基于植石工藝的橋面混凝土鋪裝層施工技術參數研究*

李 娜 韓 森 李 俊 張東省

(長安大學特殊地區公路工程教育部重點實驗室1) 西安 710064) (西安公路研究院2) 西安 710065) (交通運輸部公路科學研究院道路結構與材料交通行業重點實驗室3) 北京 100088)

0 引 言

橋面鋪裝層易發生水損害，由于橋面鋪裝層、防水粘結層和瀝青層粘結力不足，易造成鋪裝層相對剪切滑移、開裂、脫層，雨水下滲后動水壓力沖刷發生松散和坑洞現象.優良的界面處理可以保證橋面瀝青鋪裝層與橋面板之間有效黏結、抗剪、應力吸收和防水功能[1-2].我國混凝土橋面鋪裝層表面紋理處理方面大多還是延用傳統的工藝，諸如鑿毛、拉毛和刻槽等，但是這些方法勞動強度大、效率低[3-4]，近年來，引入了銑刨機銑刨的方法，這種方法雖然效率高、進度快，但銑刨過程只是對橋面縱向紋理的處理，很難做到全方位的抗摩阻功效[5].

橋面混凝土鋪裝層植石工藝是一種表面紋理處理新工藝，在混凝土澆筑、整平完畢后，采用自行研發的植石機將碎石均勻撒布在混凝土表面上，并壓入一定深度，形成均勻的表面紋理，與瀝青面層形成“鉚釘式”連接，進而提高鋪裝層層間的抗剪性能，其結構見圖1.

圖1 基于植石工藝的橋面鋪裝層結構示意圖

依托于安平高速公路工程，首次將植石工藝用于橋面鋪裝實體工程，本文研究確定了植石工藝施工關鍵技術參數.

1 試驗方案

基于植石工藝的混凝土室內制備流程為：首先是混凝土的拌和、振搗及整平，待達到試驗要求的成熟度時，稱取不同撒布面積需要的碎石量，人工均勻撒布，然后采用振搗器振壓，應邊振壓邊量測，直至植入深度比滿足試驗要求.

1) 碎石撒布時間的確定 橋面混凝土鋪裝植石工藝碎石植入時間與氣溫和時間密切相關，本文選取成熟度作為碎石撒布時間的控制指標，采用水泥混凝土凝結時間試驗方法，即貫入度試驗[6]，進行4種坍落度混凝土對比試驗.

2) 施工工藝參數影響 試驗儀器采用LD-127路面材料強度試驗儀，試件尺寸為15 cm×15 cm×10 cm.

植石工藝對水泥混凝土橋面鋪裝的施工的影響主要體現在坍落度、碎石撒布時間、級配、撒布面積等施工參數，因此，本文采用4因素4水平正交試驗來設計試驗方案，見表1.

表1 正交試驗因素和水平

注：碎石級配比例為質量比；碎石的撒布面積定義為碎石層的投影面積與試件表面積的百分比.

2 碎石撒布時間的確定

四種坍落度混凝土貫入度試驗結果見表2.

表2 不同坍落度混凝土貫入度試驗結果 MPa

本文采用邵氏成熟度公式[7-8]計算四種坍落度混凝土的不同測試時間下成熟度，見式(1).通過計算成熟度建立4種坍落度的混凝土成熟度與貫入阻力的關系曲線見圖2.

M=∑(Ti+10)ti

(1)

式中：M為成熟度，℃·h；Ti為養護溫度，℃，本次試驗為標準養護溫度20 ℃；ti為該養護溫度下的養護時間，h.

圖2 不同坍落度混凝土成熟度與貫入阻力關系曲線

由圖2可知，材料相同，不同坍落度的混凝土的初凝時間不同，其中，對于20～30 mm坍落度的混凝土初凝成熟度在45～50 ℃·h，50～60 mm坍落度的混凝土初凝成熟度在70～75 ℃·h，100～120 mm和160～170 mm坍落度的混凝土初凝成熟度在80 ℃·h左右.在實際施工中，混凝土的成熟度可根據當地氣溫計算得到，為保證混凝土的工作性，對于橋面鋪裝層的施工，混凝土的坍落度可達100 cm以上，因此，碎石撒布成熟度上限為75 ℃·h.

3 施工技術參數影響分析

不同的植入深度比下正交試驗結果見表3.

表3 壓入荷載試驗結果 kN

3.1 坍落度的影響

在相同試驗條件下，不同坍落度條件下壓入荷載正交試驗結果見圖3.

圖3 坍落度與壓入荷載的關系

由圖3可知，壓入荷載隨著坍落度的增大而顯著減小，表明混凝土的流動性對施工工藝影響顯著，橋面鋪裝層混凝土要求流動性高，對于100～120 mm的坍落度，植入深度比為0.2，0.4，0.6時，荷載分別為1.6，8.9，30.9 kN，壓入荷載增加明顯.

3.2 碎石撒布時間的影響

在相同試驗條件下，不同碎石植入成熟度下壓入荷載的正交試驗結果見圖4.

圖4 植入時間成熟度與壓入荷載的關系

由圖4可知，對于不同植入深度比，隨著植入成熟度的延后，壓入荷載逐漸增大.對于0.2，0.4，0.6植入深度比，壓入成熟度由15 ℃·h延長至75 ℃·h時，壓入荷載分別增大了86%，15%和14%.

3.3 碎石級配的影響

在相同試驗條件下，不同碎石級配條件下壓入荷載正交試驗結果見圖5.

圖5 碎石級配與壓入荷載的關系

由圖5可知，不同級配條件下，碎石的壓入荷載同樣存在差異.以0.4植入深度比為例，9.5，13.2，9.5∶13.2=1∶1，9.5∶13.2=2∶1四種石料級配的壓入荷載分別為7.8，10.3，9.5，7.8 kN，摻加9.5 mm碎石的壓入荷載最小，混合摻配的次之，13.2 mm碎石最大，但壓入荷載值總體相差不大，表明這兩種粒徑的碎石及混合料均可用于植石工藝的施工.

3.4 碎石撒布面積的影響

在相同試驗條件下，不同碎石撒布面積條件下壓入荷載的正交試驗結果見圖6.

圖6 碎石撒布面積與壓入荷載的關系

由圖6可知，石料撒布面積對壓入荷載同樣存在影響，在相同的壓入工藝條件下，隨著撒布面積的增大，壓入荷載呈現增大趨勢.碎石撒布面積由50%增大到80%，0.2，0.4，0.6的植入深度比下壓入荷載分別增加了6%，4%，5%，表明撒布面積影響較小.

3.5 植入深度的影響

植入深度比為0.2，0.4和0.6時，壓入荷載均值分別為1.9，8.8和33.4 kN，壓強分別為0.84，3.91，15.84 kPa，施工采用的植石機和三輥軸重量相當，0.6的植入深度比較難實現，且植入深度比越小，橋面鋪裝結構層抗剪性能越好[9-10]，綜上所述，以0.2或0.4作為橋面鋪裝層植入深度比.

4 結 論

1) 通過分析不同坍落度混凝土成熟度與貫入阻力的關系曲線，確定了植入時間對應的混凝土成熟度.

2) 通過分析不同植入深度比下，混凝土坍落度、碎石撒布時間、級配、撒布面積對植入荷載的影響，推薦出施工參數：針對橋面鋪裝100～120 mm坍落度的混凝土，采用9.5～13.2 mm單粒級碎石或混合料，植入深度比為0.2或0.4.撒布面積對壓入荷載影響不明顯.