水泥混凝土桥面柔性铺装结构优化

王锦斌

（山西太旧高速公路有限责任公司，山西 阳泉 045000）

0 引 言

沥青混凝土桥面铺装层和结构层由于材料刚、柔差异较大，在荷载作用下的最大拉拔力和最大剪应力分别比普通路面面层高出50%和40%左右［1］。然而，在中国已建成的高速公路中，沥青混凝土桥面铺装结构多直接套用沥青路面设计中的上面层和中面层组合结构［2-3］，这种设计方法反应了中国高等级公路路面设计人员经验性设计的随意性和盲目性，导致一些桥面铺装设计不完善，沥青路面病害在桥面铺装结构中出现更加频繁、破损程度更加严重，致使桥面大规模翻修，造成较大的经济损失［4］。

关于中国桥面铺装研究的特点可以总结为“重材料、轻结构”，且大量研究都围绕钢桥面铺装进行，如张波、路凯冀等研究了橡胶沥青、胶粉沥青在桥面铺装中的路用性能［5-6］；张争奇、郭强等验证了环氧沥青在刚桥面铺装中的增柔、增韧效果［7-8］；王民等系统研究了高弹SMA用于桥面铺装的可行性［9］；陈绍辉等研究了功能性桥面铺装的设计方法和施工技术［10］，整体而言关于水泥混凝土桥面柔性铺装的研究成果较少。同时，中国的设计规范中也没有给出优选的桥面铺装力学分析和结构设计方法，只对铺装层厚度、材料的级配选择、防水黏结层和桥面板处理工艺等给出了经验性的指导［11-13］。

为进一步优选适用于水泥混凝土桥面柔性铺装的结构组合，本文分析不同沥青混合料的路用性能和力学性能，并针对不同组合下的桥面结构力学特性进行分析，为桥面铺装的经济耐久提供理论基础。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

本文所用集料为玄武岩，沥青为SBS改性沥青。原材料均由山西喜跃发路桥建筑材料有限公司提供。沥青、各种集料、矿粉的密度试验结果见表1、2，木质素纤维添加剂的性能指标见表3。

表1 沥青密度试验结果

表2 集料密度试验结果

表3 木质素纤维指标

1.2 试验方法

为验证不同类型沥青混合料的路用性能，参照公路工程沥青混合料相关试验规程对各种沥青混合料的路用性能进行试验，并对比分析其工程适用性。

（1）基本路用性能。对于不同类型沥青混合料，参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）的车辙试验、低温弯曲试验、浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验评价其相应的高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性［14-15］。

（2）力学性能。力学性能参照同济大学孙立军课题组的研究成果，采用单轴贯入试验模拟路面的实际受力状态，结合无侧限抗压强度试验计算混合料的抗剪强度。

2 桥面柔性铺装结构优化的必要性

现有水泥混凝土桥面铺装结构多采用双钢混凝土作为调平层，将普通路面的中面层和上面层作为柔性结构进行铺装。但是，水泥混凝土桥面板和半刚性基层材料模量差异较大，直接套用普通路面结构势必造成结构性能的不足或浪费［16-17］。本文以山西省某高速公路桥面铺装为例建立二维结构模型，对比分析荷载作用下的最大应力分布情况。初步假设各层材料的力学参数如表4所示。

表4 铺装层材料特性

采用BISAR对上述3种铺装结构以标准轴载进行分析，荷载模型及计算点位置如图1所示。

图1 荷载模型及计算点

为研究不同结构对桥面铺装层力学性能的影响，主要对比分析A、B、G、H四个计算点的应力、位移和应变值。为更加直观地分析不同计算点的力学特性，将其计算结构绘制成柱状，如图2～4所示。

通过图2可以看出，荷载作用下不同计算点的位移值相差不大，且都出现相同的规律，即桥面铺装结构的位移值远小于其他2种路面结构的位移值，说明增加结构层厚度可以有效地减小路面结构的位移值。通过图3可以看出，不同的计算点在荷载作用下的应力有较大差距。随着计算点到荷载位置距离的增加，应力逐渐减小。在荷载位置处，沥青混凝土桥面铺装上面层和中面层底部的应力值均大于其他2种路面结构，在中面层底部桥面结构承受的剪应力比普通路面高出20%～30%。分析其原因为：桥面铺装在沥青混凝土中面层的底部为双钢水泥混凝土和T梁，其模量及整体刚度较大，导致沥青混凝土承受较大的剪应力。因此，在设计过程中要着重考虑桥面铺装结构沥青层的剪切破坏。

通过图4可以看出，大部分计算点都承受压应变，只有双轮荷载中间位置承受拉应变。同样，在最大的应变计算点处发现，桥面铺装结构中沥青层中的压应变明显大于其他2种路面结构。而随着深度、距离荷载位置的增加，应变逐渐降低。

综上分析，铺装结构中沥青层所承受的应力与应变均大于普通路面结构，若以普通沥青路面的层底拉应力为控制指标进行桥面铺装结构设计，势必会造成沥青混凝土强度不足，进而引发开裂、剪切破坏等病害。因此，在采用沥青混凝土进行桥面铺装时，必须对其铺装结构和材料性能进行重新研究，保证铺装结构的耐久性。

图2 不同计算点的位移值

图3 不同计算点的应力分布

图4 不同计算点的应变值

3 不同沥青混合料性能对比

山西省境内常见的高等级公路水泥混凝土桥面铺装结构为：8～10cm双钢混凝土调平层；10cm的沥青混凝土，其中沥青混凝土多采用（4+6）cm的形式；上面层主要为SMA-13或AC-13；下面层多采用AC-20。地域性级配（GAC，也称改良AC）的出现丰富了桥面结构的组合形式，GAC兼顾了沥青混凝土的高、低温性能，更加适用于环境恶劣的地区使用。不同类型级配的矿料推荐范围如表5所示。

表5 不同类型合成级配

采用马歇尔设计方法设计上述6种沥青混合 料，对比分析其不同的体积指标，如表6所示。

图5 不同类型混合料的级配

表6 合成集料的体积指标

通过表6可以看出，6种不同类型的沥青混合料体积指标具有明显的差距，GAC沥青混合料的空隙率相对更大，稳定度更高；AC沥青混合料的矿料间隙率更小，稳定度相对较低。

3.1 基本路用性能

（1）高温稳定性。对不同类型沥青混合料进行高温稳定性试验，结果如图6、7所示。

图6 不同类型混合料的动稳定度

从图6可以看出，对于同一粒径不同类型的沥青混合料，其抗车辙性能从优到劣排序为：GAC-13、SMA-13、AC-13、GAC-16、SMA-16；对于同一类型的沥青混合料，AC-20优于AC-13，GAC-16优于GAC-13，SMA-16优于SMA-13，表明随着粒径的增大混合料抗车辙性能逐渐提高。考虑到车辙试验仪采集数据的偏差性，对不同沥青混合料的车辙深度作定量分析，得出：随着混合料粒径的增加，车辙深度逐渐减小，骨架密实型沥青混合料具有更好的抗车辙性能。

图7 不同类型混合料车辙深度

（2）低温性能。不同沥青混合料的低温抗裂性能如图8～10所示。

图8 不同类型混合料的弯拉强度

图9 不同类型混合料的弯拉应变

结合图8～10可以看出，随着级配由悬浮密实型向骨架密实型渐变，混合料的弯拉强度增大，极限弯拉应变变大，材料的劲度模量明显提高。这是由于：对于悬浮密实结构的沥青混合料，随着材料粒径的增加，混合料的弯拉强度提高，弯拉应变急剧下降，虽然劲度模量相差不大，但低温抗破坏能力下降明显；对于骨架密实结构而言，随着材料粒径的增加，混合料的弯拉强度提高，弯拉应变略有下降，劲度模量相差不大。低温开裂的关键因素在于弯拉应变的极限值，宏观上可选择材料的精度模量进行控制，劲度模量越小，极限弯拉应变越大，材料的低温抗裂性能更好。其中，SMA类材料的弯拉应变较大，是因为其内部含有更多的沥青材料，有助于低温条件下发挥黏聚效果。

图10 不同类型混合料的劲度模量

（3）水稳定性能。不同沥青混合料的水稳性如图11、12所示。

图11 不同类型混合料浸水稳定度残留比

图12 不同类型混合料冻融劈裂强度比

从图11可以看出，不同类型沥青混合料浸水后的稳定度残留比相差较大。GAC13、SMA-13、AC-13三种混合料的稳定度残留比依次减小，可见骨架密实结构的稳定度受浸水的影响最小。随着粒径的增大，沥青混合料的稳定度提高，稳定度残留比下降，这是由于水分影响沥青与集料的黏附性而引起的。由图12可见，不同沥青混合料的冻融劈裂强度比变化规律与稳定度残留比相同，以SMA为代表的骨架密实结构在粒径增大后强度下降较为明显。整体而言，GAC沥青混合料的抗水害能力更强。

3.2 力学性能

采用旋转压实仪成型试件，并钻取Φ100mm×100mm的试件，选取Φ28.5mm的压头，在60℃的环境下以1mm·min-1的加载速率进行力学试验。将试验结果乘以强度系数，得到试件的最大剪应力及该点各主应力值，如表7所示。

表7 抗剪试验结果

对比AC-13与AC-20、SMA-13与SMA-16、GAC-13与GAC-16发现，沥青混合料的粒径增大，连续级配沥青混合料的黏结力有下降的趋势，而间断级配沥青混合料的黏结力略有增加。同时，连续级配沥青混合料的摩擦角逐渐减小，而间断级配沥青混合料的摩擦角明显增大。产生上述现象的原因在于：AC沥青混合料为悬浮密实结构，SMA沥青混合料属于骨架密实结构，GAC混合料处于悬浮密实结构和骨架密实结构的过渡区；悬浮密实结构主要依靠沥青材料的黏聚性，骨架密实结构中摩擦力起主要作用，当混合料粒径增加时沥青用量下降，沥青的黏聚性下降，混合料的黏结性降低，而骨架摩擦力相对增加，内摩擦角变大。

同时，随着矿料粒径的增大，连续级配混合料的抗剪强度降低，而间断级配系列混合料的抗剪强度增大。可推理得知，抗剪强度及沥青混合料的黏结性与摩擦力有关，增加粒径更有利于这种骨架结构的稳定。因此，GAC是一种偏向于骨架密实结构的连续级配。

4 桥面柔性铺装组合研究

参照长安大学动态模量的研究成果，预测不同沥青混合料的弹性模量，拟合公式为

式中：E为沥青混合料的弹性模量（MPa）；T为环境温度（℃）；L、a为回归系数。

按照上述结果计算20℃沥青混合料的的弹性模量。混凝土的弹性模量取2.0×104MPa，泊松比为0.15。计算结果如表8所示。

图8 不同材料的力学参数

水泥混凝土桥面柔性铺装层的工作环境较为复杂，既要承受车辆荷载应力，又要承受桥面板弯曲和扭转对铺装层产生的应力。一般在钢桥面多考虑桥面板弯曲与扭转对沥青混合料的影响，不考虑水泥混凝土桥面的弯曲和扭转，直接以简支T型梁、连续路面沥青层的受力特性为主。依据有限元软件建立计算模型，如图13所示。

图13 简支梁桥面铺装结构模型

为研究桥面铺装整体的使用性能，对选用的6种混合料进行结构组合，不同结构组合的力学特性如表9所示。

表9 不同结构组合的力学响应

从上述计算结果可看出，在荷载作用下，各层沥青混合料承受的应力及位移相差不明显，而应变相差较大。水泥混凝土桥面柔性铺装结构中的下面层将承受更大的剪应力，故下面层应选择力学性能较高、抗裂性能较强的混合料，而上面层应选择路用综合性能较好的混合料类型。

5 结 语

（1）桥面铺装结构的位移值远小于路面结构相应层位的位移值，且桥面结构的上面层底部和中面层底部的应力值均大于普通路面结构。

（2）随着集料粒径的增大，混合料抗车辙性能逐渐提高，骨架密实型沥青混合料具有更好的抗车辙性能和抗弯拉强度，连续级配骨架密实型沥青混合料的水温性能较好。

（3）随着集料粒径的增大，连续级配沥青混合料的摩擦角逐渐减小，而间断级配沥青混合料的摩擦角明显增大；连续级配混合料的抗剪强度降低、黏结力下降，而间断级配系列混合料的抗剪强度增大，黏结力略有增加。

（4）不同组合的桥面结构在荷载作用下各层沥青混合料承受的应力及位移相差不明显，应根据工程特点选择路用性能较高的混合料进行组合使用。