橋面鋪裝面層結構組合優選試驗研究

白曉茹 王志峰

（新疆興亞工程建設有限公司，昌吉 831100）

0 引言

橋面鋪裝作為橋梁與車輛直接接觸部分， 其質量一方面直接影響著行車安全性與舒適性， 另一方面也對橋梁耐久性產生影響。 目前國內除極少數特大型橋梁對橋面鋪裝進行專門設計、施工外，一般橋面鋪裝普遍采用與路基主線相同的兩層路面結構形式。 但鑒于橋面特別是大跨徑橋面具有撓度大、變形較路基差異大等特點，調研發現多數橋面鋪裝較路基面層更易發生車轍、推移以及層間剪切破壞等損壞形式，因此有必要對橋面鋪裝進行專門研究[1,2]。 目前國內外學者對此雖進行了廣泛研究，但由于我國地域廣闊， 橋面鋪裝工況以及地材差異較大，相關研究仍待進一步規范[3-9]。 為此，本文首先對橋面鋪裝的層位分工進行分析，并制訂不同組合結構形式擬進行對比試驗，然后從各結構形式高溫性能、剪切性能等模擬試驗入手，綜合分析以選取更優的橋面鋪裝組合結構形式。

1 鋪裝層層位分析

橋面鋪裝有別于一般路基段面層結構， 由于受到橋梁結構組成的影響， 其鋪裝質量優劣直接影響到橋梁使用耐久性、影響著橋梁功能的發揮。因此橋面鋪裝應具有較普通路面更優的使用性能，具體表現如下：

（1）應具有較好的高、低溫性能。 由于梁橋不同于普通路基的特殊性，導致在夏季，橋面內的混凝土溫度要比普通路面高約15℃，路面較強的吸熱儲熱，致使其比氣溫高25℃～35℃。由于橋梁的特殊跨徑構造使得汽車在上橋時車速減緩，這必然會導致較大的車轍現象。而冬季由于橋面失去路基的“保溫作用”，相較普通路段溫度更低，更易發生低溫破壞。

（2）應具有良好的抗剪性?，F在的橋梁上下橋都是坡行路面， 汽車在上下橋的時候會對橋面施加一個較大的剪應力，如果橋面的抗剪能力不足，則會產生車轍和路面推移，特別是當下橋的時候，為了會車安全，駕駛員會頻繁使用剎車以降低車速，使得橋面承受更大的剪應力，因此要求橋面鋪裝材料具有較強的抗剪能力。 另一方面抗剪性表現為層間粘結性能， 主要表現為瀝青混凝土面層與水泥混凝土橋面板的剛-柔路面層間粘結以及兩層瀝青混合料之間的粘結。

（3）另外也應具有良好的抗滑性能及平整度?？够阅茏鳛榘踩灾笜?、 平整度作為行車舒適性指標， 是橋面、路面最一般的路用性能要求，因此橋面鋪裝層也應滿足此項要求。

2 原材料試驗

為方便進行對比研究，本文集料均采用統一集料，其中粗集料為上面層常用玄武巖集料， 細集料采用粒徑規格為0～4.75mm 優質石灰巖機制砂， 礦粉則為石灰巖研磨礦粉。 瀝青為I-D 級SBS 改性瀝青， 纖維為進口顆粒狀木質素纖維（摻量為混合料總質量的0.3%）。 各原材料性能指標見以下各表（表1～3）：

表1 粗集料主要指標

表2 細集料試驗指標

表3 SBS 改性瀝青性能指標

3 鋪裝層構造組合設計

結合上述分析， 并通過調研目前國內外常用的水泥混凝土橋面瀝青混凝土鋪裝組合結構形式， 確定了如下對比試驗方案（見表4）。

表4 不同鋪裝層結構組合方案

本次試驗以目前較為廣泛使用的雙SMA 結構組合（表4 中A 類）為主要研究對象，并擬定了三種雙SMA 組合結構形式， 其中一種為常規下粗上細遞進式組合結構（SMA-16+ SMA-13）， 其它兩種為驗證倒裝結構在橋面鋪裝應用中的適用性而采用， 分別為SMA-16+ SMA-13與SMA-16+ SMA-13。 其中第三種為驗證防水性能較優的小粒徑倒裝結構適用性。 設置組合B 在于對比在倒裝結構形式下雙SMA 結構與AC+SMA 組合結構形式性能差異。 組合C 為雙AC 結構，為目前較多項目普遍使用的常規結構。

4 組合結構性能試驗

4.1 混合料性能試驗

分別對表4 中三種不同橋面鋪裝層結構組合形式共6 種混合料進行配合比設計，并進行性能試驗，各項性能指標均符合規范要求，試驗結果如下表5～6 所示：

表5 SMA 類混合料路用性能試驗結果

表6 AC 類混合料路用性能試驗結果

由表5、 表6 可知， 總體而言隨著最大公稱粒徑增大，SMA 類與AC 類混合料高溫穩定性均逐漸加強，SMA類水穩定性逐漸減弱，AC 類水穩定性變化不大。 這是由于隨著粒徑增大，混合料骨架結構逐漸增強，抵抗高溫變形能力增加；而隨著粒徑減小，混合料抵抗水滲透能力逐漸增強， 相應受到浸水或凍融處理時混合料性能更加穩定。 同時，SMA 類混合料高溫性能遠優于AC 類混合料、水穩定性相差不大且均符合規范要求。

4.2 全厚式車轍板試驗

《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20—2011） 規定混合料車轍試驗試件尺寸為300mm×300mm×50mm。 由于進行的是室內模擬試驗，必然與實際路況存在較多的偏差，主要體現在：車轍試驗使用的是裝載在模具內的單層瀝青混凝土，地面和側面均被鋼板限制；而實際路況是多層結構，地面為路基，側面沒有限制。 為更好的模擬現場工況， 采用與現場等厚的全厚式車轍板進行高溫車轍試驗。 其中上面層為4cm、下面層為6cm，試件尺寸為300mm×300mm×100mm。 試件的制作方法是先按照常規的試驗方法制作一塊6cm 厚的瀝青混凝土板作為下面層。將此板在室溫下放置24h，然后把此塊6cm 厚的板作為底板放入全厚式車轍板模具中， 在其表面均勻涂抹SBS 改性瀝青作為粘層油。 緊接著將混合料倒入模具，按規范壓制上面層。

將上述車轍板進行全厚式車轍試驗， 得到不同結構組合的動穩定度如下表7 所示。

表7 不同結構的動穩定度

由表7 中的數據可以看出，在高溫抗車轍能力上，雙SMA 結構較其它結構要提高較多，且不同雙SMA 結構動穩定度差異較小， 另外倒裝結構較常規結構動穩定度變化變化不大。 當結構組合中存在AC 結構層時動穩定度顯著減小，特別是雙AC 結構，動穩定度減小接近50%。因此在對高溫性能較高要求的地區不宜采用雙AC 組合的結構形式。

4.3 鋪裝層直剪試驗

作為影響橋面鋪裝質量的關鍵因素， 抗剪性能優劣直接影響著橋面鋪裝耐久性。 而鋪裝層剪切破壞主要發生于不同層位之間的剪切破壞， 為研究上述組合結構之間剪切性能，本文采用直接剪切試驗進行性能驗證。直剪試驗試件采用上述全厚車轍板試件相同成型方式， 并使用鉆芯取樣鉆取試件，每組試驗由3 個試件組成。 其中，施加正應力與車轍試件施加應力相同，為0.7MPa；采用應變控制模式加載，加載速率為50mm/min。

不同組合結構形式下抗剪強度試驗平均值匯總如下。

表8 各組合結構抗剪強度

通過上述結果可知：（1） 雙SMA 組合結構較其它結構組合具有較高的抗剪強度，且不同組合的雙SMA 組合結構抗剪強度相差不大.（2）倒裝結構的設置使得抗剪性能普遍提高，這是由于相同組合結構形式下，將粒徑較大結構層倒裝上置， 當表層受到水平荷載作用時較大公稱粒徑骨架發揮更大作用，表現出抗剪強度增加。 （3）對比A-2 與B、C 兩類組合形式，A-2 與B 二者抗剪強度相差不大，而當上面層為AC 類結構時剪切強度顯著減小，表明上面層對抗剪強度形成起主要作用。 因此橋面鋪裝設計時，應結合現場工況進行具體設計，如對抗剪強度要求不高時，可采取AC+SMA 的組合結構形式。

5 結語

（1）相較于其它結構組成，雙SMA 結構組成具有最優的高溫穩定性與抗剪強度， 且不同組合之間高溫性能與抗剪性能差異不大。 雙AC 類組合結構橋面鋪裝高溫穩定性與抗剪強度均較低， 當對橋面鋪裝質量具有較高要求時，應禁止采用雙AC 結構組合形式。

（2）倒裝結構設置可以提高橋面鋪裝的高溫穩定性與抗剪強度，且粒徑較大的雙SMA 倒裝結構具有更好的高溫性能與抗剪性能。

（3）綜合各單層混合料性能試驗結果與車轍、剪切試驗結果，考慮大粒徑混合料水穩定性相對較差，當采用倒裝結構時，大粒徑混合料層直接暴露于空氣中與水接觸，水穩定性難以保證，實際服役過程中易造成水損害。因此條件允許時，優先采用上面層SMA-13、下面層SMA-10的小粒徑雙SMA 倒裝結構作為橋面鋪裝層優選結構組合形式。