潘友強(qiáng)，張志祥，徐肖龍

(江蘇中路工程技術(shù)研究院有限公司，江蘇 南京 211806)

0 引 言

南京四橋?yàn)槿邕B續(xù)鋼箱梁懸索橋，主跨為1 418 m，橋跨布置為575 m+1 418 m+483 m，采用扁平流線型加勁梁，是目前國內(nèi)跨徑最大的雙塔三跨懸索橋[1-3]。大跨徑懸索橋是一種漂浮結(jié)構(gòu)，其橋面受力特點(diǎn)對(duì)鋪裝提出了要求，尤其是在變形隨從性方面[4]。南京地區(qū)日最高氣溫為43 ℃，最低氣溫為-14 ℃，氣候條件嚴(yán)酷，南京四橋采用閉截面箱形梁結(jié)構(gòu)，夏季鋪裝層內(nèi)部預(yù)計(jì)最高溫度達(dá)70 ℃。南京四橋是南京繞城高速跨越長(zhǎng)江的主通道之一，交通量大，重載多。因此，南京四橋橋梁的結(jié)構(gòu)形式、氣候與交通荷載條件對(duì)橋面鋪裝結(jié)構(gòu)材料提出了巨大要求。

考慮到南京四橋大跨徑懸索橋結(jié)構(gòu)的大變形特點(diǎn)，參考國外的成功經(jīng)驗(yàn)，特別是日本大跨徑懸索橋的工程經(jīng)驗(yàn)[5]，優(yōu)先選擇復(fù)合澆注式瀝青鋪裝方案。同時(shí)，考慮到四橋氣候條件嚴(yán)酷、交通荷載繁重，故將提高鋪裝的高溫抗車轍性能作為研究重點(diǎn)，下層采用直餾硬質(zhì)瀝青澆注式瀝青混凝土(壓入大粒徑碎石)，上層采用高彈改性瀝青AC，對(duì)結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化，并開展大量的試驗(yàn)研究。

1 澆注式瀝青混凝土的設(shè)計(jì)與性能

直餾硬質(zhì)瀝青澆注式瀝青混凝土在國內(nèi)應(yīng)用不多，因此南京四橋澆注式瀝青混凝土設(shè)計(jì)時(shí)主要參照了日本本四聯(lián)絡(luò)橋的設(shè)計(jì)方法，混合料主要由流動(dòng)性和貫入度2項(xiàng)指標(biāo)來確定級(jí)配與瀝青用量，然后采用車轍試驗(yàn)和彎曲試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。設(shè)計(jì)指標(biāo)根據(jù)國內(nèi)高溫重載的特點(diǎn)取上限進(jìn)行控制，設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

圖1 直餾硬質(zhì)瀝青澆注式瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)流程

為提高澆注式混合料的高溫穩(wěn)定性，南京四橋適度提高了劉埃爾流動(dòng)度和車轍動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)值，如表1所示。

表1 澆注式瀝青混合料的技術(shù)指標(biāo)

南京四橋澆注式瀝青混合料采用硬質(zhì)直餾瀝青添加湖瀝青(TLA)的混合瀝青作為澆注式瀝青混合料的黏結(jié)料，考慮到南京四橋高溫重載的使用要求，TLA摻量按照30%配比[6]。

1.1 級(jí)配設(shè)計(jì)與最佳瀝青用量

南京四橋鋼橋面鋪裝澆注式瀝青混凝土級(jí)配設(shè)計(jì)如表2所示，級(jí)配曲線如圖2所示。

采用4個(gè)不同的瀝青用量，分別測(cè)試澆注式瀝青混合料的流動(dòng)性和貫入度，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示?？紤]到提高混合料的高溫性能和可施工性，貫入度目標(biāo)值要盡可能靠近低值，瀝青用量為8.3%，對(duì)應(yīng)的流動(dòng)性值為18 s，在0～20 s的技術(shù)要求范圍內(nèi)。

表2 澆注式瀝青混凝土合成級(jí)配

圖2 澆注式合成級(jí)配曲線

圖3 瀝青用量與劉埃爾流動(dòng)性、貫入度的關(guān)系

1.2 混合料性能試驗(yàn)

(1)高溫車轍試驗(yàn)。采用車轍試驗(yàn)評(píng)價(jià)澆注式瀝青混凝土的高溫性能，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，可知澆注式瀝青混凝土的高溫性能符合技術(shù)要求，但與一般瀝青混合料相比偏低。

表3 車轍動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)

為進(jìn)一步提高澆注式瀝青混凝土的高溫性能，南京四橋首次采取了在澆注式表面撒布并壓入適量預(yù)裹碎石的措施。為評(píng)價(jià)撒布適量的預(yù)裹碎石對(duì)澆注式瀝青混凝土高溫性能的提升效果，進(jìn)行不同預(yù)裹碎石壓入數(shù)量的車轍試驗(yàn)，結(jié)果如圖4所示，試驗(yàn)結(jié)果顯示，預(yù)裹覆碎石的撒入顯著提高了澆注式瀝青混凝土的高溫性能。

圖4 壓入碎石數(shù)量與動(dòng)穩(wěn)定度的關(guān)系

(2)低溫彎曲試驗(yàn)。低溫彎曲試驗(yàn)中試件尺寸為100 mm×50 mm×300 mm，試驗(yàn)溫度為-10 ℃，加載速率為50 mm·min-1，試驗(yàn)結(jié)果見表4，結(jié)果表明設(shè)計(jì)的澆注式瀝青混合料低溫性能符合技術(shù)要求。

表4 低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果

圖5 澆注式瀝青動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)結(jié)果

圖6 澆注式瀝青與環(huán)氧瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量比較

(3)動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)。南京四橋開展了澆注式瀝青混凝土動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)，結(jié)果如圖5所示，將之與環(huán)氧瀝青混凝土動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖6所示。澆注式瀝青混合料性能受溫度和荷載影響較大，混合料的動(dòng)態(tài)模量隨溫度的升高而降低，隨頻率的升高而增加[7-9]。澆注式瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量在低溫高頻條件下與環(huán)氧瀝青混合料基本接近，具有較高的強(qiáng)度，能夠保證鋪裝層的使用性能；但是在高溫條件下，即溫度超過40 ℃，混合料的動(dòng)態(tài)模量開始迅速降低，且在低頻條件下，澆注式瀝青混合料的模量降低更為明顯。

2 高彈改性瀝青混合料的設(shè)計(jì)與性能

南京四橋鋼橋面鋪裝高彈改性瀝青混合料采用了高彈改性瀝青作為膠結(jié)料，設(shè)計(jì)級(jí)配采用了AC結(jié)構(gòu)，混合料設(shè)計(jì)參照日本本四聯(lián)絡(luò)橋相關(guān)技術(shù)要求，設(shè)計(jì)過程中將動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)提高到3 000 次·mm-1，見表5。

表5 南京四橋高彈改性瀝青混合料技術(shù)指標(biāo)

南京四橋鋼橋面鋪裝高彈改性瀝青混凝土采用馬歇爾體積設(shè)計(jì)方法，最終設(shè)計(jì)級(jí)配如表6所示，級(jí)配曲線如圖7所示。高彈改性瀝青混凝土要具有較好的施工和易性及路用性能，天然砂的摻加很關(guān)鍵[10-14]。國內(nèi)的天然砂多為河沙，且0.075 mm和0.15 mm篩孔的通過率偏低，導(dǎo)致為了達(dá)到設(shè)計(jì)級(jí)配要求，需要增加較多的礦粉和相應(yīng)的瀝青，因此成本過高。為降低礦粉與瀝青用量，南京四橋經(jīng)過多方面比較，摻配一定量的天然特細(xì)砂，在保證鋪裝施工和易性的基礎(chǔ)上提升鋪裝的路用性能。

表6 澆注式瀝青混凝土合成級(jí)配

圖7 高彈改性瀝青混凝土級(jí)配曲線

南京四橋高彈改性瀝青混凝土的體積及性能指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果如表7所示，結(jié)果顯示各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。高彈改性瀝青混凝土具有非常優(yōu)良的變形性能，低溫彎曲應(yīng)變超過17 000 μm，能夠滿足鋪裝的大變形需求。

3 組合結(jié)構(gòu)性能

為進(jìn)一步評(píng)價(jià)復(fù)合澆注式瀝青鋪裝組合結(jié)構(gòu)的路用性能，本文進(jìn)行了復(fù)合澆注式瀝青鋪裝復(fù)合件的室內(nèi)試驗(yàn)，主要開展了復(fù)合結(jié)構(gòu)的高溫車轍試驗(yàn)、低溫彎曲試驗(yàn)、疲勞試驗(yàn)和變形協(xié)調(diào)試驗(yàn)[15-18]。

表7 高彈改性瀝青混合料性能試驗(yàn)結(jié)果

3.1 高溫性能

鋪裝結(jié)構(gòu)高溫性能是澆注式鋼橋面鋪裝研究關(guān)注的重點(diǎn)，本文完全按照實(shí)際橋面鋪裝結(jié)構(gòu)，開展了4 cm澆注式瀝青混凝土、3.5 cm改性瀝青混凝土復(fù)合件的車轍試驗(yàn)，其中澆注式瀝青混凝土表面壓入碎石，試驗(yàn)溫度分別為60 ℃、65 ℃，輪壓0.63 MPa，試驗(yàn)結(jié)果見表8。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，復(fù)合件的動(dòng)穩(wěn)定度在60 ℃下接近3 000 次·mm-1，在65 ℃下超過1 500 次·mm-1，在澆注式瀝青混凝土表面壓入碎石可以顯著提高整個(gè)鋪裝層的抗車轍性能。

表8 復(fù)合試件動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果 次·mm-1

3.2 低溫性能

試驗(yàn)過程中在澆注式瀝青混凝土表面壓入碎石，試驗(yàn)溫度分別為-15 ℃、0 ℃，試驗(yàn)結(jié)果見表9。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，復(fù)合結(jié)構(gòu)具有優(yōu)良的變形性能。

表9 復(fù)合件低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果

3.3 疲勞性能

抗疲勞性能是控制復(fù)合澆注式瀝青鋪裝設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)之一，本文開展了帶鋼板復(fù)合件的疲勞試驗(yàn)，試件由鋼板(厚14 mm)、4 cm澆注式瀝青混合料、3.5 cm改性瀝青混合料組成，試驗(yàn)參照國內(nèi)已有帶鋼板疲勞試驗(yàn)的研究成果，開展0 ℃、20 ℃條件下的疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)最大荷載為5 kN，具體試驗(yàn)結(jié)果見表10。從表10可以看出，復(fù)合澆注式鋼橋面鋪裝復(fù)合結(jié)構(gòu)疲勞壽命超過1 200萬次，特別是在應(yīng)變較大的狀況下依然有良好的抗疲勞性能。

表10 復(fù)合件疲勞試驗(yàn)結(jié)果

3.4 變形協(xié)調(diào)性能

為了評(píng)價(jià)澆注式瀝青鋼橋面鋪裝的變形隨從性，開展了帶鋼板復(fù)合件的破壞性試驗(yàn)，試件由鋼板(厚14 mm)、3.8 cm澆注式瀝青混凝土、3.7 cm改性瀝青(實(shí)測(cè))組成。試驗(yàn)溫度為15 ℃，加載過程中以5 kN為一級(jí)進(jìn)行加載，然后卸載，加載到35 kN時(shí)試件未發(fā)生破壞，但鋼板已經(jīng)開始發(fā)生塑性破壞；當(dāng)加載到40 kN時(shí)，試件表面一側(cè)出現(xiàn)開裂，鋼板已經(jīng)發(fā)生較大的屈服變形，試驗(yàn)停止。從試驗(yàn)結(jié)果(圖8)可以看出，澆注式瀝青鋼橋面鋪裝具有良好的變形隨從性，在荷載增加的過程中，鋼板已經(jīng)發(fā)生較大的塑性變形，而鋪裝層依然未出現(xiàn)整體脫開或者開裂的現(xiàn)象。

圖8 鋪裝結(jié)構(gòu)變形隨從性試驗(yàn)照片

4 跟蹤觀測(cè)

南京市四橋2012年12月建成通車，至2016年12月已成功運(yùn)營(yíng)4年。根據(jù)2016年8月的檢測(cè)結(jié)果(表11)。南京四橋主橋面雙向各車道行駛質(zhì)量較好：各車道行駛質(zhì)量指數(shù)RQI均在90以上，根據(jù)《公路瀝青路面養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》(JTJ 073.2—2001)評(píng)價(jià)為優(yōu)；RDI值均在90以上，車轍均值為2～4 mm；雙向橋面各車道PCI值均維持在95以上。

表11 南京四橋橋面鋪裝跟蹤觀測(cè)結(jié)果

5 結(jié) 語

(1)澆注式瀝青混凝土采用直餾硬質(zhì)瀝青與TLA復(fù)配作膠結(jié)料是可行的，澆注式瀝青混凝土表面壓入預(yù)裹覆碎石可以顯著提高澆注式瀝青混凝土抗車轍性能。

(2)澆注式瀝青混凝土的性能受溫度和荷載影響較大，其動(dòng)態(tài)模量在低溫高頻條件下與環(huán)氧瀝青混合料基本接近，但當(dāng)溫度超過40 ℃時(shí)，混合料的動(dòng)態(tài)模量開始迅速降低。

(3)高彈改性瀝青具有良好的高溫性能和變形性能，在高彈改性瀝青混凝土中摻配一定量的天然特細(xì)砂可以改善其性能。

(4)復(fù)合澆注式瀝青鋼橋面鋪裝復(fù)合結(jié)構(gòu)試驗(yàn)結(jié)果表明其具有良好的高溫性能(動(dòng)穩(wěn)定度達(dá)到3 000 次·mm-1)、良好疲勞性能(疲勞壽命超過1 200 萬次)以及與鋼板的良好變形隨從性。

南京四橋復(fù)合澆注式瀝青鋼橋面鋪裝的成功實(shí)施為國內(nèi)類似鋼橋面鋪裝工程提供了有益的借鑒。