（道路与铁道工程专业论文）山区高速公路水泥混凝土桥面铺装质量控制技术研究.pdf

摘要 桥面铺装由于其结构和所处环境的特殊性，铺装层极易遭到破坏，据统计大 部分水泥混凝土桥面沥青混凝土铺装层的各种损害比一般路基路面严重很多。桥 面铺装的早期破坏成为亟待解决的问题。因此需要从理论和实践上对桥面铺装进 行研究。 本文首先对我国现有的桥面铺装病害进行分析，并对水泥混凝土桥面沥青混 凝土铺装结构力学分析进行比较，得出桥面铺装受力的特点。 然后结合重庆石忠高速公路水泥混凝土桥面铺装工程实际对水泥混凝土桥面 沥青混凝土铺装上层和下层材料组成进行设计，从保证防水粘结层和沥青混凝土 层施工质量的角度，对防水粘结层和沥青混凝土铺装层的施工技术进行研究。 最后对桥面铺装防水粘结层材料和结构进行研究。通过自行开发设计直接剪 切仪、直接拉伸仪和加压渗水仪，分别从抗剪切性能、抗拉性能和抗渗性能等方 面研究桥面铺装不同层位间防水粘结材料的粘绔l 生能和规律，并通过试验手段， 选定适宜的试件尺寸，建立不同试验组合，模拟水泥混凝土与沥青混凝土铺装下 层之间的层间粘结、薄沥青混凝土磨耗层( 功能层) 与沥青混凝土下层( 结构层) 的层间粘结，根据试验结果结合理论分析，选择高性能防水粘结材料，确定最佳 用量，其研究成果用于指导石忠( 重庆石柱至忠县) 高速公路水泥混凝土桥面铺 装，并以现场试验验证所选防水粘层材料的路用性能。 关键词：水泥混凝土桥面； 铺装材料； 沥青混合料组成设计； 质量控制； 防水粘结层；抗剪强度；抗拉强度；抗渗性能 a b s t r a c t b r i d g ed e c kp a v e m e n tb e c a u s eo fi t ss t r u c t u r ea n de n v i r o n m e n ta r eu m q u e ， p a v e m e n te a s i l yd a m a g e da c c o r d i n gt os t a t i s t i c st h em a j o r i t yo fc e m e n tc o n c r e t eb r i d g e d e c ka s p h a l tc o n c r e t ep a v e m e n td a m a g em o r es e r i o u s l yt h a nt h eg e n e r a lp a v e m e n ta n d s u b g r a d e b r i d g ed e c ke a r l yd a m a g eb e c o m es e r i o u sp r o b l e m t h e r e f o r ei t i sn e e dt o m a k eas t u d yo nt h eb r i d g ed e c k f r o mt h e o r ya n dp r a c t i c e i nt h i sp a p e r ，f i r s to fa l lm a k eaa n a l y s i so ft h ee x i s t i n gd i s e a s eo fo u rc o u n t r y s b r i d g ed e c k ，a n dc o n c r e t eb r i d g ed e c ka n da s p h a l t c o n c r e t ep a v e m e n ts t r u c t u r a l m e c h a n i c sa n a l y s i st oc o m p a r e i n gc o n c r e t eb r i d g ed e c ka n da s p h a l tc o n c r e t ep a v e m e n t s t r u c t u r a lm e c h a n i c sa n a l y s i s ，g e t t i n gt h et h ec h a r a c t e r i s t i c so ff o r c eo fb r i d g ed e c k a n dc o m b i n e i n gw i t hc h o n g q i n gs h ih i g h w a yc e m e n tc o n c r e t eb r i d g ed e c k p a v e m e n te n g i n e e r i n gp r a c t i c et od e s i g nt h ec o n c r e t eb r i d g ed e c ka s p h a l tc o n c r e t e p a v e m e n tu p p e rd e c ka n dt h e 1 0 w e rf r o mt h eg u a r a n t e e dw a t e r p r o o fl a y e ra n dt h e a s p h a l tc o n c r e t el a y e rc o n s t r u c t i o nq u a l i t yp e r s p e c t i v e ，m a k i n g as t u d yo no nt h e w a t e r p r o o fa d h e s i v el a y e ra n dl a y e ro fa s p h a l tc o n c r e t ep a v e m e n tc o n s t r u c t i o n t e c h n o l o g y f i n a l l ym a k eas t u d yo nt h eb r i d g ed e c kw a t e r p r o o fb o n d i n gl a y e rm a t e r i a l sa n d s t r u c t u r e s ，t h r o u g hd e s i g n i n ga n dd e v e l o p i n gd i r e c ts h e a rd e v i c e ，d i r e c t l ye x t e n s o g r a p h d e v i c ea n dp r e s s u r i z e dw a t e rs e e p a g ed e v i c e ，s e p a r a t e l yf r o mt h ea n t i - s h e a rp r o p e r t i e s ， t e n s i l ep r o p e i r t i e sa n dp e r m e a b i l i t yp r o p e r t i e so fb r i d g ed e c kp a v e m e n tr e s e a r c hb e t w e e n d i f f e r e n tl a y e r so fw a t e r p r o o fa d h e s i v em a t e r i a lb o n d i n gp r o p e r t i e sa n dl a w s ，a n d t h r o u g ht h em e a n so ft e s t ，s e l e c t i n ga p p r o p r i a t es a m p l es i z e ，s e t t i n gu pd i f f e r e n tt e s t c o m b i n a t i o n s ，a n a l o g i n gc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n tw i t ha s p h a l tc o n c r e t eb e t w e e n t h e l o w e ri n t e r l a y e rb o n d i n g ，t h i na s p h a l tc o n c r e t ew e a r1 a y e r ( f u n c t i o n a ll a y e r ) a n dl o w e r a s p h a l tc o n c r e t e ( s t r u c t u r a ll a y e r ) o ft h ei n t e r l a y e rb o n d i n g ，b a s e do nt h et e s tr e s u l t s c o m b i n e dw i t ht h e o r e t i c a la n a l y s i s ，c h o o s eh i g h p e r f o r m a n c ew a t e r p r o o fb o n d i n g m a t e r i a l ，t od e t e r m i n et h eo p t i m u md o s a g e ，t h er e s u l t so ft h e i rr e s e a r c ht og u i d es h i ( c h o n g q i n gp i l l a r st oz h o n g x i a n ) c e m e n tc o n c r e t eh i g h w a yb r i d g ed e c k ，a n d t of i e l d t e s tt ov e r i f yt h es e l e c t e dl a y e rw a t e r p r o o fm a t e r i a lv i s c o r o a dp e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：c e m e n tc o n c r e t e ； b r i d g ed e c kp a v i n gm a t e r i a l s ；c o m p o s e d o fa s p h a l tm i x t u r ed e s i g n ； q u a l i t yc o n t r o l ； w a t e r p r o o fb o n d i n gl a y e ；r s h e a rs t r e n g t h ：t e n s i l es t r e n g t h ； i m p e r m e a b i l i t y 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 崤致寻 醐。c 1 年3 月巧日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行 信息服务( 包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留 在其他媒体发表论文的权利。 学位论文作者签名： 指导教师签名：秘 日期：年月日 日期：岬年3 月土易日 1 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n 系 列数据库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规 定享受相关权益。 学位论文作者签名： 日期：年月日 指导教师签名：5 日期：9 7 年弓 第一章绪论 l 1 1 研究的目的和意义 第一章绪论 随着高等级公路的大规模兴建，我国的桥梁建设取得了长足的发展，但随着 交通量及轴载越来越大，以及气候条件越来越苛刻，我国的桥面铺装普遍出现了 严重的早期病害，极大地影响了桥梁的服务品质，造成了巨大的经济损失。对于 一些重点工程或有重大影响的桥梁，桥面早期损坏甚至影响了业主乃至政府的形 象，因而，桥面铺装问题近年来受到了各方的重视。 桥面铺装作为桥梁行车体系的重要组成部分，它一方面可分散荷载，参与桥 面板的受力；另一方面起联结各主梁共同受力的作用，既是桥面保护层又是桥面 结构的共同受力层。铺装层质量的好坏和使用耐久性直接影响到行车的安全性、 舒适性、桥梁的耐久性及投资效益，对桥梁的使用性能影响很大。桥面铺装层直 接暴露在自然环境下，承受行车荷载、梁体变形和环境因素等的作用，因此，它 必须具有足够的强度和良好的整体性，并具有足够的抗裂、抗冲击、耐磨等性能。 目前我国对大跨径钢桥面的桥面铺装研究开展较为广泛，也取得了一定的成 果，但对于数量巨大的水泥混凝桥面沥青混凝土铺装研究较少。在进行桥梁结构 设计时，桥面铺装层只作为桥梁工程的附属结构，一般不作专门的计算分析。随 着交通量和重型车辆的增加，桥面铺装病害普遍。这不仅妨碍了正常交通，影响 桥面美观，更易造成交通事故，同时也给维修工作带来了很大的困难。桥面铺装 的早期损坏已成为影响高速公路使用功能的发挥和诱发交通事故的一大原因。因 此，有必要对水泥混凝土桥面沥青混凝土铺装层的结构、材料设计和施工技术进 行全面的研究，从而指导水泥混凝土桥面沥青混凝土铺装的设计和施工。 本文主要针对水泥混凝土桥面板沥青混凝土铺装，系统研究目前公路工程中 水泥混凝土桥面沥青混凝土铺装出现早期破坏问题。结合桥面铺装结构、防水粘 结层结构和沥青混凝土铺装层，对水泥混凝土桥面沥青混凝土铺装进行系统研究。 开展水泥混凝土桥面沥青混凝土铺装层研究可以为相关的桥面铺装设计和施工提 供理论参考依据；以提高桥面铺装的使用性能和使用寿命。 1 2 国内外研究概况 1 2 1 桥面铺装结构设计概况 桥面是一种特殊的结构，具有复杂的受力特点，它有同路面相似的地方，但 ， 第一章绪论 更多的是不同的方面。在以往的桥梁设计中对桥面的重视程度不足，致使桥面过 早的破坏，造成重大的经济损失，严重时甚至造成大的交通事故。 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，确定了混 凝土桥面铺装结构层的类型。 丹麦采用的是“底涂层+ 防水层+ 保护层+ 联结层+ 铺装上层”的铺装结构。将 桥面喷砂处理过后涂环氧树脂作为底涂层，防水层采用改性沥青卷材，保护层采 用1 5 4 v 2 0 m m 的开级配沥青混凝土，联结层采用4 0 r a m 厚的改性沥青混凝土，磨耗 层采用4 0 r a m 的沥青混凝土或者s m a 混合料。 德国和丹麦的桥面铺装结构很相似，为“底涂层+ 防水卷材+ 排气层+ 联结层+ 铺装上层结构。 瑞典采用沥青类材料作为与水泥混凝土桥面板的粘结层，防水材料采用沥青 砂胶、涂膜和卷材类材料，铺装层材料根据防水材料的不同有所差异。 法国采用的铺装结构没有联结层，防水层采用涂膜类或卷材类材料，铺装结 构为“粘结层+ 防水层十保护层十铺装层 。粘结层采用改性合成橡胶乳液，防水 层采用高分子聚合物涂膜或卷材类材料，保护层采用2 2 r a m 厚的沥青碎石保护层， 铺装层采用7 0 一- - l o o m m 厚的沥青混凝土。 印度使用“铺装层十磨耗层 的铺装结构。铺装层采用7 5 m m 厚的钢筋混凝 土( 钢筋网格2 0 0m mx2 0 0 m m ) ，水泥用量为3 5 0 k g 聊3 ，最大水灰比为0 4 。 磨耗层采用8 c m 厚的沥青混凝土，分两层铺装。钢筋混凝土铺装层和路缘石之间 的垂直接缝采用沥青填封。使用寿命可达到1 0 年。 日本采用“沥青橡胶粘结剂+ 板状防水卷材十铺装层”、“氯丁橡胶粘结剂十3 层氯丁橡胶型防水材料+ 铺装层和“防水沥青层+ 乳化沥青粘结层+ 铺装层”的 铺装结构。铺装层一般采用沥青混凝土。 在我国，一般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 8 a 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，沥青混凝土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( 下面层4 c m ，上面层3c m ) 。需要防水的桥梁，修筑时在桥 面板上铺筑8 一- - l o 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混凝土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，“三油二毡”的防水层， 然后再在防水层上铺筑厚4 a m ，标号不低于c 2 0 号的细集料混凝土保护层，最后再 在其上修筑沥青混凝土或水泥混凝土铺装层。 第一章绪论3 1 2 2 桥面铺装材料发展概况 国外桥面铺装材料研究较早，尤其是大跨径钢桥面铺装发展比较成熟。目前， 大跨径钢桥桥面铺装材料主要采用浇注式沥青混凝土( g u s s a s p h a l t ) 、环氧沥青 混凝土和沥青玛蹄脂碎石( s m a ) ，且经过工程验证它们均具有较好的使用性能， 水泥混凝土桥面铺装也可借鉴这些材料，但同时也要考虑到经济性。 浇注式沥青混凝土 二十世纪五十年代源于德国，当时主要是用作高速公路的修复，浇注式沥青 混凝土采用硬沥青，它是一种岩沥青或湖沥青与道路沥青复合的沥青，或者采用 高粘度的聚合物改性沥青，添加高剂量矿粉，与集料在2 2 0 以上的高温下经过 长时间的拌和，配制而成。摊铺时高温的沥青混合料仍然具有流动性，采用特殊 的滑板摊铺或者像水泥混凝土那样人工摊铺，不需要碾压。浇注式沥青混凝土采 用贯入试验评定混合料的抗变形能力、刘埃尔试验评价混合料的耐流动性、小梁 弯曲试验评价混合料的低温变形能力、车辙试验评价混合料的高温稳定性。浇注 式沥青混凝土整体性能好，密实不透水，耐久性好，粘韧性好。桥面铺装初期投 资较高，期望使用寿命为2 0 年，服务期限内表现出较好的性能。 环氧沥青混凝土 源于二十世纪六十年代的美国和加拿大，它是将环氧树脂加入沥青，然后添 加固化剂发生硬化反应，形成不可逆的固化物，使沥青的性质由热塑性转化为热 固性，使其物理力学性能得到提高。集料最大粒径为9 m m ，这种混合料具有良好 强度( 马歇尔稳定度为4 0k n 6 0 k n ) 、抗裂性和粘附性：具有极好的耐疲劳性能 ( 为普通沥青混凝土疲劳寿命的几十倍) ：具有极强的抵抗化学物质作用性能。环 氧沥青混凝土的施工工艺比较复杂，施工对温度和时间的要求很严格，施工难度 大，材料费用也高，而且相关技术资料在国外多属专利。 沥青玛蹄脂碎石 沥青玛蹄脂碎石为德国和日本近年来广泛使用的桥面铺装层材料，沥青玛蹄 脂碎石采用改性沥青并掺入纤维，是一种典型的骨架密实型结构。沥青玛蹄脂碎 石的配合比具有“三多一少 的特点：粗集料、矿粉、沥青多，细集料少。这种 混合料的抗塑性流动和永久变形能力比较强，不易产生车辙：具有较强的低温抗 裂性和较高的抗水损坏能力：具有较好的抗滑性能。但是沥青玛蹄脂碎石对集料 的要求比较高，需要采用比较坚硬的集料而且要求形状接近立方体，原材料不易 满足要求。 国内大跨径钢桥桥面铺装材料主要引进国外材料，如浇注式沥青混凝土、沥 青玛蹄脂碎石等等，并将它们进行改进，设计出适合我国实际工程的桥面铺装材 料。同时也发展了纤维沥青混凝土和钢纤维混凝土等铺装层材料。目前，我国大 4 第一章绪论 跨径桥梁的桥面铺装一般采用的材料是：浇注式沥青混凝土、沥青玛蹄脂碎石、 高性能沥青路面( s u p e r p a v e ) 、纤维沥青混凝土、钢纤维混凝土铺装层。水泥混 凝土桥面沥青混凝土铺装也可以借鉴大跨径钢桥桥面铺装材料，同时考虑经济 性。 s u p e r p a v e 沥青混合料与密级配沥青混合料相比，粗集料含量显著提高，级 配理论己从连续级配变化到间断级配理论，级配的变化从总体上影响了沥青混合 料的路用性能。s u p e r p a v e 沥青混合料在水稳定性，高温稳定性、摩擦系数、构 造深度等方面表现出较好的性能。而在马歇尔稳定度、低温抗裂性、疲劳耐久性 等方面表现相对差一些。从总体上分析，s u p e r p a v e 沥青混合料具有较好的路用 性能。 我国从2 0 世纪8 0 年代初开始研究纤维沥青混凝土，同济大学、长安大学、 长沙交通学院、合肥工业大学先后对纤维沥青混凝土的性能进行了大量研究。纤 维对提高沥青混凝土路面性能的作用主要体现在以下几个方面：减少或延缓反射 裂缝的出现，提高路面抗车辙的能力，提高沥青路面疲劳寿命：提高沥青路面的 高温稳定性：增强沥青路面的低温抗裂能力：减薄沥青路面的厚度：在沥青浸渍之 后还有防水作用，减少水损坏。从总体上分析，掺加纤维后沥青混凝土动稳定度、 低温抗裂性、水稳性、疲劳寿命都得到提高。 1 2 3 桥面铺装防水粘结层发展概况 国外对水泥混凝土桥面沥青混凝土铺装的研究偏重于应用方面。自2 0 世纪 7 0 年代以来，防水粘结层在欧美桥面铺装中广泛应用。然而，随着交通量的增加， 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 面层及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 泥混凝土桥面防水粘结层进行研究。美国n c h r p 在1 9 9 5 年发出的一份桥面防水 报告指出：美国最早是六十年代认识到桥面腐蚀的严重性。当时研究后认为水分 和防冻盐是桥面混凝土冻融破坏和钢筋腐蚀的主要原因，这就促使开始提高和改 进公路工程中混凝土的质量，增厚钢筋混凝土中钢筋的保护层，甚至要求对桥面 板采取其它专门的保护措施。于是，防水膜( 柔性防水材料敷设于桥面板形成不 透水层统称为防水膜) 开始广泛应用于桥面铺装。据美国联邦政府调查，1 9 7 2 年 7 月经合组织十四个国家联合就“混凝土桥面防水 发表了一份研究报告，报告 中总结了各个国家桥面防水的状况和采取的桥面防水方式，主要就成员国大多采 用的桥面防水膜进行了系统的研究，提出了一些检测防水材料的具体标准。美国 的p m a r ti n e lli 曾对桥面防水层破坏形式，气温和沥青混凝土施工温度、桥面 准备状况对防水层与桥面的粘结力的影响等进行研究，并认为当沥青混凝土层厚 第一章绪论 5 度大于1 2 c m 时，由行车荷载引起的剪应力将不会造成防水层的破坏美国的c c a r r 和b v a l l e r g a 就水泥混凝土桥桥面防水系统的特性、使用要求和室内试验、野 外检测等进行系统的研究后认为，防水层与面层和桥面之间的粘结力一般能满足 行车的需要。但是，几乎所有防水层的不透水性能在面层施工后会下降或达不到 防水目的。因此，防水层应设置合适的保护层，并在试验室内对防水材料用电阻 法测试其不透水性和进行抗冲击试验 英国的t r r l ( t r a n s p o r t a t i o nr e s e a r c hl a b o r a t o r y ) 针对防水层施工后的 渗漏、层间粘结力差及耐高温性能不足等病害，对英国所有通过质量认证的防水 材料进行了系统的测试和研究，认为除一些质量根本不合格产品外，一般防水材 料在热沥青混合料的高温和压路机的碾压作用下，极易产生损坏。因此，建议防 水层应设置保护层，同时，卷材类防水层的厚度不宜小于2 5 m m ，且宜有较高的 软化点，涂膜类的防水层的厚度不宜小于2 0 姗；合适的粘层油可以增强防水层 与面层和桥面的粘结力；环境温度和碾压温度对防水层的路用性能有一定的影 响。 近年来，我国桥面铺装防水粘结层材料发展迅速，推出了很多新材料。在桥 面铺装中最常使用是：涂膜类材料中的改性乳化沥青、热改性沥青：卷材类材料中 的a p p 卷材。 1 3 依托工程简介 本文以重庆石忠高速公路工程为依托，系统研究水泥混凝土桥面沥青混凝土铺 装问题。石忠高速公路起点位于重庆市与湖北利川市交界的分水岭( k 0 + 5 4 5 ) ，经 过的主要场镇有石柱县的冷水乡，沙子镇，卷店乡，三店镇；忠县的磨子乡，在 康家沱跨越长江，经李家湾继续西行，终点位于忠县县城以北冉家( k 8 0 + 5 3 3 0 9 3 ) ， 与忠县至垫江高速公路相接，路线总长7 9 9 8 8 k m 。 路面结构：4 c ms b s 改性s m a 1 3 + 6 c m s b s 改性s u p 一2 0 + 8 c ma c 一2 5 c + 0 5 c m 改性乳化沥青稀浆封层+ 2 2c i n 水泥稳定碎石基层+ 2 3a m 水泥稳定碎石底基层 + 2 0 c m 未筛分水泥碎石。 石忠高速全线采用全封闭、全立交四车道高速公路标准，设计车速8 0 k m h ， 设计标准为i o o k n 单轴双轮组轴载。全线共设置2 个路面施工标段，共4 个沥青 混合料拌合站和4 个现场作业队。 石忠高速公路交通量大，夏季高温，降雨量大，是山岭重丘区高速公路，沿线 长坡、陡坡路段较多，桥隧比例大，占4 5 以上，地形复杂，对路面及桥隧铺装 的使用性能提出很高的要求。 五星二童笙笙 1 4 主要研究内容 本文的主要研究内容有： ( 1 ) 桥面铺装病害调查、原因分析，以及桥面铺装结构力学分析 对我国现有的桥面铺装病害进行调查、分析，并对水泥混凝土桥面沥青混凝 土铺装常用结构力学分析方法进行比较，得出桥面铺装受力的特点。 ( 2 ) 铺装层原材料选择与质量控制方法 对铺装层原材料选择与质量控制方法进行研究。 ( 2 ) 沥青混凝土铺装层材料组成设计 结合重庆石忠高速工程实际对沥青混凝土桥面铺装上层和下层组成材料进行 设计。 ( 3 ) 沥青混凝土铺装层施工质量控制 结合重庆石忠高速工程实际，从保证防水粘结层和沥青混凝土层施工质量的 角度，对防水层和沥青混凝土层的施工技术进行研究。 ( 4 ) 水泥混凝土桥面铺装粘层材料及结构研究 通过自行开发和设计直接剪切仪、直接拉伸仪和加压渗水仪，分别从抗剪切 性能、抗拉性能和抗渗性能等方面研究不同防水粘层材料的粘结性能和规律，并 通过试验手段，选定适宜的试件尺寸，建立不同试验组合，模拟桥面水泥混凝土 板与沥青混凝土铺装下层之间的层间粘结、薄沥青混凝土磨耗层( 功能层) 与沥 青混凝土下面层( 结构层) 的层间粘结，根据试验结果结合理论分析，选择高性 能防水粘结材料，确定最佳用量，并通过石忠( 重庆石柱至忠县) 高速公路现场 试验验证所选粘层材料的路用性能。 第二章桥面铺装早期损坏问题和结构受力分析 7 第二章桥面铺装早期损坏问题和结构受力分析 2 1 沥青混凝土桥面铺装层的受力特点 由于沥青混合料铺装层同水泥混凝土桥面结构在材料性能上差异较大，即一 柔一刚，因此会导致在外力作用下应力与应变的不连续。在刚度大得多的桥梁结 构上，柔性铺装层必须具有足够的强度和稳定性，尤其是抗剪强度和抗变形能力 更为关键。因此，桥梁挠度大，震动剧烈，温度应力显著，有时还存在负弯矩， 这些外力条件都比材料在路面中所经受的要严苛。 桥面铺装层的受力特点可归纳如下： ( 1 ) 温度应力的影响 通过对铺装层本身的计算分析表明，当厚度分别为4 c m 与8 c m 时，铺装层中的 应力大致相等；当厚度为8 c m 与1 2 c m 相比时，拉应力则提高2 0 。对8 c m 厚的铺装层 与主梁结合在一起的力学分析表明，单纯考虑铺装施工后由于铺装层与主梁收缩 的不一致而造成铺装层与梁的结合面内剪应力及法向拉应力已接近临界状态，局 部已超出容许值，形成了铺装层的病害隐患。应力大的部位在桥宽1 3 处，结合面 处纵横剪应力值为0 2 6 - - - 1 1 8 m p a ，法向拉应力为一2 1 1 5 m p a 。 ( 2 ) 负弯矩的影响 对于连续梁桥、拱桥及悬臂梁桥等结构，由于荷载的作用而产生负弯矩或拉 应力，使桥面板铺装层受到拉力作用产生裂缝，从而造成桥面铺装的损坏。 ( 3 ) 剪应力的影响 在桥面铺装前没有将梁表面的松散沙石粒、泥污等清洗干净，没有在梁表面凿 毛或凿毛的密度和深度不够，这些都会大大降低桥面铺装层与梁面之间的粘结力， 通车后车轮的剧烈冲击容易使桥面出现脱皮、裂缝、剥落等现象。由于施工因素 造成梁表面高出设计标高或由于调整桥面纵横坡等原因，造成桥面铺装层厚度局 部过薄，会削弱桥面铺装层的刚度和抗剪切能力。 2 2 沥青混凝土桥面铺装层结构损坏原因分析 2 2 1 结构理论与设计 ( 1 ) 目前桥梁的结构理论中对桥面铺装层的计算分析论述很少，现行规范中 只给定了厚度的推荐值。随着交通量的增大，现行铺装层设计方法与重型、超重 型汽车的增多和车速的增快已不相适应。桥面铺装层直接承受车轮荷载的冲击， 桥面铺装部分或全部参与了主梁结构的变形，因此桥面铺装是一个受力复杂的体 系，各种形式的主梁及铺装本身的构造均影响其应力的分布。 第二章桥面铺装早期损坏问题和结构受力分析 ( 2 ) 现行桥规规定：如无精确的计算方法，箱形梁也可参照t 形梁的规定处 理。从众多箱粱的设计来看，大部分设计者对箱梁构件是按t 形梁进行处理的。而 箱梁的实际受力虽有近于t 梁的一面，但又有异于t 梁的一面，对于连续箱梁差别 更大。尤其是近年来箱梁的桥面越来越宽，桥跨与桥宽之比越来越小，箱梁仍按t 梁那种长细杆件设计配筋，就越来越不适宜了，导致按t 梁设计的箱梁骨架钢筋在 实际受力状态下难以像t 梁主筋那样发挥应有的作用。所以，设计的假设状态与箱 梁的实际受力状态不一致。 ( 3 ) 随着材料工业的发展，桥梁承重结构的改进，使桥梁主梁能以较柔的结 构达到受力的要求，高等级公路大跨桥梁的横向越来越宽。特别是在设计计算中 侧重于主梁纵向的计算分析，对桥梁横向刚度重视不足，横向构造措施不利使桥 面铺装分担了过多的次内力。 ( 4 ) 对于连续梁桥、拱桥及悬臂梁桥等桥形结构，由于荷载的作用而产生负 弯矩或拉力，使桥面铺装层受到拉力的作用而产生负弯矩区裂缝，从而造成桥面 铺装的损坏。 ( 5 ) 在对高速公路进行交通组织管理中，由于车道功能的不同，人为强制地 使桥梁结构运营始终处于偏载状态，使主车道的铺装承担了比超车道高得多的运 营应力水平，因此加快了主车道铺装层的疲劳。特别是随着私营运输业的发展， 货运业主为追求短期经济利益，通过改变车厢结构如加长车厢和加高车轴弹簧等 使汽车的载重、轴重成倍增加。这些车辆对铺装层具有严重的损坏作用，并使桥 梁结构局部超载加快了主车道铺装层的病害发展 2 2 2 水所引起的损坏 由于沥青的粘附性差，空隙率过大或铺装层开裂导致水分渗入，水渗入到沥 青面层内部和水泥混凝土桥面与沥青铺装层的界面之间，在行车荷载及温度变化 下产生水损害，从而出现唧浆、网裂、剥落、松散、坑洞等现象另一方面由于 界面之间存在水压力降低了界面之间的联结强度，造成沥青层脱落、起皮等现 象使铺装层失去强度和防水能力。 2 2 3 温度条件所引起的损坏 桥面结构直接承受气候条件的影响，同正常路面结构相比，铺装层材料夏季 温度更高，冬季温度更低，即相同的气候条件对铺装结构材料的影响更苛刻。因 此，在普通路面中使用良好的材料，用在铺装结构中往往会由于温度产生损坏。 同时由于桥面板或梁结构产生过大挠度也易引起沥青混合料铺装层开裂，水渗入 第二章桥面铺装早期损坏问题和结构受力分析9 后易造成面层松散和坑槽破坏。 2 2 4 施工工艺 铺装层厚度偏小。由于桥梁上部结构在施工中支架的沉降及预应力反拱无法 十分准确地预测，或由于施工工艺控制欠佳，施工中主梁项面标高与设计值相符 是比较困难的一般在测量主梁顶面标高后对其进行调整以保证桥面的厚度。如 果调整不好，就会造成铺装层厚度不均，使有的地方厚度偏小。如梁顶清理不利， 则会造成铺装层与主梁结合欠佳。 2 2 5 桥面防水粘结层的影响 桥梁结构与柔性铺装层之间的粘结对桥面铺装层起着十分重要的作用。这一 层次成为粘结层，应能起到承上起下的作用，同时还可以兼做防水层。研究表明， 许多损坏是由防水粘结层诱发的。其原因在于该层位于刚性桥面板与柔性沥青铺 装层之间的薄弱面上，剪切力往往很大，产生“剪切滑动效应 。而习惯上常用 普通沥青或乳化沥青作为粘结层，用油量不易控制且容易偏高，而其软化点一般 都偏低，高温极易软化而变成润滑层，导致推挤、拥抱、波浪和车辙的产生。滑 移还可导致桥面撕裂、脱皮等损坏。 2 3 桥面铺装受力情况分析 桥面铺装理论、结构计算是合理解决桥面铺装问题的两个重要方面，正确的 理论基础是根本，合理的力学模型是关键。在分析铺装层破坏形式的基础上，确 定影响桥面铺装受力的关键因素，为设计提供依据。 2 3 1 桥面铺装受力分析现状 目前，国内关于水泥混凝土桥面沥青混凝土铺装理论分析和结构计算研究很 少。桥面铺装的结构比较复杂，但绝大多数力学计算都将其简化为弹性层状体系， 用三维等参元模型进行分析，较多采用三维八结点和二十结点单元。一般采用复 合铺装结构的弹性半空间体和基于不同典型桥型的铺装结构的有限元实体计算 分析模型。 ( 1 ) 复合铺装结构的弹性半空间体计算模型 由于沥青混凝土桥面铺装层的回弹模量值为1 0 0 0m p a - - - 15 0 0 m p a ，而下部桥 梁结构的回弹模量值一般为2 8 0 0 0m p a - - - , 3 2 0 0 0 m p a ，在某种程度上可将下部桥梁 结构作为弹性半空间体看待，计算模型如图2 1 所示。 1 n第二章桥面铺装早期损坏问题和结构受力分析 目前，对水泥混凝土桥面沥青混凝土桥面铺装的受力分析较少，有人仿照路 面弹性层状体系理论，采用图2 一l 所示模型来进行有限元分析，并且假设沥青混 凝土桥面铺装层与桥面板之间完全连续，各层完全弹性、均匀、各向同性。这种 假设与分析，对于弄清沥青混凝土桥面铺装层在受荷后的应力应变规律有一定的 借鉴作用，但是以此进行水泥混凝土桥面沥青混凝土铺装的设计是不合适的。 lill 1r 沥青混凝土铺装层e lul e ou0 1 图2 1 复合铺装弹性半空间体模型 f i 9 2 1c o m p o s i t ep a v e m e n th a l f s p a c em o d e l ( 2 ) 基于不同典型桥型的铺装结构的有限元实体计算分析模型 目前，结合不同典型桥型对水泥混凝土桥面沥青混凝土铺装结构进行受力分 析的研究更少，而这是进行复合铺装结构设计理论探讨的基础。基于有限元三维 实体模型的桥梁结构分析( 含铺装层) ，与实际情况比较吻合而且可以更精确地模 拟和深入研究桥梁结构以及铺装层承载前后的应力应变变化规律( 当模型过于庞 大时可采用子结构技术) 。 2 3 2 桥面铺装受力分析结论 虽然桥面铺装结构分析的计算模型、假设、参数取值都有差异，桥梁的结构 也不同，但是可以总结出如下的结论： 1 桥面铺装及桥面板任一层内或者层间的横桥向应力、应变都大于纵桥向 应力、应变。 2 横隔板顶部由于加劲作用，应力、应变较其它位置大。在不同加载情况 下，在横隔板顶部加载为最不利情况，此时横隔板顶部出现的应力、应变为结构 分析时的极限应力、应变。 3 桥面铺装为两层沥青混凝土的结构时，上层沥青混凝土中的拉应力大于 下层沥青混凝土中的拉应力。 4 没有铺设防水层时，铺装层和桥面板层间的剪应力大于铺装层和桥面板 层内的剪应力。若铺设防水层，防水层和桥面板和沥青混凝土铺装层之间的剪应 第二章桥面铺装早期损坏问题和结构受力分析 l l 力大于沥青混凝土铺装层间、层内的剪应力。 5 粘结层为滑动体系的时候，粘结层内及其与铺装层和桥面板之间的应力 应变均远远大于连续体系的时候，粘结层是决定铺装层体系性能的重要因素。 6 随着粘结层模量的增加，粘结层和沥青混凝土铺装层及桥面板之间的应 力、应变减少，但是当粘结层模量增加到一定程度时，应力应变减少的趋势变缓。 7 随着铺装层厚度的增加，粘结层内应力应变减少，但当铺装层达到一定 厚度时，应力、应变减少的趋势变缓。 2 4 本章小结 本章介绍了沥青混凝土桥面铺装层的受力特点，并分析了桥面铺装病害出现 的原因：铺装层实际受力状况和采用的铺装层力学性能不适应、超重荷载的作用、 层间粘结不牢和水的影响。 对我国桥面铺装铺装理论、结构计算进行总结，得出桥面铺装在不同分析假 设、计算模型、参数取值条件下的结构计算结论。 根据病害原因分析和结构分析得知防水粘结层的粘结状态对桥面铺装结构 的应力、应变有显著的影响，防水粘结层是决定铺装层体系性能的一个重要因素。 三2篁三皇堑亘塑茎堕塑型垄堡皇星量笙型 第三章铺装层原材料选择与质量控制 从本章开始将以石忠高速桥面铺装为例，论述山区高速公路桥面铺装工程 质量的控制方法。 3 1 集料的质量控制 3 1 1 粗集料的质量控制 沥青混合料铺装层用集料应严格分级加工堆放，并采取有效的隔离措施。 用于轧制碎石的片石应不带风化层且不带泥土，其中粗集料是指粒径大于 2 3 6 r a m 的集料。对于粗集料进行质量控制时应该注意以下几点。 ( 1 ) 、粗集料应石质坚硬、耐磨、洁净、干燥、无风化、无杂质，具有良 好的颗粒形状，要求以接近立方体、多棱角为宜，扁平、细长颗粒含量不能过 多。 ( 2 ) 、集料表面应具有一定的粗糙度，以提高内摩阻角和用作表面磨耗层 时提高抗滑性。构造粗糙的矿料同沥青拌和时的和易性差，拌和后沥青膜容易 保持；光滑表面虽容易拌和，但是也易于剥落。 ( 3 ) 、集料与沥青应该具有良好的粘附性，以增强沥青混合料的强度和耐 久性。选材以碱性材料为好，当需要酸性材料时，当应掺入适量的抗剥落剂， 以提高粘附性。 粗集料的各项指标应满足表3 1 的要求 表3 1 高等级沥青面层粗集料质量技术要求 t a b 3 1a s p h a l ts u r f a c ec o a r s ea g g r e g a t eq u a l i t yo ft h et e c h n i c a lr e q u i r e m e n t s 高速公路及一级公路 指标单位试验方法 中面层 石料压碎值不大于 2 8t0 3 1 6 洛杉矶磨耗损失不大于 3 0t0 3 1 7 表观相对密度不小于t m 32 5 0 t0 3 0 4 吸水率不大于 3 ot0 3 0 4 坚固性不大于 1 2t0 3 1 4 针片状颗粒含量( 混合料) 不大于 1 8 其中粒径大于9 5 m不大于 1 5 t0 3 1 2 其中粒径小于9 5 咖不大于 2 0 水洗法 0 0 7 5 m 颗粒含量不大于 lt0 3 l o 软石含量不大于 5 t0 3 2 0 第三章桥面铺装原材料选择与质量控制 1 3 3 1 1 1 石忠高速桥面铺装上层粗集料质量控制 石忠高速桥面铺装上层采用s m a 一1 3 ，用于s m a 的粗集料应应采用质地坚硬， 表面粗糙，形状接近立方体有良好的嵌挤能力的破碎集料，石忠高速桥面铺装上 层用集料按粒径大小分为1 0 1 5 ，5 1 0 ，3 - - - 5 ，0 - - 3 四档备料，其中1 0 1 5 ，5 1 0 为玄武岩，3 - - 5 ，0 - - 一3 为机制砂，其质量标准及检测结果见表3 2 及表3 3 。 表3 2 上面层粗集料质量要求 t a b l e3 2u p p e rl a y e ro fc o a r s ea g g r e g a t eq u a f i t yr e q u i r e m e n t s 指标单位技术要求试验方法 石料压碎值不大于 2 4t0 3 1 6 洛杉矶磨耗损失不大于 2 6 t0 3 1 7 表观相对密度不小于 t m 32 6 0t0 3 0 4 吸水率不大于 3 0t0 3 0 4 坚固性不大于 1 2t0 3 1 4 针片状颗粒含量( 混合料) 不大于 1 5 其中粒径大于9 5 m m不大于 1 2t0 3 1 2 其中粒径小于9 5 m m不大于 1 8 水洗法 0 0 7 5 m m 颗粒含量不大于 lt0 3 1 0 软石含量不大于 3t0 3 2 0 t 0 6 1 6 粗集料与沥青的粘附性，不小于5 级 t 0 6 6 3 表3 3 上面层粗集料检测结果 t a b 3 3u p p e rl a y e ro fc o a r s ea g g r e g a t et e s tr e s u l t s 指标 单位1 0 b 1 5 ( m m ) 5 1 0 ( m m ) 3 5 ( m m ) 石料压碎值 9 6 洛杉矶磨耗损失 1 1 3 表观相对密度 t m 3 2 8 7 62 8 7 82 8 8 2 吸水率 0 4o 50 9 坚固性 9 6 针片状颗粒含量 3 95 86 1 水洗法 0 0 7 5 m 颗粒含量 o 50 5o 7 软石含量 2 2 粗集料与沥青的粘附性 5 级 当单一规格集料的质量指标达不到表中要求，而按照集料配比计算的质量指标符 1 4 第三章 桥面铺装原材料选择与质量控制 合要求时，工程上允许使用。 3 1 1 2 石忠高速桥面铺装上、下铺装层粗集料质量控制 铺装下层沥青混合料( s u p 一2 0 ) 用粗集料为方斗山料场生产的石灰岩碎石。 s u p 一2 0 采用1 5 - - 2 5 ，1 0 , - - , 1 5 ，5 - - 1 0 ，3 - 5 ，0 - - - 3 五档备料，其质量标准及检测 结果见表3 4 及表3 5 。 表3 4 铺装下层粗集料质量要求 t a b 3 4m e d i u ma n df o l l o w i n gl a y e ro fc o a r s ea g g r e g a t e q u a l i t yr e q