复合浇注式钢桥面沥青铺装的路用性能

潘友强，张志祥，徐肖龙

(江苏中路工程技术研究院有限公司，江苏 南京 211806)

0 引 言

南京四桥为三跨连续钢箱梁悬索桥，主跨为1 418 m，桥跨布置为575 m+1 418 m+483 m，采用扁平流线型加劲梁，是目前国内跨径最大的双塔三跨悬索桥[1-3]。大跨径悬索桥是一种漂浮结构，其桥面受力特点对铺装提出了要求，尤其是在变形随从性方面[4]。南京地区日最高气温为43 ℃，最低气温为-14 ℃，气候条件严酷，南京四桥采用闭截面箱形梁结构，夏季铺装层内部预计最高温度达70 ℃。南京四桥是南京绕城高速跨越长江的主通道之一，交通量大，重载多。因此，南京四桥桥梁的结构形式、气候与交通荷载条件对桥面铺装结构材料提出了巨大要求。

考虑到南京四桥大跨径悬索桥结构的大变形特点，参考国外的成功经验，特别是日本大跨径悬索桥的工程经验[5]，优先选择复合浇注式沥青铺装方案。同时，考虑到四桥气候条件严酷、交通荷载繁重，故将提高铺装的高温抗车辙性能作为研究重点，下层采用直馏硬质沥青浇注式沥青混凝土(压入大粒径碎石)，上层采用高弹改性沥青AC，对结构材料进行适当优化，并开展大量的试验研究。

1 浇注式沥青混凝土的设计与性能

直馏硬质沥青浇注式沥青混凝土在国内应用不多，因此南京四桥浇注式沥青混凝土设计时主要参照了日本本四联络桥的设计方法，混合料主要由流动性和贯入度2项指标来确定级配与沥青用量，然后采用车辙试验和弯曲试验进行验证。设计指标根据国内高温重载的特点取上限进行控制，设计流程如图1所示。

图1 直馏硬质沥青浇注式沥青混合料配合比设计流程

为提高浇注式混合料的高温稳定性，南京四桥适度提高了刘埃尔流动度和车辙动稳定度指标值，如表1所示。

表1 浇注式沥青混合料的技术指标

南京四桥浇注式沥青混合料采用硬质直馏沥青添加湖沥青(TLA)的混合沥青作为浇注式沥青混合料的黏结料，考虑到南京四桥高温重载的使用要求，TLA掺量按照30%配比[6]。

1.1 级配设计与最佳沥青用量

南京四桥钢桥面铺装浇注式沥青混凝土级配设计如表2所示，级配曲线如图2所示。

采用4个不同的沥青用量，分别测试浇注式沥青混合料的流动性和贯入度，试验结果如图3所示。考虑到提高混合料的高温性能和可施工性，贯入度目标值要尽可能靠近低值，沥青用量为8.3%，对应的流动性值为18 s，在0～20 s的技术要求范围内。

表2 浇注式沥青混凝土合成级配

图2 浇注式合成级配曲线

图3 沥青用量与刘埃尔流动性、贯入度的关系

1.2 混合料性能试验

(1)高温车辙试验。采用车辙试验评价浇注式沥青混凝土的高温性能，试验结果如表3所示，可知浇注式沥青混凝土的高温性能符合技术要求，但与一般沥青混合料相比偏低。

表3 车辙动稳定度试验

为进一步提高浇注式沥青混凝土的高温性能，南京四桥首次采取了在浇注式表面撒布并压入适量预裹碎石的措施。为评价撒布适量的预裹碎石对浇注式沥青混凝土高温性能的提升效果，进行不同预裹碎石压入数量的车辙试验，结果如图4所示，试验结果显示，预裹覆碎石的撒入显著提高了浇注式沥青混凝土的高温性能。

图4 压入碎石数量与动稳定度的关系

(2)低温弯曲试验。低温弯曲试验中试件尺寸为100 mm×50 mm×300 mm，试验温度为-10 ℃，加载速率为50 mm·min-1，试验结果见表4，结果表明设计的浇注式沥青混合料低温性能符合技术要求。

表4 低温弯曲试验结果

图5 浇注式沥青动态模量试验结果

图6 浇注式沥青与环氧沥青混合料动态模量比较

(3)动态模量试验。南京四桥开展了浇注式沥青混凝土动态模量试验，结果如图5所示，将之与环氧沥青混凝土动态模量试验结果进行对比，结果如图6所示。浇注式沥青混合料性能受温度和荷载影响较大，混合料的动态模量随温度的升高而降低，随频率的升高而增加[7-9]。浇注式沥青混合料的动态模量在低温高频条件下与环氧沥青混合料基本接近，具有较高的强度，能够保证铺装层的使用性能；但是在高温条件下，即温度超过40 ℃，混合料的动态模量开始迅速降低，且在低频条件下，浇注式沥青混合料的模量降低更为明显。

2 高弹改性沥青混合料的设计与性能

南京四桥钢桥面铺装高弹改性沥青混合料采用了高弹改性沥青作为胶结料，设计级配采用了AC结构，混合料设计参照日本本四联络桥相关技术要求，设计过程中将动稳定度指标提高到3 000 次·mm-1，见表5。

表5 南京四桥高弹改性沥青混合料技术指标

南京四桥钢桥面铺装高弹改性沥青混凝土采用马歇尔体积设计方法，最终设计级配如表6所示，级配曲线如图7所示。高弹改性沥青混凝土要具有较好的施工和易性及路用性能，天然砂的掺加很关键[10-14]。国内的天然砂多为河沙，且0.075 mm和0.15 mm筛孔的通过率偏低，导致为了达到设计级配要求，需要增加较多的矿粉和相应的沥青，因此成本过高。为降低矿粉与沥青用量，南京四桥经过多方面比较，掺配一定量的天然特细砂，在保证铺装施工和易性的基础上提升铺装的路用性能。

表6 浇注式沥青混凝土合成级配

图7 高弹改性沥青混凝土级配曲线

南京四桥高弹改性沥青混凝土的体积及性能指标试验结果如表7所示，结果显示各项指标均满足设计要求。高弹改性沥青混凝土具有非常优良的变形性能，低温弯曲应变超过17 000 μm，能够满足铺装的大变形需求。

3 组合结构性能

为进一步评价复合浇注式沥青铺装组合结构的路用性能，本文进行了复合浇注式沥青铺装复合件的室内试验，主要开展了复合结构的高温车辙试验、低温弯曲试验、疲劳试验和变形协调试验[15-18]。

表7 高弹改性沥青混合料性能试验结果

3.1 高温性能

铺装结构高温性能是浇注式钢桥面铺装研究关注的重点，本文完全按照实际桥面铺装结构，开展了4 cm浇注式沥青混凝土、3.5 cm改性沥青混凝土复合件的车辙试验，其中浇注式沥青混凝土表面压入碎石，试验温度分别为60 ℃、65 ℃，轮压0.63 MPa，试验结果见表8。从试验结果可以看出，复合件的动稳定度在60 ℃下接近3 000 次·mm-1，在65 ℃下超过1 500 次·mm-1，在浇注式沥青混凝土表面压入碎石可以显著提高整个铺装层的抗车辙性能。

表8 复合试件动稳定度试验结果 次·mm-1

3.2 低温性能

试验过程中在浇注式沥青混凝土表面压入碎石，试验温度分别为-15 ℃、0 ℃，试验结果见表9。从试验结果可以看出，复合结构具有优良的变形性能。

表9 复合件低温弯曲试验结果

3.3 疲劳性能

抗疲劳性能是控制复合浇注式沥青铺装设计的关键参数之一，本文开展了带钢板复合件的疲劳试验，试件由钢板(厚14 mm)、4 cm浇注式沥青混合料、3.5 cm改性沥青混合料组成，试验参照国内已有带钢板疲劳试验的研究成果，开展0 ℃、20 ℃条件下的疲劳试验，试验最大荷载为5 kN，具体试验结果见表10。从表10可以看出，复合浇注式钢桥面铺装复合结构疲劳寿命超过1 200万次，特别是在应变较大的状况下依然有良好的抗疲劳性能。

表10 复合件疲劳试验结果

3.4 变形协调性能

为了评价浇注式沥青钢桥面铺装的变形随从性，开展了带钢板复合件的破坏性试验，试件由钢板(厚14 mm)、3.8 cm浇注式沥青混凝土、3.7 cm改性沥青(实测)组成。试验温度为15 ℃，加载过程中以5 kN为一级进行加载，然后卸载，加载到35 kN时试件未发生破坏，但钢板已经开始发生塑性破坏；当加载到40 kN时，试件表面一侧出现开裂，钢板已经发生较大的屈服变形，试验停止。从试验结果(图8)可以看出，浇注式沥青钢桥面铺装具有良好的变形随从性，在荷载增加的过程中，钢板已经发生较大的塑性变形，而铺装层依然未出现整体脱开或者开裂的现象。

图8 铺装结构变形随从性试验照片

4 跟踪观测

南京市四桥2012年12月建成通车，至2016年12月已成功运营4年。根据2016年8月的检测结果(表11)。南京四桥主桥面双向各车道行驶质量较好：各车道行驶质量指数RQI均在90以上，根据《公路沥青路面养护技术规范》(JTJ 073.2—2001)评价为优；RDI值均在90以上，车辙均值为2～4 mm；双向桥面各车道PCI值均维持在95以上。

表11 南京四桥桥面铺装跟踪观测结果

5 结 语

(1)浇注式沥青混凝土采用直馏硬质沥青与TLA复配作胶结料是可行的，浇注式沥青混凝土表面压入预裹覆碎石可以显著提高浇注式沥青混凝土抗车辙性能。

(2)浇注式沥青混凝土的性能受温度和荷载影响较大，其动态模量在低温高频条件下与环氧沥青混合料基本接近，但当温度超过40 ℃时，混合料的动态模量开始迅速降低。

(3)高弹改性沥青具有良好的高温性能和变形性能，在高弹改性沥青混凝土中掺配一定量的天然特细砂可以改善其性能。

(4)复合浇注式沥青钢桥面铺装复合结构试验结果表明其具有良好的高温性能(动稳定度达到3 000 次·mm-1)、良好疲劳性能(疲劳寿命超过1 200 万次)以及与钢板的良好变形随从性。

南京四桥复合浇注式沥青钢桥面铺装的成功实施为国内类似钢桥面铺装工程提供了有益的借鉴。