王 民,尚 飛,茍舉瓊

(1.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司,重慶 400074； 2.重慶市智翔鋪道技術(shù)工程有限公司,重慶 401336)

引言

正交異性鋼橋面系結(jié)構(gòu)以自重輕、跨度大、抗風(fēng)能力強(qiáng)、施工便捷等優(yōu)點(diǎn)，在公路大跨徑橋梁及城市高架橋中廣泛應(yīng)用，所占比例逐日提升[1]。雙層鐵路橋或公鐵合建橋成為大跨徑橋梁規(guī)劃的主流形式，而鋼結(jié)構(gòu)橋，以其獨(dú)特優(yōu)勢，成為最佳選擇。近5年，我國已有十余座建設(shè)和規(guī)劃中的鐵路橋采用鋼橋面結(jié)構(gòu)[2-3]。

鐵路保護(hù)層是鐵路鋼橋的重要組成部分。保護(hù)層在使用過程中長期承受疲勞荷載作用往往會出現(xiàn)不同程度的裂縫、破碎等破壞現(xiàn)象。保護(hù)層一旦開裂，便會造成防水層的破壞，進(jìn)而直接影響橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性。而鐵路網(wǎng)特殊通行條件，對于鐵路鋼橋面保護(hù)層耐久性提出更高的要求，其質(zhì)量優(yōu)劣直接影響到列車通行安全及鋼結(jié)構(gòu)使用耐久性。

目前，鐵路保護(hù)層較多采用以細(xì)石纖維混凝土為代表的剛性防水保護(hù)層，由于材料自身的特點(diǎn)，其抗拉性能和變形協(xié)調(diào)能力較差，較易產(chǎn)生裂縫類病害而使水分侵入到鋼橋面板[4-5]。相比之下，澆注式瀝青混合料作為柔性保護(hù)層具有以下優(yōu)點(diǎn)：①防水性能較為優(yōu)越；②能適應(yīng)鋼橋面板的反復(fù)變形，追從性較好，抗疲勞性能優(yōu)越；③具有足夠的強(qiáng)度與穩(wěn)定性[6-8]。故本文對澆注式瀝青混合料作為鋼橋面保護(hù)層的特性進(jìn)行分析研究。

1 原材料及試驗(yàn)方案

1.1 原材料

澆注式瀝青混合料GA10用膠結(jié)料采用聚合物改性瀝青[9-11]，針入度為25.0(25 ℃，0.1 mm)，軟化點(diǎn)95.5 ℃，5 ℃延度11.9 cm；集料采用玄武巖集料、石灰石礦粉。

細(xì)石纖維水泥混凝土用水泥采用強(qiáng)度等級42.5級的標(biāo)準(zhǔn)硅酸鹽水泥[12-13]，集料采用玄武巖集料和標(biāo)準(zhǔn)砂，纖維采用聚丙烯晴纖維。

1.2 試驗(yàn)方案

根據(jù)鐵路鋼橋鋪裝保護(hù)層的服役環(huán)境，有針對性地對兩種材料進(jìn)行試驗(yàn)研究，以對比兩者性能，試驗(yàn)方案及方法見表1。

表1 鐵路鋼橋鋪裝保護(hù)層試驗(yàn)方案

2 試驗(yàn)結(jié)果對比分析

2.1 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

澆注式瀝青混合料成形3 d后進(jìn)行測試，細(xì)石纖維水泥混凝土養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行測試，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 材料抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

從表2可以看出，兩種材料的立方體抗壓強(qiáng)度中，水泥混凝土高于澆注式瀝青混合料。根據(jù)鐵路特種活載綜合工況的條件下鐵路保護(hù)層承受的荷載數(shù)據(jù)，列車通過時(shí)通過道砟傳遞到保護(hù)層的正應(yīng)力僅為0.16 MPa[17]，所以作為保護(hù)層材料，剛性保護(hù)層與柔性保護(hù)層均能夠滿足使用要求。

2.2 彎曲變形試驗(yàn)

彎曲變形性能測試采用瀝青混合料小梁試件，尺寸為300 mm×50 mm×63.5 mm，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，溫度采用20 ℃。試驗(yàn)完畢后計(jì)算其最大應(yīng)力、應(yīng)變值，計(jì)算其彎曲勁度模量。

表3 三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)結(jié)果

作為柔性保護(hù)層材料的澆注式瀝青混合料破壞時(shí)的最大力為5 203 N，大于細(xì)石纖維混凝土的4 698 N，由于其勁度模量較小，所以撓度位移達(dá)到了2.22 mm，表現(xiàn)出了優(yōu)異的變形能力。細(xì)石纖維混凝土試件為脆性斷裂損傷，而澆注式瀝青混合料試件則為彎曲裂紋損傷，更適合對于變形協(xié)調(diào)性能要求極高的鐵路鋼橋鋪裝系統(tǒng)。

2.3 三點(diǎn)加載疲勞試驗(yàn)

為了真實(shí)模擬橋面鋪裝服役過程，采用UTM試驗(yàn)系統(tǒng)，以0.5的應(yīng)力比、10Hz的加載頻率，進(jìn)行20 ℃三點(diǎn)加載彎曲疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 組合結(jié)構(gòu)混合料疲勞試驗(yàn)結(jié)果

從表4可以看出，細(xì)石纖維水泥混凝土的抗疲勞性能遠(yuǎn)差于另一種材料；在相同應(yīng)力水平下，澆注式瀝青混合料的抗疲勞次數(shù)達(dá)到了17.3萬次以上，而纖維水泥混凝土只有不到100次，即發(fā)生開裂。這說明相較于剛性保護(hù)層材料，柔性保護(hù)層材料更加適合于對于抗疲勞性能要求更為苛刻的鐵路鋼橋面保護(hù)層。

2.4 抗?jié)B試驗(yàn)

細(xì)石纖維混凝土和澆注式瀝青混凝土試件、抗?jié)B試驗(yàn)器如圖1所示。澆注式瀝青混合料成型3 d后進(jìn)行測試，細(xì)石纖維水泥混凝土養(yǎng)護(hù)28 d，試驗(yàn)結(jié)果見表5。

圖1 抗?jié)B試驗(yàn)器

表5 抗?jié)B性能試驗(yàn)結(jié)果

從表5可以看出，兩種材料的抗?jié)B性能均能達(dá)到《鐵路混凝土橋面防水層技術(shù)條件》(TB/T 2965—2011)中規(guī)定的≥P20的指標(biāo)。其中剛性保護(hù)層材料細(xì)石纖維水泥混凝土抗?jié)B等級剛好達(dá)標(biāo)，澆注式瀝青混合料防水性能明顯優(yōu)于剛性保護(hù)層，這也是源于該混合料致密的組成結(jié)構(gòu)。

2.5 抗凍試驗(yàn)(圖2)

采用水泥混凝土快凍法研究澆注式瀝青混凝土、水泥纖維混凝土抵抗水和負(fù)溫共同反復(fù)作用的能力，以動彈性模量、質(zhì)量損失率和相對耐久性指數(shù)作為評定指標(biāo)，材料抗凍性試驗(yàn)結(jié)果見表6。

圖2 共振儀測試動彈性模量

表6 材料抗凍性試驗(yàn)結(jié)果

由表6可以看出，在相同凍融循環(huán)次數(shù)下，依照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》中的水泥混凝土快凍法，從動彈性模量、質(zhì)量損失率和相對耐久性指數(shù)指標(biāo)來看，澆注式瀝青混合料完全滿足要求，并優(yōu)于細(xì)石纖維混凝土，這更利于保障鐵路鋼橋鋪裝系統(tǒng)的使用耐久性。

2.6 抗道砟刺破試驗(yàn)(圖3)

該試驗(yàn)采用UTM-100系統(tǒng)，將循環(huán)荷載通過鐵路道砟施加在鋪裝保護(hù)層上，從而模擬鐵路鋼橋上保護(hù)層的實(shí)際受力情況，驗(yàn)證保護(hù)層是否能夠經(jīng)受鐵路道砟長期的壓刺作用。試驗(yàn)加載荷載8.8 kN，相當(dāng)于道砟與鋪裝層平均壓強(qiáng)0.5 MPa，遠(yuǎn)高于實(shí)際0.2 MPa。

圖3 抗道砟刺破試驗(yàn)示意

鑒于所采用的結(jié)構(gòu)為道砟+鋪裝層，加載前期位移變化主要是道砟自身壓密與少量壓碎所致[18]，因此，通過觀測試件表觀形態(tài)來評價(jià)道砟對保護(hù)層的抗刺破能力，試驗(yàn)結(jié)果見表7。

表7 抗道砟刺破能力疲勞試驗(yàn)結(jié)果

從表7可以看出，在經(jīng)歷了疲勞加載后，澆注式瀝青混凝土表面出現(xiàn)刺痕，刺入深度約1 mm，兩種材料均無刺裂。

3 結(jié)論

鐵路鋼橋面的特殊使用環(huán)境，對鋪裝材料疲勞耐久性、密水性及協(xié)調(diào)變形能力的要求很高[19-20]，通過對細(xì)石纖維混凝土、澆注式瀝青混合料的各項(xiàng)材料性能進(jìn)行試驗(yàn)對比，結(jié)果表明澆注式瀝青混合料在多項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)上均優(yōu)于細(xì)石纖維混凝土。

(1)澆注式瀝青混合料作為柔性保護(hù)層在抗壓強(qiáng)度上存在劣勢，但其本身強(qiáng)度完全可以滿足服役過程中抗道砟壓力刺破能力要求。

(2)澆注式瀝青混凝土保護(hù)層材料疲勞耐久性、密水性及協(xié)調(diào)變形能力具有明顯優(yōu)勢，與聚合物水泥混凝土相比，疲勞壽命極大提高，密水性提高50%。

(3)澆注式瀝青混合料具有比細(xì)石纖維水泥混凝土更優(yōu)的綜合使用性能及更低的維護(hù)成本。

澆注式瀝青混合料體系結(jié)構(gòu)(35 mm厚澆注式GA+35 mm厚瀝青混合料AC)已于2013年成功應(yīng)用于安徽銅陵長江公鐵兩用橋，目前運(yùn)營使用狀況良好。