设置稀浆封层的水泥混凝土桥面铺装性能研究

 水泥混凝土桥梁桥面铺装材料一般包含水泥混凝土铺装及沥青混凝土铺装两种桥面铺装体系。由于水泥混凝土桥梁结构一般比较稳定， 对其桥面铺装系统要求不像钢桥面铺装系统那样严格， 往往为人们所忽视。早期的水泥混凝土桥面铺装沥青混凝土面层的工程项目， 对水泥混凝土桥面板与沥青混凝土面层之间都没有做特殊的技术处理， 最多是在层间撒布一定量的热沥青或改性乳化沥青， 由此使得桥面铺装过早产生松散、坑槽、唧浆和脱层等病害。一方面， 这些病害使得桥面积水易渗入梁体使钢筋锈蚀， 特别在严寒的冬季渗入混凝土孔隙内的水分结冰易导致混凝土面板或者钢结构桥面板产生破坏， 影响桥梁的耐久性， 缩短桥梁的使用寿命[1]。
     另一方面， 桥面铺装渗水使铺装发生早期破坏， 影响行车及桥梁安全， 这样装既不经济， 又会产生不良的社会影响。为此本文将对设置稀浆封层的水泥混凝土桥面铺装结构进行深入的研究。
    1· 试验原材料
    1.1 改性乳化沥青
    改性乳化沥青稀浆封层混合料中起粘结作用的主要是乳化沥青中的沥青材料。对于改性乳化沥青稀浆封层来说， 不但需要采用合乎标准的优质基质沥青， 如重交通道路沥青， 而且乳化后的性能指标特别重要。经检测， 各项质量技术指标均能满足《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）的要求。
    1.2 集料
    在改性乳化沥青稀浆封层中必须有一定的粗骨料起骨架作用， 其最大粒径直接决定稀浆封层混合料的最大厚度。另外， 要保持沥青稀浆的密实性、耐久性以及与稀浆拌和摊铺时的和易性， 集料中还需要一定数量的细集料。良好颗粒级配组成的集料， 一般均能形成密实而又稳定的稀浆混合料。稀浆封层用集料为石灰岩。
    1.3 配合比设计
    稀浆封层设计配合比（矿料∶沥青乳液∶水=100∶14.2∶6）拌合出的混合料， 其技术性能均符合《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）的要求。检验级配如表1所示。

     2· 层间粘结强度试验分析
     “水泥混凝土板+改性乳化沥青稀浆封层”结构中， 水泥混凝土板由试验室成型， 表面较光滑， 改性乳化沥青稀浆封层混合料技术指标符合要求。不同油石比下改性乳化沥青稀浆封层的抗剪强度试验结果如图1所示。

      图1显示， 改性乳化沥青稀浆封层与水泥混凝土板之间的剪切力随着油石比的不同而变化， 虽然不是呈线性关系， 但其强度变化的规律性十分明显：当改性乳化沥青稀浆封层油石比在9.5%左右时，其45℃、25℃和5℃时的抗剪强度都达到最大值，分别是7.5%和11.5%的油石比在同温度下的1.65倍、1.52倍、1.61倍和1.4倍、1.25倍、1.24倍。试验结果还显示， 改性乳化沥青稀浆封层下封层的油石比在7.5%~13.5%范围内。作为桥面铺装的防水粘结层， 油石比宜高不宜低， 这是因为作为桥面铺装的防水粘结层中必须要有足够的粉料[2]，因此需要更多的沥青。另外， 温度对层间剪切强度的影响也比较大， 尤其是高温的影响更为明显。在不同油石比下， 25℃时的抗剪强度平均是45℃时抗剪强度的2倍。低温时温度对抗剪强度的影响没有高温时那么明显， 5℃时的抗剪强度与25℃时的抗剪强度基本相当， 这是因为改性乳化沥青稀浆封层油石比比较大的缘故。
      另外， 文献显示， 沥青混凝土面层中的剪应力在150mm、100mm和40mm的沥青混凝土中最大值分别为0.28MPa、0.28MPa和0.26MPa左右。而改性乳化沥青稀浆封层下封层在油石比为7.5%左右时的抗剪强度为0.27MPa， 如果按层间最大剪应力分析， 两者值基本相当。但为保证抗剪强度， 建议桥面铺装改性乳化沥青稀浆封层下封层的最低油石比控制在7.5%以上。
      “改性乳化沥青稀浆封层+不同型式的沥青混凝土（AC10、SMA10、GA10）” 结构中， SMA为比较构造深度比较大的沥青混合料， AC次之， GA为悬浮式沥青混合料， 这三种型式的沥青混凝土基本上包含了水泥混凝土桥梁沥青混凝土铺装的结构型式。试验结果见表2。  

       由表2可以看出，改性乳化沥青稀浆封层与沥青混凝土层之间的抗剪强度特别大， 这主要与“沥青混凝土+改性乳化沥青稀浆封层”这一特殊结构有关[2]。由于热拌沥青混凝土中粗大粒径石料在高温条件以及碾压作用下嵌入改性乳化沥青稀浆封层中形成很强的剪力键，使得此层间抗剪强度基本上达到1MPa以上。对于表面构造比较深的SMA来说，抗剪强度比密级配沥青混凝土AC要稍高， 而比悬浮式浇注式沥青混凝土GA要大得多。改性乳化沥青稀浆封层与SMA10、AC10和GA10层间的剪切强度大小的比较说明，主要是热拌沥青混合料中粗大石料的嵌入增加了层间剪切强度。
       试验结果还表明，层间撒布一定量的改性乳化沥青粘结剂对提高层间的剪切强度作用并不明显。一方面，作为水泥混凝土桥梁桥面铺装结构层中的一部分，剪切强度能达到1MPa以上的结构层并不是铺装结构中的薄弱层。另一方面，水泥混凝土桥梁桥面铺装结构中层间的剪切应力很难达到1MPa以上。因此这一层的剪切强度是比较稳定的。

3· 施工质量控制
      3.1 预湿水 
      在高温干燥天气下，稀浆封层与水泥混凝土桥面板接触部分很容易破乳， 从而影响防水层的内聚力以及与桥面板的粘结性能。对原水泥混凝土桥面进行预洒水， 有利于稀浆封层与水泥混凝土板的牢固粘结。但对于撒布了其他粘结层的水泥混凝土桥面板不需要预湿水。
       3.2 碾压成型
       当稀浆封层的粘结力达到12N·m时，稀浆混合料已初凝， 当粘结力达到2.0N·m时， 稀浆混合料已凝固到可以开放交通的状态[3]。考虑水泥混凝土桥面铺装稀浆封层防水粘结层的作用以及使用要求，建议当混合料初凝后， 适时用轮重约4.5t、轮胎压力约为3个大气压的轮胎压路机碾压，碾压时做5个往返，从路中开始，向外侧扩碾，碾压速度为5~8km/h。碾压有助于提高稀浆封层防水粘结层的防水效果以及内聚力。
       3.3 伸缩缝
       许多水泥混凝土桥梁尤其是高速公路上的水泥混凝土桥梁的伸缩缝一般是填埋碎土，等桥面铺装完成后，再做桥梁伸缩缝。但由于稀浆封层的施工工艺为刮铺施工，因此，填埋的碎石很容易被刮铺箱刮起， 使稀浆封层产生起拱、刮痕以及铺装过厚等问题，因此铺装时必须有相应的处理措施，比如预制一块薄铁皮覆盖于桥梁伸缩缝上，或者填埋碎石时尽量使用细料，并尽量使填埋高度低于水泥混凝土桥面标高，这两种方式都可以避免稀浆封层被刮铺箱刮起。
       3.4 养生
       待乳液破乳且水分完全蒸发后方可施工沥青铺装层，这样有利于稀浆封层的密实度和水泥混凝土板的粘结。一般应在稀浆封层养生完成24h后，才能进行沥青铺装层的施工[4]。同时，在稀浆封层养生期间内严禁开放交通，若有特殊情况不得已行驶车辆时，要限速行驶，并派人定期清扫路面， 以防止杂物在行车碾压下损坏稀浆封层。对于损坏的稀浆封层，应进行人工修补。
       4 ·结论
       4.1 改性乳化沥青稀浆封层作为水泥混凝土桥梁桥面铺装的防水粘结层， 其较为优化的铺装方案为： 在水泥混凝土桥面板上涂刷一定量的粘结剂后，铺装6~9mm厚的改性乳化沥青稀浆封层，再于其上直接铺装沥青混凝土铺装面层。层间粘结剂的用量根据试验确定，粘结剂的种类可以根据桥面铺装使用性能要求并考虑其经济性加以选择。
       4.2 改性乳化沥青稀浆封层施工投资少，工艺简单，施工质量容易控制， 成型的混合料能有效保护水泥混凝土桥面板不受污染，使铺装主体与水泥混凝土桥面板之间的粘结更为有效。