浇注式沥青混凝土钢桥铺装病害原因分析

2022-09-12

世界各国的钢桥面铺装大多数都采用浇注式沥青混凝土 (GA) 体系。它自重量轻, 适合于发展大跨径桥梁。浇注式沥青混凝土的主要优点是:空隙率接近零, 具有优良的防水、抗老化性能;抗裂性能强, 对钢板的追从性、与钢板间的粘结性能优于一般沥青混凝土。其主要缺点是:高温稳定性差, 易形成车辙;对施工气候和钢桥面清洁度要求苛刻。本文对拟对浇注式沥青混凝土钢桥铺装病害原因进行分析。

1 浇注式沥青混凝土的主要性能

浇注式沥青混凝土 (GA) 指在高温状态下 (约240℃~260℃) 进行拌和及摊铺的一种特殊沥青混合料。该混合料中沥青、矿粉含量较大, 在高温状态下流动性很大, 摊铺时依靠自身流动而成型, 无须碾压。成型后混凝土中的空隙率很小, 理论上为零, 工程实践中一般小于1%。目前世界范围内钢桥面铺装应用浇注式沥青混凝土的工程以日本最多。由于浇注式沥青混凝土中沥青含量较多而使其高温稳定性差, 故在桥面铺装中一般将其用作结构下层。上层则一般采用高温性能更好的沥青玛蹄脂混凝土 (SMA) , 一般采用细粒式沥青混合料, 有时也采用粗粒式沥青混合料。总铺装厚度一般在60mm~80mm之间。

日本采用的浇注式沥青混凝土桥面铺装的典型结构如图1所示。

浇注式沥青混凝土中的结合料通常直接采用成品改性沥青, 粘结层一般采用改性乳化沥青。浇注式沥青混凝土的级配如表1所示。

结合料的含量通过流动性试验、贯入量试验、车辙试验和低温弯曲试验来确定, 如表2。

其配合比设计按如下程序进行, 即制备不同沥青用量的试件 (沥青用量在7%~10%间变化) , 分别进行表2中的各项试验, 画出沥青用量与各指标值之间的曲线图, 找出满足各项指标标准的沥青用量范围, 取其中值±0.5%为设计沥青用量。在下层浇注式沥青混凝土之上经常撒布一层粒径5mm~10mm的沥青预拌碎石。

2 钢桥面浇注式沥青混凝土铺装病害的原因分析

钢桥面浇注式沥青混凝土铺装的主要病害主要有:裂缝;车辙;层间滑移和推挤 (包括粘结层) ;局部补坑引起的破坏;拥包;鼓包, 等等。浇注式沥青混凝土铺装病害产生原因归类如下。

2.1 材料性能达不到要求的原因

沥青铺筑层在极端高温与低温的不利环境下, 对大气温度的响应更敏感。而考虑到减轻桥梁恒载与钢板防腐等问题, 钢桥面铺装必须使用具有良好防水性能的薄层结构。因此, 在钢桥面铺装混合料的设计与研究过程中必须在沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性能、变形协调能力、抗疲劳特性及耐久性等方面取得合理平衡, 片面强调某一方面的性能则可能会削弱铺装结构的整体性能。而浇注式沥青混凝土一般是在高温状态下 (约240℃~260℃) 进行拌和及摊铺, 虽然变形协调能力较好, 但其高温稳定性等性能尚有不足。

2.2 粘结层粘结力不足的原因

粘结层是铺装与钢板紧密结合共同承受外荷载作用的重要保证, 对于双层铺装体系, 它还必须保证铺装上下层间的紧密联接。选用钢桥面铺装粘结材料时, 必须高度重视材料的相容性以及粘结材料的抗剪强度与粘结强度。当粘结材料与钢桥面板的防腐涂装或铺装混合料的界面不相容时, 其与钢板及铺装混合料的粘结性能就得不到保证。当粘结材料的抗剪强度不足或与钢板的粘结力较低时, 在行车荷载的作用下, 铺装与钢板之间极易产生剪切、脱空、滑移等破坏。

2.3 设计不当的原因

钢桥面铺装的使用条件不同, 势必要有不同的设计指标, 设计的不足将会导致不同病害的发生。 (1) 超载与慢车速。超载一直是我国客观存在并且十分严重的问题, 而跨江跨海的大跨径桥梁作为交通瓶颈, 受大交通及车辆超载的影响更为显著。 (2) 大交通及交通量实际增长过快我国的大跨径钢箱梁桥通常都位于跨江或跨海的交通要道上, 并且往往与多条高速公路相连接, 因此过桥的交通量相当大。大交通是造成沥青路面早期破坏的一个主要原因, 对于钢桥面铺装更是如此。

2.4 施工工艺达不到要求的原因

钢桥面铺装是铺设在正交异性钢桥面板上的结构。由于浇注式沥青混凝土中沥青含量较多而使其高温稳定性差, 会使铺装层产生应力集中的现象, 从而在铺装表面撒布一层粗集料作为防滑料, 而由这层粗防滑料的存在, 加速铺装层疲劳破坏。有研究表明, 由于路面不平整而引起的板底应变增加10%, 板的疲劳寿命会缩短5~6倍。