沥青混凝土桥面铺装设计与施工技术
(1.包头市公路工程股份有限公司，内蒙古 包头 014000；
2.内蒙古交通设计研究院有限责任公司，内蒙古 呼和浩特 010010)
摘 要：对桥梁结构的桥面沥青混凝土铺装层损坏原因进行了分析，根据沥青混凝土桥面铺装的功能要求，提出桥面铺装结构设计及其施工方法。
关键词：沥青混凝土桥面铺装；设计与施工技术
中图分类号：U443.33 文献标识码：A 文章编号：1007—6921(2008)08—0147—03
我国近些年在大规模修建高速公路时相应地修筑了大量公路桥梁，桥梁建设中对桥梁结构的设计和施工都十分重视，但对桥面沥青混凝土铺装层应用技术没有引起足够的关注。部分混凝土桥面水泥混凝土铺装层和沥青混凝土面层出现早期大量损坏现象。而实际上桥面的早期损坏现象严重影响桥面行车舒适性和桥梁结构的正常使用，解决不好必将造成较大的经济损失和不良的社会影响。本文结合丹拉国道主干线包头过境高速机场连接线沥青混凝土桥面铺装的实体工程，重点研究解决沥青混凝土桥面铺装层早期损坏现象，通过分析沥青混凝土桥面铺装结构的损坏原因、结构受力与结构设计原则，提出桥面铺装结构设计方法以及结构组合、排水措施和桥面防水层铺筑技术。
1 工程概况
丹拉国道主干线包头过境高速公路机场连接线位于包头市东河区南部，路线全长5.536km。全线共有中桥六座，其中主线210互通立交桥、二道沙河中桥、西河槽中桥均为4～20m先张法予应力空心板桥，三座分离立交桥均为后张法连续箱梁桥。桥涵设计荷载：采用汽车超一20级、挂车－120。大中桥全幅全宽为33m。为了有效提高路面抗车辙能力河抗渗水性能，上面层沥青采用SBS改性沥青，面层矿料配合比采用Superpave理论。
2 沥青混凝土桥面铺装结构损坏原因分析
造成桥面早期损坏的原因是多方面的、综合的，涉及到设计、施工、材料、气候、交通条件等方面，尤其是在铺装层材料、粘结层及防水层材料的选择与设计。沥青混凝土桥面铺装结构的损坏原因主要有以下几个方面：
2.1 渗水引起的损坏
由于沥青的粘附性差，空隙率过大或铺装层开裂导致水分渗入，水渗入到沥青面层内部和水泥混凝土桥面与沥青面层的界面之间，在行车荷载及温度变化下产生水损害，从而出现唧浆、网裂、剥落、松散、坑洞等现象，另一方面由于界面之间存在水压力，降低了界面之间的联结强度，造成沥青层脱落、起皮等现象，使铺装层失去强度和防水能力。
2.2 温差引起的损坏
桥面结构直接承受气候条件的影响，同正常路面结构相比，铺装层材料夏季温度更高，冬季温度更低，即相同的气候条件对铺装结构材料的影响更苛刻。因此，在普通路面中使用良好的材料，用在铺装结构中往往会由于温度产生损坏。同时由于桥面板或梁结构产生过大挠度也易引起沥青混合料铺装层开裂，水渗入后易造成面层松散和坑槽破坏。
2.3 沥青混凝土铺装层结构受力引起的损坏
沥青混凝土桥面铺装层同桥梁结构在材料性能上差异较大，即一柔一刚，因此在外力作用下会导致应力与变形的不连续。在刚度大得多的桥梁结构上，柔性铺装层必须具有足够的强度和稳定性，尤其是抗剪强度更为重要。铺装层内部容易产生较大的剪应力，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以致剪切破坏，产生车辙、推移、拥包、波浪等病害。
2.4 交通超重荷载引起的损坏
车辆超载造成桥面铺装层结构应力增大，加剧结构的损坏。目前车辆超载严重，轴载高达200～300km，而路面设计标准轴载为100km，超载是桥面严重损坏的一个重要方面。因此，一方面应严格限制大型超载车上桥，另一方面要提高铺装层材料的性能等级与设计标准。
2.5 其他原因引起的损坏
在桥梁结构与柔性铺装层之间的粘结层，对桥面铺装结构起着至关重要的作用。这一层次应能起到承上启下的过渡作用，同时还应能防水。但一些研究表明，许多的损坏是由这一层诱发的，其原因是通常采用普通沥青作为粘层油，软化点较低，高温条件下易产生推移、拥包、波浪和车辙，由于沥青洒布量难以控制，更加剧了界面剪切损坏。
从目前水泥混凝土桥面沥青混凝土面层铺装结构的损坏来看，桥面铺装结构的防排水与密水性能是克服桥面水损害的关键功能要求，设置有效的防水层和完善的排水系统以及采用密实的沥青混合料面层是减少水损害的重要措施。良好的层间结合是克服行车荷载所产生的水平剪切破坏的关键功能要求，刚柔层间处的抗剪强度往往是一个薄弱处，需采取特殊的方式进行处理。
3 沥青混凝土桥面铺装的功能要求
为保证沥青混凝土桥面铺装结构在设计使用期限内的使用性能和耐久性，桥面铺装应具备以下功能：
3.1 良好的抗裂性和适应变形的能力
在车轮荷载作用下，某些结构铺装层内产生较大的拉应力，反复作用容易导致铺装层的疲劳开裂；连续梁桥桥墩处出现的负弯矩引起桥面开裂，从而引起铺装结构层开裂；大跨度桥梁结构变形较大，因此要求桥面铺装具有优良的柔韧性和适应变形的能力，以避免铺装层早期疲劳开裂和较低温度时的收缩开裂。
3.2 优良的热稳定性
水泥混凝土桥面在夏季高温季节，太阳辐射大，沥青铺装层从上到下温度都较高，要求具有优良的高温抗蠕变及抗剪切性能，才能将车辙深度限制在容许范围内。
3.3 良好的抗老化能力
为保证沥青铺装层的耐久性，铺装层结构必须具备良好的抗老化的性能。
3.4 良好的防水性
保护水泥混凝土桥梁及预应力钢筋不被腐蚀，是保证桥梁功能的首要问题，因此不仅要求沥青铺装层混合料具有高度的密水性和抗水损害的能力，而且要求桥面铺装结构具有完善的防水体系。
3.5 良好的层间结合
在桥面混凝土与防水层之间、防水层与沥青铺装层之间都必须具有良好的粘结力，使各层能够形成牢固的整体，才能保证在荷载作用或温度变化时共同作用。
3.6 良好的表面特性
要求沥青铺装层表面具有良好的平整和粗糙性，以减少车辆的冲击和提高铺装层的抗滑能力。
4 桥面铺装层结构设计
4.1 水泥混凝土桥面铺装层的结构组合
水泥混凝土桥面铺装层型式有沥青混凝土、普通水泥混凝土、钢纤维混凝土、连续配筋混凝土、扩张网混凝土等。国内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，在水泥混凝土桥面铺装方面选用的结构类型与厚度不尽相同，一般采用沥青混凝土铺装层，包括防水层和沥青混凝土面层。
4.1.1 日本采用的铺装结构形式：
沥青层＋板状防水材料＋沥青橡胶粘结剂＋水泥混凝土板；
沥青层＋3层氯丁橡胶型防水材料＋氯丁橡胶粘结剂＋水泥混凝土板；
沥青层＋乳化沥青(粘结)＋沥青层(防水)＋沥青橡胶粘结剂＋混凝土板；
4.1.2 丹麦在防水层之上铺筑1.5～2.0cm的开级配沥青混凝土作保护层、4cm改性沥青混凝土联结层和4cmSMA结合料磨耗层。
4.1.3 我国对不考虑设置防水层的小跨径桥梁，直接在桥面上铺筑5～8cm的普通水泥混凝土或沥青混凝土(单层或双层)。对于需要防水的桥梁，修筑时在桥面板上铺筑8～10cm的防水混凝土作为铺装层。
本工程桥面设计采用4cm改性沥青混凝土联结层和4cm结合料磨耗层。同时为提高桥面的耐久性，并在其上再铺筑FYT-1防水层。
4.2 结构层厚度设计
4.2.1 设计因素。通过沥青类桥面铺装层的破坏现象分析，使用莫尔——库仑强度理论来确定铺装层厚度是比较合适的，即要求桥面与沥青铺装层之间的层间剪应力不超过层间抗剪强度，即：
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式中：τf为层间剪应力；f为制动摩擦系数，可取0.2或0.5，f＝0.2时表示缓慢制动，f＝0.5时表示紧急制动情况；τR为层间抗剪强度，参考城市道路路面设计方法，可按下式确定：
式中：τmax为层间剪切试验中一次加载破坏时的层间抗剪强度；C、φ为沥青混合料的粘结力与内摩擦角；σz为层间接触面的法向应力；Kf为层间抗剪
采用涂膜层材料与防水层粘结时，在满足桥面铺装结构层间抗剪强度的要求下，铺装结构层厚度宜在5～8cm。
4.2.2 防水层对厚度要求。因车辆制动、起动、行驶而产生的水平剪力是防水层破坏的主要原因，同时环境温度、气候条件、沥青铺装层的施工、桥面状况、面层级配、面层厚度及不同品牌防水层的材料性能，也是防水层损坏的原因。分析表明：随着沥青层厚度增加，层间剪力降低，当沥青层厚度大于6cm时，基本可满足防水层不被剪切破坏的要求，如沥青层厚度在10cm以上，防水层一般不会因水平剪应力而破坏。
4.2.3 平整度对厚度的要求。部颁《公路工程质量检验评定标准》(JTJ 071-98)对高速公路桥面铺装平整度要求是：连续平整度仪为σ＝1.5mm或IRI＝2.5m/km，若采用3m直尺最大间隙不超过5mm。实际工程中整平层的平整度状况不令人满意，采用3m直尺检测一般在6～9mm之间，最大可达15～20mm。
满足平整度指标要求的沥青层厚度范围由下式计算：
式中：ha为沥青层厚度(cm)；Rc为混凝土桥面整平层平整度(mm)；Ra为沥青层要求平整度(mm)；C为厚度影响系数(mm/cm)，据研究认为C值0.6714。因此满足平整度指标要求的沥青层厚度宜为6～15cm。
4.2.4 施工工艺对厚度的要求。结合关于沥青混合料最大骨料粒径与厚度对压实效果的影响规律以及部颁《公路沥青路面施工技术规范》(JTJ 032-94)关于沥青混凝土结构层最小厚度的规定，沥青铺装上层的厚度不宜小于沥青混合料最大公称粒径的2.5～3倍；铺装层下层的厚度不宜小于沥青混合料最大公称粒径的2～2.5倍。考虑到沥青混合料的摊铺、碾压等施工工艺，尤其是材料离析现象，综合考虑沥青混合料铺装层的施工厚度不宜小于最大公称粒径的2.5倍，最好为3倍。如表面层采用AK-16A，则结构层厚度宜为4～5cm；AK-13A时则宜为3～4cm。
4.3 厚度设计方案
根据以上分析提出沥青混凝土桥面铺装层结构为：4cmAK-13抗滑表层＋2cmAC-10I细粒式沥青混凝土＋粘结与防水层＋桥面防水混凝土(见表1)。
为保护水泥混凝土桥面及加强沥青面层与水泥混凝土桥面的粘结，需在水泥混凝土桥面上设置粘结与防水层结构，采用SBS改性沥青作涂膜防水层。
4.4 桥面铺装排水设计
要解决水的影响可从以下几个方面考虑：一是密水，选择空隙率小的沥青混合料类型，加强压实，防止雨水的渗入；二是加强排水，设置完善的排水设施与排水系统，尽快将不可避免渗入面层的雨水排除；三是提高沥青混合料与水泥混凝土桥面的水稳定性和抗冲刷能力，加强界面连结与防水层的作用。
4.4.1 桥面排水措施。桥面排水包括桥面铺装层表面排水和桥面铺装层结构层内部排水两部分。为迅速排除桥表面积水，除原有的泄水管与泄水孔外，在桥梁两外侧边缘(或弯桥的弯道内侧)设置桥面排水盲沟，以加强桥面铺装内部排水，尺寸为10×5cm，用沥青碎石或沥青贯入式碎石填充，要求空隙率大于20%。
4.4.2 桥面防水措施。为防止雨水滞积在桥面或渗入到桥面结构层内(或梁体)而影响桥梁使用耐久性，除作好桥表面排水系统外，还应在混凝土桥面设置防水层。设置防水层至关重要，可有效防止渗入的雨水再渗入到钢筋混凝土结构内，对混凝土结构起到很好的保护作用。
本工程中，考虑到SBS改性沥青作涂膜防水层能既起防水层作用又起粘结层作用，设计时采用了该方案。
5 沥青混凝土桥面铺装防水层施工技术
5.1 原材料技术要求
综合考虑气候、交通以及结构层厚度等因素，提出沥青混凝土桥面铺装SBS改性沥青涂膜防水层材料技术要求(见表2)。
5.2 对施工方案及工艺的要求
5.2.1 清理桥面，桥面应平整、粗糙、干燥、整洁，不得有浮浆、尘土、杂物或油污。
5.2.2 建议采用性能良好的沥青洒布车均匀喷洒0.3kg/m2的乳化沥青做底层。均匀喷洒2.0kg/m2的SBS改性沥青涂膜防水层。
5.2.3 撒铺单一粒径规格的石灰岩碎石作为封层，覆盖率60%左右，然后用轮胎压路机碾压成型。同时对桥面封闭12～18h进行养护。
5.2.4 摊铺沥青成品料时注意平整度、厚度，并及时碾压成型。
6 结束语
桥梁施工是一项复杂的系统工程，桥面铺装层属非常关键的分项工程，它对于延长桥梁的使用寿命起着关键的作用。本文提到的思路方法结合包头机场高速公路实际施工，并经过几年的运营，收到了良好的效果。综上所述，沥青混凝土桥面铺装设计与施工技术尚需在今后的实际施工中不断探索、研究、总结，为我国公路桥梁交通事业做出卓有成效的贡献。
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