摘要:为了改善宁波市灵桥的桥面铺装现状,在室内全面路用性能研究的基础上,将高强沥青混凝土应用于灵桥桥面铺装改造工程中。研究结果表明:高强沥青混凝土高温车辙性能突出,同时具有优良的低温抗裂性、水稳定性和力学性能;本研究采用的铺装方案通车一年半以后,依旧保持着良好的使用品质,改善了灵桥铺装过去“每月一小修,半年一大修”的局面,取得了良好的经济效益和社会效益,这种铺装方案值得进一步推广应用。
关键词:桥面铺装高强沥青混凝土聚酯玻纤布粘结层宁波灵桥
1.概述
宁波市灵桥(又称老江桥)跨越奉化江,建于1936年,桥龄已达70年。该桥为单跨中承式三铰钢拱桥,拱轴线为圆弧线,半径为R=88.201m,矢跨比为1/6.5,跨径为97.537m,行车道顶板厚12mm,原桥宽20.17m,于1994年完成改建拓宽,桥面拓宽为25.056m,并在其上浇筑钢纤维沥青混凝土,作为桥面铺装。该桥在主干道上所处位置特殊,桥梁两端均紧靠设置红绿灯的交叉口,桥面铺装时刻承受着车辆启动、制动带来的复杂应力,致使桥面铺装病害严重。在该桥拓宽后,1994年至2006年十多年的运营期间,多次对该桥的桥面铺装进行养护维修,特别是最近几年出现了各种严重的路面病害,几乎是“每月一小修,半年一大修”,不仅影响了行车的安全性和舒适性,危害桥梁的耐久性, 而且坐落于主干道上灵桥的这种经常性养护维修,带来了许多不良的社会影响。
为了消除灵桥旧铺装病害带来的一系列不良影响,本研究基于灵桥自身的结构特点和所处的特殊位置,开展了将高强沥青混凝土应用于灵桥桥面铺装的研究。
2.高强沥青混合料设计与评价
高强沥青混凝土作为本研究铺装方案的主要组成部分,其优良的路用性能是保证本研究所采用铺装结构经久耐用的关键,为此,以下对高强沥青混凝土进行了系统的研究。
2.1原材料性能测试
原材料质量是影响钢桥面铺装层质量、使用寿命的重要因素。优质的原材料是保证沥青混合料具有优良使用性能的先决条件,为了满足气候环境与交通对使用性能的要求,必须做好原材料的选择。本研究通过测试沥青、玄武岩粗集料、细集料和石灰岩矿粉、纤维等材料的性能和技术指标来检测材料是否满足要求,从而完成原材料的选择。
2.1.1沥青
拌制沥青混合料所用的沥青材料其技术要求随气候条件、交通情况、沥青混合料的类型和施工条件等因素而异。根据桥面铺装层的受力特点,宁波桥面铺装工程采用韩国SK公司生产的高强度改性沥青,东南大学交通学院对这种沥青进行了实验检测,具体试验指标和技术要求见表2.1.1。
2.1.2集料
集料是沥青混合料的关键材料之一,其力学性能是决定混合料强度性能的最重要因素,它的颗粒形状不仅影响混合料的构架,也直接关系到混合料的抗车辙能力与抗疲劳性能等材料特性。此外,集料与沥青的粘附等级对混合料强度的形成也起关键作用,因此优质的集料是沥青混合料具有优良路用性能的重要保证。
沥青混合料用集料应该洁净、干燥、无风化、不含杂质,其物理和力学性质均应符合相应的道路等级的要求。
配合比设计之前对本工程所用的嵊州市三界镇长岭岗建筑料矿集料进行了性能检测检测结果见表2.1.2.1和表2.1.2.2。
2.1.3矿粉
沥青混合料的填料宜采用石灰岩或岩浆岩中的强基性岩石等石料经磨细得到的矿粉,宁波灵桥桥面铺装工程所采用的嵊州市三界镇长岭岗建筑料矿石灰石矿粉技术指标均满足规范的技术要求,实测试验指标见表2.1.3。
2.1.4纤维
纤维采用中国石化仪征化纤股份有限公司生产的BST聚酯纤维。
2.2级配的选择
在组成沥青混合料的原材料选定后,沥青混合料的技术性质,在很大程度上决定于集料间的级配组成,沥青混合料由于集料的级配不同,可以形成不同的组成结构。总结多年的工程经验,我国现行规范在《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)中列举了密级配、半开级配、开级配等几种类型沥青混合料矿料级配范围。
对于铺装层沥青混合料,参考大量工程实践,室内试验分别对三种类型的沥青混合料进行了性能对比试验,分别是:AC-13C(掺加BST聚酯纤维),AC-13F(掺加BST聚酯纤维)和SMA-13(掺加BST聚酯纤维)。
2.3 各种沥青混合料试验研究
根据现场各类集料的级配组成及上述确定的沥青混合料级配,确定各矿料的组成比例,以0.5%间隔变化沥青用量,确定最佳配合比。
为了全面比较三种沥青混合料性能,现将其各项性能试验结果整理于表2.3。
通过上述的试验研究,对宁波灵桥桥面铺装层拟采用的原材料和沥青混合料性能可以得到如下几点结论:
(1)宁波灵桥桥面铺装层AC-13C、AC-13F和SMA-13三种高强沥青混凝土目标配合比确定的最佳油石比分别为5.2%、5.35%和6.2%;
(2)研究过程中沥青混合料性能试验结果表明,在最佳油石比条件下成型的沥青混合料各项路用性能指标都能很好的满足JTG F40-2004《公路沥青路面施工技术规范》的技术要求;考虑到SMA施工变异性较大,针对钢桥面铺装层常见的车辙病害,AC-13C相比较AC-13F具有更好的高温抗变形能力,推荐使用AC-13C级配;
3.实体工程应用
3.1铺装方案的选择
灵桥旧铺装主要裂缝以推移、网裂为主,根据灵桥旧铺装的主要病害特点,本研究制定了如图1所示的铺装方案。环氧粘结层的选择可以提高沥青混凝土与钢板之间的粘结力,防治混凝土和钢板间出现推移。沥青混凝土中高强沥青的选用可以明显提高铺装的高温抗车辙能力,防治高温气候下稳定性不足引发车辙和推移病害,而聚酯纤维材料的选择可以起到加筋作用,防治网裂的出现。聚酯玻纤布抗裂材料的选择,主要是防治下层沥青混凝土产生疲劳裂缝后,反射到上面层沥青混凝土中,导致最终铺装表面出现各种形式的裂缝。
3.2桥面铺装施工
3.2.1 钢桥面铺装施工工艺
钢桥面铺装施工工序:原钢桥面铺装的铣刨及清理→桥面钢板的防锈处理→环氧粘油层(0.6L/m2)的施工→4厘米AC—13C(高强沥青+2.5‰聚酯纤维)混凝土的施工→高强沥青(1kg/m2)+聚酯玻纤布的施工→3厘米AC—13C(高强沥青+2.5‰聚酯纤维)混凝土的施工。
4.综 述
本次灵桥修复工程取得了阶段性成功,得益于许多新技术、新材料的使用,特别是采用了“环氧粘油层+双层AC—13C(高强度改性沥青+2.5‰聚酯纤维)混凝土的新铺装体系”,并应用了韩国SK高强度改性沥青、Trupave聚酯玻纤布等新型材料后,在很大程度上解决了在钢桥面上铺装沥青混凝土存在的铺装层使用寿命短的问题。也与我们对施工过程的施工质量的严格控制分不开,特别是钢桥面的除锈防腐处理、喷洒环氧沥青粘油层、以及Trupave聚酯玻纤布的熨平铺设、混合料施工温度的跟踪监测控制等等。
同时在后期,及时跟上了灵桥的日常维护措施(包括伸缩缝清理、钢结构油漆修复、助航、限载等标志设置),目前灵桥已经进入日常观测及维护阶段。具体进行的工作内容为;1,在雨天租用船只观测是否有漏水情况;2,在室外气温高于摄氏30度的情况下,白天定期配备专人对桥面进行洒水降温;3,定期观测在低于0度的情况下和常温下,桥面沥青是否有开裂的现象;4,设置限载标志、并安装监控,配合交警部门限制大吨位车辆通过灵桥。
5.社会效益分析
本方案适当地提高了使用寿命,减少了维护成本。采用新型沥青在灵桥钢桥面上铺装后,至今已一年半,沥青面层依然完好无损。既保证了道路的畅通,又节约了相当一部分的人力、物力,延长了桥面钢板使用寿命,综合性价比较高。
新型钢桥面铺装施工的关键技术主要包括:钢桥面板的喷砂除锈和防腐涂装,环氧沥青粘油层的使用品质和使用量,高强沥青的配比和拌合碾压温度控制,聚酯玻纤布的熨平铺设等。
经济效益预测:常规维修是采用普通改性沥青,仅对表面破损层进行翻新,一般最多仅能维持1个半月。本次维修对全桥钢板进行除锈防腐处理,喷洒环氧沥青粘油层,并采用高强度、高模量的高强沥青和新型玻纤复合防裂材料——聚酯玻纤布。有望使桥面铺装保持2年以上的使用寿命。以原来维修周期为每45天左右一次,维修费用9.5万元一次计算,二年内费用共需约152万元。(此次施工费用总计为100万元,包括桥梁检测经费25万元;方案研究经费40万元;项目材料及施工经费30万元;试验经费5万元)。比原来节省了52万元。
社会效益预测:每次常规维修施工工期为2天,二年内共需维修32天(以二年计算,共需维修16次),增加了周边道路和桥梁的交通压力。考虑本次维修能在二年内不用再对灵桥进行维修,减少因灵桥施工维修造成周边道路和桥梁的交通压力及社会舆论压力。
该方案提高了沥青铺装层的使用寿命,减少了维护成本。在一定的条件下,可以向在钢桥面上摊铺沥青的同行推荐。同时,该沥青配方经过改良后,可以用于砼板块路面上的沥青铺装施工,即俗称的“白加黑”或“白改黑” 。◆
参考文献:
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[2] 交通部公路科学研究所.JTJ 052-2000公路工程沥青及沥青混合料试验规程[S].北京:人民交通出版社,2000.
[3] 梁指标,何惠红.桥面铺装过早破坏的原因分析与处治对策[J].中南公路工程,1997,22(2):25-29.
[4] 李大鹏,倪富健.超薄沥青混凝土配合比设计及性能研究[C].2006ISSA 全球大会论文集,2002,3(12):1468- 1741.
[5] Laurent ARNAUD, Adrien HOUEL. Fatigue damage and cracking of asphalt pavement on orthotropic steel bridge deck[R], Presented at 2006 TRB Annual Meeting, Washington, D.C, 2003.
[6] 李大鹏.超薄沥青混凝土面层性能研究[D].南京:东南大学硕士学位论文,2006.
作者单位:
王勇,宁波市市政管理处;
张存才,宏润建设集团股份有限公司。
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