杭州湾跨海大桥混凝土桥双层SMA研究及服务科研大纲-4稿

交通科学研究计划项目 科研大纲科研大纲 项目名称 杭州湾大桥水泥混凝土桥面 双层式 SMA 铺装体系的研究 申请单位 中交第三公路工程局有限公司 江苏省交通科学研究院有限公司 项目负责人 张志宏 赵 可 编制日期 二 OO 七 年 三 月 五 日 1 一 项目研究的目的 用途和意义一 项目研究的目的 用途和意义 1 11 1 课题背景课题背景 杭州湾跨海大桥位于海盐县郑家埭与慈溪市丰收闸之间 跨越杭州湾海域 全长 36 公里 总投资约 107 亿元 设计使用寿命 100 年以上 大桥建成后将缩 短宁波至上海间的陆路距离 120 余公里 可以完善国道主干线与长江三角洲区 域公路网的布局 大大缓解沪杭甬高速公路交通压力 对浙江省和长江三角洲 经济圈以及东部沿海的交通 经济产生巨大的促进作用 社会效益和经济效益 十分明显 杭州湾大桥全长 36 公里 其中除两座航道桥采用钢桥面 其余桥面均为水 泥混凝土桥面 水泥混凝土桥面总长约 34 公里 如此长度的水泥混凝土桥面在 全国范围内都属于领先的 桥面铺装是杭州湾跨海大桥建设过程中非常重要的一个环节 首先桥面铺 装直接提供给使用者 直接影响到行车的安全性 舒适性 其次桥面铺装对保 护桥梁结构也起着重要的作用 从目前国内大型桥梁的使用经验来看 由于目 前我国经济快速发展 重载及超载车辆大量存在 桥面铺装是桥梁使用过程中 最易也最早出现病害的部位 桥面铺装工程的好坏将在很大程度上决定整个工 程的成败 从这一意义上考虑 应针对杭州湾大桥的桥面铺装问题进行充分的 具有针对性的桥面铺装技术的研究 并形成全面周详的方案设计 并在施工过 程中通过严格的质量管理 科学的技术支撑来完成这一工程 确保最终铺筑的 桥面能够具有良好的质量 本科研项目在分析比较目前国际及国内应用较为成熟的桥面铺装技术的基 础上 通过对国内外同类技术发展水平及其主流发展方向的分析以及针对杭州 湾大桥特点的水泥混凝土桥面铺装技术的综合研究 为提升杭州湾大桥的建设 水平提供支撑 1 21 2 科研优化的原则科研优化的原则 结合杭州湾跨海大桥的交通气候特点和桥梁结构特点 杭州湾大桥桥面铺 2 装的结构和材料除应满足一般桥面铺装的有关要求外 还应满足以下具体要求 1 1 铺装层具有良好的抗车辙性能和耐久性能 1 2 铺装层与桥面板具有良好的粘接性和防水性能 1 3 铺装层具有良好的平整度和抗滑性 1 4 铺装层对桥面板等结构有良好的保护作用 1 5 桥面铺装要方便施工 造价经济 1 31 3 科研优化的重点科研优化的重点 根据杭州湾跨海大桥桥面铺装的特点 以及选用铺装方案的实际情况 将 以下几个方面列为科研优化的重点 1 3 1 界面抗剪安全和防水粘结层 1 科研目的 根据 SMA 铺装层的特点和功能要求 经过科研试验 确定桥面铺装界面抗 剪形式和防水层结构形式 满足杭州湾跨海大桥铺装界面抗剪和防水性能的相 关要求 2 界面抗剪的功能要求 优良的抗剪切滑移性能 耐高温抗剪 施工方便 经济实用快捷 3 防水粘结层的功能要求 不透水性能 与混凝土桥面和沥青铺装层的粘结性能 耐高 低温性能 具有优良抗老化性能 耐久性能要好 施工简单 快捷 4 防水粘结层研究成果要求 经过对界面和防水粘结层的研究 最终确定抗滑界面和防水粘结层的结构 3 和材料 制定相应的性能指标要求 提出施工工艺要求 1 3 2 改性沥青 SMA 混合料 1 改性沥青 SMA 混合料的科研目的 在分析杭州湾跨海大桥铺装使用条件的基础上 通过试验研究确定用于 SMA 混合料的改性沥青品种和纤维种类 优化 SMA 的级配和确定混和料的油石 比 确保混合料性能达到杭州湾大桥桥面铺装设计要求 2 改性沥青 SMA 混合料的功能要求 具有良好的抗车辙能力以防止在重载和高温条件下产生永久变形 具有良好的抗水 盐 油等污染介质的损害能力和耐老化性能 具备平整 抗滑 耐磨 耐久等优点 以满足行车舒适性和安全性等要 求 满足交通荷载 自然条件等对桥面铺装层的要求 3 研究成果要求 经过对改性沥青及改性沥青 SMA 混合料课题研究 最终确定改性沥青 SMA 混合料的铺装结构和材料 制定改性沥青 纤维等材料性能指标要求 提出桥 面铺装层配合比优化方案及施工工艺要求等 二 主要研究内容二 主要研究内容 本项目的主要研究内容如下 2 1 国内外研究现状调查 2 2 桥面铺装力学分析 2 3 铺装界面处置研究分析 2 4 桥面铺装防水粘结层研究 2 5 SMA 混合料综合研究 2 6 桥面双层 SMA 质量控制方法的研究 三 项目实施方案和研究 试验方法和技术路线 包括工艺流程 三 项目实施方案和研究 试验方法和技术路线 包括工艺流程 4 本项目实施方案和研究 试验方法 3 1 国内外研究现状调查国内外研究现状调查 调查分析国内外水泥混凝土桥面铺装的主要病害 双层 SMA 铺装层的常 用结构 材料及其使用性能 收集整理国内外 SMA 桥面铺装的研究成果及有 关规范 标准 为本研究提供基础资料和有益的借鉴 3 2 桥面铺装力学分析桥面铺装力学分析 桥面铺装的受力情况与桥面板模量 桥梁结构特性 桥长等因素都有关系 与公路路面相比要复杂的多 因此必须经过桥面铺装受力分析 才能正确的进 行铺装层结构设计和材料选择 拟采用有限元软件分析混凝土桥面双层 SMA 铺装层的受力特性 重点分析铺装层底部拉应力 上铺装层内部水平剪应力 各层次之间的剪应力以及防水粘结层的内应力 主要解决以下问题 1 针对杭州湾大桥的桥型 分析其铺装层和铺装界面的受力特性 分析 桥梁结构对铺装层受力的影响 2 考察有关参数 如铺装层厚度 铺装层的模量 超载以及温度等因素 对铺装层受力的影响 3 根据力学机理分析结果 确定铺装层的技术指标 如界面和层间抗剪 强度等 为桥面铺装结构设计提供理论依据 3 3 铺装界面处置研究分析铺装界面处置研究分析 水泥混凝土桥梁桥面柔性铺装成功与否的首要问题是铺装界面的抗剪和粘 结问题 不重视界面处置方式 过分倚重于某些材料的特性 不仅直接给桥面 铺装的质量埋下了隐患 而且使施工繁杂 造价大幅提高 根据杭州湾大桥的实际情况 科研单位将针对无尘自动喷砂机以及精铣刨 两种界面处置方案进行效果评价 桥面板的预处理对整体桥面铺装体系的抗剪强度有着重要的影响 课题组 将针对不同的截面处置方案结合防水层材料的比选进行抗剪强度 粘结强度的 比较试验 根据评价结果推荐合适的处理方案 3 4 桥面铺装防水粘结层研究桥面铺装防水粘结层研究 防水粘结层是桥面铺装的重要组成部分 桥面铺装层间剪切破坏 开裂 5 水损害等病害都与防水粘结层破坏有很大关系 因此必须加强防水粘结层材料 选择和施工工艺的研究 常用的防水粘结材料有热融型粘结层 溶剂型橡胶沥 青粘结层 热固型环氧粘结层 不同的粘结材料有各自的力学性能和适用条件 另外 粘结层施工工艺对其使用效果也有重要影响 防水粘结材料试验方法的研究是对其进行性能评价 制定相应技术标准的 前提和关键 本项目将系统分析欧洲标准协会 CEN 美国材料试验协会 ASTM 英国交通研究所 TRL 等机构提出的防水粘结材料试验方法 在 我国交通行业标准 JT T536 537 2004 的基础上 结合杭州湾大桥的气候 材 料特点以及试验技术水平 初选出适合杭州湾大桥的性能试验方法体系 对于 其中一些非常规的试验项目 本研究将根据其试验要求开发或引进相应的试验 仪器 并研究各测试项目合适的试验条件 根据防水粘结层的使用要求 研究的试验项目将全面覆盖防水粘结层的路 用性能和抗施工损伤性能 包括其高温性能 低温性能 不透水性能 抗剪切 性能 粘结强度 抗施工损伤性能等等 在进行防水粘结层材料试验的基础上进行防水粘结层铺装结构设计 包括 在界面预处理条件下的用量分析 是否需要进行石屑撒布的结构分析 相关石 屑的规格及用量分析等 3 5 SMA 混合料综合研究混合料综合研究 桥面铺装对铺装层混合料提出了特殊的性能要求 尤其要求混合料具有容 易压实的施工特性 较强的抗车辙性能和较小的空隙率 同时不同层位的桥面 铺装对 SMA 混合料的要求也有所差异 本研究结合不同层位铺装材料的使用要 求 对桥面铺装SMA 原材料指标 混合料设计指标等进行研究 推荐桥面铺装 改性沥青技术指标和SMA 混合料设计指标体系 1 1 改性沥青及集料的选择 改性沥青及集料的选择 根据 SMA 的使用经验 对影响混合料碾压性能和车辙性能的改性沥青技 术指标进行初步调整 并根据杭州湾大桥的自然环境 参考美国 Superpave 中 胶结料 PG 规范 通过试验结果对改性沥青的技术指标进行验证和修订 在此 基础上提出桥面铺装改性沥青技术指标 推荐适合于杭州湾大桥情况的桥面铺 装用改性沥青类型 6 SMA 是一种骨架嵌挤型的结构 集料的质量对于沥青混合料整体性能有着 重要的影响 本课题将根据杭州湾大桥的要求以及周边集料的特点 在目前国 家规范的基础上进一步提出明确的指标要求指导施工过程中的材料控制 2 2 纤维的比较选择 纤维的比较选择 选择各种不同种类的纤维 通过 SMA 混合料马歇尔稳定度 高温稳定性 低温抗裂性 抗水损害以及疲劳性能 动态模量试验等 对比不同纤维的使用 性能 最终确定合适的 SMA 稳定剂 并制定纤维的材料性能要求 3 3 桥面铺装 桥面铺装 SMASMA 级配范围和设计指标的研究级配范围和设计指标的研究 根据国内外 SMA 应用经验和桥面铺装的使用要求 提出 SMA 混合料设计 级配范围和设计指标 并通过室内试验对级配范围和设计指标进行验证及修订 最终形成适合于杭州湾大桥气候 交通条件的桥面铺装 SMA 混合料级配范围 和设计指标体系 4 4 施工工艺研究 施工工艺研究 桥面铺装限制采用大吨位重型压路机和振动碾压 此时要达到足够的压实 度 除了选用合适的原材料和改善混合料设计以外 必须改进施工工艺 如提 高碾压温度 增加碾压遍数等 通常 SMA 在施工过程中只能采用钢轮压路机 进行碾压 部分路段也尝试过轮胎压路机的应用 在水泥混凝土桥梁桥面铺装 过程中 对于下铺装层可以采用轮胎压路机进行 SMA 碾压的工艺研究 以提 高 SMA 的压实度 保证工程质量 本部分拟结合杭州湾大桥桥面铺装工程 研究水泥混凝土桥梁桥面双层 SMA 铺装层的施工工艺 在此基础上 形成混凝土桥梁桥面双层 SMA 铺装层 施工技术指南指导现场施工 3 63 6 桥面双层桥面双层 SMASMA 质量控制方法的研究质量控制方法的研究 良好的设计必须通过严谨的施工才能实现 杭州湾大桥的桥面铺装的施工 质量控制是实现设计意图 确保工程质量的最基本也是最核心的内容 桥面铺装沥青面层必须做到均匀 密实 抗渗水的要求 对于桥面铺装沥 青混凝土的施工质量应比正常沥青路面的质量有着更高的要求 本部分将针对 桥面铺装的特殊要求提出施工过程中质量控制方法 研究确定详细的施工质量 控制指标体系 研究内容包括 7 1 1 桥面铺装的离析控制方法研究 桥面铺装的离析控制方法研究 沥青路面的离析指路面某一区域内沥青混合料主要性质的不均匀 包括 沥青含量不均匀 集料组成不均匀 添加剂含量不均匀 路面的空隙率不均匀 等 研究表明 由于离析的影响 沥青路面的使用寿命大大缩短 严重离析的 路面使用寿命可能会减少 50 以上 目前高速公路沥青路面的一些早期损坏 如松散 网裂 坑洞 局部严重辙槽 局部泛油 横向裂缝多 新铺沥青路面 的构造深度不均等等 都与沥青混合料的离析相关 造成桥面铺装离析的主要原因是级配离析和温度离析 本部分将对桥面铺装的离析进行详细的研究 通过施工过程中不同环节的 具体要求 提出具体的控制方法及控制指标 2 2 桥面铺装的压实度控制方法研究 桥面铺装的压实度控制方法研究 在沥青路面施工过程中 路面压实度是保证路面质量的最基本也是最重要 的指标 通常路面在正常施工质量控制过程中采用钻芯取样的破坏性试验方法 进行路面压实度及路面厚度的检测 在进行桥面铺装层质量控制过程中 如果采用钻芯取样的破坏性试验方法 将会造成防水层的破坏 甚至会对桥面板产生破坏作用 本部分将采用核子密度仪或无核密度仪 路面雷达等多种先进的方法对桥 面铺装的压实度及厚度进行详细的研究 提出具体的控制方法及控制指标 3 3 桥面铺装的渗水控制方法研究 桥面铺装的渗水控制方法研究 桥面铺装 SMA 必须提供一个抗渗水的表面 目前全国各省在 SMA 渗水指 标上并没有统一的要求 新版 公路沥青路面施工技术规范 JTG F40 2004 中对 SMA 的抗渗水要求是不低于 200ml min 这个指标针对桥面铺装而言显然 是太宽松了 根据相关研究及分析 路面的现场渗水指标与现场空隙率有着较 好的相关性 通过对 SMA 现场渗水指标的控制也能间接的对 SMA 现场空隙率 进行控制 本部分将结合杭州湾大桥的实体工程对水泥混凝土桥梁桥面铺装渗水指标 进行详细的研究 确定具体的检测频率与质量控制指标 技术路线 技术路线 8 文献资料的检索 调研 力学分析 室内试验研究 实体工程应用与观测 资料汇总分析 提交研究报告 详细技术路线见附图 试验项目铺筑与施工工艺研究 过程控制指标研究 取样 水泥混凝土桥面铺装力学分析 桥面铺装结构设计研究 双层 SMA 综合体系研究 防水粘结层结构体系研究 界面处置结构研究 试验项目观测及评价 形成最终研究报告 桥面铺装材料设计研究 各项原材料比选 沥青混合料设计 防水层材料研究 9 四 计划进度 详细安排 明确各阶段工作内容 四 计划进度 详细安排 明确各阶段工作内容 2006 12 2007 03 资料调研 力学分析 2007 02 2007 03 界面处置方案研究 2007 02 2007 03 防水层材料选择研究 2007 02