水泥混凝土桥面沥青铺装病害机理分析

水泥混凝土桥面沥青铺装病害机理分析　郑毅强　，　李志栋。　（１．安徽省交通控股集团有限公司，安徽合肥２３００８８￣２．中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西西安７１００７５）　

摘要：水泥混凝土桥面沥青铺装病害种类繁多，成因复杂，严重影响结构安全性能。文章对铺装病害成因进行分类归纳，结合工　程实例对病害的形成机理进行探讨，并提出病害预防措施及铺装设计改进方法，供铺装设计与施工参考。　关键词：沥青铺装；病害；粘结层；超载　中图分类号：Ｕ４４３．３３　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７３—５７８１（２０１６）０５—０５８４—０３　

０　引　言　不同结构的水泥混凝土桥面沥青铺装系在经受　交通、环境荷载共同作用下，病害的主导类型及其成　因具有其独特性，与地区、桥梁结构、交通条件、气候　环境、施工条件、设计水平等因素密切关联［１　］。本文　针对裂缝、唧浆、坑槽、车辙、推移、拥包等显性病害和　水损害、层间粘结失效等通过人工或者仪器难以从表　观识别的隐性变害对水泥混凝土桥面铺装病害形成　机理进行探讨。　１沥青铺装系主导病害成因　１．１桥梁上部结构及线型的影响　桥梁的上部结构及桥梁线形对桥面铺装层的耐　久性影响较大，其对沥青铺装系病害的影响是永久性　的，如梁桥横隔梁或连续梁支座处负弯矩的影响、桥　面板横向传荷体系的破坏以及桥梁伸缩缝的影响。　混凝土桥面板的材料性能、混合料设计及其施工对沥　青铺装系性能也有重要影响，如果桥面防水和排水体　系缺失或不完善，水分将通过沥青铺装系进入混凝土　桥面板，使其发生冻融破坏、钢筋锈蚀与碱集料反应。　因此，对铺装前桥面板表面的清洁程度、微裂缝预防、　水泥浮浆清除、振捣方式、养护时机、潮湿程度、粗糙　度、粘结剂的应用等都要严格的控制。　１．２桥面系施工的影响　桥面系施工导致的铺装病害主要表现在：桥面板　的平整度不够可能引起铺装层的离析，压实不均、桥　面板调平层　昆凝土强度不足都将使得在沥青铺装系　铺装之前桥面板就出现裂纹或微裂缝，为铺装层带来　重大安全隐患。这种病害在京秦高速公路大石河桥　上出现［５３：①桥面钢筋网设置不合理引起桥面板受　力不均。②混凝土桥面板表面处治不合理以及下承　层表面污染都可能引起或加剧推移、拥包等病害的出　现。③桥面板养生不足将造成防水粘结层产生鼓　包、脱皮等，产生层间粘结失效。④防水粘结层施工　不良使其难以发挥作用。⑤沥青铺装系厚度不一、　压实不足都将引起早期水损坏、松散、坑槽等。⑥沥　青铺装系下承层施工温度过高也会造成防水层的　破坏。　１．３沥青铺装系设计的影响　沥青铺装系结构由沥青铺装系、防水粘结层、混　凝土桥面板组成了“刚＋柔＋刚”的三明治结构，其　中，柔性防水粘结层的存在将使得本来具备抗压优势　的沥青混凝土层底承受了较大的弯拉应力，更容易在　层间产生“剪切滑动效应”。当然，铺装层及防水粘结　层厚度也有一定影响，据国内工程实践及计算分析，　当铺装层厚度小于８　ｃｍ时，易产生层间剪切破坏，但　当厚度增加至１６　ｃｍ时，铺装层表面最大剪应力　不再变化，不过从抗疲劳性能考虑，厚度不宜太大。　１．３．１　沥青混合料材料及路用性能的影响　沥青铺装体系主要材料为沥青粘结料、集料及其　他改性剂或添加剂，其材料性能与车辙、推移、拥包、　坑槽、横缝等铺装层病害有直接关系，此外还有气温、　水分、交通等外因影响。　混合料级配对其耐久性影响较大，对于密级配沥　青混合料，级配是否合理主要对其空隙率有影响。对　

收稿日期：２ｏ１６—０９—０７；修改日期：２ｏ１６一ｌＯ—ｌＯ　作者简介：郑毅强（１９７６一），男，安徽合肥人，安徽省交通控股集团有限公司高级工程师　

５８４　《工程与建设》２ｏ１６年第３Ｏ卷第５期　于ＯＧＦＣ等开级配磨耗层或ＰＡＣ等排水面层而言，　混合料空隙率高达１８％～２２％，这样就使得磨耗层　底部与下面层或防水粘结层界面的集料接触点减少　了近２Ｏ％，造成层间粘结力的降低，最好在开级配磨　耗层底部铺筑改性稀浆封层或ＳＢＳ改性热融沥青　碎石。　混合料的沥青用量也是重要因素之一。当沥青　用量不足时，集料表面沥青膜厚度就减小，混合料的　水稳定性、低温抗裂性能就减小，容易导致坑槽、裂缝　等病害。从河北省宣大、京石、保津、京秦高速多座混　凝土桥梁调查结果来看，采用ＳＭＡ结构的铺装层普　遍存在渗水、松散等病害，究其原因主要因为木质素　纤维掺量较小，仅为３‰－－４％ｏ，这样使得本来要求高　沥青含量的ＳＭＡ沥青用量不足，空隙率偏大，不能　起到密实封水作用［６］。尤其，当桥面铺装层与相邻路　面没有同步摊铺的时候，桥面铺装层的混合料就需要　拌和楼单独拌制沥青混合料，由于沥青铺装层的混合　料需求量较小，后场拌和时混合料质量难以保证。　沥青材料的高温稳定性、低温抗裂性、耐疲劳性　能对混合料的性能至关重要。在南方高温地区，夏季　桥面最高温度高达７０℃以上，远远高于沥青混合料　动稳定度６Ｏ℃的要求；西北、东北等寒冷地区，冬季　的极端低温产生的温度应力也可能超过沥青混合料　的低温抗裂强度，产生横缝；中原地区虽然夏季不太　热、冬季不太冷，但是温度变化较为频繁，容易导致混　合料的温度疲劳破坏，使沥青铺装层由裂纹发展为　裂缝。　沥青与集料粘附性不能满足要求时，混合料的水　稳定性就较差，也将导致铺装层抗水损能力下降，最　终出现裂缝、松散、唧浆、坑槽等病害。　１．３．２　沥青铺装系结构组合影响　柔性防水粘结层的存在将使得本来具备抗压优　势的沥青混凝土层底承受了较大的弯拉应力。防水　粘结层如同软夹层一样夹在两种刚性结构层之间，在　轮载作用下产生的最大剪应力一般存在于４～５　ｃｍ　处，多为０．２５～Ｏ．５３　ＭＰａ，加上温度应力，往往大于　普通混合料０．６～Ｏ．８　ＭＰａ的抗剪强度，从而将更容　易在层间产生剪切滑动效应。　１．３．３铺装层及防水粘结层厚度影响　混凝土桥面底涂层、下封层、防水层、下面层、粘　结层、磨耗层或上面层的厚度对铺装层内、铺装层／粘　结层、粘结层内、粘结层／桥面四种关键位置的最大剪　应力的影响是不同的。对于目前国内常用的３～５　ｍｍ粘结防水层，关键位置的最大剪应力　均变化　较小，但是当厚度增加到１０　ｃｍ时，铺装层内ｒ　由　０．９５　ＭＰａ下降到０．８２　ＭＰａ，其他位置　由　０．２　ＭＰａ下降到０．１６　ＭＰａ，由此可知目前的粘结层　厚度偏薄。铺装层厚度在８～１０ｃｍ内变化时，对铺　装层内　影响不大，而防水层内　却出现峰值，当　增加到１６　ｃｍ时，粘结层内　迅速下降近４０％［　。　铺装层的结构组合与厚度对其性能的影响往往　相互联系。有调查表明：沥青铺装层出现了坑槽，表　面上与混合料稳定性有关，实际上与铺装层结构及其　厚度有关。　１．３．４层间粘结状况　桥面铺装层体系的层间粘结＿８］包括：沥青层之间　粘结、沥青层与防水层粘结、防水层与桥面板混凝土　基层处治剂粘结及基层混凝土处治剂与基层混凝土　粘结。　１．４交通及自然环境的影晌　超载、超限对桥面铺装层的破坏尤为严重，尽管　对此进行了治理，但仍然较为普遍，如图１所示２０１２　年垮塌的哈尔滨阳明滩大桥上４辆重卡中有３辆超　载均大于３００％。　

【ＤＪ　图１阳明滩大桥　该桥垮塌的原因主要为：①超载、超限大大增加　了一次性破坏的可能性ｌ９　。如图１（ｂ）所示，当超载　２ｏ％时，寿命折减率近５ｏ％，而当超载率达到３００％　时，沥青铺装系使用寿命接近于０，说明此时的铺装　层急需大修了。这一点也得到美国、南非研究的证　实，即轴载超限１００％时，对路面的损害将是标准轴　载的４～６０倍［１　。按照超载３００％计算，当轴载为　

《工程与建设》２０１６年第３０卷第５期　５８５　４００　ｋＮ时，折减后剪应力将达到０．３２３　ＭＰａ，远远超　过了规范抗剪强度要求。②超载使车辆在桥头、桥　梁伸缩缝处的刹车和换档几率大大增加，加剧了对桥　面铺装层的冲击，更容易产生剪切破坏。③交通过　度渠化使得行车道上沥青铺装系经受３～５倍于其他　车道的交通荷载作用。④桥梁结构暴露在空气中，　对温度更为敏感，容易出现冬季“冰柜效应”和夏季的　“煎烤效应”。⑤混凝土桥面板与沥青混凝土的差异　性胀缩将导致表面干缩裂缝。⑥沥青铺装系的胀缩　受到混凝土板约束时，将产生较大的温缩裂缝。　⑦当车速较低时，雨水将通过地表径流的形式“渗　入”混合料中；当车速较高时，动水压力作用将使得水　分被高速“挤入”沥青混合料中。⑧冰冻、海洋、工业　酸雾及酸雨地区的融冰雪剂、盐、酸等均对铺装层有　一定的影响。　２结束语　（１）如果目前防水粘结层粘结强度、抗剪强度完　全能够满足交通荷载要求，保证整平层的表面构造、　质量及防水粘结层的完整性是沥青铺装系成败的　关键。　（２）与其过分强调通过增强防水粘结层粘结、抗　剪强度都难以克服本不可抗拒的交通、环境荷载，不　如通过采用ＡＲ、ＳＢＳ改性沥青碎石封层等具有良好　应力吸收效果的防水层来被动降低荷载影响。　（３）交通自然环境将大大加剧所有病害的扩展，　当超载２０％时铺装层寿命将折减５０％，而超载达到　３００％时，铺装层寿命接近于０；动水的“挤入”将加快　铺装层及防水粘结层的破坏，可通过两级主动式以及　三级被动式防排水体系进行设计。　（４）结构层内及层间剪切引起高温变形、动水作　用引起水损害以及负弯矩处引起裂缝为沥青铺装系　的主导病害。　

［参考文献］　［１］黄晓明．水泥混凝土桥面沥青铺装层技术研究现状综述［Ｊ］．交　通运输工程学报，２０１４（１）：１～１０．　［２］　Ｂｉｌｄ　Ｓ　Ｄｕｒａｂｉｌｉｔｙ　ｄｅｓｉｇｎ　ｃｒｉｔｅｒｉａ　ｆｏｒ　ｂｉｔｕｍｉｎｏｕｓ　ｐａｖｅｍｅｎｔｓ　ｏｎ　ｏｒｔｈｏｔｒｏｐｉｃ　ｓｔｅｅｌ　ｄｅｃｋｓ［Ｊ］．Ｃａｎａｄｉａｎ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｃｉｖｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒ—　ｉｎｇ，１９８７，１４（１）：４１～４８．　［３１　Ｃａｓｔｒｏ　Ｍ．Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ａｓｐｈａｌｔ　ｐａｖｅｍｅｎｔ　ｏｎ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｂｒｉｄｇｅ［Ｊ］．Ｃａｎａｄｉａｎ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｃｉｖｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００４，３１（４）：　６９５～７０２．　［４］张剑，董强，李忠林．水泥混凝土桥桥面铺装典型结构研究　［Ｊ］．重庆建筑，２０１０，９（１０）：１～４．　［５］郭素军．京秦高速公路混凝土桥面铺装病害成因及维修措施　［Ｊ］．交通世界，２００９（１５）：７６￣７７．　［６］张莉。河北省高速公路沥青混凝土桥面铺装病害调查分析与　研究口］．交通世界，２００８，９（１７）：１０７￣１１１．　［７］王京元．水泥混凝土桥沥青混凝土桥面铺装早期病害原因分析　和结构设计方法［Ｄ］．大连：大连理工大学，２００３．　［８］李东浩，袁嫒．不同结构组合水泥混凝土路面铺装层间粘结性　能试验研究［Ｊ］．中外公路，２０１６（３）：３７￣４２．　［９］ＪＴＧ　ＤＳ０－－２００６，公路沥青路面设计规范Ｉｓ］．　［１Ｏ］ＪＴＧ　Ｄ４０－－２０１１，公路水泥混凝土设计规范Ｉｓ］．　［１１］　Ｃｓｉｒ，Ｒ，Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ　Ｔ．Ｔｈｅ　Ｄａｍａｇｉｎｇ　Ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｆ　Ｏｖｅｒｌｏａｄｅｄ　Ｈｅａｖｙ　Ｖｅｈｉｃｌｅｓ　ｏｎ　Ｒｏａｄｓ［Ｊ］．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ，Ｒｅ—　ｐｕｂｌｉｃ　ｏｆ　Ｓｏｕｔｈ　Ａｆｒｉｃａ，１９９７：２３￣３０．