n t r o lt e c h n i q u e s w e r es t u d i e ds y s t e m a t i c a l l yf o r t h ed e c kp a v e m e n to fc e m e n tc o n c r e t ei nm o u n t a i n o u s f r e e w a y t h es t u d i e dr e s u l t sh a v ei m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ef o rt h ed e s i g n ，c o n s t r u c t i o n a n dq u a l i t yc o n t r o lo fd e c kp a v e m e n to fc e m e n tc o n c r e t ei nm o u n t a i n o u sf r e e w a yi nt h e f u t u r e k e yw o r d s ：m o u n t a i n o u sh i g h w a y , c e m e n tc o n c r e t e ，d e c ka s p h a l tp a v e m e n t ，w a t e r p r o o fa n d c o h e s i v el a y e r , p o l y e s t e rf i b e r , f m i t ee l e m e n t ，m e c h a n i c a la n a l y s i s 长安大学硕士学位论文 1 1 问题的提出 第一章绪论弟一早殖 下匕 我国幅员辽阔，地形复杂多样，山区面积占全国总面积的2 3 ，山区面积广大，给 交通运输和农业发展带来一定困难。为了满足我国国民经济发展和完善公路路网的需 求，高速公路建设逐步从平原区进入山区。由于受复杂地形、地貌和地质等条件限制， 山区高速公路在进行设计时，为了适应路线线形布设的需要，桥梁构造物所占比例越来 越大。因此，桥面铺装层质量的好坏，直接关系到整个山区高速公路的建设质量。 桥面铺装是指铺筑在水泥混凝土桥面板上的防护层，是桥梁结构的重要组成部分， 其作用在于防止车轮直接磨耗行车道板，保护主梁免受雨水及其它有害物质的侵蚀，并 起到扩散荷载的作用。近年来，桥面铺装层出现的不同程度车辙、推移、开裂、坑槽和 松散等早期病害，已引起了工程界的高度重视。由于桥面铺装层受力比较复杂，工作环 境特殊，因而对其强度、柔韧性、高温稳定性、疲劳耐久性和防水性等均有较高的要求。 与平原区相比，山区地质、自然气候等的变化多端，故对桥面铺装层的使用性能要求更 l - 两。 我国对大跨径水泥混凝土桥面铺装的研究开展得比较早，但对山区高速桥面铺装相 关的研究较少。山区高速公路采用大跨径混凝土桥梁的结构形式较多，包括梁桥、斜拉 桥、拱桥等，加劲梁还包括箱梁、t 型梁等结构形式，各种桥梁结构有不同的变形特点， 相应对桥面铺装的性能要求也会有所不同，本文主要针对水泥混凝土箱梁连续桥桥面沥 青铺装层铺装为研究对象，结合目前国内外桥面铺装层使用现状，依托西汉高速公路桥 面铺装工程，对山区高速公路桥面铺装层的典型病害成因、结构力学、铺装层与防水粘 结层结构组合、材料及路用性能、施工工艺和施工质量控制技术展开系统研究，研究成 果对今后山区高速公路桥面铺装层设计、施工和质量控制有重要的现实意义。 1 2 国内外研究现状 桥面铺装作为桥梁结构的附属部分，与桥梁工程建设及技术发展是紧密结合在一起 的。在国外，尤其是一些发达国家，其交通建设发展较早，在桥面铺装方面技术较成熟。 随着我国桥梁建设的发展，桥面铺装技术的研究也逐渐受到重视，并逐渐开展了广泛而 深入的研究。国外道路工作者主要从铺装结构、材料设计、及施工等方面进行相关的研 第一章绪论 究工作。通过桥面铺装结构力学分析明确铺装层结构的受力状态，进而确定铺装层材料 的性能指标要求。 1 2 1 桥面铺装结构现状 传统的桥梁设计主要重视桥梁本身的结构受力特性分析，以保证桥梁整体安全，而 铺装层一般只作为均布恒载作用在桥面板上，并不对铺装层进行专门的力学分析。目前， 国内外对于桥面铺装的研究大多集中在铺装材料的改性上，且主要是针对钢桥。世界上 最早开展钢桥面铺装研究和实践的国家是德国，随后法国、日本、美国等国家也相继开 展了这方面的工作，德国、日本还制定了相应的技术规范。这些国家对钢桥桥面铺装层 设计( 包括铺装材料与厚度设计) 主要采用结合材料试验的经验设计法，英、美等国使 用有限元分析程序对钢桥面铺装体系进行了简单的力学分析。我国近十年来才开始大量 修建大跨径钢桥，对钢桥面板铺装层的研究工作起步较晚，主要是借鉴国外经验，研究 适合我国的桥面铺装技术，并利用有限元对铺装进行力学分析。但对于钢筋混凝土桥的 桥面铺装世界各国则研究的很少，下面就钢筋混凝土桥桥面铺装的国内外技术现状进行 综述。 ( 1 ) 国外研究现状 国外经过几十年的实践与探索，结合各自国家和地区的具体情况，在钢筋混凝土桥 桥面铺装方面选用的结构类型不尽相同，如表1 1 。从结构组成可知，桥面铺装层通常 由1 3 层材料铺筑而成，从功能上可分为防水粘结层和铺装层，其中铺装层一般又由下 面层和磨耗层组成。当桥面不设排水层时，应选用不透水的或极密实的磨耗层，一旦水 渗入面层将很难排走，最终会引起铺装结构破坏。如果采用常用的沥青或水泥混凝土而 不采用防水粘结层( 树脂沥青、沥青浆封层、罩面) ，建议设计成密实、空隙小的铺装 结构将其表面处理成防水的。还要特别注意磨耗层中的接缝，因为这些接缝是水最容易 渗入的地方。 表1 1 国外混凝土桥面铺装层结构 防水粘结铺装层结构 国家 层类下面层结构( c m )磨耗层( c m ) 浇注沥青混凝土3 水泥混凝土兰1 6 奥地利预制板 浇注沥青混凝土8浇注沥青混凝土4 浇注沥青混凝土1 + 预拌沥 浇注沥青混凝土4 瑞典预制板青的砂砾 1 5 浇注沥青混凝土3 5浇注沥青混凝土4 薄膜水泥混凝土5 + 浇注沥青混浇注沥青混凝土4 2 长安大学硕? i 二学位论文 凝土3 荷兰重新整形用沥青混凝土3浇注沥青混凝土4 沥青混凝七，有时含有改 日本 沥青混凝土( 有时含有改性粘接料) 3 5 性枯接料4 5 澳大利薄膜沥青混凝土5 亚 预制层沥青混凝土5 地沥青胶沥青混凝土5沥青混凝土5 砂 摊铺沥青混凝土+ s b c 2 5摊铺沥青混凝士+ s b c 2 5 思人巾u 薄膜 沥青混凝土4沥青混凝土3 预制层 沥青混凝土6沥青混凝土3 地沥青胶 法国 摊铺沥青混凝土2 2沥青混凝土( 有时含有聚脂类或纤维) 5 1 0 砂 地沥青胶 比利时砂或预制 摊铺沥青混凝土+ 用于重 层 新整形的沥青混凝土3 沥青混凝土3 5 地沥青胶热拌地沥青3 英国砂或预制地沥青砂保护 或热拌地沥青1 0 ( 双层) 层或水泥混凝土1 5 日本道路协会编的水泥混凝土桥面设计施工纲要规定，混凝土桥桥面铺装包括 防水粘结层和沥青混凝土面层，桥面防水体系的修筑则是提高桥梁使用寿命的重要保 证。常用铺装形式： ( 1 ) 沥青层+ 板状防水材料+ 沥青橡胶粘结剂+ 混凝土； ( 2 ) 沥青层+ 三层氯丁橡胶型防水材料+ 氯丁橡胶粘结剂+ 混凝土； ( 3 ) 沥青层+ 乳化沥青( 粘结) + 沥青层( 防水) + 沥青橡胶粘结剂。 印度使用平均7 5 m m 厚的钢筋混凝土磨耗层( 钢筋网格2 0 0 x 2 0 0 m m 2 ，水泥用量为 3 5 0 k g , m 3 ) ，平均8 0 m m 沥青混凝土磨耗层分两层铺设，使用寿命可达5 “年。 欧美2 0 世纪6 0 年代己开始大量采用桥面防水粘结层，其中美国联邦公路署1 9 7 2 年规定应对桥面采取保护措施以防止钢筋腐蚀和桥面破坏。t r l 和o e c d 及n c h r p 等 机构从实际应用的角度对桥面防水进行了系统的研究。特别是德国，对钢桥面铺装重视 对防水体系的完善，防水粘结层的结构形式多种多样。防水粘结层有反应性树脂缓冲层、 反应性树脂改性沥青粘层、反应性树脂改性沥青薄膜、反应性树脂s m a 致密层等。其 中沥青砂胶的集料( 3 0 - - 5 0 ) 和结合料( 1 3 1 8 ) 含量都很高。现在有使用硬沥 青或沥青橡胶混合料的趋势，提高沥青的稳定性并在其脆性和稳定性之间取得较好的折 衷结果。预制层有两种：一种是含有以聚合物一沥青涂制的高性能织物加强料( 有时用 铝或塑性层保护) ；另一种是不含加强料而由像聚已烯一聚丙烯的合成物制成的薄膜。 薄膜由沥青乳化剂形成，或者更常用的由环氧硬沥青或聚氨醋形成，按单层或双层实施， 3 第一章绪论 最上一层撒砂，以增强其与面层的粘结。表1 2 列出水泥混凝土桥常用的防水粘结层类 型及其在各国使用状况。 表1 2 各类型防水粘结层的应用范围( ) 国家比利时法国英国意大利丹麦 地沥青砂胶7 5 2 0 3 0l o7 01 5 预制层 2 56 09 08 5 薄膜 l o 2 01 0 然而，随着交通量的增加和防水粘结层在桥面铺装中的广泛采用，桥面铺装产生了 一些新的问题，如面层的早期破损、开裂、坑槽、防水粘结层与面层和桥面粘结强度不 足而产生推移破坏等病害。因此，欧美一些国家相继对水泥混凝土桥桥面铺装进行研究， 如美国的m a r t i n e l l i p 曾对桥面防水粘结层破坏形式、气温和沥青混凝土施工温度、 桥面准备状况对防水粘结层及桥面的粘结力的影响等。防水粘结层不仅要有良好的不透 水性，还要与混凝土桥面板沥青面层之间有足够的粘结力，这是各国开发研制防水粘结 层所努力的方向。 ( 2 ) 国内研究概述 我国对桥面铺装方面的研究开展得较晚，相关研究也很少。近年来，桥面沥青铺装 层出现较多的车辙、开裂、剥落、坑槽等破坏现象，引起人们的重视。特别是特大桥梁 的增多，以及大跨度钢桥或由钢筋混凝土板和钢梁组合而成的复合梁桥的修建，使桥梁 铺装技术成为一个重要的课题。 。表1 3 我国大跨径桥梁桥面铺装形式 桥梁名称主跨( m )主梁类型建成年代铺装类型 悬索桥 江阴长江大桥 1 3 8 5 钢箱梁 1 9 9 9 5 0 m m 沥青玛蹄脂混合料 香港青马大桥1 3 7 7钢桁架梁1 9 9 75 0 m m 沥青玛蹄脂混合料 3 0 m m s m a l 3 ( 上层) 厦门海沧大桥 6 4 8 钢箱梁 1 9 9 9 3 5 m m s m a l 0 ( 下层) 广东虎门大桥 8 8 8 钢箱梁 1 9 9 7 5 5 - - 6 0 m m 厚双层改性s m a 斜拉桥 南京长江二桥 6 2 8 钢箱梁 2 0 0 0 5 0 m m 厚环氧沥青混凝土 3 5 m m 厚s m a l 0 ( 上层) 武汉白沙洲大桥 6 1 8 钢箱梁 2 0 0 0 4 5 m m 厚s m a l 3 ( 下层) 3 5 m m 厚s m a l 3 ( 上层) 汕头泶石大桥 5 1 8 钢箱梁 1 9 9 9 5 0 m m 厚s m a l 3 ( 下层) 4 长安大学硕士学位论文 目前，我国开展的有关桥面铺装的研究主要是针对钢桥，重庆公路科学研究所较早 开展这方面的研究，参与了汕头泶石大桥、虎门大桥，厦门海沧大桥的设计，积累了一 定的经验。此后，对修建的大跨径钢桥都进行了专门的桥面铺装研究，例如江阴长江大 桥、南京长江二桥等。东南大学和重庆公路科研所结合我国的实际情况对钢桥面铺装进 行了更深入的研究。但目前我国对钢筋混凝土桥的桥面铺装的研究还很少，很少有科研 单位对钢筋混凝土铺装进行专门的研究。在实际工程中的做法也仅仅是依照实际经验， 也只有极少数的研究人员从不同的方面进行一些尝试性的探索。 我国桥梁的结构理论中对桥面铺装层本身的受力与计算分析较少，通常是将桥面铺 装层作为恒载，不参与主梁结构受力分析。前版公路沥青路面设计规范( j t j 0 1 4 9 7 ) 引入水泥混凝土桥面铺装的内容( 9 1 ) 规定：沥青路面的铺装层由粘结层、防水粘结层 及沥青面层组成；对于面层，高速公路及二级以下公路沥青桥面铺装厚度为5 - 8 c m ，可 做成单层式或双层式。公路沥青路面设计规范( j t g d 5 0 2 0 0 4 ) 根据工程实践将沥青 桥面铺装厚度调整为5 0 1 0 0 m m ；规定高速公路、一级公路的沥青桥面铺装应为双层式， 厚度应为7 0 1 0 0 m m 。二级及二级以下公路的沥青桥面铺装，厚度宜为5 0 9 0 m m ，可做 成单层式或双层式，双层式的表面层厚度不宜小于4 0 m m 。对大桥或特大桥梁，因行车 振动使桥面产生较大的弯曲变形时，可在水泥混凝土桥面或沥青混凝土中掺入聚合物纤 维，采用高质量沥青混合料铺筑桥面，以降低模量、提高抗拉强度，增加材料韧性和使 用寿命。 表1 4 我国应用桥梁桥面铺装结构 路段桥梁结构桥面铺装层结构铺装层厚度 京津塘高速公路北上层：沥青混凝土 5 京段 钢筋混凝土箱梁 中层：沥青混凝士 6 沪嘉高速公路 上层：沥青混凝土( 中、粗式) 7 上海段 钢筋混凝土箱梁 下层：水泥混凝土 6 钢纤维混凝土( c 4 0 ，钢纤维 上海南干线大桥t 型连续梁 8 含量4 5 k g m 3 ，无钢筋网) 双层式沥青混凝土( 细粒式和1 5 细粒式 天津市政永和大桥箱梁 粗粒式)3 5 粗粒式 钢纤维混凝土( c 4 0 ，钢纤维 天津市政彩虹桥钢管混凝土拱桥 含量4 0 k g m 3 ，钢筋网 7 0 1 4 2 0 ) 钢纤维混凝土( c 4 0 ，钢纤维 河北宣大高速公路t 型连续梁 含量4 0 k g m 3 ，钢筋网 8 0 1 2 2 0 ) 第一章绪论 深圳市政深南路立 钢箱梁 上层：沥青混凝士 4 交 下层：3 0 0 号钢筋网混凝土8 钢纤维混凝土( c 5 0 ，钢纤维 深圳市芙蓉大桥钢管混凝士拱桥 1 4 含量7 8 k g m 3 ，无钢筋网) 橡胶沥青混凝土( 氯丁橡胶+ 广州海门开启大桥 钢箱梁5 新加坡进口沥青) 钢纤维混凝土( c 5 0 ，钢纤维 广州丫鬟鲨大桥钢管混凝土拱桥 含量6 0 k g m 3 ，钢筋网 8 m 1 2 2 0 ) 根据经验，大中型桥桥面的沥青铺装层应满足与水泥混凝土桥面板的粘结、防止渗 水、抗滑及有较高抵抗振动变形能力等要求。小桥涵桥面沥青面层的各项要求应与其相 接路段的车行道面层相同。对不设置防水粘结层的小跨径桥梁，直接在桥面板上铺筑 5 1 0 c m 的普通水泥混凝土或沥青混凝土( 单层或双层) 。混凝土标号与桥面板混凝土标 号相同或提高一级，铺装时应注意密实、充分振捣，表面应保持一定粗糙度。沥青铺装 层可采用单层式即一次铺装( 厚5 - 8 c m ) ，或双层式即两次铺装( 底层4 6 c m ，面层 3 - 一4 c m ) 。需要防水的桥梁，修筑时在桥面板上铺筑8 1 0 c m 的防水混凝土作为铺装层， 其标号应不低于桥面混凝土标号。具有防水粘结层的水泥混凝土或沥青铺装层适用于防 水程度要求高，或桥面板位于结构受拉区而可能出现裂缝的桥梁。施工时，先在桥面板 上铺筑“三油二毡 的防水粘结层，然后再在防水粘结层上铺筑厚4 c m 、标号不低于 c 3 0 号的细集料混凝土保护层，最后再在其上修筑沥青或水泥混凝土铺装层。 规范规定，一级公路的沥青桥面铺装，厚度应为5 c m 1 0 c m ；高速公路、一级公路 的沥青桥面铺装应为双层式，下层为4 c m 6 c m 整平层，建议采用高温稳定性好的a c 1 6 型或a c 2 0 型中粒式热拌沥青混合料；表面层的厚度与混合料级配类型宜与其相邻桥头 引线的行车道上沥青表面层的厚度、混合料级配相同，以便与桥头引线部分一起施工， 减少接缝。对于二级及二级以下公路的桥面铺装，厚度宜为5 c m - 9 c m ，可做成单层式或 双层式，双层式面层的表面层的厚度不宜小于3 c m 。上面层与下面层之间应洒粘层沥青， 用于粘结层的沥青应具有较大的粘结力，一般宜用乳化沥青或改性乳化沥青，洒布量宜 为0 4 k g m 2 - 4 ) 5 k g m 2 。公路沥青路面设计规范( j t g d 5 0 - 2 0 0 4 ) 还规定：多雨潮湿地 区、纵坡大于5 或设计车速大于5 0 k m h 的大中型高架桥、立交桥桥面应铺设抗滑表 层。 近年来桥面渗水严重，特别是城市高架桥。为提高桥梁的使用年限、减少维修养护， 粘结层上设置防水粘结层，厚度为1 o 1 5 m m ，同时为避免防水粘结层在施工过程中被 6 长安大学硕士学位论文 损坏，宜铺设厚度为1 2c m 的砂粒式沥青混凝土。规范中规定了多种防水粘结层型式： 洒布改性沥青1 4 1 8 k g m 2 ，再洒4 7 5 - 9 5 m m 单粒径预拌沥青碎石，用量3 - 5k g m 2 ， 碾压稳定形成；涂刷聚氨胶泥、环氧树脂、阳离子乳化沥青、氯丁胶乳等高分子聚合 物涂料，形成防水粘结涂层；铺设沥青或改性沥青防水卷材，或浸渗沥青的无纺土工 布，通过沥青粘层与桥面粘结。公路沥青路面施工技术规范( j t j f 4 0 2 0 0 4 ) 对防水粘 结层的施工中应注意的事项给出了明确具体的规定，可见防水问题的重要性。 新颁布的公路沥青路面设计规范( j t g d 5 0 2 0 0 4 ) 和公路沥青路面施工技术规 范( j t j f 4 0 2 0 0 4 ) 都对水泥混凝土桥面沥青铺装层做了相应的规定。但从这些规范中 我们不难看出，对沥青铺装结构的论述主要对所用材料、做法及厚度等作了指导性的说 明，而具体如何设计没有阐述。由此可见，现行规范中桥面铺装的设计还是空白，在实 际设计中，桥面铺装层只作为桥梁工程的附属结构，按规范的规定采用经验性的铺装材 料和厚度，而不需进行专门设计，这无疑是不合理的。 1 2 2 桥面铺装材料现状 铺装材料是桥面铺装的基础，为设计出性能优良的桥面铺装材料，各国道路工作者 开展了广泛的试验研究。经过几十年的实践与探索，各国结合自身条件和区域具体情况， 选用的结构类型不尽相同。桥面铺装的类型多种多样，但从广义上来说，桥面铺装可分 为柔性桥面铺装和刚性桥面铺装。刚性桥面铺装主要指水泥类混凝土桥面铺装，包括普 通水泥混凝土、钢纤维混凝土、连续配筋混凝土等。水泥混凝土桥面铺装抗裂性能、行 驶舒适性、韧性及耐久性较差，加之维修不方便，目前主要用于小型桥梁。相比而言， 沥青混凝土桥面铺装具有良好的柔韧性、抗裂抗疲劳性能及行驶舒适性，且具有维修方 便、自重轻等优点，得到较多的应用。 本文以柔性桥面铺装为研究重点。在水泥混凝土桥桥面铺筑的沥青铺装层，应满足 与混凝土桥面的粘结、防渗水、抗滑及有较高抵抗振动变形能力等功能性要求。为改善 和提高桥面铺装沥青混凝土的性能，道路科研工作者也进行了广泛而深入的研究，主要 集中在沥青胶结料性能的改善、优化级配、确定合理的沥青混合料孔隙率，以及高性能 层间粘结材料的研究开发。近年随着多种改性沥青及其他高性能沥青不断问世，出现一 些新型桥面沥青铺装层材料：浇注式沥青混凝土( g u s sa s p h a l t ) 、沥青玛蹄脂混凝土 ( m a s t i ca s p h a l t ) 、改性沥青s m a ( s t o n em a s t i ca s p a l t ) 和环氧树脂( e p o x ya s p h a l t ) 沥青混凝土等。 7 第一章绪论 ( 1 ) 浇筑式沥青混凝土 二十世纪五十年代浇注式沥青混凝土源于德国，并在日本得到广泛应用。它是指在 高温( 2 2 0 2 6 0 。c ) 下拌和，依靠混合料自身的流动性摊铺成型，无须碾压的一种高 沥青含量与高矿粉含量、空隙率小于1 的沥青混和物，浇筑式沥青混凝土结合料包括 普通沥青或改性沥青、特立尼达湖沥青t l a 或是两者的混合( 一般t l a2 5 3 0 ) ，细 集料( q i m ) 一般为石灰石，粗集料为玄武岩碎石。 浇筑式沥青混凝土整体性好，防水性能优良，期望使用寿命为2 0 年以上，在服务 期内性能表现良好，维修量很小。它通常用作桥面铺装的下层，在重交通条件下，浇筑 式沥青混凝土可以作为基层，上面加铺改性沥青混凝土面层。摊铺浇筑式沥青混凝土时 表面上撒布石屑，并用轻型碾压机把石屑压入热沥青混凝土表面，撒布的石屑可以提高 铺装层稳定性及力学性能。浇筑式桥面沥青铺装层初期投资较高，但其寿命周期成本及 优良的路用性能，与普通铺装材料相比，则具有优越性。 浇注式沥青混凝土在日本的成功，很大程度上反映了其良好的低温性能，对于能否 适应我国夏季持续高温的大陆季节性气候，还需要大量的室内试验研究与论证。另外由 于浇注式沥青混凝土的施工工艺比较特殊，在我国现有施工设备与施工管理水平下能否 取得较好的工程效果，同样需要系统的研究。 ( 2 ) 环氧沥青混合料 环氧改性沥青是一种两相系统，即连续相热固性材料环氧树脂和间断相材料沥青， 它是一种较理想的铺装材料，不仅具有可以与水泥混凝土相媲美的强度，还兼有较好的 低温柔韧性与粘结力。环氧树脂胶结料与最大粒径为9 m m 的集料混合形成的混合材料 具有良好的高温稳定性、抗裂性及粘附性：具有极好的抗疲劳性能；具有很强的抵抗化 学物质包括溶剂、燃料、油侵蚀的能力。环氧改性沥青混合料的初始养护可在几个小时 内完成，并可开放交通，完全养护完成需要3 0 6 0 天。2 0 世纪6 0 年代，环氧改性沥青 混合料桥面铺装首先在美国和加拿大的正交异性桥面铺装中性能得到检验和肯定，美国 金门大桥( g o l d e ng a t e ) 、圣地雅哥大桥( s a nd i e g o ) 、黑尔博格斯( h a l eb o g g s ) 等均 采用的环氧沥青混凝土铺装方案，之后在大跨径桥梁中得到了广泛的应用，实际性能良 好，我国南京长江二桥桥面铺装也应用环氧改性沥青。 环氧沥青是一种由环氧树脂、固化剂、与基质沥青经复杂的化学改性所得的混合物， 环氧改性沥青混合料的配置工艺比较复杂，技术难度高。施工中对时间和温度要求十分 严格，施工难度大，材料费用也较高。鉴于我国施工队伍的整体管理水平不高、缺乏专 8 长安大学硕士学位论文 业施工设备的情况下，该方案的风险比普通铺装方案要高。 ( 3 ) 沥青玛蹄脂混合料 沥青玛蹄脂混合料是由沥青胶结料、矿粉和粗集料组成的无孔隙不透水的混合料。 沥青玛蹄脂混合料在欧洲应用较为广泛，在英国规定用于悬索桥桥面铺装已有3 0 多年。 沥青胶结料主要由普通沥青( 针入度6 0 7 0 ) 和特立尼达湖沥青按一定比例混合而成。 沥青玛蹄脂可以现场拌制( 拌和温度2 0 0 - 2 3 0 c ) ，或工厂预制并冷却成2 5 k g 块状， 运到现场重新加热融化施工时加入单一粒径( 1 0 - 1 4 m m ) 粗集料( 约占总质量的4 5 ) 加热搅拌，并采用专用摊铺机浇筑式摊铺，最后在其表面压入预拌沥青碎石( 公称尺寸 为1 4 m m ) 。 s m a 与浇注式沥青混凝土一样，源于德国。s m a 最初是为减少车辙而研制的，后 来实践中发现它还具有优异的抗疲劳、抗水损害及低温抗裂性能，因而在欧美桥面铺装 得到应用。沥青玛蹄脂碎石混合料的粗骨料含量大，矿粉含量高，是一种典型的间断密 级配混合料。s m a 高温稳定性主要源于粗集料的相互嵌挤作用，美国n a c t 的研究发 现，当4 号筛( 4 7 5 m m ) 的通过率 4 7 5 m m ) 含量在7 0 以上。s m a 低温性能则来源于含量较高的沥青玛蹄脂。s m a 的沥青用量欧洲为7 0 ， 德国为6 6 ，美国相对较低，为6 0 ；国内几座大桥铺装层中s m a 的沥青用量均在 6 0 以上。 改性沥青s m a 铺装层柔韧性、抗松散、抗裂能力强；具有良好的耐久性和防水性； 抗塑性流动和抗永久变形能力强，不易产生车辙；具有粗糙的表面构造，防滑性能好。 其主要不足是对集料要求高，保质年限短。德国s m a 既可以用于铺装下层，也可以用 于铺装面层；日本s m a 铺装实例主要用于铺装下层，面层则改用改性沥青密级配混凝 土。改性沥青双层s m a 方案在我国广东虎门大桥、汕头泶石大桥等大桥的桥面铺装中 得到应用，并在参考这些铺装的经验基础上，s m a 比较成功的应用在厦门海沧大桥、 武汉白沙洲大桥的钢桥面铺装。值得注意的是，s m a 作为桥面铺装结构层中磨耗层在 江阴长江大桥使用情况来看，铺装层出现大面积的纵桥向裂缝并伴随在较多的横桥向开 裂。近些年来，日本及欧洲一些专家也对s m a 铺装结构提出不同看法：s m a 作为大跨 径桥面铺装的上层是可行的，但作为正交异性钢桥面铺装下层则未必合适，主要原因如 下几点：钢桥面板的铺装下层，要求与钢板有良好的粘结力，适应钢板在温度与行车 9 第一章绪论 荷载作用下的复杂变形，而s m a l 3 与s m a l 0 中粗集料含量一般高达7 0 ，过多的粗 集料难以与钢板达到密贴的效果；作为与桥面板直接接触的铺装下层，它应具备优良 的防水与密水性，而s m a 的高沥青含量是建立在相对较大的孔隙率的基础上( 3 4 ) ， 通过v m a 来保证。德国、日本等国要求铺装下层沥青混合料的空隙率几乎为零，这点 s m a 无法达到。 ( 4 ) 纤维增强沥青混凝土 2 0 世纪8 0 年代以来，为适应重载交通的特点，欧美一些国家开始加强了对沥青材 料的应用研究，通过在沥青混凝土中加入纤维来改善沥青混合料的使用性能在近年来得 到了越来越多的重视和应用。在德国，纤维产品a r b o c e l 、d o l a n i ta s 等都得到了较大规 模的应用。通过对沥青混合料掺加d o l a n i ta s 的研究和观测表明，它可以改善沥青混合 料的高温稳定性、疲劳耐久性，并且具有低温抗裂和防止反射裂缝的性能，常被用在机 场路面、桥面铺装、收费站等铺面中；在美国，形成专利商品的产品有b o n i f i b e r 、f i b e r p a v e 等。美国、加拿大等国利用博尼维修筑了高速公路及其它大交通量的公路。通过观测和 研究，博尼维可以改善沥青路面的高温稳定性，疲劳耐久性，并且具有低温抗裂和防止 反射裂缝的性能。 1 3 本文主要研究内容及技术路线 1 3 1 主要研究内容 本文结合西汉高速公路涝峪口筒车湾秦岭重山区路段桥梁具体情况，通过调研、 室内研究及试验路铺设，主要进行以下几个方面的研究： ( 1 ) 桥面受力特点及破坏机理分析； ( 2 ) 桥面防水粘结层与桥面沥青铺装层的防水机理研究； ( 3 ) 不同桥面防水方案与桥面铺装层的性能特性比较研究； ( 4 ) 桥面防水( 包括防水粘结层与铺装层) 和层间粘结的关键技术( 材料和功能 特性) 研究； ( 5 ) 桥面防水粘结层与桥面铺装层的施工工艺研究； ( 6 ) 桥面防水粘结层与铺装层的质量验收评定方法和参数指标研究。 1 3 2 技术路线 桥面铺装是一个系统工程，要综合考虑使用环境的气候条件、桥面板结构特点、交 通荷载特点及经济条件，进行优化设计。本文旨在借鉴国内外成功经验的基础上，结合 1 0 长安大学硕：t = 学位论文 西汉高速公路工程状况，对一般桥面和特大桥桥面分别采取四种桥面铺装层结构组合， 研究与比较各种结构组合所带来的路用性能。 第二章桥面铺装层使用状况及病害调查分析 第二章桥面铺装层使用状况及病害调查分析 2 1 桥面铺装层使用状况调查 2 1 1 国外桥面沥青铺装层的使用状况 德国下撒克州道路工程管理部门对1 0 6 6 座钢筋混凝土及预应力混凝土桥梁进行调 查，发现4 4 5 的行车道铺装出现损坏。英国桥面铺装结构分为整体式桥面和双层式桥 面。英国工程师a j 蒙多塔多在“6 5 1 号运输研究报告 中，对在同一时期，用同一产 地骨料和混凝土修建的7 3 座公路桥梁的混凝土桥面所作调查结果表明：整体式混凝土 桥面与用环氧树脂粘贴的双层式混凝土桥面相比，前者更容易发生表面破损。一种复合 的环氧类粘结剂，在合理实用的情况下，具有比水泥灰浆更为稳固的粘结性能。他总结 了两种桥面使用情况，见表2 1 。 表2 1 整体式桥面与双层式桥面的调研 桥面类型使用性能桥面数面积( m 2 )面积百分率( ) 重铺面层或需重建 2 62 9 6 1 06 6 9 7 尚好 1 38 5 7 41 9 3 整体式桥面 优良 96 2 3 21 4 4 合计 4 84 4 4 1 61 0 0 0 重铺面层或需重建 21 9 1 64 1 尚好 32 6 5 69 9 双层式桥面 优良 2 04 0 6 0 l8 6 0 合计 2 54 7 1 7 31 0 0 0 0 日本的研究表明：当混凝土被水浸泡时，其承受重复荷载的疲劳强度会降低3 0 ， 为此应重视桥面铺装的设计及施工，提高桥面的耐久性。桥面板发生损伤的原因与作用 的荷载特性、设计和施工方法等有关，当车辆与主筋成直角行驶时，钢筋混凝土桥面板 最普通的损伤情况如下：分布钢筋少时，沿主筋方向发生单向裂纹；垂直相交两个 方向发生裂纹；形成格子状或龟裂状的裂纹网，混凝土中游离石灰露出；裂纹桥面 局部脱落，保护层混凝土剥落；桥面板出现空洞和桥面陷落。裂纹的存在导致桥面经 受各种侵蚀：雨水、污水流入；遭受冻融循坏；冬季撒布的氯盐等腐蚀。这些都 会导致结构承载力的下降。 2 1 2 国内桥面沥青铺装层的使用状况 随着交通量和重型车辆的增加，桥面铺装损坏情况越来越严重，有的桥梁在通车后 1 2 长安大学硕士学位论文 不久，桥面即出现了裂缝、拥包、车辙、脱落等破坏现象。北京市针对主要市政桥梁和 立交的桥面铺装病害进行了调查和统计，其调查结果见表2 2 。 表2 2 桥面病害调查表 交竣工铺装层厚度 桥梁名称桥面铺装结构破坏情况 时间 ( c r n ) 航天桥 1 9 9 4 沥青混凝士 9 车辙，程度一般 紫竹桥 1 9 9 2 沥青混凝土 7 纵缝，程度严重 德胜门桥 1 9 8 4 沥青混凝土 5 横缝、龟裂，程度严重 复兴门立交 1 9 7 4 中粒式沥青混凝土 4 7 横缝、龟裂，程度较严重 橡胶沥青石屑 2 5 大北窑立交 1 9 8 6 拥包、裂缝，程度较严重 橡胶沥青混凝土 4 5 沥青混凝土 6 1 2 横缝每隔7 - 8 m 赵公口立交 1 9 8 8 钢筋混凝十 5 稃度一股 沥青混凝土 广渠门立交 1 9 8 84 5 8 6 纵缝，程度一般 钢筋混凝土 天津津围公路是天津市的北通道，是蓟县山区采石场向市区运送砂石料的主要通 道，有相当数量的集装箱车辆通行，重载交通量大。公路投入使用年限较早，设计荷载 标准低，公路、桥梁超负荷运营，线路破坏严重，运营水平降低。设计荷载标准低的桥 梁主要承重结构( 桥跨、墩台) 破坏严重，桥面破坏严重，己危及行车安全；就桥面铺 装层病害而言，梁式桥主要是桥面纵向开裂，严重的已经单板受力，多跨简支梁桥墩顶 处横桥向开裂且铺装层折断，己属于危桥。拱桥由于铺装层结构薄弱，普遍网状裂缝经 雨水渗透、冻涨，桥面坑槽。 沈大高速公路由于使用时间较长，几乎每座桥梁的沥青铺装层经翻修后仍出现损坏 现象，病害类型主要表现为桥面坑槽、松散现象，部分桥面出现了返白和唧浆现象，有 许多地方尚存在修补后再破坏的情况。更为严重的是个别桥梁由于沥青铺装层的破坏， 导致水分下渗，在荷载和冰冻等因素作用下，使桥梁的混凝土梁板受损。沈铁高速公路 自1 9 9 6 年通车，部分桥梁的沥青铺装层出现了不同程度的车辙、坑槽、反白、卿浆等 现象。沈山高速公路通车后1 2 年，个别桥梁的沥青铺装层也出现了轻微坑槽、局部返 白、唧浆等现象。 广东省公路勘察规划设计院等单位对佛山大桥、江湾立交桥等5 座桥梁进行了桥面 铺装层裂缝分析，得出结论如下：当桥面承受静、活荷载时，铺装层与桥面构件共同受 力，当桥面构件产生裂缝时，首先反映到铺装层上，随着桥面构件裂缝的发展与增大， 铺装层裂缝愈来愈大。桥面铺装层直接承受车辆垂直荷载与水平冲击、剪切，随着裂缝 1 3 第二章桥面铺装层使用状况及病害调查分析 的发展，最后导致破坏并渐渐脱落，形成坑槽，影响行车安全。桥面铺装层破坏后，桥 面构件的结构高度相对减薄且直接承受车辆荷载，加上铺装层破坏跳车而增加的附加冲 击荷载，导致桥面构件裂缝宽度增大，加速了邻近铺装层的破坏。大气、雨水对构件钢 筋的腐蚀作用也将加重。这时既影响车辆通行，又加快桥面构件的破坏，严重影响桥梁 的使用寿命。 山西省交通科研院1 9 9 9 年对太旧高速公路线沿线工型组合梁桥与t 梁桥的桥面板 状况进行了调查，病害调查结果及危害分析如下： l 、工型组合梁间桥面板及t 型梁翼板湿接缝处在板底出现纵向裂缝。这一方面将 直接降低该部分结构的受力性能；另一方面，在长期车轮荷载反复作用下裂缝将进一步 增大，直至结构完全丧失受力性能。 一 2 、桥面板出现网状裂缝主要是由于桥面板承受荷载能力不足，而出现纵向裂缝与 桥面板结构由于温度应力、主梁变形等原因引起横向裂缝综合造成的结果。这将会使混 凝土整体结构遭到严重破坏，并大大降低结构的受力性能。 3 、工型梁桥面板及t 型梁翼板湿接缝渗水，主要是由于该混凝土本身缺陷或结构 在运营过程中出现破损，桥面水沿缝隙、裂缝、不密实处下渗。尤其是冬季融雪含盐的 下渗水侵蚀，结构混凝土及受力钢筋将遭到严重破坏。 2 1 3 陕西省桥面沥青铺装层使用状况 本文对陕西省内不同等级公路和城市桥梁的桥面铺装使用情况进行了调查，主要调 查高等级道路桥梁的结构形式、桥面铺装结构形式、铺装层厚度、铺装层材料技术性能 要求、防水粘结层的设置情况、粘结层材料厚度和类型以及桥面防排水措施、铺装病害 等方面。 陕西位于全国公路自然区划的黄土高原干湿过渡i i i 区，温度分布基本上是由南向 北逐渐降低，各地平均气温7 1 6 。陕南的浅山河谷为全省最暖地区；由于受季风的影 响，陕西冬冷夏热，四季分明，温差较大。西安地区潮湿系数为4 ，属润干地区。温度 和水对桥面铺装的影响较大，所以沥青混合料桥面铺装应具有有较强的高温稳定性和低 温抗裂性，而且要有一定的防水能力。表2 3 列出了省内沥青混合料桥面铺装的调查结 果。 表2 3 陕西省沥青混合料桥面铺装状况调查表 序号桥梁名称 桥梁类型铺装形式损坏类型 5 孔预应力混凝土连续博尼维沥青 1 沪河大桥局部裂缝 梁拱组合桥混凝土 1 4 长安大学硕士学位论文 下承式钢管混凝土五连s m a 沥青 2 灞河大桥裂缝，局部出现大坑槽 拱系杆拱桥混合料 整体现浇钢筋混凝土连 较宽横向裂缝、网裂和带 3 太华路立交桥钢筋混凝土状坑槽，龟裂，平整度较 续板桥 差 主线为连续、简支空心桥面高低不平，局部范围 4 未央路立交桥钢筋混凝土 板桥，匝道为连续箱梁内出现纵横向裂缝 局部损坏，面层松散，坑 5 库峪河桥简支t 型梁桥钢筋混凝土 洼，有波浪变形出现 局部损坏，面层松散，坑 6 清水河桥肋腋板组合工字桥沥青混凝土 洼，有波浪变形出现 7 蒲河桥双曲拱桥 沥青混凝土铺装有坑槽，网状裂缝 宝鸡市广元路 8 中承式拱桥沥青混凝土局部裂缝 渭河大桥 不同的桥梁结构桥面破损的特征不尽相同，破坏程度亦不同，如表2 4 。梁桥是各 级公路城市道路应用最多的桥梁结构形式，也是桥面铺装病害问题最多的一种桥型，而 且首先在桥梁结构的特殊部位产生破坏，比如桥面的连续部位和肋板顶，梁和梁之间的 衔接处等。从以上调查可以看出，桥面的损坏形式不是单一存在的，而是几种损坏同时 发生。 表2 4 桥面沥青铺装层与桥梁结构的关系 桥梁结构梁式桥拱桥钢架桥 纵向裂缝、不规则裂缝、 行车道轮迹处有全桥性 病害类型纵向裂缝、开裂 特殊部位碎裂 腹拱顶破碎带 2 2 桥面沥青铺装层典型病害及成因分析 沥青铺装层由于具有很好的行车舒适性、美观性，能够有效地缓和行车荷载对桥面 的冲击作用，行车平稳、舒适，同时具有便于维修等特点，因此，它在桥面铺装中应用 越来越广泛。沥青铺装层直接承受行车荷载的垂直和水平作用，同时又受到到环境温度、 湿度变化、雨雪和日照等因素的综合影响，因此，沥青铺装层是桥梁整体结构中最容易、 且最先产生衰变和损坏的薄弱部位。近年来，严重的沥青铺装层早期病害现象，已引起 了工程界的高度重视。 2 2 1 沥青铺装