張曉靖，邱延峻，張曉華

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BRT?？空句摌蛎鏋r青鋪裝病害處治研究

張曉靖1, 2，邱延峻1，張曉華3

(1. 西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031；2. 四川高速公路建設(shè)開發(fā)總公司，四川 成都 610041；3. 四川省交通廳公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610041)

正交異性鋼箱梁可工廠預(yù)制、現(xiàn)場(chǎng)拼裝，對(duì)交通干擾小，但鋼箱梁瀝青鋪裝耐久性難以解決。為解決BRT?？空句摌蛎鏋r青鋪裝早期病害，提出應(yīng)急和長(zhǎng)效2種處治方案。應(yīng)急方案采用兼具優(yōu)異高溫穩(wěn)定性和低溫柔韌性的雙組分聚合物材料修補(bǔ)，經(jīng)過(guò)約兩年的運(yùn)營(yíng)，未再發(fā)生病害，使用效果良好。長(zhǎng)效方案突破用三大指標(biāo)評(píng)價(jià)瀝青性能的傳統(tǒng)，運(yùn)用頻率掃描，蠕變恢復(fù)試驗(yàn)等手段，配制特種改性瀝青，通過(guò)優(yōu)選瀝青、外摻劑組合，研發(fā)使用傳統(tǒng)施工設(shè)備和工藝的改進(jìn)型SMA，能滿足高溫穩(wěn)定性和低溫柔韌性的要求。

BRT?？空?；鋼橋面鋪裝；正交異性；頻率掃描；蠕變

國(guó)內(nèi)外對(duì)鋼橋面瀝青鋪裝進(jìn)行了大量研究和應(yīng)用[1?12]，鋼橋面從鋪裝材料和施工方法角度可分典型4類：1) 澆注式瀝青混凝土(簡(jiǎn)稱GA)+改性瀝青瑪蹄脂碎石(簡(jiǎn)稱SMA)；2) 環(huán)氧瀝青混凝土(簡(jiǎn)稱EA)；3) 單層瑪蹄脂碎石(簡(jiǎn)稱MA)；4) 雙層改性瀝青瑪蹄脂SMA。目前城市內(nèi)的鋼橋面鋪裝研究較少。成都市首條BRT二環(huán)路高架橋通車不久，?？繀^(qū)域定點(diǎn)停車位置的鋼橋面瀝青鋪裝局部出現(xiàn)變形病害，采用傳統(tǒng)熱拌工藝無(wú)法滿足BRT運(yùn)營(yíng)安全。鑒于城市鋼橋面瀝青鋪裝施工運(yùn)營(yíng)與公路存在很大差異，結(jié)合成都市BRT?？空句摌蛎鏋r青鋪裝特點(diǎn)和項(xiàng)目特殊要求，在室內(nèi)大量試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用雙組分聚合物材料作為應(yīng)急處治措施，同時(shí)對(duì)現(xiàn)有瀝青瑪蹄脂碎石SMA進(jìn)行改進(jìn)作為長(zhǎng)效處治方案，可為類似工程提供參考。

1 工程概況

成都市首條BRT沿現(xiàn)有二環(huán)路，全線采用高架方案，為緩解交通壓力，減少交通干擾，縮短建設(shè)工期，在跨越較大路口、異性及小半徑匝道路段采用鋼箱梁，部分鋼箱梁位于?？空緟^(qū)域。

1.1 原鋪裝結(jié)構(gòu)

高彈改性SMA-10(35 mm)＋聚合物高黏改性瀝青澆注筑式瀝青混凝土GA-10(35 mm)＋甲基丙烯酸樹脂防水黏結(jié)層。

1.2 成都市BRT系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)特點(diǎn)

1) 車輛采用雙節(jié)鉸接車，參數(shù)見表1，表現(xiàn)為“長(zhǎng)、大、重”的特點(diǎn)。

表1 BRT車輛與普通公交車的參數(shù)

2) 成都BRT運(yùn)營(yíng)時(shí)間為06:00~23:00，高峰期1.5 min一班，平均3 min一班，發(fā)車密度大。

3) BRT為專用車道，交通渠化，荷載作用位置集中。

4) BRT車輛定點(diǎn)?？?，每次停車與啟動(dòng)在固定位置，頻繁剎車、啟動(dòng)使鋼橋面瀝青鋪裝承受較大的剪力。

2 BRT停車站路面病害分析

2.1 鋪裝病害特點(diǎn)

成都市BRT開通不久，停靠站定點(diǎn)停車位置的鋼箱梁瀝青鋪裝出現(xiàn)“W”型盆狀變形，較短時(shí)間內(nèi)發(fā)展為嚴(yán)重的推移和坑槽等病害，如圖1~2所示。

對(duì)多個(gè)BRT?？空緟^(qū)域鋼橋面瀝青鋪裝病害進(jìn)行了跟蹤調(diào)研，病害具有以下特點(diǎn)：

1) 鋪裝層的破損程度表現(xiàn)為后軸＞中軸＞ 前軸。

2) 遠(yuǎn)離站臺(tái)側(cè)車轍(28 mm)比靠近站臺(tái)側(cè)(25 mm)嚴(yán)重。

3) 病害首先發(fā)生在停靠站鋼箱梁瀝青鋪裝定點(diǎn)停車車輪附近位置，表現(xiàn)為典型的“W”形失穩(wěn)型車轍，隨著時(shí)間推移，逐漸擴(kuò)展到整個(gè)停靠站區(qū)域，同時(shí)病害加重，逐步出現(xiàn)大面積推移及坑槽。

4) BRT車道停靠站以外區(qū)域及同一橫斷面其他車道無(wú)病害。

圖1 嚴(yán)重推移出現(xiàn)坑槽

圖2 停車位盆狀凹陷

2.2 病害原因分析

為分析病害成因，在高溫季節(jié)實(shí)測(cè)了不同時(shí)間段BRT車道鋼橋面瀝青鋪裝平均溫度變化(見圖3)，測(cè)試位置分別為路表、路表以下3.5 cm、鋼板頂面、路表以上20 cm。根據(jù)溫度變化曲線可以看出，典型高溫時(shí)段，鋼橋面鋪裝層與實(shí)際氣溫相差達(dá)20 ℃，橋面鋪裝層最高溫度接近65 ℃。

基于病害特征和溫度實(shí)測(cè)結(jié)果，認(rèn)為BRT?？空句摌蛎鏋r青鋪裝出現(xiàn)早期病害是外因與內(nèi)因耦合作用的結(jié)果，如表2所示。BRT?？空静煌诔Ｒ?guī)公交站的運(yùn)營(yíng)環(huán)境，鋼橋面特殊的受力特性，對(duì)瀝青路面材料、結(jié)構(gòu)提出更高的性能要求。

圖3 二環(huán)路BRT專用車路表溫度圖

表2 成都BRT?？空句摌蛎鏋r青鋪裝病害原因

3 應(yīng)急處治方案

3.1 制約因素

成都BRT開通不久就出現(xiàn)病害，且主要位于?？空径c(diǎn)停車的局部區(qū)域，不宜進(jìn)行大面積處治，初期擬采用應(yīng)急處治方案，方案選擇受多種因素的制約，見表3。

表3 應(yīng)急處治方案制約因素

3.2 應(yīng)急修補(bǔ)材料選擇

BRT?？空径c(diǎn)停車位置的鋼橋面瀝青鋪裝承受較大的剪應(yīng)力和壓應(yīng)力，要求材料兼具優(yōu)異的高溫性能、柔韌性、與鋼板的變形隨從性，以及與原路面良好的黏結(jié)性能。在大量試驗(yàn)的基礎(chǔ)上優(yōu)選出自密實(shí)彈性混凝土，該材料含有3個(gè)組分，其中A和B為聚氨酯，C組分為特殊骨料，具體工藝為：將B組分倒入桶中攪拌約30 s。再將A組分倒入混合攪拌約至完全混合，最后將C組分緩慢地加入，并上下移動(dòng)及順時(shí)針方向攪拌約3 min至所有骨料徹底攪拌均勻。其中聚氨酯組分A:B=1:2，A+B組分在混凝土中摻量為17%。

1) 優(yōu)化后的彈性混凝土試驗(yàn)

結(jié)果如表4所示，結(jié)果表明：彈性混凝土動(dòng)穩(wěn)定度遠(yuǎn)高于常規(guī)瀝青混凝土，幾乎不變形，表明其具有較好的高溫穩(wěn)定性；低溫彎曲應(yīng)變值接近常規(guī)瀝青混凝土的2倍，表明同時(shí)具備較好低溫性能。

2) 拉拔及抗剪試驗(yàn)

彈性混凝土與鋼板、周邊瀝青混合料的黏結(jié)是修補(bǔ)的薄弱環(huán)節(jié)，針對(duì)不同黏結(jié)材料(分別記為Ta(甲基丙烯酸樹脂防水黏層)、Tb(環(huán)氧瀝青黏層油))在不同溫度(室溫和60 ℃)下進(jìn)行了大量拉拔和剪切試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖4~5所示。

圖4 拉拔強(qiáng)度

圖5 剪切強(qiáng)度

圖4~5表明，室溫條件下Ta黏結(jié)材料拉拔強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度較Tb小，且在60 ℃高溫條件下，Ta黏結(jié)材料強(qiáng)度衰減非常明顯，剪切強(qiáng)度更加顯著。因此，為提高新舊界面及鋼板黏結(jié)，應(yīng)在原鋼箱梁橋面防水黏結(jié)層上、周邊瀝青混合料均勻涂布黏結(jié)材料Tb，并且在Tb未固化前及時(shí)澆注自密實(shí)彈性混凝土，以確保施工質(zhì)量。

3.3 處治效果

運(yùn)營(yíng)約2年，修補(bǔ)路段未再發(fā)生變形及松散病害，平均累積豎向變形為2~3 mm，總體效果較好，見圖6，經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的自密實(shí)彈性混凝土可作為修補(bǔ)鋼箱梁瀝青鋪裝病害的應(yīng)急處治措施。

圖6 2年后效果

4 長(zhǎng)效處治方案

自密實(shí)彈性混凝土造價(jià)高，模量與相鄰瀝青混合料存在差異，運(yùn)營(yíng)較長(zhǎng)時(shí)間后，存在界面的薄弱處再次出現(xiàn)病害的隱患，不宜用于新建及大面積維修。GA與MA的高溫穩(wěn)定性仍無(wú)法滿足BRT?？空緦?duì)鋪裝性能的需要；而EA需要特種材料，對(duì)施工要求苛刻，養(yǎng)護(hù)時(shí)間長(zhǎng)(一般在10 d以上)，無(wú)法滿足城市交通需求。針對(duì)城市鋼橋面新建和養(yǎng)護(hù)的特殊需要，在不過(guò)多增加造價(jià)，采用現(xiàn)有施工設(shè)備、養(yǎng)生時(shí)間短的條件下，采用復(fù)合改性技術(shù)，研制了高溫穩(wěn)定性及低溫柔韌性均優(yōu)異的改進(jìn)型瀝青瑪蹄脂碎石SMAP(簡(jiǎn)稱SMAP)進(jìn)行處治。

4.1 瀝青配制

表5表明，僅從針入度、延度、軟化點(diǎn)3大指標(biāo)進(jìn)行比較，樣品A，B和C無(wú)明顯差異，略優(yōu)于樣品D；但從SHRP指標(biāo)看，老化前后樣品A的車轍因子明顯優(yōu)于樣品B，C和D，表明樣品A具有較好的高溫穩(wěn)定性。同時(shí)樣品A的蠕變勁度明顯占優(yōu)，表明樣品A同時(shí)具有較好的低溫性能。

表5 改性瀝青常規(guī)指標(biāo)和SHRP指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

瀝青性能是影響SMAP的關(guān)鍵因素之一，在常規(guī)指標(biāo)的基礎(chǔ)上，試驗(yàn)增測(cè)了瀝青的SHRP指標(biāo)、70 ℃頻率掃描、70 ℃蠕變及蠕變恢復(fù)試驗(yàn)[13]。4種配制改性瀝青試驗(yàn)結(jié)果如表5、圖7~8所示(A，B，C和D代表配制的4種改性瀝青(A—澆注式瀝青；B—高性能改性瀝青；C—高模量改性瀝青；D—普通SBS改性瀝青))

圖7 改性瀝青頻率掃描圖

圖8 10個(gè)循環(huán)蠕變及累積應(yīng)變

圖7表明，4種改性瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量均隨著頻率的減小而降低，但改性瀝青A在低頻率段(0.01~0.1 Hz)斜率平緩，表明它在低速時(shí)衰減不明顯，對(duì)荷載作用時(shí)間敏感性更小，抗剪切變形能力顯著優(yōu)于其他3種改性瀝青。

圖8表明，單循環(huán)在1 s的加載階段表現(xiàn)出明顯的非線性，9 s卸載階段大部分變形得到恢復(fù)，但仍有殘余變形，可見這4種瀝青都有顯著的延遲彈性；從10個(gè)加卸載循環(huán)的累積應(yīng)變來(lái)看，累積應(yīng)變依次變大的順序?yàn)锳，B，C和D，表明A抵抗變形的能力最強(qiáng)。

通過(guò)大量試驗(yàn)分析可知，改性瀝青A和B高溫性能明顯優(yōu)于C和D，SMAP選用改性瀝青A和B。

4.2 外摻劑優(yōu)選

用高溫性能優(yōu)異的改性瀝青，易導(dǎo)致低溫柔韌性下降，而BRT?？空緟^(qū)域鋼橋面瀝青鋪裝不僅需要優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性，同時(shí)需要良好的變形性能。為提高變形性能，優(yōu)選了外摻劑E和F(E—抗車轍；F—高黏改性劑)，從而與瀝青A和B形成多種組合，并對(duì)其相關(guān)性能進(jìn)行測(cè)試。

4.3 性能驗(yàn)證

針對(duì)多種材料組合，室內(nèi)進(jìn)行了車轍試驗(yàn)(70 ℃)和低溫彎曲試驗(yàn)(?10 ℃)，試驗(yàn)結(jié)果見圖9~10。

圖9 瀝青混合料70 ℃動(dòng)穩(wěn)定度

圖10 瀝青混合料低溫彎曲

注：1. A，B代表改性瀝青A，B；E，F(xiàn)代表外摻劑E，F(xiàn)，E摻加量為瀝青混合料的0.5%，F(xiàn)摻加量為瀝青的10%；2. 括號(hào)內(nèi)數(shù)字為油石比

圖9~10表明，改進(jìn)型瀝青瑪蹄脂碎石(SMAP)具有以下特點(diǎn)：

1) 采用瀝青A拌制的改進(jìn)型SMA(簡(jiǎn)記SMAP (A))高溫穩(wěn)定性明顯優(yōu)于采用瀝青B拌制的改進(jìn)型SMA(簡(jiǎn)記(SMAP(B))，同時(shí)SMAP(A)的低溫彎曲應(yīng)變略低于SMAP(B)。

2) 無(wú)論SMAP(A)，還是SMAP(B)加入E后，高溫穩(wěn)定性明顯提高，但低溫彎曲應(yīng)變均有不同程度的降低，均小于2 500 με，SMAP(A)甚至低于 2 000 με。

3) 無(wú)論SMAP(A)，還是SMAP(B)加入F后，低溫彎曲應(yīng)變均有顯著改善，具有良好的低溫柔韌性。

可見，采用改性瀝青A及外摻劑F拌制的改進(jìn)型SMAP(A)兼具優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性及柔韌性，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)SMA，室內(nèi)試驗(yàn)表明可作為BRT?？空拘陆ɑ虼竺娣e維修的長(zhǎng)效方案。

5 結(jié)論

1) 隨著瀝青改性技術(shù)的發(fā)展，針入度、軟化點(diǎn)、延度三大常規(guī)指標(biāo)已無(wú)法客觀、準(zhǔn)確評(píng)價(jià)改性瀝青的性能，頻率掃描、蠕變及恢復(fù)試驗(yàn)可較好甄別改性瀝青的性能，多種方法表明瀝青A和B具有較好的高溫穩(wěn)定性及變形恢復(fù)性能。

2) 優(yōu)選的自密實(shí)混凝土具有優(yōu)良的高溫穩(wěn)定性及低溫柔韌性，施工工藝簡(jiǎn)單，封道時(shí)間短，經(jīng)過(guò)約兩年的運(yùn)營(yíng)無(wú)病害，表明能夠滿足BRT停車區(qū)鋼橋面應(yīng)急修補(bǔ)的需要。

3) 利用復(fù)合改性技術(shù)，采用改性瀝青A及外摻劑F拌制的改進(jìn)型瀝青瑪蹄脂碎石SMAP(A)，具有優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性和柔韌性，路用性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)SMA；同時(shí)，SMAP(A)采用傳統(tǒng)施工設(shè)備及工藝，性價(jià)比高，室內(nèi)試驗(yàn)表明SMAP(A)可作為BRT?？空句摌蛎鏋r青路面新建或大面積修補(bǔ)的長(zhǎng)效方案。

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(編輯 涂鵬)

Treatment of steel deck pavement distresses at BRT bus station

ZHANG Xiaojing1, 2,QIU Yanjun1,ZHANG Xiaohua3

(1. Civil Engineering School ofSouthwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 2. Sichuan Expressway Construction & Development Corporation, Chengdu 610041, China; 3. Sichuan Provincial Transport Department Highway Planning, Survey, Design and Research Institute, Chengdu 610041, China)

Orthotropic steel deck has very limited impact on traffic and it could be prefabricated and put together on site, but the durability of steel deck asphalt pavement is a main problem that confined its further application. To deal with these distresses, an emergency repairing method and a long-term rehabilitation approach were proposed in this study. In the emergency method, a newly developed polymer material which has both high temperature stability and low temperature flexibility was applied to fix the distresses. This material performed well after almost two years of service and no newly distresses were found during that period. In the long-term approach, overstepping traditional methods, this study introduced frequency scanning, creep recovery test, etc. to evaluate asphalt property. Combined with orthogonal tests, an advanced modified asphalt binder and an improved cost effective SMA mixture with both high temperature stability and low temperature flexibility were developed.

BRT bus stattion; steel deck asphalt pavement; orthotropic; frequency sweep; creep

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2018.09.012

U416.26

A

1672 ? 7029(2018)09 ? 2263 ? 07

2017?06?16

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51308477，U1534203)

張曉靖(1983?)，男，江蘇大豐人，高級(jí)工程師，博士，從事路面材料及結(jié)構(gòu)研究；E?mail：249921359@qq.com