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探索山区公路水泥混凝土桥面沥青铺装关键技术研究pdf

发布时间:2019-06-19 01:36 来源:未知 编辑:admin

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  长安大学 硕士学位论文 山区公路水泥混凝土桥面沥青铺装关键技术研究 姓名:杨新红 申请学位级别:硕士 专业:道路与铁道工程 指导教师:张争奇 20091027 摘 要 我国山区面积广大,山区面积占全国总面积的2/3,受复杂地形、地貌和地质等条 件限制,山区高速公路在进行设计时,为了适应路线线形布设的需要,桥梁构造物所占 比例越来越大。因此,桥面铺装层质量的好坏,直接关系到整个山区高速公路的建设质 量。 近年来,桥面铺装层出现的车辙、开裂、坑槽和松散等早期病害,已引起了工程界 的高度重视。由于桥面铺装层受力比较复杂,工作环境特殊,因而对其强度、柔韧性、 高温稳定性、疲劳耐久性和防水性等均有较高的要求。 本文主要针对水泥混凝土箱梁连续桥桥面铺装为研究对象,以沥青铺装层为主,结 合目前国内外桥面铺装层使用现状,依托西汉高速公路桥面铺装工程,对山区高速水泥 混凝土桥面铺装层的典型病害成因分析、结构力学分析、铺装层与防水粘结层结构组合、 材料及路用性能、施工工艺和施工质量控制技术展开系统研究,对今后山区高速公路水 泥混凝土桥面铺装层设计、施工和质量控制有重要的现实意义。 关键词:山区公路、水泥混凝土、桥面沥青铺装、防水粘结层、聚酯纤维、有限元、力学分析 Abstract for Mountainousareaswhichaccount2/3oftheChinastotaJareasare verylarge.When mountainous are are to freewaysdesigned,theysubjectedcomplextopography, and conditions.Theof structuresis in geomorphologygeology proportionbridge increasing ordertomeettheroute deck is relatedto pavementquality linetype.Therefore,the directly the oftheentiremountainousconstruction. quality freeways Inrecent were diseasessuchas holesandsurface years,thereearly rutting,cracks,pot indeck hadarousedattention.The of looseningpavementlayers,which great requirements and are strength,flexibility,hi曲temperaturestability,fatiguedurabilitywaterproofnessvery duetothedeck forcesand workenvironment. high pavementlayercomplex special The whichare main ofthisthesisarethedeck cementconcretebox topics pavement continuous onthe thesisreliesonthe girder bridgesfocusingasphaltpavementlayer.The deck of combined、历ththecurrentsituations engineeringXi’an—Hanzhongfreeway pavement fordeck athomeandabroad.Thecausesfor pavement typicaldise.ases,structuralmechanics, structurecombinationof and andcohesive and layerwaterproof layer,materials pavement andconstructioncontrol pavementperformance,constructiontechniques quality techniques werestudied forthedeck ofcementconcreteinmountainous systematically pavement studiedresultshave forthe freeway.The importantpracticalsignificancedesign,construction and controlofdeck ofcementconcreteinmountainousinthe quality pavement freeway future. words:mountainous and Key concrete,deck highway,cementasphaltpavement,waterproof cohesive fiber,fmiteelement,mechanical layer,polyester analysis 长安大学硕士学位论文 第一章弟一早 殖绪 下匕论 1.1问题的提出 我国幅员辽阔,地形复杂多样,山区面积占全国总面积的2/3,山区面积广大,给 交通运输和农业发展带来一定困难。为了满足我国国民经济发展和完善公路路网的需 求,高速公路建设逐步从平原区进入山区。由于受复杂地形、地貌和地质等条件限制, 山区高速公路在进行设计时,为了适应路线线形布设的需要,桥梁构造物所占比例越来 越大。因此,桥面铺装层质量的好坏,直接关系到整个山区高速公路的建设质量。 桥面铺装是指铺筑在水泥混凝土桥面板上的防护层,是桥梁结构的重要组成部分, 其作用在于防止车轮直接磨耗行车道板,保护主梁免受雨水及其它有害物质的侵蚀,并 起到扩散荷载的作用。近年来,桥面铺装层出现的不同程度车辙、推移、开裂、坑槽和 松散等早期病害,已引起了工程界的高度重视。由于桥面铺装层受力比较复杂,工作环 境特殊,因而对其强度、柔韧性、高温稳定性、疲劳耐久性和防水性等均有较高的要求。 与平原区相比,山区地质、自然气候等的变化多端,故对桥面铺装层的使用性能要求更 —.L- 两。 我国对大跨径水泥混凝土桥面铺装的研究开展得比较早,但对山区高速桥面铺装相 关的研究较少。山区高速公路采用大跨径混凝土桥梁的结构形式较多,包括梁桥、斜拉 桥、拱桥等,加劲梁还包括箱梁、T型梁等结构形式,各种桥梁结构有不同的变形特点, 相应对桥面铺装的性能要求也会有所不同,本文主要针对水泥混凝土箱梁连续桥桥面沥 青铺装层铺装为研究对象,结合目前国内外桥面铺装层使用现状,依托西汉高速公路桥 面铺装工程,对山区高速公路桥面铺装层的典型病害成因、结构力学、铺装层与防水粘 结层结构组合、材料及路用性能、施工工艺和施工质量控制技术展开系统研究,研究成 果对今后山区高速公路桥面铺装层设计、施工和质量控制有重要的现实意义。 1.2国内外研究现状 桥面铺装作为桥梁结构的附属部分,与桥梁工程建设及技术发展是紧密结合在一起 的。在国外,尤其是一些发达国家,其交通建设发展较早,在桥面铺装方面技术较成熟。 随着我国桥梁建设的发展,桥面铺装技术的研究也逐渐受到重视,并逐渐开展了广泛而 深入的研究。国外道路工作者主要从铺装结构、材料设计、及施工等方面进行相关的研 第一章绪论 究工作。通过桥面铺装结构力学分析明确铺装层结构的受力状态,进而确定铺装层材料 的性能指标要求。 1.2.1桥面铺装结构现状 传统的桥梁设计主要重视桥梁本身的结构受力特性分析,以保证桥梁整体安全,而 铺装层一般只作为均布恒载作用在桥面板上,并不对铺装层进行专门的力学分析。目前, 国内外对于桥面铺装的研究大多集中在铺装材料的改性上,且主要是针对钢桥。世界上 最早开展钢桥面铺装研究和实践的国家是德国,随后法国、日本、美国等国家也相继开 展了这方面的工作,德国、日本还制定了相应的技术规范。这些国家对钢桥桥面铺装层 设计(包括铺装材料与厚度设计)主要采用结合材料试验的经验设计法,英、美等国使 用有限元分析程序对钢桥面铺装体系进行了简单的力学分析。我国近十年来才开始大量 修建大跨径钢桥,对钢桥面板铺装层的研究工作起步较晚,主要是借鉴国外经验,研究 适合我国的桥面铺装技术,并利用有限元对铺装进行力学分析。但对于钢筋混凝土桥的 桥面铺装世界各国则研究的很少,下面就钢筋混凝土桥桥面铺装的国内外技术现状进行 综述。 ’ (1)国外研究现状 国外经过几十年的实践与探索,结合各自国家和地区的具体情况,在钢筋混凝土桥 桥面铺装方面选用的结构类型不尽相同,如表1.1。从结构组成可知,桥面铺装层通常 由1~3层材料铺筑而成,从功能上可分为防水粘结层和铺装层,其中铺装层一般又由下 面层和磨耗层组成。当桥面不设排水层时,应选用不透水的或极密实的磨耗层,一旦水 渗入面层将很难排走,最终会引起铺装结构破坏。如果采用常用的沥青或水泥混凝土而 不采用防水粘结层(树脂沥青、沥青浆封层、罩面),建议设计成密实、空隙小的铺装 结构将其表面处理成防水的。还要特别注意磨耗层中的接缝,因为这些接缝是水最容易 渗入的地方。 表1.1国外混凝土桥面铺装层结构 防水粘结 铺装层结构 国家 层类 下面层结构(cm) 磨耗层(cm) 浇注沥青混凝土3 水泥混凝土兰16 奥地利 预制板’ 浇注沥青混凝土8 浇注沥青混凝土4 浇注沥青混凝土1+预拌沥 浇注沥青混凝土4 瑞典 预制板 青的砂砾15 浇注沥青混凝土3.5 浇注沥青混凝土4 薄膜 水泥混凝土5+浇注沥青混 浇注沥青混凝土4 2 长安大学硕?I二学位论文 凝土3 荷兰 重新整形用沥青混凝土3 浇注沥青混凝土4 沥青混凝七,有时含有改 日本 沥青混凝土(有时含有改性粘接料)3~5 性枯接料4~5 澳大利 薄膜 沥青混凝土5 亚 预制层 沥青混凝土5 地沥青胶 沥青混凝土5 沥青混凝土5 砂 摊铺沥青混凝土+SBC25 摊铺沥青混凝士+SBC25 思人巾U 薄膜 沥青混凝土4 沥青混凝土3 预制层 沥青混凝土6 沥青混凝土3 地沥青胶 法国 摊铺沥青混凝土2.2 沥青混凝土(有时含有聚脂类或纤维)5~10 砂 地沥青胶 摊铺沥青混凝土+用于重 比利时 砂或预制 沥青混凝土3~5 新整形的沥青混凝土3 层 地沥青胶 热拌地沥青3 英国 砂或预制 地沥青砂保护 或热拌地沥青10(双层) 层 或水泥混凝土15 日本道路协会编的《水泥混凝土桥面设计施工纲要》规定,混凝土桥桥面铺装包括 防水粘结层和沥青混凝土面层,桥面防水体系的修筑则是提高桥梁使用寿命的重要保 证。常用铺装形式: . (1)沥青层+板状防水材料+沥青橡胶粘结剂+混凝土; (2)沥青层+三层氯丁橡胶型防水材料+氯丁橡胶粘结剂+混凝土; (3)沥青层+乳化沥青(粘结)+沥青层(防水)+沥青橡胶粘结剂。 350kg,/m3),平均80mm沥青混凝土磨耗层分两层铺设,使用寿命可达5“年。 欧美20世纪60年代己开始大量采用桥面防水粘结层,其中美国联邦公路署1972 机构从实际应用的角度对桥面防水进行了系统的研究。特别是德国,对钢桥面铺装重视 对防水体系的完善,防水粘结层的结构形式多种多样。防水粘结层有反应性树脂缓冲层、 反应性树脂改性沥青粘层、反应性树脂改性沥青薄膜、反应性树脂SMA致密层等。其 青或沥青橡胶混合料的趋势,提高沥青的稳定性并在其脆性和稳定性之间取得较好的折 衷结果。预制层有两种:一种是含有以聚合物一沥青涂制的高性能织物加强料(有时用 铝或塑性层保护);另一种是不含加强料而由像聚已烯一聚丙烯的合成物制成的薄膜。 薄膜由沥青乳化剂形成,或者更常用的由环氧硬沥青或聚氨醋形成,按单层或双层实施, 3 第一章绪论 最上一层撒砂,以增强其与面层的粘结。表1.2列出水泥混凝土桥常用的防水粘结层类 型及其在各国使用状况。 表1.2各类型防水粘结层的应用范围(%) 国家 比利时 法国 英国 意大利 丹麦 地沥青砂胶 75 20~30 lO 70 15 预制层 25 60 90 85 薄膜 lO~20 10 然而,随着交通量的增加和防水粘结层在桥面铺装中的广泛采用,桥面铺装产生了 一些新的问题,如面层的早期破损、开裂、坑槽、防水粘结层与面层和桥面粘结强度不 足而产生推移破坏等病害。因此,欧美一些国家相继对水泥混凝土桥桥面铺装进行研究, 如美国的MARTINELLIP曾对桥面防水粘结层破坏形式、气温和沥青混凝土施工温度、 桥面准备状况对防水粘结层及桥面的粘结力的影响等。防水粘结层不仅要有良好的不透 水性,还要与混凝土桥面板沥青面层之间有足够的粘结力,这是各国开发研制防水粘结 层所努力的方向。 (2)国内研究概述 我国对桥面铺装方面的研究开展得较晚,相关研究也很少。近年来,桥面沥青铺装 层出现较多的车辙、开裂、剥落、坑槽等破坏现象,引起人们的重视。特别是特大桥梁 的增多,以及大跨度钢桥或由钢筋混凝土板和钢梁组合而成的复合梁桥的修建,使桥梁 铺装技术成为一个重要的课题。 。表1.3我国大跨径桥梁桥面铺装形式 桥梁名称 主跨(m)主梁类型 建成年代 铺装类型 悬索桥 江阴长江大桥 1385 钢箱梁 1999 50mm沥青玛蹄脂混合料 香港青马大桥 1377 钢桁架梁 1997 50mm沥青玛蹄脂混合料 30mmSMAl3(上层) 厦门海沧大桥 648 钢箱梁 1999 35mmSMAl0(下层) 广东虎门大桥 888 钢箱梁 1997 55--60mm厚双层改性SMA 斜拉桥 南京长江二桥 628 钢箱梁 2000 50mm厚环氧沥青混凝土 35mm厚SMAl0(上层) 武汉白沙洲大桥 618 钢箱梁 2000 45mm厚SMAl3(下层) 35mm厚SMAl3(上层) 汕头泶石大桥 518 钢箱梁 1999 50mm厚SMAl3(下层) 4 长安大学硕士学位论文 目前,我国开展的有关桥面铺装的研究主要是针对钢桥,重庆公路科学研究所较早 开展这方面的研究,参与了汕头泶石大桥、虎门大桥,厦门海沧大桥的设计,积累了一 定的经验。此后,对修建的大跨径钢桥都进行了专门的桥面铺装研究,例如江阴长江大 桥、南京长江二桥等。东南大学和重庆公路科研所结合我国的实际情况对钢桥面铺装进 行了更深入的研究。但目前我国对钢筋混凝土桥的桥面铺装的研究还很少,很少有科研 单位对钢筋混凝土铺装进行专门的研究。在实际工程中的做法也仅仅是依照实际经验, 也只有极少数的研究人员从不同的方面进行一些尝试性的探索。 我国桥梁的结构理论中对桥面铺装层本身的受力与计算分析较少,通常是将桥面铺 装层作为恒载,不参与主梁结构受力分析。前版《公路沥青路面设计规范》(JTJ014.97) 引入水泥混凝土桥面铺装的内容(9.1)规定:沥青路面的铺装层由粘结层、防水粘结层 及沥青面层组成;对于面层,高速公路及二级以下公路沥青桥面铺装厚度为5-8cm,可 桥面铺装厚度调整为50~100mm;规定高速公路、一级公路的沥青桥面铺装应为双层式, 成单层式或双层式,双层式的表面层厚度不宜小于40mm。对大桥或特大桥梁,因行车 振动使桥面产生较大的弯曲变形时,可在水泥混凝土桥面或沥青混凝土中掺入聚合物纤 维,采用高质量沥青混合料铺筑桥面,以降低模量、提高抗拉强度,增加材料韧性和使 用寿命。 表1.4我国应用桥梁桥面铺装结构 路段 桥梁结构 桥面铺装层结构 铺装层厚度 京津塘高速公路北 上层:沥青混凝土 5 钢筋混凝土箱梁 京段 中层:沥青混凝士 6 沪嘉高速公路 上层:沥青混凝土(中、粗式) 7 钢筋混凝土箱梁 上海段 下层:水泥混凝土 6 钢纤维混凝土(C40,钢纤维 上海南干线,无钢筋网) 双层式沥青混凝土(细粒式和 1.5细粒式 天津市政永和大桥 箱梁 粗粒式) 3.5粗粒式 钢纤维混凝土(C40,钢纤维 天津市政彩虹桥 钢管混凝土拱桥 含量40kg/m3,钢筋网 7 014@20) 钢纤维混凝土(C40,钢纤维 河北宣大高速公路 T型连续梁 含量40kg/m3,钢筋网 8 012@20) 第一章绪论 深圳市政深南路立 上层:沥青混凝士 4 钢箱梁 交 下层:300号钢筋网混凝土 8 钢纤维混凝土(C50,钢纤维 深圳市芙蓉大桥 钢管混凝士拱桥 14 含量78kg/m3,无钢筋网) 橡胶沥青混凝土(氯丁橡胶+ 广州海门开启大桥 钢箱梁 5 新加坡进口沥青) 钢纤维混凝土(C50,钢纤维 广州丫鬟鲨大桥 钢管混凝土拱桥 含量60kg/m3,钢筋网 8 m12@20) 根据经验,大中型桥桥面的沥青铺装层应满足与水泥混凝土桥面板的粘结、防止渗 水、抗滑及有较高抵抗振动变形能力等要求。小桥涵桥面沥青面层的各项要求应与其相 接路段的车行道面层相同。对不设置防水粘结层的小跨径桥梁,直接在桥面板上铺筑 5~10cm的普通水泥混凝土或沥青混凝土(单层或双层)。混凝土标号与桥面板混凝土标 号相同或提高一级,铺装时应注意密实、充分振捣,表面应保持一定粗糙度。沥青铺装 层可采用单层式即一次铺装(厚5-8cm),或双层式即两次铺装(底层4~6cm,面层 3-一4cm)。需要防水的桥梁,修筑时在桥面板上铺筑8~10cm的防水混凝土作为铺装层, 其标号应不低于桥面混凝土标号。具有防水粘结层的水泥混凝土或沥青铺装层适用于防 水程度要求高,或桥面板位于结构受拉区而可能出现裂缝的桥梁。施工时,先在桥面板 上铺筑“三油二毡的防水粘结层,然后再在防水粘结层上铺筑厚4cm、标号不低于 C30号的细集料混凝土保护层,最后再在其上修筑沥青或水泥混凝土铺装层。 规范规定,一级公路的沥青桥面铺装,厚度应为5cm~10cm;高速公路、一级公路 的沥青桥面铺装应为双层式,下层为4cm~6cm整平层,建议采用高温稳定性好的AC.16 型或AC.20型中粒式热拌沥青混合料;表面层的厚度与混合料级配类型宜与其相邻桥头 引线的行车道上沥青表面层的厚度、混合料级配相同,以便与桥头引线部分一起施工, 减少接缝。对于二级及二级以下公路的桥面铺装,厚度宜为5cm-9cm,可做成单层式或 双层式,双层式面层的表面层的厚度不宜小于3cm。上面层与下面层之间应洒粘层沥青, 用于粘结层的沥青应具有较大的粘结力,一般宜用乳化沥青或改性乳化沥青,洒布量宜 区、纵坡大于5%或设计车速大于50km/h的大中型高架桥、立交桥桥面应铺设抗滑表 层。 近年来桥面渗水严重,特别是城市高架桥。为提高桥梁的使用年限、减少维修养护, 粘结层上设置防水粘结层,厚度为1.O~1.5mm,同时为避免防水粘结层在施工过程中被 6 长安大学硕士学位论文 损坏,宜铺设厚度为1~2cm的砂粒式沥青混凝土。规范中规定了多种防水粘结层型式: kg/m2, 碾压稳定形成;②涂刷聚氨胶泥、环氧树脂、阳离子乳化沥青、氯丁胶乳等高分子聚合 物涂料,形成防水粘结涂层;③铺设沥青或改性沥青防水卷材,或浸渗沥青的无纺土工 结层的施工中应注意的事项给出了明确具体的规定,可见防水问题的重要性。 我们不难看出,对沥青铺装结构的论述主要对所用材料、做法及厚度等作了指导性的说 明,而具体如何设计没有阐述。由此可见,现行规范中桥面铺装的设计还是空白,在实 际设计中,桥面铺装层只作为桥梁工程的附属结构,按规范的规定采用经验性的铺装材 料和厚度,而不需进行专门设计,这无疑是不合理的。 1.2.2桥面铺装材料现状 铺装材料是桥面铺装的基础,为设计出性能优良的桥面铺装材料,各国道路工作者 开展了广泛的试验研究。经过几十年的实践与探索,各国结合自身条件和区域具体情况, 选用的结构类型不尽相同。桥面铺装的类型多种多样,但从广义上来说,桥面铺装可分 为柔性桥面铺装和刚性桥面铺装。刚性桥面铺装主要指水泥类混凝土桥面铺装,包括普 通水泥混凝土、钢纤维混凝土、连续配筋混凝土等。水泥混凝土桥面铺装抗裂性能、行 驶舒适性、韧性及耐久性较差,加之维修不方便,目前主要用于小型桥梁。相比而言, 沥青混凝土桥面铺装具有良好的柔韧性、抗裂抗疲劳性能及行驶舒适性,且具有维修方 便、自重轻等优点,得到较多的应用。 本文以柔性桥面铺装为研究重点。在水泥混凝土桥桥面铺筑的沥青铺装层,应满足 与混凝土桥面的粘结、防渗水、抗滑及有较高抵抗振动变形能力等功能性要求。为改善 和提高桥面铺装沥青混凝土的性能,道路科研工作者也进行了广泛而深入的研究,主要 集中在沥青胶结料性能的改善、优化级配、确定合理的沥青混合料孔隙率,以及高性能 层间粘结材料的研究开发。近年随着多种改性沥青及其他高性能沥青不断问世,出现一 些新型桥面沥青铺装层材料:浇注式沥青混凝土(Guss Asphalt)、沥青玛蹄脂混凝土 (Mastic Mastic Asphalt)、改性沥青SMA(StoneAspalt)和环氧树脂(EpoxyAsphalt) 沥青混凝土等。 7 第一章绪论 (1)浇筑式沥青混凝土 二十世纪五十年代浇注式沥青混凝土源于德国,并在日本得到广泛应用。它是指在 高温(220℃~260。C)下拌和,依靠混合料自身的流动性摊铺成型,无须碾压的一种高 沥青含量与高矿粉含量、空隙率小于1%的沥青混和物,浇筑式沥青混凝土结合料包括 25~30%),细 普通沥青或改性沥青、特立尼达湖沥青TLA或是两者的混合(一般TLA 集料(QIm)一般为石灰石,粗集料为玄武岩碎石。 浇筑式沥青混凝土整体性好,防水性能优良,期望使用寿命为20年以上,在服务 期内性能表现良好,维修量很小。它通常用作桥面铺装的下层,在重交通条件下,浇筑 式沥青混凝土可以作为基层,上面加铺改性沥青混凝土面层。摊铺浇筑式沥青混凝土时 表面上撒布石屑,并用轻型碾压机把石屑压入热沥青混凝土表面,撒布的石屑可以提高 铺装层稳定性及力学性能。浇筑式桥面沥青铺装层初期投资较高,但其寿命周期成本及 优良的路用性能,与普通铺装材料相比,则具有优越性。 浇注式沥青混凝土在日本的成功,很大程度上反映了其良好的低温性能,对于能否 适应我国夏季持续高温的大陆季节性气候,还需要大量的室内试验研究与论证。另外由 于浇注式沥青混凝土的施工工艺比较特殊,在我国现有施工设备与施工管理水平下能否 取得较好的工程效果,同样需要系统的研究。 (2)环氧沥青混合料 环氧改性沥青是一种两相系统,即连续相热固性材料环氧树脂和间断相材料沥青, 它是一种较理想的铺装材料,不仅具有可以与水泥混凝土相媲美的强度,还兼有较好的 低温柔韧性与粘结力。环氧树脂胶结料与最大粒径为9mm的集料混合形成的混合材料 具有良好的高温稳定性、抗裂性及粘附性:具有极好的抗疲劳性能;具有很强的抵抗化 学物质包括溶剂、燃料、油侵蚀的能力。环氧改性沥青混合料的初始养护可在几个小时 内完成,并可开放交通,完全养护完成需要30~60天。20世纪60年代,环氧改性沥青 混合料桥面铺装首先在美国和加拿大的正交异性桥面铺装中性能得到检验和肯定,美国 金门大桥(GoldenGate)、圣地雅哥大桥(San Diego)、黑尔博格斯(HaleBoggs)等均 采用的环氧沥青混凝土铺装方案,之后在大跨径桥梁中得到了广泛的应用,实际性能良 好,我国南京长江二桥桥面铺装也应用环氧改性沥青。 环氧沥青是一种由环氧树脂、固化剂、与基质沥青经复杂的化学改性所得的混合物, 环氧改性沥青混合料的配置工艺比较复杂,技术难度高。施工中对时间和温度要求十分 严格,施工难度大,材料费用也较高。鉴于我国施工队伍的整体管理水平不高、缺乏专 8 ’ 长安大学硕士学位论文 业施工设备的情况下,该方案的风险比普通铺装方案要高。 (3)沥青玛蹄脂混合料 沥青玛蹄脂混合料是由沥青胶结料、矿粉和粗集料组成的无孔隙不透水的混合料。 沥青玛蹄脂混合料在欧洲应用较为广泛,在英国规定用于悬索桥桥面铺装已有30多年。 沥青胶结料主要由普通沥青(针入度60~70)和特立尼达湖沥青按一定比例混合而成。 加热搅拌,并采用专用摊铺机浇筑式摊铺,最后在其表面压入预拌沥青碎石(公称尺寸 为14mm)。 SMA与浇注式沥青混凝土一样,源于德国。SMA最初是为减少车辙而研制的,后 来实践中发现它还具有优异的抗疲劳、抗水损害及低温抗裂性能,因而在欧美桥面铺装 得到应用。沥青玛蹄脂碎石混合料的粗骨料含量大,矿粉含量高,是一种典型的间断密 级配混合料。SMA高温稳定性主要源于粗集料的相互嵌挤作用,美国NACT的研究发 因此美国的SHRP制定了SMA级配的控制点与相应的禁区范围,规定混合料的矿料间 以上。SMA低温性能则来源于含量较高的沥青玛蹄脂。SMA的沥青用量欧洲为7.0%, 德国为6.6%,美国相对较低,为6.0%;国内几座大桥铺装层中SMA的沥青用量均在 6.0%以上。 改性沥青SMA铺装层柔韧性、抗松散、抗裂能力强;具有良好的耐久性和防水性; 抗塑性流动和抗永久变形能力强,不易产生车辙;具有粗糙的表面构造,防滑性能好。 其主要不足是对集料要求高,保质年限短。德国SMA既可以用于铺装下层,也可以用 于铺装面层;日本SMA铺装实例主要用于铺装下层,面层则改用改性沥青密级配混凝 土。改性沥青双层SMA方案在我国广东虎门大桥、汕头泶石大桥等大桥的桥面铺装中 得到应用,并在参考这些铺装的经验基础上,SMA比较成功的应用在厦门海沧大桥、 武汉白沙洲大桥的钢桥面铺装。值得注意的是,SMA作为桥面铺装结构层中磨耗层在 江阴长江大桥使用情况来看,铺装层出现大面积的纵桥向裂缝并伴随在较多的横桥向开 裂。近些年来,日本及欧洲一些专家也对SMA铺装结构提出不同看法:SMA作为大跨 径桥面铺装的上层是可行的,但作为正交异性钢桥面铺装下层则未必合适,主要原因如 下几点:①钢桥面板的铺装下层,要求与钢板有良好的粘结力,适应钢板在温度与行车 9 第一章绪论 荷载作用下的复杂变形,而SMAl3与SMAl0中粗集料含量一般高达70%,过多的粗 集料难以与钢板达到密贴的效果;②作为与桥面板直接接触的铺装下层,它应具备优良 的防水与密水性,而SMA的高沥青含量是建立在相对较大的孔隙率的基础上(3~4%), 通过VMA来保证。德国、日本等国要求铺装下层沥青混合料的空隙率几乎为零,这点 SMA无法达到。 (4)纤维增强沥青混凝土 20世纪80年代以来,为适应重载交通的特点,欧美一些国家开始加强了对沥青材 料的应用研究,通过在沥青混凝土中加入纤维来改善沥青混合料的使用性能在近年来得 到了越来越多的重视和应用。在德国,纤维产品Arbocel、DolanitAS等都得到了较大规 AS的研究和观测表明,它可以改善沥青混合 模的应用。通过对沥青混合料掺加Dolanit 料的高温稳定性、疲劳耐久性,并且具有低温抗裂和防止反射裂缝的性能,常被用在机 等。美国、加拿大等国利用博尼维修筑了高速公路及其它大交通量的公路。通过观测和 研究,博尼维可以改善沥青路面的高温稳定性,疲劳耐久性,并且具有低温抗裂和防止 反射裂缝的性能。 1.3本文主要研究内容及技术路线主要研究内容 本文结合西汉高速公路涝峪口~筒车湾秦岭重山区路段桥梁具体情况,通过调研、 室内研究及试验路铺设,主要进行以下几个方面的研究: ‘ (1)桥面受力特点及破坏机理分析; (2)桥面防水粘结层与桥面沥青铺装层的防水机理研究; (3)不同桥面防水方案与桥面铺装层的性能特性比较研究; (4)桥面防水(包括防水粘结层与铺装层)和层间粘结的关键技术(材料和功能 特性)研究; (5)桥面防水粘结层与桥面铺装层的施工工艺研究; (6)桥面防水粘结层与铺装层的质量验收评定方法和参数指标研究。 1.3.2技术路线 桥面铺装是一个系统工程,要综合考虑使用环境的气候条件、桥面板结构特点、交 通荷载特点及经济条件,进行优化设计。本文旨在借鉴国内外成功经验的基础上,结合 10 长安大学硕:t=学位论文 西汉高速公路工程状况,对一般桥面和特大桥桥面分别采取四种桥面铺装层结构组合, 研究与比较各种结构组合所带来的路用性能。 第二章桥面铺装层使用状况及病害调查分析 第二章桥面铺装层使用状况及病害调查分析 2.1桥面铺装层使用状况调查 2.1.1国外桥面沥青铺装层的使用状况 德国下撒克州道路工程管理部门对1066座钢筋混凝土及预应力混凝土桥梁进行调 查,发现44.5%的行车道铺装出现损坏。英国桥面铺装结构分为整体式桥面和双层式桥 面。英国工程师A.J蒙多塔多在“651号运输研究报告中,对在同一时期,用同一产 地骨料和混凝土修建的73座公路桥梁的混凝土桥面所作调查结果表明:整体式混凝土 桥面与用环氧树脂粘贴的双层式混凝土桥面相比,前者更容易发生表面破损。一种复合 的环氧类粘结剂,在合理实用的情况下,具有比水泥灰浆更为稳固的粘结性能。他总结 了两种桥面使用情况,见表2.1。 表2.1整体式桥面与双层式桥面的调研 桥面类型 使用性能 桥面数 面积(m2) 面积百分率(%) 重铺面层或需重建 26 29610 66.97 尚好 13 8574 19.3 整体式桥面 优良 9 6232 14.4 合计 48 44416 100.0 重铺面层或需重建 2 1916 4.1 尚好 3 2656 9.9 双层式桥面 优良 20 4060l 86.0 合计 25 47173 100.00 日本的研究表明:当混凝土被水浸泡时,其承受重复荷载的疲劳强度会降低30%, 为此应重视桥面铺装的设计及施工,提高桥面的耐久性。桥面板发生损伤的原因与作用 的荷载特性、设计和施工方法等有关,当车辆与主筋成直角行驶时,钢筋混凝土桥面板 最普通的损伤情况如下:①分布钢筋少时,沿主筋方向发生单向裂纹;②垂直相交两个 方向发生裂纹;③形成格子状或龟裂状的裂纹网,混凝土中游离石灰露出;④裂纹桥面 局部脱落,保护层混凝土剥落;⑤桥面板出现空洞和桥面陷落。裂纹的存在导致桥面经 受各种侵蚀:①雨水、污水流入;②遭受冻融循坏;③冬季撒布的氯盐等腐蚀。这些都 会导致结构承载力的下降。 2.1.2国内桥面沥青铺装层的使用状况 随着交通量和重型车辆的增加,桥面铺装损坏情况越来越严重,有的桥梁在通车后 12 长安大学硕士学位论文 不久,桥面即出现了裂缝、拥包、车辙、脱落等破坏现象。北京市针对主要市政桥梁和 立交的桥面铺装病害进行了调查和统计,其调查结果见表2.2。 表2.2桥面病害调查表 交竣工 铺装层厚度 桥梁名称 桥面铺装结构 破坏情况 时间 (crn) 航天桥 1994 沥青混凝士 9 车辙,程度一般 紫竹桥 1992 沥青混凝土 7 纵缝,程度严重 德胜门桥 1984 沥青混凝土 5 横缝、龟裂,程度严重 复兴门立交 1974中粒式沥青混凝土 4~7 横缝、龟裂,程度较严重 橡胶沥青石屑 2.5 大北窑立交 1986 拥包、裂缝,程度较严重 橡胶沥青混凝土 4.5 沥青混凝土 6~12 横缝每隔7-8m 赵公口立交 1988 钢筋混凝十 5 稃度一股 沥青混凝土 广渠门立交 1988 4.5~8.6 纵缝,程度一般 钢筋混凝土 天津津围公路是天津市的北通道,是蓟县山区采石场向市区运送砂石料的主要通 道,有相当数量的集装箱车辆通行,重载交通量大。公路投入使用年限较早,设计荷载 标准低,公路、桥梁超负荷运营,线路破坏严重,运营水平降低。设计荷载标准低的桥 梁主要承重结构(桥跨、墩台)破坏严重,桥面破坏严重,己危及行车安全;就桥面铺 装层病害而言,梁式桥主要是桥面纵向开裂,严重的已经单板受力,多跨简支梁桥墩顶 处横桥向开裂且铺装层折断,己属于危桥。拱桥由于铺装层结构薄弱,普遍网状裂缝经 雨水渗透、冻涨,桥面坑槽。 沈大高速公路由于使用时间较长,几乎每座桥梁的沥青铺装层经翻修后仍出现损坏 现象,病害类型主要表现为桥面坑槽、松散现象,部分桥面出现了返白和唧浆现象,有 许多地方尚存在修补后再破坏的情况。更为严重的是个别桥梁由于沥青铺装层的破坏, 导致水分下渗,在荷载和冰冻等因素作用下,使桥梁的混凝土梁板受损。沈铁高速公路 自1996年通车,部分桥梁的沥青铺装层出现了不同程度的车辙、坑槽、反白、卿浆等 现象。沈山高速公路通车后1~2年,个别桥梁的沥青铺装层也出现了轻微坑槽、局部返 白、唧浆等现象。 广东省公路勘察规划设计院等单位对佛山大桥、江湾立交桥等5座桥梁进行了桥面 铺装层裂缝分析,得出结论如下:当桥面承受静、活荷载时,铺装层与桥面构件共同受 力,当桥面构件产生裂缝时,首先反映到铺装层上,随着桥面构件裂缝的发展与增大, 铺装层裂缝愈来愈大。桥面铺装层直接承受车辆垂直荷载与水平冲击、剪切,随着裂缝 13 第二章桥面铺装层使用状况及病害调查分析 的发展,最后导致破坏并渐渐脱落,形成坑槽,影响行车安全。桥面铺装层破坏后,桥 面构件的结构高度相对减薄且直接承受车辆荷载,加上铺装层破坏跳车而增加的附加冲 击荷载,导致桥面构件裂缝宽度增大,加速了邻近铺装层的破坏。大气、雨水对构件钢 筋的腐蚀作用也将加重。这时既影响车辆通行,又加快桥面构件的破坏,严重影响桥梁 的使用寿命。 山西省交通科研院1999年对太旧高速公路线沿线工型组合梁桥与T梁桥的桥面板 状况进行了调查,病害调查结果及危害分析如下: l、工型组合梁间桥面板及T型梁翼板湿接缝处在板底出现纵向裂缝。这一方面将 直接降低该部分结构的受力性能;另一方面,在长期车轮荷载反复作用下裂缝将进一步 增大,直至结构完全丧失受力性能。 一 2、桥面板出现网状裂缝主要是由于桥面板承受荷载能力不足,而出现纵向裂缝与 桥面板结构由于温度应力、主梁变形等原因引起横向裂缝综合造成的结果。这将会使混 凝土整体结构遭到严重破坏,并大大降低结构的受力性能。 3、工型梁桥面板及T型梁翼板湿接缝渗水,主要是由于该混凝土本身缺陷或结构 在运营过程中出现破损,桥面水沿缝隙、裂缝、不密实处下渗。尤其是冬季融雪含盐的 下渗水侵蚀,结构混凝土及受力钢筋将遭到严重破坏。 2.1.3陕西省桥面沥青铺装层使用状况 本文对陕西省内不同等级公路和城市桥梁的桥面铺装使用情况进行了调查,主要调 查高等级道路桥梁的结构形式、桥面铺装结构形式、铺装层厚度、铺装层材料技术性能 要求、防水粘结层的设置情况、粘结层材料厚度和类型以及桥面防排水措施、铺装病害 等方面。 陕西位于全国公路自然区划的黄土高原干湿过渡III区,温度分布基本上是由南向 北逐渐降低,各地平均气温7~16℃。陕南的浅山河谷为全省最暖地区;由于受季风的影 响,陕西冬冷夏热,四季分明,温差较大。西安地区潮湿系数为4,属润干地区。温度 和水对桥面铺装的影响较大,所以沥青混合料桥面铺装应具有有较强的高温稳定性和低 温抗裂性,而且要有一定的防水能力。表2.3列出了省内沥青混合料桥面铺装的调查结 果。 表2.3陕西省沥青混合料桥面铺装状况调查表 序号 桥梁名称 桥梁类型 铺装形式 损坏类型 5孔预应力混凝土连续 博尼维沥青 1 沪河大桥 局部裂缝 梁拱组合桥 混凝土 14 长安大学硕士学位论文 下承式钢管混凝土五连 SMA沥青 2 灞河大桥 裂缝,局部出现大坑槽 拱系杆拱桥 混合料 较宽横向裂缝、网裂和带 整体现浇钢筋混凝土连 3 太华路立交桥 钢筋混凝土 状坑槽,龟裂,平整度较 续板桥 差 主线为连续、简支空心 桥面高低不平,局部范围 4 未央路立交桥 钢筋混凝土 板桥,匝道为连续箱梁 内出现纵横向裂缝 局部损坏,面层松散,坑 5 库峪河桥 简支T型梁桥 钢筋混凝土 洼,有波浪变形出现 局部损坏,面层松散,坑 6 清水河桥 肋腋板组合工字桥 沥青混凝土 洼,有波浪变形出现 7 蒲河桥 双曲拱桥 沥青混凝土 铺装有坑槽,网状裂缝 宝鸡市广元路 8 中承式拱桥 沥青混凝土 局部裂缝 渭河大桥 不同的桥梁结构桥面破损的特征不尽相同,破坏程度亦不同,如表2.4。梁桥是各 级公路城市道路应用最多的桥梁结构形式,也是桥面铺装病害问题最多的一种桥型,而 且首先在桥梁结构的特殊部位产生破坏,比如桥面的连续部位和肋板顶,梁和梁之间的 衔接处等。从以上调查可以看出,桥面的损坏形式不是单一存在的,而是几种损坏同时 发生。 表2.4桥面沥青铺装层与桥梁结构的关系 桥梁结构 梁式桥 拱桥 钢架桥 行车道轮迹处有全桥性 纵向裂缝、不规则裂缝、 病害类型 纵向裂缝、 开裂 特殊部位碎裂 腹拱顶破碎带 2.2桥面沥青铺装层典型病害及成因分析 沥青铺装层由于具有很好的行车舒适性、美观性,能够有效地缓和行车荷载对桥面 的冲击作用,行车平稳、舒适,同时具有便于维修等特点,因此,它在桥面铺装中应用 越来越广泛。沥青铺装层直接承受行车荷载的垂直和水平作用,同时又受到到环境温度、 湿度变化、雨雪和日照等因素的综合影响,因此,沥青铺装层是桥梁整体结构中最容易、 且最先产生衰变和损坏的薄弱部位。近年来,严重的沥青铺装层早期病害现象,已引起 了工程界的高度重视。 2.2.1沥青铺装层早期破坏类型 通过大量调查发现,大部分桥面铺装在竣工通车半年后已经开始出现不同程度的病 第二章桥面铺装层使用状况及病害调查分析 害,其中以车辙、开裂最为普遍,而大多数桥面铺装在通车2~3年后逐渐表现出来,严 重地影响了桥面的服务质量和交通行驶安全。 按照桥面沥青铺装层早期破坏主要有以下几类: (1)变形类破坏:如车辙、推移、拥包、波浪类; 图2.1车辙 图2.2推移与拥包 (2)开裂类破坏:如纵向裂缝、横向裂缝和网裂类; 图2.3横向裂缝 图2.4网裂 (3)剥落类破坏:如坑槽或唧浆、松散和搓板类; 图2.5唧浆/坑槽 图2.6松散 (4)接缝类:由桥梁伸缩缝、桥头沉陷引起的各类破坏。 16 长安大学硕:仁学位论文 图2.7伸缩缝处破坏 图2.8桥头处破坏 桥面沥青铺装层早期破坏机理有: (1)剪切破坏 铺装层内部产生较大的剪应力,引起不确定破坏面的剪切变形,或者由于铺装层与 桥面板层间结合面粘结力差,抗水平剪切能力较弱,在水平方向上产生相对位移发生剪 切破坏,导致车辙、推移、拥包等破坏。 (2)开裂破坏 、 因温度及环境变化,伴随桥面板或梁结构的大挠度而产生的裂隙,在车辆荷载及渗 入水的作用下,导致桥面沥青铺装层出现松散、坑槽破坏。 (3)防水粘结层破坏 、 随着交通量的增加,设有防水粘结层桥面铺装层在使用中出现了一些新问题,如铺 装层的早期车辙、开裂、坑槽、防水粘结层与铺装层或桥面板粘结强度不足而产生推移 等病害。 2.2.2桥面沥青铺装层典型病害成因分析 车辙、开裂、剥落是桥面沥青铺装早期破坏三类主要病害现象。 2.2.2.1车辙 在桥面沥青铺装层早期病害中,车辙病害尤为严重,在桥面沥青铺装层己产生病害 的桥梁中,有近80%的桥梁都出现车辙。同时,随着气温的不断变化,交通量的不断增 大、车辆超载和渠化交通等影响,桥面铺装层车辙病害的日趋严重。车辙的出现导致: (1)桥面铺装的平整度、美观性差;(2)桥面雨天排水不畅,抗滑能力下降,影响高 速行车的安全性;(3)车辆在超车或更换车道时由于车辙对车轮的阻碍,车辆方向容易 失控,导致出现交通事故。 l、车辙破坏机理 桥面沥青铺装层出现车辙破坏主要分为2个阶段:(1)在车辆荷载作用下,面层进 17 第二章桥面铺装层使用状况及病害调查分析 一步压密,即面层永久垂直变形累积的初始阶段,在此阶段沥青混凝土的进一步压密变 形大于材料的剪切变形,因而表现为轮迹带铺装层沉陷,但很难观察到其两侧铺装层的 隆起现象,本阶段一般发生在开放交通后的3~4年内;(2)在车辆荷载作用下,面层材 料的塑性流动阶段,轮迹带铺装层沉陷,同时在其两侧出现明显的隆起现象,在此阶段, 车辙本质上是由于材料的抗剪切流动能力不足造成的。 就现有应用较广泛的桥面铺装材料而言,其车辙形成机理略有不同。对于SMA及 密级配改性沥青混凝土,现场调查及车辙实验均表明这类混合料车辙形成存在着上述2 个阶段;对于浇筑式沥青混凝土车辙破坏的形成主要是材料的抗剪能力不足导致的,这 是因为浇筑式沥青混凝土空隙率一般在1%以下,交通压密现象对形成车辙的贡献不大。 2、车辙成因分析 桥面沥青铺装层产生车辙的原因主要有三:一是铺装层结构强度不足而引起的永久 变形;二是铺装层与桥面板间产生滑移而引起车辙;三是施工中压实度不够,造成开放 交通初期铺装层在车辆荷载的作用下局部压密。 (1)设计缺陷 在桥梁设计中,桥面铺装一般都采用较薄的沥青混凝土层,且空隙率控制在4%以 下。沥青混凝土充分的压实要求集料的最大粒径是层厚的l/3,这就决定了桥面铺装沥 青混凝土的级配偏细,同时,为提高沥青混合料的防水性能及抗疲劳性能,沥青用量较 高,这两方面的因素使得沥青混合料高温稳定性的提高受到一定的限制。 (2)环境条件差 桥面铺装使用温度的跨度范围大,对沥青混合料的各种性能,特别是材料的高、低 温性能提出了很高的要求。 温度对沥青混合料动稳定度有很大的影响,一般而言,沥青混合料在中低温时,主 要表现出弹一粘弹性质,在高温时更多的表现出粘塑性性质。在高温时,沥青变软,在 荷载的作用下,变成集料移动的润滑剂,为车辙的形成创造了有利条件。 (3)慢速和重载交通的影响 作为具有粘弹性性质的沥青混合料,环境温度、荷载作用时间、荷载大小及作用次 数是影响沥青混合料高温性能的重要因素。 车辙现象主要发生在高温季节,此时沥青混合料主要表现出的粘塑性质,车辙是沥 青混凝土永久变形的累积。根据时温等效法则,在一定荷载条件下,环境温度和荷载作 用时间可以相互转换,即在较高温度、较短作用时间条件下,沥青混合料的力学响应, 可以与较低温度、较长时间荷载作用时间条件下沥青混合料的力学响应相对应。因此, 18 长安大学硕十学位论文 慢速交通对沥青混合料的车辙变形有较大的影响。 根据研究表明,随着轴载的增大,铺装层表面挠度、横向拉应力、横向拉应变和铺 装层塑性应变逐渐增大;在重载条件下,桥面铺装产生较大的应力及应变,当轴载达到 220KN时,其一次作用下铺装层即产生塑性变形,而且随着轴载继续增大产生的塑性变 形迅速增大,因而,重载对桥面铺装材料提出了较高的要求。 (4)粘结层材料粘结能力丧失 粘结层是保证桥面铺装与桥面板紧密结合,共同承受荷载作用的结构层次,对实现 铺装体系的使用功能有很重要的意义。粘结层失效导致铺装无法与桥面板协同工作,铺 装层沥青混合料在受力极为复杂的正交异性桥面板上极易被拉裂、滑移,进而引发车辙 病害。 (5)施工压实不充分 为防止桥面板的共振而导致传递到铺装下表面的压实功反向传递回铺装表面,而使 铺装混合料发生松散现象,桥面铺装施工碾压一般不使用振动压路机。这使得桥面沥青 混合料有效压实时间变得非常短,增加了沥青混合料压实的难度。沥青混合料压实不充 分导致铺装层空隙率过大,进而影响到铺装层的抗疲劳性能、抗水损害性能等路用性能。 2.2.2.2开裂 . 纵向裂缝、横向裂缝甚至环网状裂缝,也是桥面铺装早期破坏的常见形式。裂缝的 位置一般出现在行车道两侧轮迹带的U形加劲肋的肋顶以及横隔板上方的铺装处。纵向 裂缝的间距基本与纵向U形加劲肋的开口宽度相当,横缝则与横隔板的所在位置基本一 致。 1、开裂破坏机理 桥面沥青铺装层在使用期间由于受环境温度或车辆轮载的重复作用,长期处于应力 应变交迭变化状态,致使铺装层结构强度逐渐下降。当温度变化或荷载重复作用超过一 定次数后,在桥面铺装层内产生的应力就会超过强度下降后的结构抗力,使桥面铺装出 现裂缝,产生疲劳断裂破坏。 由于铺装材料的抗压强度远大于抗拉强度,而在面层底部车轮下所受的拉应力较之 表面在车轮驶近或驶过后产生的拉应力要大的多,由荷载重复作用产生的铺装层裂缝通 常从铺装层底部开始发生,朝项部发展,逐渐形成贯穿整层的裂缝,开始常出现纵向裂 缝,随着车辆荷载的重复作用,纵向裂缝向斜向和横向裂缝发展。 温度应力产生的裂缝往往从桥面铺装层温度最低的部分开始发生并传播,由于冷源 从空气向桥面铺装结构内部扩散,裂缝首先出现在铺装层表面,而且往往是在应力集中 19 第二章桥面铺装层使用状况及病害调查分析 部位,如沥青混合料空隙处、雨水窖井、或施工中留下的薄弱环节处。局部出现的温度 裂缝会在降温过程中迅速向路面横断方向和深处发展,在极短时间扩展成贯通路幅全宽 的横向裂缝。细小裂缝出现后,水分渗入,在高速行车荷载作用下,强大的动水压力将 趋势裂隙水沿裂纹扩展方向以及铺装层与桥面板的界面渗透,从而导致铺装层的继续开 裂以及粘结层与桥面板附着力降低。随着交通荷载的继续作用以及自然环境因素的影 响,原有的裂纹将逐渐发展成鱼骨状甚至网状,并继而导致桥面铺装层出现大面积滑移、 碎块、严重坑槽与桥面板裸露等。 2、开裂成因分析 (1)低温缩裂 低温缩裂是桥面铺装开裂的主要原因之一。桥面铺装的低温开裂有两种形式:一种 是气温骤降造成面层温度收缩,由于约束,沥青层内产生温度应力超过沥青混凝土的抗 拉强度时造成的开裂。此类裂缝多从铺装层表面产生,向内部发展。温度开裂的另一种 形式是温度疲劳裂缝,这是由于沥青混凝土经过长时间的温度应力循环,使沥青混凝土 的极限拉伸应变变小,应力松弛性能降低,将在温度应力小于其抗拉强度时产生开裂。 这种裂缝主要发生于温度变化频繁的气候温和地区。 在桥面铺装早期病害调查中,观察到的裂缝间距一般在30cm左右。随着桥面铺装 材料的老化和反复的极端温度作用,裂缝间距将减小到3m--6m。 在温度变化中,低温坡降的程度、延续时间、速度、循环的时间间隔都会影响到收 缩裂缝的发生与发展,再次降温时所形成的缩裂往往出现在前一次降温时所形成的相领 两条缩缝的中间部位,初期的缩裂裂缝较窄,并逐年变宽,几年之内趋于稳定。低温缩 裂的初始虽然对桥面铺装性能影响不大,但其是促进沥青铺装层破坏,并使桥面铺装丧 失使用功能的主要根源。 (2)荷载破坏 由于桥面铺装结构设计不当或施工质量低劣,或者由于车辆严重超载,致使沥青铺 装层在反复的交通荷载作用下,沥青层内产生的拉应力超过其疲劳强度而断裂,产生荷 载型裂缝。荷载型裂缝首先在桥面铺装层的底面发生,在车辆荷载的反复作用下,裂缝 逐渐向上扩展至表面。 由荷载产生的裂缝反映在桥面铺装上,往往不是单独的、稀疏的或较有规则的裂缝, 而是稠密的、有时是互相联系的裂缝。 (3)负弯矩影响 桥面铺装层的开裂,与行车荷载作用下铺装层局部受拉的状况也是密切相关。大跨 长安大学硕上学位论文 径桥梁一般采用扁平流线型梁体。从桥面系整体结构来看,由于车辆作用位置的不同, 以及加劲肋的加劲作用,铺装层结构中应力应变的分布较为复杂,在不利状况下,在行 车荷载作用下,与荷载区域邻近的U型肋肋顶上方出现最大横向拉应力,靠近荷载的横 隔板上方的铺装层出现最大纵向拉应力,因此,U型肋肋顶上方的铺装层易出现负弯矩、 负应力(拉应力),产生垂直横向拉应力的裂缝,而在靠近荷载的横隔板与U型肋肋顶 的铺装层,则易出现垂直纵向拉应力的裂缝。 (4)施工原因 由于施工原因导致桥面铺装出现裂缝的原因一般有两种,一种是由于桥面铺装在施 工中分路幅摊铺,两幅接茬处未处理好,在车辆荷载与大气因素作用下逐渐开裂;另一 种是由于铺装层压实不均匀或由于铺装层边缘受水侵蚀产生不均匀沉陷出现裂缝。施工 产生的裂缝多为纵向裂缝。 (5)铺装层强度不足 由于铺装层结构设计不合理、压实度不足、铺装材料配比不当或未拌和均匀、或是 由于桥面铺装出现横向或纵向裂缝后未及时封填,致使水分渗入下层,导致桥面铺装的 整体强度下降,尤其在融雪期间冻融交加,加剧了桥面铺装的破损。另外,沥青在施工 期间以及在长期使用过程中的老化也是导致桥面铺装形成网裂的主要原因。 2.2.2.3剥落 在车辆荷载以及孔隙水的作用下,桥面铺装混合料中的沥青从矿料表面脱落,产生 剥落现象,导致桥面铺装材料散失,在桥面留下洼坑,并有足够的深度存水,就可能引 起水漂现象而产生安全问题。 铺装层表面的松散集料会降低抗滑能力,并被行车轮胎带起甩在行车道上,引起其 他问题,严重地影响了行车的安全性和舒适性。 1、剥落破坏机理 桥面铺装沥青混合料中的沥青膜与集料之间的粘结力在温度、水、荷载等外部因素 的影响下逐渐丧失,导致沥青从集料颗粒表面脱落下来,形成剥落。剥落表现形式有多 种,如推挤、搓板状形变、松散、坑洞等,根据现场调查以松散现象最为显著,研究表 明,剥落从铺装层的顶面开始并向逐渐下发展,就产生松散。 2、剥落破坏成因分析 研究表明,水是导致桥面沥青铺装层产生剥落破坏的最大原因,而对于水导致的剥 落,沥青混合料中集料表面的化学一物理性质比沥青的性质更重要。某些集料对剥落很 敏感,在许多情况下,一些外因和沥青混凝土路面本身的性质引起桥面铺装产生早期剥 2l 第二章桥面铺装层使用状况及病害调查分析 落破坏。 (1)铺装层排水不合理 桥面铺装层表面排水或结构层内部排水不合理,如果有过多的水或湿气出现在桥面 铺装结构中,沥青铺装层就会产生剥落破坏。水能够通过不同途径进入桥面沥青铺装层 结构层,雨水可以从面层表面细微的孔隙,特别是通过表面的裂缝或从防撞墩与沥青面 层的衔接处渗入结构层。 · 桥面铺装结构层中下部的水可以通过毛细作用向上移动;在毛细作用区以上,水又 可以以气态形式向上运动。桥面沥青铺装层中的孔隙会被进入的自由

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