殷 魏 峰

(江蘇京滬高速公路有限公司，江蘇 淮安 223005)

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水泥混凝土橋面耐久性鋪裝結(jié)構(gòu)研究

殷 魏 峰

(江蘇京滬高速公路有限公司，江蘇 淮安 223005)

針對不同橋型，設(shè)計(jì)了六種不同的耐久性水泥混凝土橋面鋪裝方案，通過復(fù)合結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)和動態(tài)蠕變試驗(yàn)，對所提出的鋪裝方案的耐久性進(jìn)行了綜合比較與經(jīng)濟(jì)性評價(jià)，推薦了適用于不同橋型水泥混凝土橋面的鋪裝方案。

橋面鋪裝，耐久性，鋪裝材料,環(huán)氧瀝青

隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，道路交通量日益增加且車輛荷載日趨重型化，許多水泥混凝土橋面鋪裝出現(xiàn)了各種不同類型的病害，甚至有的鋪裝在通車幾個(gè)月后就出現(xiàn)橋面鋪裝大面積破壞的現(xiàn)象，直接影響了橋面鋪裝的耐久性和路用性能[1-4]。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，只有從結(jié)構(gòu)和材料的角度全面考慮水泥混凝土橋面鋪裝方案，才能提高水泥混凝土橋面的耐久性。為此，本文依托實(shí)體工程，提出了混凝土橋面鋪裝結(jié)構(gòu)和材料組成方案，并采用復(fù)合梁疲勞試驗(yàn)及復(fù)合結(jié)構(gòu)動態(tài)蠕變試驗(yàn)評價(jià)了不同結(jié)構(gòu)方案的耐久性能，為改善水泥混凝土橋面鋪裝的耐久性提供必要的技術(shù)支撐。

1 橋面鋪裝結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

本文依據(jù)不同跨徑橋面的路用性能要求，針對水泥混凝土橋梁瀝青鋪裝制定了6種方案，具體方案如下所示：

方案A：3.5 cm改性瀝青AC-13+粘層+3.5 cm高強(qiáng)瀝青AC-13+環(huán)氧瀝青防水粘結(jié)層+水泥混凝土橋面板；方案B：2.5 cm改性瀝青ECA-10+粘層+3.5 cm高強(qiáng)瀝青AC-13+環(huán)氧瀝青防水粘結(jié)層+水泥混凝土橋面板；方案C：3.5 cm改性瀝青AC-13+粘層+3.5 cm改性瀝青AC-13+環(huán)氧瀝青防水粘結(jié)層+水泥混凝土橋面板；方案D：2.5 cm改性瀝青ECA-10+粘層+3.0 cm環(huán)氧瀝青EA-13+環(huán)氧瀝青防水粘結(jié)層+水泥混凝土橋面板；方案E：3.5 cm改性瀝青AC-13+粘層+3.0 cm環(huán)氧瀝青EA-13+環(huán)氧瀝青防水粘結(jié)層+水泥混凝土橋面板；方案F：2.5 cm高強(qiáng)瀝青ECA-10+粘層+3.0 cm環(huán)氧瀝青EA-13+環(huán)氧瀝青防水粘結(jié)層+水泥混凝土橋面板；方案G：4.0 cm改性瀝青AC-13+粘層+6.0 cm環(huán)氧瀝青AC-20+三涂FYT-1改進(jìn)型防水粘結(jié)層+水泥混凝土橋面板。

其中方案A～方案C推薦適用于中小型橋梁，方案D～方案F適用于大型、特大混凝土橋梁，方案G為路面段落結(jié)構(gòu)。在各方案中AC20的集料為石灰?guī)r，其他混合料采用玄武巖；ECA-10級配混合料中摻加0.25%聚酯纖維。ECA-10級配增設(shè)了6.7 mm的篩孔，主要為了保證級配的穩(wěn)定性，通過細(xì)分篩孔的方法，進(jìn)一步控制4.75 mm～9.5 mm之間的通過率。

2 復(fù)合梁疲勞試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方法

本文采用UTM試驗(yàn)系統(tǒng)對各鋪裝方案的試件進(jìn)行重復(fù)彎曲試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為15 ℃，荷載波形為半正弦波，為了加快試驗(yàn)速度，在相鄰波形之間不插入間歇時(shí)間。為避免長時(shí)間的試驗(yàn)可能出現(xiàn)的試件脫空現(xiàn)象，從而對試件產(chǎn)生沖擊作用，正弦波荷載的最小荷載取為最大荷載的2%。在正式試驗(yàn)前，以最小荷載對試件進(jìn)行預(yù)壓10 s，使壓頭與試件間接觸良好。

對于室內(nèi)小型試驗(yàn)，車輪荷載的加載時(shí)間可根據(jù)VanderPoel的公式來確定t=1/(2πf)，選擇加載頻率為10 Hz，加載時(shí)間為t=1/(2πf)=0.016 s。本文的疲勞試驗(yàn)為控制應(yīng)變水平的瀝青混合料四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，針對不同的鋪裝方案，應(yīng)變水平為400 με～1 200 με之間。

2.2 試件成型

按規(guī)范規(guī)定的輪碾法壓實(shí)成型40 cm×30 cm×5 cm鋪裝結(jié)構(gòu)下層試件，冷卻后在試件表面涂刷粘結(jié)層，再快速成型40 cm×30 cm×5 cm鋪裝結(jié)構(gòu)上層試件，待試塊冷卻、脫模后，采用雙面鋸切割成復(fù)合梁標(biāo)準(zhǔn)試件，梁尺寸為38.1 cm×6.35 cm×5 cm(上下層厚度比例1∶1)。試件按照常規(guī)的三分點(diǎn)加載，兩端支點(diǎn)的距離是35.6 cm。試驗(yàn)前放到UTM試驗(yàn)機(jī)中，在試驗(yàn)溫度下養(yǎng)護(hù)6 h。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

能耗指標(biāo)及疲勞壽命分析。根據(jù)已有研究成果[5]可知，應(yīng)變水平與疲勞壽命具有良好的相關(guān)性，在雙對數(shù)坐標(biāo)下表現(xiàn)為良好的線性關(guān)系，通?？梢杂梅匠蘬gNf=k-nlgε來表示。類似地，有關(guān)研究顯示[6]，不同瀝青混合料累積能耗與應(yīng)變同樣表現(xiàn)為良好的雙對數(shù)線性相關(guān)性，可用方程lgW=k-nlgε表示，累積能耗隨著應(yīng)變的增加而減少。

各疲勞壽命方程和能耗疲勞方程曲線分別如圖1，圖2所示。

由圖1,圖2可知，使用環(huán)氧瀝青混合料的結(jié)構(gòu)疲勞壽命和累積能耗要明顯高于其他類型瀝青混合料結(jié)構(gòu)。對于結(jié)構(gòu)D,E,F來說，結(jié)構(gòu)E疲勞壽命及累積能耗要明顯高于結(jié)構(gòu)D和F，而D略優(yōu)于F。對于結(jié)構(gòu)A,B,C來說，在較高應(yīng)變條件下，結(jié)構(gòu)C疲勞壽命和累積能耗要高于A，而A高于B；在較低應(yīng)變情況下，A與C相差不大，而B要略差；因而A,B,C三種結(jié)構(gòu)中，C的疲勞性能最佳。路面結(jié)構(gòu)G疲勞壽命整體要低于所提出的6種結(jié)構(gòu)方案。

3 復(fù)合結(jié)構(gòu)動態(tài)蠕變試驗(yàn)

復(fù)合結(jié)構(gòu)動態(tài)蠕變試件需由兩層混合料試件粘貼而成，因此需要首先用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀分別成型直徑150 mm，高約165 mm的上下層瀝青混合料試件，鉆芯取樣后切片，然后使用粘結(jié)層材料將兩層試件粘結(jié)而成。試件制備過程分為四部分：壓實(shí)→鉆芯→切割→粘結(jié)。

本試驗(yàn)采用加載力為0.7 MPa，加載波形為半正弦波，加載周期為1 s，其中包括0.1 s的半正弦壓力荷載和0.9 s的間歇時(shí)間，圍壓為138 kPa。試驗(yàn)終止條件為荷載作用次數(shù)達(dá)到10 000次或是試件軸向變形量達(dá)到5%。本試驗(yàn)的溫度定為60 ℃。

本文擬采用流變次數(shù)Fn、累積總應(yīng)變和第二階段累積應(yīng)變斜率k值來評價(jià)七種復(fù)合結(jié)構(gòu)的高溫性能。七種復(fù)合結(jié)構(gòu)的動態(tài)蠕變試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

試驗(yàn)結(jié)果分析如下：

1)累積應(yīng)變。各結(jié)構(gòu)累積微應(yīng)變?nèi)鐖D4所示。

若按累積應(yīng)變的大小來對各復(fù)合結(jié)構(gòu)的抗高溫變形能力進(jìn)行排序，累積應(yīng)變越大則抗變形能力越差，故高溫性能從優(yōu)到劣依次為：F，D，B，E，A，C，G。A，B，C三種方案之中，結(jié)構(gòu)B最優(yōu)；D，E，F(xiàn)三種方案中，結(jié)構(gòu)F高溫性能最佳。

2)累積應(yīng)變斜率k值。由典型蠕變試驗(yàn)三階段分析圖可知，在第二階段永久應(yīng)變的累積應(yīng)變斜率是恒定的。有關(guān)研究認(rèn)為[7,8]，累積應(yīng)變與荷載作用次數(shù)關(guān)系圖中第二階段累積應(yīng)變斜率k值可以用來評價(jià)瀝青混合料抗永久變形能力。斜率值越大，瀝青混合料在荷載作用下產(chǎn)生永久變形的速度越快，反之則速度越慢。圖5為七種混合料結(jié)構(gòu)在動態(tài)蠕變試驗(yàn)中第二階段曲線的斜率k值比較。

考慮到試件成型過程中壓實(shí)程度有所差異，因而在動態(tài)蠕變試驗(yàn)進(jìn)行過程中，尤其是初期階段，試件會經(jīng)受一個(gè)壓密過程從而產(chǎn)生一部分應(yīng)變包含在蠕變試驗(yàn)中的累積總應(yīng)變中，因而若遇到累積應(yīng)變較為接近的混合料，難以依靠累積應(yīng)變來準(zhǔn)確判斷高溫性能的優(yōu)劣。而k值則能很好地體現(xiàn)混合料高溫抗車轍的能力，相對于累積應(yīng)變來說更直觀、更精確。由圖5可知，按第二階段累積應(yīng)變斜率k值來對七種結(jié)構(gòu)的高溫性能進(jìn)行排序，k值越小則高溫性能越好，則有：F>D>B>E>A>C>G。與上述按照累積應(yīng)變評價(jià)的結(jié)論完全一致。

4 結(jié)語

1)在應(yīng)變控制疲勞試驗(yàn)中，雙對數(shù)坐標(biāo)下疲勞壽命與應(yīng)變、累積能耗與應(yīng)變之間均具有很好的線性相關(guān)性，故疲勞壽命與累積能耗均可以作為評價(jià)鋪裝層結(jié)構(gòu)疲勞性能的有效指標(biāo)，并且這兩者之間也存在很好的線性相關(guān)性。通過這兩個(gè)指標(biāo)對各結(jié)構(gòu)疲勞性能進(jìn)行評價(jià)得出的結(jié)果完全一致：在A,B,C三種結(jié)構(gòu)中，C最佳；在D,E,F三種結(jié)構(gòu)中，E疲勞性能最佳。

2)在復(fù)合結(jié)構(gòu)動態(tài)蠕變試驗(yàn)中，可采用累積總應(yīng)變和蠕變曲線第二階段累積應(yīng)變斜率來評價(jià)各結(jié)構(gòu)的高溫抗變形能力，并且兩者評價(jià)結(jié)果一致，得到各復(fù)合結(jié)構(gòu)的高溫性能比較結(jié)果為：F>D>B>E>A>C>G。

3)采用環(huán)氧瀝青混合料的鋪裝結(jié)構(gòu)與其他結(jié)構(gòu)相比，在疲勞性能和高溫性能方面具有明顯優(yōu)勢，因而在大型水泥混凝土橋梁橋面鋪裝材料中加入環(huán)氧瀝青混合料鋪裝層可大大提高橋面鋪裝耐久性。

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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，工程師

U443.33

A