水泥混凝土桥面耐久性铺装结构研究

殷 魏 峰

(江苏京沪高速公路有限公司，江苏 淮安 223005)



水泥混凝土桥面耐久性铺装结构研究

殷 魏 峰

(江苏京沪高速公路有限公司，江苏 淮安 223005)

针对不同桥型，设计了六种不同的耐久性水泥混凝土桥面铺装方案，通过复合结构疲劳试验和动态蠕变试验，对所提出的铺装方案的耐久性进行了综合比较与经济性评价，推荐了适用于不同桥型水泥混凝土桥面的铺装方案。

桥面铺装，耐久性，铺装材料,环氧沥青

随着我国经济的不断发展，道路交通量日益增加且车辆荷载日趋重型化，许多水泥混凝土桥面铺装出现了各种不同类型的病害，甚至有的铺装在通车几个月后就出现桥面铺装大面积破坏的现象，直接影响了桥面铺装的耐久性和路用性能[1-4]。通过调研发现，只有从结构和材料的角度全面考虑水泥混凝土桥面铺装方案，才能提高水泥混凝土桥面的耐久性。为此，本文依托实体工程，提出了混凝土桥面铺装结构和材料组成方案，并采用复合梁疲劳试验及复合结构动态蠕变试验评价了不同结构方案的耐久性能，为改善水泥混凝土桥面铺装的耐久性提供必要的技术支撑。

1 桥面铺装结构方案设计

本文依据不同跨径桥面的路用性能要求，针对水泥混凝土桥梁沥青铺装制定了6种方案，具体方案如下所示：

方案A：3.5 cm改性沥青AC-13+粘层+3.5 cm高强沥青AC-13+环氧沥青防水粘结层+水泥混凝土桥面板；方案B：2.5 cm改性沥青ECA-10+粘层+3.5 cm高强沥青AC-13+环氧沥青防水粘结层+水泥混凝土桥面板；方案C：3.5 cm改性沥青AC-13+粘层+3.5 cm改性沥青AC-13+环氧沥青防水粘结层+水泥混凝土桥面板；方案D：2.5 cm改性沥青ECA-10+粘层+3.0 cm环氧沥青EA-13+环氧沥青防水粘结层+水泥混凝土桥面板；方案E：3.5 cm改性沥青AC-13+粘层+3.0 cm环氧沥青EA-13+环氧沥青防水粘结层+水泥混凝土桥面板；方案F：2.5 cm高强沥青ECA-10+粘层+3.0 cm环氧沥青EA-13+环氧沥青防水粘结层+水泥混凝土桥面板；方案G：4.0 cm改性沥青AC-13+粘层+6.0 cm环氧沥青AC-20+三涂FYT-1改进型防水粘结层+水泥混凝土桥面板。

其中方案A～方案C推荐适用于中小型桥梁，方案D～方案F适用于大型、特大混凝土桥梁，方案G为路面段落结构。在各方案中AC20的集料为石灰岩，其他混合料采用玄武岩；ECA-10级配混合料中掺加0.25%聚酯纤维。ECA-10级配增设了6.7 mm的筛孔，主要为了保证级配的稳定性，通过细分筛孔的方法，进一步控制4.75 mm～9.5 mm之间的通过率。

2 复合梁疲劳试验

2.1 试验方法

本文采用UTM试验系统对各铺装方案的试件进行重复弯曲试验，试验温度为15 ℃，荷载波形为半正弦波，为了加快试验速度，在相邻波形之间不插入间歇时间。为避免长时间的试验可能出现的试件脱空现象，从而对试件产生冲击作用，正弦波荷载的最小荷载取为最大荷载的2%。在正式试验前，以最小荷载对试件进行预压10 s，使压头与试件间接触良好。

对于室内小型试验，车轮荷载的加载时间可根据VanderPoel的公式来确定t=1/(2πf)，选择加载频率为10 Hz，加载时间为t=1/(2πf)=0.016 s。本文的疲劳试验为控制应变水平的沥青混合料四点弯曲试验，针对不同的铺装方案，应变水平为400 με～1 200 με之间。

2.2 试件成型

按规范规定的轮碾法压实成型40 cm×30 cm×5 cm铺装结构下层试件，冷却后在试件表面涂刷粘结层，再快速成型40 cm×30 cm×5 cm铺装结构上层试件，待试块冷却、脱模后，采用双面锯切割成复合梁标准试件，梁尺寸为38.1 cm×6.35 cm×5 cm(上下层厚度比例1∶1)。试件按照常规的三分点加载，两端支点的距离是35.6 cm。试验前放到UTM试验机中，在试验温度下养护6 h。

2.3 试验结果分析

能耗指标及疲劳寿命分析。根据已有研究成果[5]可知，应变水平与疲劳寿命具有良好的相关性，在双对数坐标下表现为良好的线性关系，通常可以用方程lgNf=k-nlgε来表示。类似地，有关研究显示[6]，不同沥青混合料累积能耗与应变同样表现为良好的双对数线性相关性，可用方程lgW=k-nlgε表示，累积能耗随着应变的增加而减少。

各疲劳寿命方程和能耗疲劳方程曲线分别如图1，图2所示。

由图1,图2可知，使用环氧沥青混合料的结构疲劳寿命和累积能耗要明显高于其他类型沥青混合料结构。对于结构D,E,F来说，结构E疲劳寿命及累积能耗要明显高于结构D和F，而D略优于F。对于结构A,B,C来说，在较高应变条件下，结构C疲劳寿命和累积能耗要高于A，而A高于B；在较低应变情况下，A与C相差不大，而B要略差；因而A,B,C三种结构中，C的疲劳性能最佳。路面结构G疲劳寿命整体要低于所提出的6种结构方案。

3 复合结构动态蠕变试验

复合结构动态蠕变试件需由两层混合料试件粘贴而成，因此需要首先用旋转压实仪分别成型直径150 mm，高约165 mm的上下层沥青混合料试件，钻芯取样后切片，然后使用粘结层材料将两层试件粘结而成。试件制备过程分为四部分：压实→钻芯→切割→粘结。

本试验采用加载力为0.7 MPa，加载波形为半正弦波，加载周期为1 s，其中包括0.1 s的半正弦压力荷载和0.9 s的间歇时间，围压为138 kPa。试验终止条件为荷载作用次数达到10 000次或是试件轴向变形量达到5%。本试验的温度定为60 ℃。

本文拟采用流变次数Fn、累积总应变和第二阶段累积应变斜率k值来评价七种复合结构的高温性能。七种复合结构的动态蠕变试验结果如图3所示。

试验结果分析如下：

1)累积应变。各结构累积微应变如图4所示。

若按累积应变的大小来对各复合结构的抗高温变形能力进行排序，累积应变越大则抗变形能力越差，故高温性能从优到劣依次为：F，D，B，E，A，C，G。A，B，C三种方案之中，结构B最优；D，E，F三种方案中，结构F高温性能最佳。

2)累积应变斜率k值。由典型蠕变试验三阶段分析图可知，在第二阶段永久应变的累积应变斜率是恒定的。有关研究认为[7,8]，累积应变与荷载作用次数关系图中第二阶段累积应变斜率k值可以用来评价沥青混合料抗永久变形能力。斜率值越大，沥青混合料在荷载作用下产生永久变形的速度越快，反之则速度越慢。图5为七种混合料结构在动态蠕变试验中第二阶段曲线的斜率k值比较。

考虑到试件成型过程中压实程度有所差异，因而在动态蠕变试验进行过程中，尤其是初期阶段，试件会经受一个压密过程从而产生一部分应变包含在蠕变试验中的累积总应变中，因而若遇到累积应变较为接近的混合料，难以依靠累积应变来准确判断高温性能的优劣。而k值则能很好地体现混合料高温抗车辙的能力，相对于累积应变来说更直观、更精确。由图5可知，按第二阶段累积应变斜率k值来对七种结构的高温性能进行排序，k值越小则高温性能越好，则有：F>D>B>E>A>C>G。与上述按照累积应变评价的结论完全一致。

4 结语

1)在应变控制疲劳试验中，双对数坐标下疲劳寿命与应变、累积能耗与应变之间均具有很好的线性相关性，故疲劳寿命与累积能耗均可以作为评价铺装层结构疲劳性能的有效指标，并且这两者之间也存在很好的线性相关性。通过这两个指标对各结构疲劳性能进行评价得出的结果完全一致：在A,B,C三种结构中，C最佳；在D,E,F三种结构中，E疲劳性能最佳。

2)在复合结构动态蠕变试验中，可采用累积总应变和蠕变曲线第二阶段累积应变斜率来评价各结构的高温抗变形能力，并且两者评价结果一致，得到各复合结构的高温性能比较结果为：F>D>B>E>A>C>G。

3)采用环氧沥青混合料的铺装结构与其他结构相比，在疲劳性能和高温性能方面具有明显优势，因而在大型水泥混凝土桥梁桥面铺装材料中加入环氧沥青混合料铺装层可大大提高桥面铺装耐久性。

[1] 朱云升,郭忠印,王 景.高温重载条件下沥青混合料的蠕变试验研究[J].建筑材料学报,2008,11(5):545-549.

[2] 刘 云.重载交通作用下混凝土箱梁桥铺装结构动响应分析[J].公路,2014(2):98-101.

[3] 王冀蓉.重载道路长寿命沥青路面设计轴载分析[D].长沙：湖南大学硕士学位论文,2007.

[4] 黄 卫,邓学钧,C.L.Monismith.能量方法分析沥青混合料的疲劳特性[J].中国公路学报,1994,7(3)：23-28.

[5] 尹应梅.聚酯玻纤布在高速公路罩面工程中的应用研究[D].南京：东南大学硕士学位论文,2005.

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[7] 王燕芳.合肥市道路交叉口沥青路面车辙防治研究[D].南京：东南大学硕士学位论文,2009.

[8] 李 健.京沪高速公路沂淮江段车辙调查及成因分析[D].南京：东南大学硕士学位论文,2010.

Durable concrete bridge deck pavement structures research

Yin Weifeng

(JiangsuJinghuExpresswayCo.,Ltd,Huai’an223005,China)

According to different size of bridge, six kinds of durable concrete pavement structures were raised in this paper. Through the fatigue test and dynamic creep test on composite structures, we made comprehensive comparative analysis and conducted economic evaluation on the six proposed pavement structures. We recommended structures for deck pavement of concrete bridge in different length.

bridge deck pavement, durability, pavement materials, epoxy asphalt

1009-6825(2017)06-0188-02

2016-12-08

殷魏峰(1981- )，男，工程师

U443.33

A