马房大桥钢桥面沥青铺装层方案设计与优化.doc

1、1马房大桥钢桥面沥青铺装层方案设计与优化摘要：结合 2001 年马房大桥维修的成功经验和失败教训及近十年沥青路面设计技术水平的进步，对本次马房大桥（钢桥）桥面铺装层原材料及混合料的配合比等进行优化设计，综合提出了此次铺装维修的沥青混凝土的设计方案和技术要求。 关键词：钢桥； 钢桥面沥青铺装； 改性橡胶沥青混凝土 中图分类号：TU37 文献标识码：A 文章编号： 一、工程概况 马房大桥位于广东省肇庆市四会市，横跨北江，钢桥建成于 1984 年，为 14 孔 64 米简支钢箱梁，正交异性板钢桥面。桥长 919.6 米，行车道宽 9 米人行道 21.5 米（含栏杆宽 20.1m） 。桥梁原设计荷载为

2、汽20、挂100。 马房大桥（钢桥）建成通车至今，期间共进行过三次全桥面铺装层大修。最近一次全桥铺装维修在 2001 年。截止 2008 年底，桥面在重载条件下使用状况一直良好，无明显车辙、水损害等病害。自 2009 年初开始，桥面沥青铺装层开始出现较为明显的病害，加之由于临近的国、省道维修导致本桥的交通量增加，桥面病害程度加剧，整个桥面铺装体系均出现不同程度的坑槽。因此需要急需对桥面铺装进行封闭维修。 二、铺装层方案设计 本次桥面铺装设计方案继承了原方案层间结合良好、高温稳定性好2的特点，对抗疲劳抗裂的问题进行了进一步完善，统一兼顾沥青混凝土高温稳定性与抗弯拉裂缝的矛盾是本项目技术方案要解决

3、的任务。 夏季钢桥桥面板温度达 60 度以上，铺装层沥青混凝土内部温度超过70 度。远远超过普通路面沥青层内部温度，因此，钢桥面铺装用沥青混凝土材料应具备更高的高温稳定性。 另一方面，马房桥建成于 1984 年，按照当时的设计标准桥面设计钢板厚度仅 12mm，本身偏薄，期间又经过 3 次大规模维修，反复的除锈、喷砂处理使实际钢板更薄，桥面板柔性偏大，进一步加剧了正交异性钢桥面板的局部刚度分布不均，纵向加劲肋处由于负弯矩存在导致的纵向开裂问题。解决正交异性钢板纵向加劲肋局部负弯矩导致的沥青铺装层开裂是桥面铺装优化设计的重点和难点。 考虑到原有（2001 年）桥面铺装整体上使用效果良好，经历长达

4、8年的重载交通无重大病害和维修，因此，本次沥青铺装层大修原则上仍采用原有结构和材料设计方案，并进行桥面铺装层结构和材料配合比优化设计。 优化后的桥面铺装结构如下： 4cm 改性沥青 SAC-13 型沥青混凝土+玻璃纤维格栅+改性沥青防水粘结层+4cm 改性沥青 SAC-10 型沥青混凝土+改性沥青防水粘结层+环氧富锌底漆+正交异性钢板。 铺装结构方案示意图 3铺装结构说明： 1、下面层采用 4cm 公称最大粒径为 10mm 的细粒式沥青混凝土，为了保证这种混凝土具有良好的高温性能，采用粗集料断级配的混合料骨架结构。 2、上面层采用 4cm 公称最大粒径为 13.2mm 的细粒式沥青混凝土，采用

5、粗集料断级配的混合料骨架结构，以保证这种混凝土具有良好的高温性能。同时，具有足够的构造深度，能够满足表面抗滑性能要求。 3、本铺装设置两层改性沥青防水粘结层，一层设置在钢桥面板上，称为改性沥青防水粘结层；一层设置在上下沥青面层之间，称为改性沥青防水粘结层。两个防水粘结层均不计厚度，差别在于改性沥青的洒铺量不同。防水粘结层沥青洒铺量 2.02.4kg/m2，撒布 9.513.2mm单一粒径碎石, 6070%满铺率；防水粘结层沥青洒铺量2.22.6kg/m2，撒布 4.759.5mm 单一粒径碎石, 6070%满铺率。 4、在上面层沿两外侧腹板位置锯二条纵向缝，缝宽 1cm，缝深3cm，并填上填缝

6、料（高弹性改性沥青） 。 本次设计主要优化的内容有：采用性能及稳定性更好的壳牌 PG76-22 改性沥青代替原壳牌 Caribit 改性沥青；改性沥青防水粘结层材料采用壳牌 PG76-22 掺橡胶粉双改性沥青代替原 Carihpalt 改性沥青。橡胶粉改性沥青采用湿法生产工艺代替原干法生产工艺，且掺加用量由原来的 30%减少至 20%。 三、铺装结构层优化设计 1、原材料的优化 4根据马房桥 2001 年维修沥青铺装设计、施工及后期使用经验，改性沥青+橡胶粉的技术方案具有明显的优越性，可显著提高沥青混合料的高温稳定性及抗疲劳耐久性，此次方案研究同样对改性沥青+橡胶粉的双改性沥青进行性能验证和比

7、较。 选择壳牌 PG76-22 和茂名 SBS 沥青两种进行比较，沥青性能试验均按照公路工程沥青及沥青混合料试验规程JTJ052-2000 规定的试验方法执行。试验结果见表 1。 表 1 两种改性沥青使用性能试验结果 对于茂名 SBS 和壳牌 PG76-22 改性沥青掺加 20%胶粉的双改性沥青开展老化性能试验，老化后试验结果能够满足现行规范要求。 表 2 橡胶粉改性沥青老化后性能试验结果 从两种橡胶改性沥青的性能试验结果比较可见，在黏度满足要求的前提下，壳牌 PG76-22 改性沥青，性能试验结果均明显高于茂名 SBS 改性沥青。 2、混合料配合比优化设计 为了验证不同级配沥青混合料的性能，

8、初步选择 4.75mm 通过率为30%，40%和 50%三种级配进行配合比优化。试验用级配均按照粗集料-断级配原则进行设计，粗、细集料部分级配曲线均按照幂函数生成，级配5见表 3。在级配比选阶段，统一采用壳牌 PG76-22 改性沥青。 表 3 三种比选的 SAC-10 级配 通过三种级配的配合比试验，在最紧密嵌挤状态沥青混合料设计原则下，对于本项目所选用的集料，三种级配的最佳油石比分别为5.64%，6.29%和 5.92%，对应的空隙率分别为 7.4%，2.5%和 1.7%。3 个级配最佳油石比条件下对应的体积指标见表 4。 表 43 种级配最佳油石比条件下对应体积指标 通过比选，空隙率过大

9、或者过小的沥青混合料都将不利于混合料性能的提高，因此，选择 4.75mm 通过率为 40%的 2#级配作为本项目用级配。四、路用性能验证 1、高温稳定性验证： 采用与车辙试验相同的试验条件，对胶粉和壳牌 PG76-22 双改性沥青混合料进行车辙试验，试验结果见表 5。 表 5 2级配橡胶沥青混合料车辙动稳定度试验结果（70 度，0.7MPa） 6试验结果表明，采用添加 20%胶粉的壳牌 PG76-22 改性沥青有效的提高了沥青混合料的高温稳定性，且油石比大幅度提高，有利于提高其疲劳耐久性。 2、抗弯拉性能验证： 抗弯拉性能采用小梁弯曲模型试验验证，试件采用与车辙相同的成型标准，成型标准车辙板后

10、切割成尺寸为 250*30*35mm 的梁型试件，在MTS 试验仪上进行弯曲受力模式的加载试验，测定试件的弯曲应变和弯曲劲度模量，验证材料的抗弯拉性能。 考虑到在 6.73%油石比条件下，沥青混合料高温稳定性较高，具有较高的高温稳定性储备，尝试进一步提高沥青含量，比较是否可以提高其低温抗裂性能？ 三个油石比条件下低温弯曲性能试验结果如表 6 所示。 表 62级配橡胶沥青混合料弯曲试验结果 试验结果表明，添加了橡胶粉的双改性沥青混合料其低温抗弯性能优势明显，已大大高于现行规范对高寒地区的性能要求标准。另一方面，增加油石比并没有进一步提高沥青混合料的弯拉应变，三个油石比中，弯拉强度及弯拉应变的最大

11、值都出现在油石比为 6.7%条件下，此时弯曲劲度模量居中。 结语：通过铺装层结构的优化设计不仅提高铺装层的抗疲劳开裂性能性，保证铺装层与钢桥面板间的粘结强度，优化后的维修方案适合马7房大桥的交通特点和环境要求，维修施工工期短，施工方便。经过一年多的运营，暂时没有发现铺装层存在病害，且该方案每平方米造价仅为500 元左右，相对于环氧沥青等钢桥面铺装方案具有较高的经济效益，为类似正交异性板钢桥面铺装提供一定的借鉴作用。 参考文献： 【1】 橡胶沥青及混合料设计施工技术指南 【2】 G321 线马房大桥（钢桥）维修工程沥青铺装材料性能试验研究报告 【3】 G321 线马房大桥（钢桥）维修工程施工图设计