極薄磨耗層在水泥橋面“白改黑”工程中的應用研究

華春麗，李俊峰，洪盛祥

(1. 江蘇省高速公路經營管理中心，南京 210009； 2. 蘇交科集團股份有限公司，南京 211112)

近年來公路交通量不斷增長，在長期荷載作用下，路面各項性能指標出現(xiàn)明顯衰減。水泥混凝土路面具有強度高、硬度大、水穩(wěn)定性好、不易產生車轍以及使用壽命長等優(yōu)點，我國部分公路橋面鋪裝會采用該路面。但隨著橋面鋪裝層服役時間的延長，水泥路面易產生裂縫、斷角和坑槽等病害，影響行車舒適性及路面美觀性[1]。但由于橋梁結構承載、水泥護欄標高及鋪裝層銑刨深度的制約，傳統(tǒng)的“白改黑”直接罩面方案在水泥橋面養(yǎng)護工程中的適用性不佳，因此水泥橋面“白改黑”工程一直是困擾公路運營管理單位的一大工程難題[2]，急需開發(fā)一種可實現(xiàn)大流量交通背景下水泥橋面的快速養(yǎng)護技術，有效恢復和提升水泥混凝土鋪裝橋面各項路況指標，且減少交通干擾，同時對橋梁結構承載、水泥護欄標高和結構安全影響較小[3]。

基于養(yǎng)護成本及養(yǎng)護適用性的考慮，近年來公路功能性罩面養(yǎng)護技術向鋪裝厚度不斷減薄的技術方向發(fā)展[4]。目前國內已出現(xiàn)熱拌極薄磨耗層技術，成型厚度≤16 mm，現(xiàn)場攤鋪速度可達12 m/min，施工周期為3～5 h，該技術對交通干擾小[5]，且由于其厚度較薄，可有效應對傳統(tǒng)罩面養(yǎng)護技術對橋梁標高、凈空以及承載力等的影響。

結合江蘇省某國道水泥橋面“白改黑”改造工程，系統(tǒng)分析水泥橋面“白改黑”技術難點，針對性提出“橋面板精銑刨1.2 cm調平，加鋪ETFC-Ⅲ型極薄磨耗層罩面”的養(yǎng)護技術方案，并對極薄磨耗層的技術特點、性能特點、適用條件及其在水泥橋面“白改黑”工程中應用的適用性進行論述，同時對其室內配合比設計方法、路用性能及現(xiàn)場關鍵施工工藝和工程應用效果開展系統(tǒng)性研究。

1 水泥橋面“白改黑”改造技術難點分析

基于水泥橋面自身的特殊性，在進行“白改黑”改造工程時，主要存在以下技術難點。

(1) 橋梁結構承載風險。橋梁設計時會考慮結構承載的富余系數(shù)，但富余系數(shù)有限，進行水泥橋面“白改黑”改造工程時，若直接加鋪3～4 cm瀝青面層，則存在橋梁結構承載力不足的風險。

(2) 水泥護欄凈高控制。橋梁設計時其兩側水泥護欄高度按規(guī)范要求進行設計，若直接加鋪3～4 cm瀝青面層，則水泥護欄凈高可能出現(xiàn)不滿足規(guī)范要求的情況，存在一定安全風險。

(3) 水泥板銑刨深度制約。水泥橋面鋪裝層一般設計有鋼筋網片，用以有效控制水泥路面板開裂，鋼筋網片距離路面板頂部一般控制在2～4 cm，因此若對水泥路面板進行銑刨，銑刨深度受到明顯制約，一般控制在2 cm以內。

2 極薄磨耗層技術特點及適用性分析

2.1 技術特點

極薄磨耗層采用一體化同步攤鋪設備施工，以高黏改性瀝青、聚合物改性乳化瀝青為瀝青膠結料和黏層材料，為一次攤鋪成型的熱拌瀝青混合料磨耗層。混合料設計采用開級配骨架空隙結構，成型空隙率為10%～18%，厚度≤16 mm。極薄磨耗層技術特點為：①具有突出的抗滑、降噪以及輕微車轍填補等功能；②厚度薄，對路面標高、隧道凈空等影響小；③大空隙率，兼具路面排水功能；④一體化施工工藝，施工速度快、交通干擾小。

根據(jù)成型厚度的不同，所研究的開級配極薄磨耗層分為ETFC-Ⅰ型、ETFC-Ⅱ型和ETFC-Ⅲ型，開級配極薄磨耗層分類如表1所示。

表1 開級配極薄磨耗層分類

2.2 適用性分析

基于對水泥橋面“白改黑”改造技術難點的分析，結合極薄磨耗層技術特點，對其在水泥橋面“白改黑”改造工程中的適用性進行分析，分析結果如下。

1) 對結構承載影響分析

水泥橋面“白改黑”改造工程對橋梁結構承載有無影響主要體現(xiàn)在是否增加橋面恒載。極薄磨耗層成型厚度≤16 mm，原橋面銑刨深度最大可達2 cm，因此可對水泥橋面進行精銑刨處理后，加鋪相應厚度的極薄磨耗層，且瀝青混合料密度相比于水泥混凝土密度更低，因此該方案不會導致橋梁恒載的增加，對橋梁結構承載力基本無影響。

2) 對水泥護欄影響分析

一方面，極薄磨耗層成型厚度相對較薄，若直接加鋪對水泥護欄凈高的影響相對較小；另一方面，水泥橋面“白改黑”改造工程一般會先對橋面板進行精銑刨、調平處理，而后加鋪極薄磨耗層，其對水泥護欄凈高的影響會進一步降低，因此該方案對橋梁水泥護欄凈高基本無影響。

3) 對橋面排水影響分析

極薄磨耗層成型空隙率大，具有排水功能，對于水泥橋面“白改黑”改造工程，只需保證橋面精銑刨時保持原橋面橫縱坡，利用原橋面的排水系統(tǒng)即可實現(xiàn)橋面順暢排水，且可有效避免橋面積水，提高降雨天橋面行車安全性。

根據(jù)分析可知，采用極薄磨耗層技術對水泥橋面進行“白改黑”改造，可有效解決橋梁結構承載、水泥護欄標高以及水泥鋪裝橋面銑刨深度制約等技術難題，具有較好的適用性。

2.3 適用條件

采用極薄磨耗層屬于功能性罩面養(yǎng)護措施，適用于沒有出現(xiàn)結構強度損害的路表功能性恢復養(yǎng)護。橋面發(fā)生大面積破損、斷板等情況并不適用該措施，各級公路水泥橋面“白改黑”改造路況水平如表2所示。

表2 各級公路水泥橋面“白改黑”改造路況水平

水泥橋面實施“白改黑”改造工程前，為保障層間黏結效果需進行精銑刨處理(一般深度為1 cm左右)，存在水泥板破損、斷角情況需進行挖補處理，大于3 mm的裂縫需進行抹漿處理以封堵滲水通道，減少雨水下滲對橋面結構安全的影響。

3 極薄磨耗層技術難點及原材料性能控制要求

3.1 主要技術難點及解決措施

極薄磨耗層在水泥橋面“白改黑”改造工程中應用主要有以下技術難點。

1) 瀝青膠結料對集料的黏結效果與施工和易性的平衡

所研究的極薄磨耗層采用開級配結構，空隙率大，且作為表面磨耗層使用，長期受到荷載的直接作用，受到的剪切應力和摩擦力均相對較大，為有效保持磨耗層骨架空隙結構、減少松散掉粒情況，瀝青膠結料需具有較高的動力黏度[6-7]。同時由于極薄磨耗層厚度較薄，攤鋪后降溫速度快，因此要求瀝青膠結料具有較低的運動黏度，且瀝青膠結料60 ℃動力黏度與135 ℃運動黏度存在一定相關性，一般表現(xiàn)為同時增大或同時減小的關系。針對該技術難點，所研究的極薄磨耗層通過采用專用的改性材料，實現(xiàn)瀝青膠結料同時具有較高的動力黏度和較低的運動黏度，要求瀝青膠結料60 ℃動力黏度≥150 000 Pa·s，135 ℃運動黏度≤3 Pa·s[8]。

2) 磨耗層與舊水泥板封水效果及黏結性的保障

項目所研究的極薄磨耗層采用開級配結構，具有排水功能，同時由于成型厚度較薄，因此對原橋面板的黏結強度及封水效果要求較高。針對該技術難點，所研究的極薄磨耗層采用專用的黏層乳化瀝青，對輕微裂縫具有滲透和封堵作用，裂縫寬度>3 mm 時通過水泥漿灌封進行封堵裂縫，進一步保障橋面板的封水效果。此外，施工前需對原橋面板進行精銑刨處理，提高接觸面的粗糙度，保障磨耗層與橋面板有效黏結，且乳化瀝青黏層采用高黏改性乳化瀝青，黏結強度高，可有效保障磨耗層與橋面板的黏結性。

3) 級配精確度控制

開級配極薄磨耗層粗集料最大粒徑為 9.5 mm，且采用開級配結構，根據(jù)我國標準篩孔分布，混合料4.75～9.5 mm之間級配精準控制難度較大。針對該技術難點，所研究的極薄磨耗層通過引進6.3 mm非標準篩，強化極薄磨耗層混合料級配精確度控制。

3.2 原材料關鍵性能指標要求和檢測結果

1) 粗集料

極薄磨耗層作為表面功能層，為有效保持磨耗層的骨架結構，根據(jù)相關研究成果對粗集料洛杉磯磨耗損失、壓碎值、針片狀顆粒含量等指標要求進行優(yōu)化，所依托工程采用的粗集料相關關鍵指標檢測結果均滿足技術要求，粗集料關鍵指標檢測結果如表3所示。

表3 粗集料關鍵指標檢測結果

2) 改性瀝青膠結料

極薄磨耗層設計空隙率較大，且厚度較薄，為保證路面耐久性，應選用黏度較大的瀝青膠結料。研究采用的改性瀝青為成品高黏度改性瀝青，高黏度改性瀝青性能檢測結果如表4所示，其60 ℃動力黏度≥150 000 Pa·s，135 ℃運動黏度≤3 Pa·s，各項性能檢測結果均滿足技術要求。

表4 高黏度改性瀝青性能檢測結果

3) 改性乳化瀝青黏層

項目所研究的開級配極薄磨耗層采用一體化攤鋪機進行黏層灑布和磨耗層攤鋪，同步施工，黏層材料為高黏度改性乳化瀝青，具有快裂快凝的性能特點，改性乳化瀝青性能檢測結果如表5所示，各項性能檢測結果均滿足技術要求。

表5 改性乳化瀝青性能檢測結果

4) 填料

項目所研究的開級配極薄磨耗層采用的細集料、礦粉等其他原材料性能按《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》(JTG F40—2004)進行控制。

4 極薄磨耗層配合比設計及路用性能研究

4.1 混合料設計標準

考慮路表抗滑及排水、降噪效果的長效保持，極薄磨耗層采用開級配骨架空隙結構，結合相關研究成果，提出開級配極薄磨耗層混合料級配范圍、體積指標要求以及路用性能指標要求，如表6～表8所示。

表6 開級配極薄磨耗層混合料級配范圍

表7 開級配極薄磨耗層混合料體積指標要求

表8 開級配極薄磨耗層混合料路用性能指標要求

4.2 混合料設計結果

依托項目實際情況，考慮到現(xiàn)場交通量較大，選用ETFC-Ⅲ型極薄磨耗層。根據(jù)極薄磨耗層設計標準，室內設計結果如下。

1) 設計級配

根據(jù)礦料的篩分結果，通過嘗試不同級配最終確定設計級配，極薄磨耗層混合料設計級配如表9所示，設計級配曲線如圖1所示。

表9 極薄磨耗層混合料設計級配

圖1 設計級配曲線

2) 瀝青用量及體積指標

基于設計標準，通過嘗試不同瀝青用量，最終確定最佳瀝青用量。最佳瀝青用量條件下極薄磨耗層混合料體積指標如表10所示，各項指標均滿足技術要求。

表10 最佳瀝青用量條件下極薄磨耗層混合料體積指標

4.3 混合料路用性能

對極薄磨耗層混合料水穩(wěn)定性、高溫穩(wěn)定性等路用性能進行檢測驗證，極薄磨耗層混合料路用性能檢測結果如表11所示。可見，極薄磨耗層各項性能指標均滿足技術要求，達到常規(guī)密級配改性瀝青混合料路用性能水平。

表11 極薄磨耗層混合料路用性能檢測結果

5 關鍵施工工藝研究

5.1 工程概況

江蘇省某國道水泥混凝土鋪裝橋面因通車年限較久，路況指標衰減嚴重，存在明顯的橫縱向裂縫、塊狀裂縫以及坑槽等病害，且路面平整度較差，已嚴重影響行車舒適性及路面美觀性，需開展水泥橋面板鋪裝層“白改黑”改造工程。考慮橋面承載力、標高以及銑刨深度等限制因素，采用“橋面板精銑刨1.2 cm調平，加鋪ETFC-Ⅲ型極薄磨耗層罩面”的改造方案。試驗段實施過程中對極薄磨耗層關鍵施工工藝進行研究，試驗段實施后及時開展相關試驗檢測以評價極薄磨耗層實施效果。

5.2 關鍵施工工藝

5.2.1 水泥橋面板預處理

為有效控制橋面標高，保障磨耗層與水泥橋面的黏結效果，對橋面板進行精銑刨1.2 cm調平預處理，并清掃干凈。橋面板預處理關鍵控制環(huán)節(jié)如下。

1) 排水通道設置

為保障排水通道暢通，防止出現(xiàn)路面積水影響路面耐久性和行車安全性的情況，對原路面邊緣部無法銑刨部位進行開槽處理，引流至原橋面泄水口。

2) 伸縮縫處理

原橋梁伸縮縫完好，現(xiàn)場不進行銑刨處理，伸縮縫兩邊各預留50 cm。

3) 原路面病害處理

精銑刨后檢查橋面裂縫寬度，對于裂縫寬度>3 mm的區(qū)域，采用快凝型砂漿進行抹漿處理以封閉裂縫，避免雨水下滲影響橋梁結構耐久性。

5.2.2 混合料生產及施工工藝控制

1) 混合料生產

極薄磨耗層成型厚度為16 mm，混合料攤鋪后失溫速度快，瀝青混合料生產時必須嚴格控制各環(huán)節(jié)溫度，極薄磨耗層各環(huán)節(jié)溫度控制如表12所示。

表12 極薄磨耗層各環(huán)節(jié)溫度控制

2) 混合料攤鋪

現(xiàn)場采用同步攤鋪機一體化攤鋪施工，實現(xiàn)極薄磨耗層混合料攤鋪和黏層噴灑同步完成，防水黏結層乳化瀝青溫度控制在70 ℃以上進行噴灑。極薄磨耗層施工原理及現(xiàn)場攤鋪如圖2所示。

(a) 施工原理

3) 混合料碾壓

現(xiàn)場采用1臺12 t的雙鋼輪壓路機以靜壓方式進行碾壓施工，碾壓2～4遍，要求做到勻速碾壓，嚴格控制碾壓速度，防止壓路機剎車、倒車導致鋪面推移，碾壓須在路面溫度降至120 ℃之前完成，碾壓組合方式如表13所示。

表13 碾壓組合方式

現(xiàn)場碾壓施工后路面平整，無泛油、推擠、剝落、松散等現(xiàn)象，現(xiàn)場實施效果良好，鋪面及厚度效果如圖3所示。

(a) 鋪面效果

6 工程應用效果

施工結束后對路面平整度、滲水系數(shù)及抗滑指標等進行檢測，極薄磨耗層路面施工效果檢測結果如表14所示，各項檢測結果均滿足技術要求。其中滲水系數(shù)均值為1 082 mL/min，構造深度均值為1.5 mm，擺值(BPN)均值為86，說明極薄磨耗層排水和抗滑性能優(yōu)異。

表14 極薄磨耗層路面施工效果檢測結果

7 結論

對極薄磨耗層在水泥橋面鋪裝層“白改黑”改造工程中的應用進行系統(tǒng)研究，開展全面的室內試驗及現(xiàn)場實施效果評價，得出以下結論。

(1) 室內試驗結果表明，極薄磨耗層瀝青混合料浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度為94.6%，凍融劈裂強度比為91.3%，車轍動穩(wěn)定度為4 786次/mm，其水穩(wěn)定性和高溫抗車轍性能較好。

(2) 對于水泥橋面采用極薄磨耗層技術進行“白改黑”改造時，在施工前應對水泥橋面進行精銑刨處理，并對裂縫、斷角等病害進行有效處理，同時須設置路面排水口，伸縮縫處兩邊宜各預留50 cm不進行銑刨處理。

(3) 極薄磨耗層瀝青混合料生產各環(huán)節(jié)應嚴格控制溫度，尤其是攤鋪和碾壓的施工溫度控制，現(xiàn)場采用雙鋼輪壓路機勻速、緩慢靜壓施工，碾壓2～4 遍，碾壓必須在路面溫度降至120 ℃之前完成。

(4) 改造項目現(xiàn)場實施效果較好，滲水系數(shù)均值為1 082 mL/min，構造深度均值為1.5 mm，擺值(BPN)均值為86，說明極薄磨耗層排水和抗滑性能優(yōu)異。