水泥混凝土橋面瀝青鋪裝病害機(jī)理分析

鄭毅強(qiáng)， 李志棟

(1.安徽省交通控股集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230088；2.中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710075)

水泥混凝土橋面瀝青鋪裝病害機(jī)理分析

鄭毅強(qiáng)1， 李志棟2

(1.安徽省交通控股集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230088；2.中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710075)

水泥混凝土橋面瀝青鋪裝病害種類繁多，成因復(fù)雜，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)安全性能。文章對(duì)鋪裝病害成因進(jìn)行分類歸納，結(jié)合工程實(shí)例對(duì)病害的形成機(jī)理進(jìn)行探討，并提出病害預(yù)防措施及鋪裝設(shè)計(jì)改進(jìn)方法，供鋪裝設(shè)計(jì)與施工參考。

瀝青鋪裝；病害；粘結(jié)層；超載

0 引 言

不同結(jié)構(gòu)的水泥混凝土橋面瀝青鋪裝系在經(jīng)受交通、環(huán)境荷載共同作用下，病害的主導(dǎo)類型及其成因具有其獨(dú)特性，與地區(qū)、橋梁結(jié)構(gòu)、交通條件、氣候環(huán)境、施工條件、設(shè)計(jì)水平等因素密切關(guān)聯(lián)[1-4]。本文針對(duì)裂縫、唧漿、坑槽、車轍、推移、擁包等顯性病害和水損害、層間粘結(jié)失效等通過人工或者儀器難以從表觀識(shí)別的隱性變害對(duì)水泥混凝土橋面鋪裝病害形成機(jī)理進(jìn)行探討。

1 瀝青鋪裝系主導(dǎo)病害成因

1.1 橋梁上部結(jié)構(gòu)及線型的影響

橋梁的上部結(jié)構(gòu)及橋梁線形對(duì)橋面鋪裝層的耐久性影響較大，其對(duì)瀝青鋪裝系病害的影響是永久性的，如梁橋橫隔梁或連續(xù)梁支座處負(fù)彎矩的影響、橋面板橫向傳荷體系的破壞以及橋梁伸縮縫的影響。混凝土橋面板的材料性能、混合料設(shè)計(jì)及其施工對(duì)瀝青鋪裝系性能也有重要影響，如果橋面防水和排水體系缺失或不完善，水分將通過瀝青鋪裝系進(jìn)入混凝土橋面板，使其發(fā)生凍融破壞、鋼筋銹蝕與堿集料反應(yīng)。因此，對(duì)鋪裝前橋面板表面的清潔程度、微裂縫預(yù)防、水泥浮漿清除、振搗方式、養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)、潮濕程度、粗糙度、粘結(jié)劑的應(yīng)用等都要嚴(yán)格的控制。

1.2 橋面系施工的影響

橋面系施工導(dǎo)致的鋪裝病害主要表現(xiàn)在：橋面板的平整度不夠可能引起鋪裝層的離析，壓實(shí)不均、橋面板調(diào)平層混凝土強(qiáng)度不足都將使得在瀝青鋪裝系鋪裝之前橋面板就出現(xiàn)裂紋或微裂縫，為鋪裝層帶來重大安全隱患。這種病害在京秦高速公路大石河橋上出現(xiàn)[5]：① 橋面鋼筋網(wǎng)設(shè)置不合理引起橋面板受力不均。② 混凝土橋面板表面處治不合理以及下承層表面污染都可能引起或加劇推移、擁包等病害的出現(xiàn)。③ 橋面板養(yǎng)生不足將造成防水粘結(jié)層產(chǎn)生鼓包、脫皮等，產(chǎn)生層間粘結(jié)失效。④ 防水粘結(jié)層施工不良使其難以發(fā)揮作用。⑤ 瀝青鋪裝系厚度不一、壓實(shí)不足都將引起早期水損壞、松散、坑槽等。⑥ 瀝青鋪裝系下承層施工溫度過高也會(huì)造成防水層的破壞。

1.3 瀝青鋪裝系設(shè)計(jì)的影響

瀝青鋪裝系結(jié)構(gòu)由瀝青鋪裝系、防水粘結(jié)層、混凝土橋面板組成了“剛+柔+剛”的三明治結(jié)構(gòu)，其中，柔性防水粘結(jié)層的存在將使得本來具備抗壓優(yōu)勢(shì)的瀝青混凝土層底承受了較大的彎拉應(yīng)力，更容易在層間產(chǎn)生“剪切滑動(dòng)效應(yīng)”。當(dāng)然，鋪裝層及防水粘結(jié)層厚度也有一定影響，據(jù)國內(nèi)工程實(shí)踐及計(jì)算分析，當(dāng)鋪裝層厚度小于8 cm時(shí)，易產(chǎn)生層間剪切破壞，但當(dāng)厚度增加至16 cm時(shí)，鋪裝層表面最大剪應(yīng)力τmax不再變化，不過從抗疲勞性能考慮，厚度不宜太大。

1.3.1 瀝青混合料材料及路用性能的影響

瀝青鋪裝體系主要材料為瀝青粘結(jié)料、集料及其他改性劑或添加劑，其材料性能與車轍、推移、擁包、坑槽、橫縫等鋪裝層病害有直接關(guān)系，此外還有氣溫、水分、交通等外因影響。

混合料級(jí)配對(duì)其耐久性影響較大，對(duì)于密級(jí)配瀝青混合料，級(jí)配是否合理主要對(duì)其空隙率有影響。對(duì)于OGFC等開級(jí)配磨耗層或PAC等排水面層而言，混合料空隙率高達(dá)18%～22%，這樣就使得磨耗層底部與下面層或防水粘結(jié)層界面的集料接觸點(diǎn)減少了近20%，造成層間粘結(jié)力的降低，最好在開級(jí)配磨耗層底部鋪筑改性稀漿封層或SBS改性熱融瀝青碎石。

混合料的瀝青用量也是重要因素之一。當(dāng)瀝青用量不足時(shí)，集料表面瀝青膜厚度就減小，混合料的水穩(wěn)定性、低溫抗裂性能就減小，容易導(dǎo)致坑槽、裂縫等病害。從河北省宣大、京石、保津、京秦高速多座混凝土橋梁調(diào)查結(jié)果來看，采用SMA結(jié)構(gòu)的鋪裝層普遍存在滲水、松散等病害，究其原因主要因?yàn)槟举|(zhì)素纖維摻量較小，僅為3‰～4‰，這樣使得本來要求高瀝青含量的SMA瀝青用量不足，空隙率偏大，不能起到密實(shí)封水作用[6]。尤其，當(dāng)橋面鋪裝層與相鄰路面沒有同步攤鋪的時(shí)候，橋面鋪裝層的混合料就需要拌和樓單獨(dú)拌制瀝青混合料，由于瀝青鋪裝層的混合料需求量較小，后場拌和時(shí)混合料質(zhì)量難以保證。

瀝青材料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、耐疲勞性能對(duì)混合料的性能至關(guān)重要。在南方高溫地區(qū)，夏季橋面最高溫度高達(dá)70 ℃以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度60 ℃的要求；西北、東北等寒冷地區(qū)，冬季的極端低溫產(chǎn)生的溫度應(yīng)力也可能超過瀝青混合料的低溫抗裂強(qiáng)度，產(chǎn)生橫縫；中原地區(qū)雖然夏季不太熱、冬季不太冷，但是溫度變化較為頻繁，容易導(dǎo)致混合料的溫度疲勞破壞，使瀝青鋪裝層由裂紋發(fā)展為裂縫。

瀝青與集料粘附性不能滿足要求時(shí)，混合料的水穩(wěn)定性就較差，也將導(dǎo)致鋪裝層抗水損能力下降，最終出現(xiàn)裂縫、松散、唧漿、坑槽等病害。

1.3.2 瀝青鋪裝系結(jié)構(gòu)組合影響

柔性防水粘結(jié)層的存在將使得本來具備抗壓優(yōu)勢(shì)的瀝青混凝土層底承受了較大的彎拉應(yīng)力。防水粘結(jié)層如同軟夾層一樣夾在兩種剛性結(jié)構(gòu)層之間，在輪載作用下產(chǎn)生的最大剪應(yīng)力一般存在于4～5 cm處，多為0.25～0.53 MPa，加上溫度應(yīng)力，往往大于普通混合料0.6～0.8 MPa的抗剪強(qiáng)度，從而將更容易在層間產(chǎn)生剪切滑動(dòng)效應(yīng)。

1.3.3 鋪裝層及防水粘結(jié)層厚度影響

混凝土橋面底涂層、下封層、防水層、下面層、粘結(jié)層、磨耗層或上面層的厚度對(duì)鋪裝層內(nèi)、鋪裝層/粘結(jié)層、粘結(jié)層內(nèi)、粘結(jié)層/橋面四種關(guān)鍵位置的最大剪應(yīng)力的影響是不同的。對(duì)于目前國內(nèi)常用的3～5 mm粘結(jié)防水層，關(guān)鍵位置的最大剪應(yīng)力τmax均變化較小，但是當(dāng)厚度增加到10 cm時(shí)，鋪裝層內(nèi)τmax由0.95 MPa下降到0.82 MPa，其他位置τmax由0.2 MPa下降到0.16 MPa，由此可知目前的粘結(jié)層厚度偏薄。鋪裝層厚度在8～10cm內(nèi)變化時(shí)，對(duì)鋪裝層內(nèi)τmax影響不大，而防水層內(nèi)τmax卻出現(xiàn)峰值，當(dāng)增加到16 cm時(shí)，粘結(jié)層內(nèi)τmax迅速下降近40%[7]。

鋪裝層的結(jié)構(gòu)組合與厚度對(duì)其性能的影響往往相互聯(lián)系。有調(diào)查表明：瀝青鋪裝層出現(xiàn)了坑槽，表面上與混合料穩(wěn)定性有關(guān)，實(shí)際上與鋪裝層結(jié)構(gòu)及其厚度有關(guān)。

1.3.4 層間粘結(jié)狀況

橋面鋪裝層體系的層間粘結(jié)[8]包括：瀝青層之間粘結(jié)、瀝青層與防水層粘結(jié)、防水層與橋面板混凝土基層處治劑粘結(jié)及基層混凝土處治劑與基層混凝土粘結(jié)。

1.4 交通及自然環(huán)境的影響

超載、超限對(duì)橋面鋪裝層的破壞尤為嚴(yán)重，盡管對(duì)此進(jìn)行了治理，但仍然較為普遍，如圖1所示2012年垮塌的哈爾濱陽明灘大橋上4輛重卡中有3輛超載均大于300%。

圖1 陽明灘大橋

該橋垮塌的原因主要為：① 超載、超限大大增加了一次性破壞的可能性[9-10]。如圖1(b)所示，當(dāng)超載20%時(shí)，壽命折減率近50%，而當(dāng)超載率達(dá)到300%時(shí)，瀝青鋪裝系使用壽命接近于0，說明此時(shí)的鋪裝層急需大修了。這一點(diǎn)也得到美國、南非研究的證實(shí)，即軸載超限100%時(shí)，對(duì)路面的損害將是標(biāo)準(zhǔn)軸載的4～60倍[11]。按照超載300%計(jì)算，當(dāng)軸載為400 kN時(shí)，折減后剪應(yīng)力將達(dá)到0.323 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了規(guī)范抗剪強(qiáng)度要求。② 超載使車輛在橋頭、橋梁伸縮縫處的剎車和換檔幾率大大增加，加劇了對(duì)橋面鋪裝層的沖擊，更容易產(chǎn)生剪切破壞。③ 交通過度渠化使得行車道上瀝青鋪裝系經(jīng)受3～5倍于其他車道的交通荷載作用。④ 橋梁結(jié)構(gòu)暴露在空氣中，對(duì)溫度更為敏感，容易出現(xiàn)冬季“冰柜效應(yīng)”和夏季的“煎烤效應(yīng)”。⑤ 混凝土橋面板與瀝青混凝土的差異性脹縮將導(dǎo)致表面干縮裂縫。⑥ 瀝青鋪裝系的脹縮受到混凝土板約束時(shí)，將產(chǎn)生較大的溫縮裂縫。⑦ 當(dāng)車速較低時(shí)，雨水將通過地表徑流的形式“滲入”混合料中；當(dāng)車速較高時(shí)，動(dòng)水壓力作用將使得水分被高速“擠入”瀝青混合料中。⑧ 冰凍、海洋、工業(yè)酸霧及酸雨地區(qū)的融冰雪劑、鹽、酸等均對(duì)鋪裝層有一定的影響。

2 結(jié)束語

(1) 如果目前防水粘結(jié)層粘結(jié)強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度完全能夠滿足交通荷載要求，保證整平層的表面構(gòu)造、質(zhì)量及防水粘結(jié)層的完整性是瀝青鋪裝系成敗的關(guān)鍵。

(2) 與其過分強(qiáng)調(diào)通過增強(qiáng)防水粘結(jié)層粘結(jié)、抗剪強(qiáng)度都難以克服本不可抗拒的交通、環(huán)境荷載，不如通過采用AR、SBS改性瀝青碎石封層等具有良好應(yīng)力吸收效果的防水層來被動(dòng)降低荷載影響。

(3) 交通自然環(huán)境將大大加劇所有病害的擴(kuò)展，當(dāng)超載20%時(shí)鋪裝層壽命將折減50%，而超載達(dá)到300%時(shí)，鋪裝層壽命接近于0；動(dòng)水的“擠入”將加快鋪裝層及防水粘結(jié)層的破壞，可通過兩級(jí)主動(dòng)式以及三級(jí)被動(dòng)式防排水體系進(jìn)行設(shè)計(jì)。

(4) 結(jié)構(gòu)層內(nèi)及層間剪切引起高溫變形、動(dòng)水作用引起水損害以及負(fù)彎矩處引起裂縫為瀝青鋪裝系的主導(dǎo)病害。

[1] 黃曉明.水泥混凝土橋面瀝青鋪裝層技術(shù)研究現(xiàn)狀綜述[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào),2014(1):1～10.

[2] Bild S.Durability design criteria for bituminous pavements on orthotropic steel decks[J].Canadian Journal of Civil Engineering,1987,14(1): 41～48.

[3] Castro M.Structural design of asphalt pavement on concrete bridge[J].Canadian Journal of Civil Engineering,2004,31(4):695～702.

[4] 張 劍，董 強(qiáng)，李忠林.水泥混凝土橋橋面鋪裝典型結(jié)構(gòu)研究[J].重慶建筑,2010,9(10):1～4.

[5] 郭素軍.京秦高速公路混凝土橋面鋪裝病害成因及維修措施[J].交通世界,2009(15):76～77.

[6] 張 莉.河北省高速公路瀝青混凝土橋面鋪裝病害調(diào)查分析與研究[J].交通世界,2008,9(17):107～111.

[7] 王京元.水泥混凝土橋?yàn)r青混凝土橋面鋪裝早期病害原因分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法[D].大連:大連理工大學(xué),2003.

[8] 李東浩,袁 媛.不同結(jié)構(gòu)組合水泥混凝土路面鋪裝層間粘結(jié)性能試驗(yàn)研究[J].中外公路,2016(3):37～42.

[9] JTG D50-2006,公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[10] JTG D40-2011,公路水泥混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[11] Csir, R,Transport T.The Damaging Effects of Overloaded Heavy Vehicles on Roads[J]. Department of Transport, Republic of South Africa,1997:23～30.

2016-09-07；修改日期：2016-10-10

鄭毅強(qiáng)(1976-)，男，安徽合肥人，安徽省交通控股集團(tuán)有限公司高級(jí)工程師．

U443.33

A

1673-5781(2016)05-0584-03