高强密水桥面铺装结构的应用研究

宋闽江 张苏龙

摘要 为提升水泥混凝土桥梁桥面铺装的耐久性，文章结合桥面铺装的施工条件、运营过程中面临的荷载与气候要求等因素，进行高强密水桥面铺装结构的应用研究，分别开展了高模量混合料与高性能超薄铺装混合料的配合比设计与性能验证及不同铺装结构的复合试件进行了抗车辙和密水性能的对比，并对其造价进行了分析。研究成果为优化桥面铺装的材料与结构选择、延长使用寿命提供了新的技术路径。

关键词 桥面铺装；超薄；高模量；空隙率；压实度

中图分类号 U443.33文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）03-0106-03

0 引言

桥面铺装作为桥面系结构中与车辆接触的部分，其不仅需要承受车辆的荷载，还需要经受温度、雨雪等天气对于铺装材料的影响[1]，否则容易出现车辙、水损害等问题。然而，目前我国水泥混凝土桥面铺装，主要采用和沥青路面中上层混合料相同的铺装结构，考虑桥面铺装施工条件与路基段施工的差异，如温度散失更快、更难以压实等，基于传统路基段中上面层混合料的桥面铺装结构，容易出现泛白、车辙等问题[2]。

因此，针对目前桥面铺装结构面临的环境、荷载条件，为了提高在高温、多雨等使用条件下桥面铺装的耐久性，从提高材料的模量、降低空隙率的维度着手，开展高强密水桥面铺装结构的设计与性能，为实现水泥混凝土桥面铺装的结构与材料优化，延长桥面铺装结构的耐久性，有着较好的推广和应用价值。

1 高强密水桥面铺装结构的设计

江苏省水泥混凝土桥面通常采用4 cm SMA-13 +6 cm Sup-20的铺装结构，两种混合料的最大公称粒径分别为13.2 mm和20 mm，在施工过程中需要一定吨位的压实机械和足够的压实功，而桥面铺装施工过程中混合料温降速度快[3]，桥梁对强力振动有限制，因此相对路基段，这两种混合料在桥面上相对较难压实，容易产生局部渗水，影响铺装的最终性能。

因此，针对传统桥面铺装结构的不足，该项目采用2.5 cm 高性能超薄铺装+7.5 cm高模量沥青混合料实现高强密水的功能，其结构形式如图1所示，与传统的结构相比，具有如下2点优势：

（1）上面层使用最大公称粒径为9.5 mm高性能超薄铺装，选择密级配骨架嵌挤型级配设计，通过应用复合改性的技术，实现上面层温拌施工易压实的效果，并且由于厚度变薄，减少了养护维修的成本以及玄武岩的使用。

（2）下面层作为主要的承重层，采用EME-14混合料，适用于单层6～12 cm施工，实现高模量抗车辙和4%以下低空隙率的效果，使得水分难以进入，提高了整体铺装结构的抗水损害性能。

为了实现高强密水的目标，分别针对上、下面层混合料提出性能要求：上面层2.5 cm的混合料应为密级配混合料，避免水分的下渗导致水损害，其高温、低温、水稳定性应不低于传统的SMA-13混合料，最重要的是應具有温拌的效果；下面层7.5 cm的混合料应具有高模量、低空隙率的性能，实现整体铺装结构的高强和密水。

2 EME-14高模量混合料的设计与性能评价

2.1 原材料

EME-14混合料所使用的集料均为石灰岩，按照其粒径分为10～15 mm、5～10 mm、3～5 mm和0～3 mm四档，矿粉为石灰岩矿粉，所使用的沥青为70#基质沥青，为了提高混合料的模量，按照与沥青质量比例为3∶7添加30#硬质沥青颗粒。

2.2 配合比设计

依据法国的高模量沥青混合料设计理念，选择连续级配进行高模量混合料的级配设计，如表1所示。

高模量混合料的沥青用量需要用丰度系数K来确定[4]，其取值主要取决于级配，经过试算，当油石比为5.5%时，丰度系数K=3.41>3.4，表明在5.5%的油石比条件下可以满足丰度系数K的要求，可作为设计沥青用量。

2.3 性能验证

在5.5%的油石比条件下，经检测，高模量混合料空隙率指标为3.7%，要低于传统的Sup-20混合料4%左右的设计空隙率，因而可以赋予混合料在潮湿环境下更好的密水性。通过车辙试验，在标准试验条件下，混合料的动稳定度指标达到7 435次/mm，超过规范要求的不低于3 000次/mm，在水稳定性能方面，其浸水马歇尔残留稳定度、冻融劈裂强度比分别为86.4%和82.1%，小梁弯曲的破坏应变为1 983 με，均满足规范要求。

为了评价混合料是否达到高模量的要求，采用SPT试验重点检测了混合料在15 ℃、10 Hz条件下的动态模量指标，达到15 762 MPa，超过规范要求的不低于14 000 MPa[5]，

表明采用硬质沥青与基质沥青复配的方法可以实现混合料高模量的目标，进而提升混合料在高温下的抗变形能力。

3 高性能超薄铺装材料的设计与性能评价

3.1 原材料

所选择的集料均为玄武岩集料，按照粒径的大小分为5～10 mm、3～5 mm和0～3 mm三档，矿粉为石灰岩矿粉，所使用的沥青为PG 76-22型SBS改性沥青，为了改善混合料的压实效果，按照矿物集料质量的0.4%添加复合改性剂。

复合改性剂外观为白色粉末，其最主要的特性是熔点较低，在100～120 ℃，因此在混合料施工拌和、压实过程中可以起到改善混合料施工和易性的效果，而当温度在100 ℃以下时，其可以提高沥青的软化点，提高混合料的抗车辙性能。

3.2 配合比设计

高性能超薄铺装的级配设计主要是基于SMA-10和AC-10的经验，基于骨架密实的理念，提高了粗集料的用量，降低了粉料的用量，使得混合料可以实现刚好的骨架嵌挤结构，提高混合料的抗车辙性能，所选择的级配如表2所示。

基于设计级配，通过马歇尔试验确定混合料的最佳油石比为5.5%，此时对应的空隙率为4.9%，VMA为15.8%，VFA为68.9%，稳定度为12.32 kN，流值为35.8（0.1 mm），均满足设计要求。

3.3 路用性能验证

在设计级配和最佳油石比的条件下，对高性能超薄铺装进行了常规路用性能的验证，其动稳定度指标达到

12 162次/mm，浸水马歇尔残留稳定度、冻融劈裂强度比分别为90.2%和84.5%，小梁弯曲的破坏应变为2 568 με，均满足设计要求，特别是高温性能相比普通SMA-13混合料提高了约100%。

4 基于复合试件的路用性能研究

4.1 复合试件的成型

基于该项目提出的高强密水桥面铺装结构，为了评价其在运营过程中与其他铺装结构的抗车辙和密水性能的差异，采用项目组定制的10 cm厚度的模具，成型不同结构的复合试件。所采用的模具，由10个1 cm高度的夹具组成，夹具在竖直方向通过锁扣进行固定，可以成型1～10 cm厚度范围的混合料。

成型过程中，采用分层摊铺并压实的工艺，下层混合料与底板之间采用水性环氧沥青进行固定，用量为0.5 kg/m2，上下层混合料之间采用0.4 kg/m2用量的SBS改性乳化沥青，成型了3种铺装结构，结构一为2.5 cm高性能超薄铺装+7.5 cm EME-14，结构二为4 cm SMA-13+6 cm Sup-20，结构三为5 cm SMA-13+5 cm SMA-13。高性能超薄铺装和EME-14使用文中提出的配合比设计参数，Sup-20和SMA-13使用某高速公路项目中成熟的配合比数据进行设计。

4.2 抗车辙性能分析

采用车辙实验，对不同铺装结构的组合件进行高温性能的测试，试验条件为60 ℃，压强为0.7 MPa，车辙实验的结果如图2所示。

从复合试件的车辙实验可以看出，結构一的动稳定度指标最高，其次是结构三，结构二最低，表明从整体结构的角度来看，结构一拥有最好的抗车辙性能，其动稳定度指标相比结构二提高了51%，相比结构三提高了约20%。

4.3 密水效果分析

传统的渗水试验，试验前加入一定体积的水，试验时打开开关，让水自由下降，通过测定单位时间内的渗水量，评价材料的密水性。考虑运营过程中由于车辆行驶过程中轮胎与混合料表面接触时会产生泵吸和冲刷的效果，该项目用加压渗水试验，对采用渗水系数评价三种铺装结构在车辆荷载下的渗水效果，实验过程中，通过加压设备向加压渗水仪中冲入恒定的气压，在该项目中选择0.1 MPa，然后和普通的渗水试验一样，测定不同铺装结构的渗水系数，如图3所示。

从不同铺装结构的加压渗水试验结果可以看出，结构一的渗水系数最小，相比结构二和结构三分别降低了49%和36%，表明使用更小粒径的密集配上面层混合料和空隙率更小的下面层混合料，具有更好的密水性能，可以减少运营过程中因为水损害导致的泛白、坑塘等水损害发生。

5 社会经济效益分析

成本控制也是影响新技术能否得到有效推广的重要指标，因此将该项目提出的高强密水铺装结构与传统的方案、新型的双层SMA-13铺装方案进行了成本对比，如表3所示。

从表3可以看出，高强密水铺装结构要低于传统的4 cm SMA-13+6 cm Sup-20方案相比，相比双层SMA-13的方案要降低8.3%，直接材料成本要优于另外两种方案，特别是考虑其在全寿命周期内可以有效延长使用寿命，降低后期的养护维修成本，因此在全寿命周期内其经济优势更加明显。

此外，该项目提出的高强密水铺装结构，后期养护维修时仅需对上面层2.5 cm的混合料进行铣刨回铺，相比传统的需要铣刨回铺4 cm的混合料，减少了约40%的集料消耗，在当前砂石集料供应紧张的形势下，减少了养护过程中对于集料的消耗，具有较好的环保效益。

6 结论

该文通过对高强密水桥面铺装结构的提出、材料设计与性能验证、效益分析，可以得到以下几点主要研究结论：

（1）提出了2.5 cm上面层+7.5 cm的高强密水桥面铺装结构，并分别提出了上、下面层的混合料性能要求，便于指导铺装材料的设计与性能验证。

（2）基于30#硬质沥青颗粒与基质沥青复配的技术路径，进行了EME-14混合料的配合比设计与性能验证，其15 ℃、10 Hz条件下的动态模量指标达到15 762 MPa，实现了高模量的设计目标。

（3）通过复合改性剂与SBS沥青进行复合改性，设计了厚度在2.5 cm的高性能超薄铺装，动稳定度指标超过12 000次/mm。

（4）通过成型复合试件表明，高强密水铺装结构相比传统的桥面铺装结构，具有更好的抗车辙性能和密水性；成本方面，高强密水铺装结构的造价要低于传统的桥面铺装结构，单次养护可以减少约40%的集料消耗，具有较好的社会经济效益。

参考文献

[1]马兰. 超薄桥面铺装结构试验研究[D]. 重庆：重庆交通大学， 2023.

[2]何祉栋. 水泥混凝土桥面加铺密实型超薄磨耗层的实践研究[D]. 广州：华南理工大学， 2023.

[3]陈冠名. 湿热多雨地区混凝土桥面沥青铺装层结构研究[D]. 长沙：湖南大学， 2022.

[4]范倩， 李善强， 刘新海. 铺装超薄磨耗层的钢桥面与沥青路面表层温度对比研究[J]. 广东公路交通， 2020（3）： 16-20.

[5]陈峰林. 高模量沥青混合料在桥面铺装中的应用研究[J]. 现代交通技术， 2017（3）： 8-12+52.