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摘要：二十世纪前后时期施工的高速公路，很多混凝土桥面沥青铺装层未达到使用年限，就出现不同程度的破损，给行车带来很大的不安全因素。结合桥面沥青铺装层的病害调查，分析了混凝土桥面产生早期病害的原因，并提出了有效的处治方法。
关键词：混凝土桥面 沥青混凝土 病害处治
一座高速公路大桥位于弯道内，纵向位于长下坡末端，为简支T梁连续桥面结构。桥面铺装层结构原设计为乳化沥青粘结层上直接铺装5cm改性沥青AK-13沥青混凝土。该桥自2001年通车运营以来，左幅桥面铺装发生了大面积破坏，养护单位进行了局部挖补和修复。但由于各种不利因素的存在，造成该桥铺装层几乎完全破坏。
该桥沥青铺装层破坏的主要表现形式为：（1）脱层推拥、波浪。（2）龟裂及网裂。（3）横裂缝。（4）纵向裂缝。（5）沉陷，在桥头搭板接缝、伸缩缝两边发生较普遍。（6）松散、脱落、坑槽。通过现场的病害调查及钻心取样汇总评价，评价结果表明，大桥桥面铺装的路况极差，这说明铺装层使用性能全面衰减。其中，最主要的病害形式为推拥，其次为不规则裂缝，由于铺装层已脱层，在行车荷载作用下产生纵、横向推移，从而产生大量不规则裂缝。
1 沥青铺装层病害的原因分析
由于沥青混合料铺装层同混凝土桥梁结构在材料性能上差异较大，即一柔一刚，因此会导致在外力作用下应力与变形的不连续，若铺装层自身的强度和稳定性不足将很容易产生沥青铺装层的病害，影响病害的因素很多，下面分别介绍。
1.1 剪应力破坏分析
1.1.1 桥面铺装在行车作用下的最大剪应力验算
根据大量计算表明，沥青路面的最大剪应力关键取决于水平力系数f，正常行驶或缓慢制动时，取f=0.2车辆紧急制动时，水平力系数取f＝0.5。在标准轴载P=100KN，轮压力p=0.7Mpa时，按弹性层状体系理论，双圆荷载图式验算的最大剪应力τm分别为0.25Mpa、0.53MPa。
1.1.2桥面铺装混合料抗剪的强度指标分析
参照孙立军教授“以贯入试验测定抗剪指标”的方法，对桥面铺装未病害部位取样进行贯入试验（试验温度：60℃），计算抗剪强度（τd=p/3），桥面铺装混合料的抗剪强度应满足τm≤τd/K，式中，τm—最大剪应力，τm按不利情况取0.53Mpa；τd——混合料的抗剪强度；K—路面结构的安全系数。借鉴《城市道路设计规范》（GJT 37-90）的规定，取K=1.2，则这桥面铺装混合料60℃的抗剪强度τd至少应有0.53×1.2=0.64Mpa。与可能产生的剪应力相比，现有桥面铺装混合料的抗剪强度明显不足，在修补过的区域，抗剪能力更薄弱。
1.1.3沥青铺装层层间剪应力分析
为了测得铺装层与混凝土桥面之间的粘结强度，成型10cm×10cm×5cmC40混凝土试件，达到强度之后凿成粗糙表面并分成两组，在一组上面涂刷乳化沥青防水层，另一组上面涂刷改性乳化沥青防水层，按沥青混合料试件制作方法在混凝土试件上加压成型10cm×10cm×5cmAK- 13混合料，在60℃的恒温空气箱中保温后，将试件取出，在压力机上立即进行剪切试验，测得剪切破坏的最大剪切作用力。抗剪强度根据下式计算：
1.2 沥青铺装层厚度对破坏的影响
采用有限元软件空间实体建模，并用空间八节点单元模拟。采用双圆荷载，荷载参数取值Bzz-100，p=0.7MPa，δ=10.65cm，f=0.5，?取0.25，Ec=20Ea=30000Mpa，计算可知沥青混凝土面层厚度越薄，铺装层和桥面板间的剪应力越大。该大桥的设计厚度仅5cm，根据现场钻心取样查明最薄处仅3cm，而最厚的有7cm，远超出规范＋5mm误差要求。由力学计算知在车辆的频繁制动作用下，较薄的沥青层铺装层产生的剪应力很大，沥青铺装层容易出现推拥、脱层、变形等病害。
1.3 水损害
桥面铺装层受雨水的长期渗透侵蚀，并与梁体共同承受行车荷载并发生循环变形，在车辆轮胎碾压冲击作用下形成动水压力，对混合料造成冲刷。最大动水压力随车速的增加呈几何级数增长。而大桥桥面铺装所采用的AK-13开级配抗滑磨耗层的空隙率较大而透水，从而使铺装层长期在高动水压力的直接贯穿冲刷下，导致沥青剥落与细集料散失，由此引发松散、坑槽等破坏，并在行车荷载作用下形成恶性循环。
1.4 桥梁结构对铺装层破坏的影响
桥面铺装层直接承受行车荷载、梁体变形和环境因素的作用，其变形和应力特征与主梁及桥面板结构型式密切相关，因此桥梁混凝土结构的受力和变形对沥青铺装产生显著影响。
1.4.1大桥属于梁简支桥面连续结构，由于荷载的作用梁体产生挠曲变形使桥面支座处调平层混凝土承受负弯矩作用，由此引起调平层混凝土的开裂并反射到沥青铺装层中。另一方面由于调平层混凝土施工前未将桥面板混凝土表面的浮浆彻底清除，调平层浇注固结后不能与桥面板混凝土形成一个整体层，行车荷载下，在应力集中处的调平层混凝土反复承受较大的拉压应变而发生疲劳开裂，由此反射到沥青铺装层产生横向裂缝。
1.4.2 T梁的湿接缝处由于强度不足，其上的混凝土调平层和沥青混凝土铺装由于失去底部足够强度的支撑，在荷载的反复作用下出现疲劳裂缝。
1.4.3简支结构体系的梁桥伸缩缝部位易出现横向裂缝是由于施工时通常是先铺设沥青混凝土层，再切割除伸缩缝位置的沥青混凝土，并用水泥混凝土将伸缩缝固定。待固化后，沥青混凝土与水泥混凝土接触界面处留下一道裂缝，水分进入，削弱该部位沥青层与混凝土界面的粘结力。车辆荷载从刚性的伸缩缝及混凝土部位进入沥青层时，对伸缩缝附近的沥青混凝土产生冲击作用，使得该部位的沥青混凝土产生开裂。
1.5 行车荷载对铺装层破坏的影响
近年来超载违章车辆的增加，加重了桥面铺装层的负荷，产生更大的冲击力。如美国的ASHTO通过环路试验，研究了超载对路面结构的破坏作用，认为车辆对路面的破坏性与轴载的n次方成正比，即对路面的破坏具有很大的影响。通过有限元模型分析超载作用。竖直压力分别取0．7MPa、1.05Mpa、1．4Mpa，即比较超载50％、100％情况下铺装层受力状态，其中水平力作用系数f取0．5，分析结果表面随着荷载增加，铺装层内的应变也显著增加，应变峰值随荷载基本分别线性增加50％、100％。可见超载对铺装层的应变状态影响很大，加快了桥面铺装的早期破坏，缩短了桥面铺装的使用寿命。另外，为了便于交通组织，人为渠化交通，使桥梁结构在运营过程中始终处于偏载状态，使主车道的铺装层承担了比其余车道大得多的应力，因此加快了主车道铺装层的破坏。
1.6 桥梁结构的线型对铺装层破坏的影响
若桥梁的平面线性为弯坡斜桥同时纵向又位于长下坡（竖曲线）末端，车辆驶入该路段时，一般需经过高速（制动）—低速（加速）—高速的过程，在其上转弯上坡时，铺装层除承受上述的剪应力作用，还将承受离心力和重力对铺装层的作用，并在铺装层中产生指向路缘的横桥向剪应力和指向下坡的顺桥向剪应力，再加上转向行驶，车载对路面形成的剪应力急剧增加，由此加大了对铺装层的破坏。
1.7 沥青铺装层材料对铺装层破坏的影响
AK-13开级配抗滑表层实际空隙率约8％，根本不能阻止水的渗入，因此该极配混合料不宜作桥面铺装层。另一方面，铺装层与调平层之间的粘结防水层常采用普通沥青或乳化沥青作粘结防水层，不能有效渗透到混凝土调平层，一般不具备优良的与混凝土层粘接的能力，且其软化点一般都偏低，高温极易软化成润滑层。在反复剪应力的作用下和桥梁震动作用下，其粘接效果逐渐下降，加之水浸蚀界面，降低界面的粘接效果。使得荷载通过桥面，沥青层产生较大的内应力而破坏。因此该类普通的沥青粘结材料难以满足使用要求。
1.8 施工对铺装层破坏的影响
施工质量对铺装层的破坏影响很大，若混凝土调平层厚薄不均，在薄层处调平层内产生很大的内应力，调平层首先被压碎并反射到铺装层。调平层的标高控制不好会造成沥青铺装层厚薄不均，薄弱处应力集中易首先损坏。另外，沥青混合料在伴和、运输、摊铺过程中造成的粗细集料离析和温度离析或混合料压实不均匀都将造成铺装层的局部水损害，并在行车荷载作用下逐渐扩大；界面清理不彻底，层间结合不良，导致推移破坏。
2 沥青铺装层病害的处治
根据对大桥铺装面层的病害调查分析，其病害十分严重和典型，全桥左幅大面积出现裂缝、推移、拥包、坑洞、沥青混合料剥落等病害。已不是预防性养护和矫正性养护阶段所能处治的工作，故对左幅桥面铺装进行翻修，考虑到桥面高程的限制，铺装层厚度保持原设计厚度为5cm。
采用改性沥青SMA沥青混凝土作表面层，下设橡胶沥青砂胶和双层环氧封闭防水粘结层。SBS改性SMA沥青混凝土空隙率小、抗滑性、耐久性、高温稳定性和低温抗裂性能优越。橡胶沥青砂胶防水层具有良好抗高温性能、抗变形能力及低空隙特性，除了有效防水和粘接之外，同时起到抵抗变形和缓冲作用，吸收铺装层的部分剪应力，提高了铺装层的变形随从性。由于沥青砂胶防水层改性沥青用量较多、粘度大，因此，要求改性沥青砂胶具有良好的热稳定性及抗拉和抗剪强度施工和易性，要求的指标如下表1。
为了实现铺装层与混凝土调平层之间的有效粘接和防水，采用环氧粘接材料及溶剂型防水粘接材料，环氧粘结剂与混凝土调平层的粘结强度高且对水泥砼及桥面板微型裂缝有良好的渗透固结封闭作用，这是实现桥面铺装优良耐久性的技术关键。在环氧粘接层基本固化后，即可涂刷溶剂型粘接剂，对桥面板与铺装层的环氧粘接防水封闭材料及溶剂型防水粘接材料提出的技术要求见表2、表3
最后，在面层SMA10铺设时，为弥补沥青混合料施工中的一些缺陷，采用路面雾封层对整个铺装表面进行封水处理，雾封层的材料技术指标见表7，用量为0.6㎏/㎡。封水后的路面应待雾封层完全固化后，开放交通。
3 结论
本文通过对大桥桥面沥青铺装层的病害调查，分析当前桥面铺装层破坏的原因主要为（1）铺装层沥青混合料极配类型选择不当，空隙率大地表水易渗入，铺装层排水不畅易发生水损害，并在行车荷载下进一步恶化。（2）沥青铺装层高温抗剪强度低以及与混凝土调平层间粘结不牢，层间抗剪强度也不足，加之铺装层厚度偏薄，在竖向、水平荷载共同作用下易发生剪切破坏。（3）桥梁结构的震动和绕度变形大使铺装层受力不利，加之弯坡斜桥产生的附加作用力加剧了对铺装层的破坏。（4）汽车超载加剧铺装层破坏。
提出对当前混凝土桥面沥青铺装层易早期破坏的有效处治办法是采用复合式铺装结构，采用新型SMA沥青路面，借助钢桥面的经验，设橡胶沥青砂胶吸收应力层，兼具粘结和防水功能。粘结层采用环氧封闭层和溶剂型粘结剂保证与底层的粘结强度。另外，为防止施工压实质量的下降，在表面喷洒雾封层，能够进一步起到阻水作用延长铺装层的寿命周期。
参考文献
[1]交通部.公路沥青路面施工技术规范（JTG F40-2004）[M].人民交通出版社，2004年.
[2]交通部.公路沥青路面设计规范（JTG014-97）[M].人民交通出版社，1997年.
[3]交通部.公路沥青路面养护技术规范（JTJ073.2-2001）[M].人民交通出版社，2001年.
[4]徐世发、季节等.沥青铺装层病害防治与典型实例[M].人民交通出版社，2005年.
[5]孙立军.沥青路面结构行为理论[M].同济大学出版社，2003年.
[6]徐伟，等.混凝土桥面沥青铺装层受力敏感性分析[J].公路交通科技，2004年.
[7]张占军，等.水泥混凝土桥面沥青铺装层厚度的研究[J].西安公路交通大学学报，2000年.
论文作者:杨建
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第12期
论文发表时间:2018/9/14
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