水泥混凝土橋面瀝青鋪裝層技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

水泥混凝土橋面瀝青鋪裝層技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

0橋面瀝青鋪裝層。在中國,我國自20世紀(jì)80年代以來，中國的道路建設(shè)取得了前所未有的成就。海上、河流、橋梁和城市交叉口的快速發(fā)展。自2011年底以來，中國已有68.94萬輛公路橋梁，其中水泥混凝土橋和城市橋仍占主導(dǎo)地位。但是,早期橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)僅將橋面鋪裝作為自重考慮,在結(jié)構(gòu)受力分析時(shí)未考慮鋪裝層的影響,特別在近些年交通軸載的加大以及交通流的猛增致使橋梁整體結(jié)構(gòu)及橋面局部結(jié)構(gòu)均發(fā)生了大量的病害,甚至導(dǎo)致了一些災(zāi)難性的破壞,其中部分因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或施工問題之外,有重要一部分是因橋面鋪裝層的早期破壞而導(dǎo)致水分等侵入橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi),加快了橋面混凝土及內(nèi)部鋼筋的銹蝕破壞,最后使得整體結(jié)構(gòu)承載力大大下降?；炷翗蛎鏋r青鋪裝屬于水泥混凝土橋梁上部結(jié)構(gòu)的附屬工程,從材料上可分為瀝青表面處治、瀝青混凝土和水泥混凝土鋪裝層等,但瀝青表面處治鋪裝層耐久性較差,不宜在高速、一級(jí)公路上使用。中國規(guī)范就明確規(guī)定:高速公路和一級(jí)公路上特大橋、大橋的橋面鋪裝宜采用瀝青混凝土橋面鋪裝,說明瀝青鋪裝層將成為主流［１］。不過,對(duì)于鋼橋面或混凝土橋面的瀝青鋪裝層設(shè)計(jì),國內(nèi)外目前多數(shù)沿用了瀝青路面設(shè)計(jì)理念,均缺乏針對(duì)性設(shè)計(jì)指南或規(guī)范。尤其目前廣泛采用的瀝青鋪裝層多數(shù)出現(xiàn)了早期破壞,加劇了橋梁結(jié)構(gòu)的整體破壞,說明對(duì)瀝青鋪裝層的材料及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工及養(yǎng)護(hù)等更加值得思考和深入研究。首先,世界各國對(duì)正交異性鋼橋面板的研究起步較早,研究也比較系統(tǒng)、深入,比如Bild等對(duì)鋼橋面瀝青鋪裝層都進(jìn)行過較為深入的探索［２－４］。德國市政工程與水務(wù)管理部早在1985年就發(fā)現(xiàn)正交異性鋼橋面板鋪裝層具有表面應(yīng)變水平較高、耐疲勞性能較差等缺陷,其使用壽命與普通路面相比則較短,這在荷蘭、英國、德國、泰國、中國、日本等國家都有類似的結(jié)論。當(dāng)然,這兩類橋面的應(yīng)用各有所長(zhǎng),適用于不同的環(huán)境。Mangus通過對(duì)挪威、俄羅斯、瑞典等國多座橋梁研究,發(fā)現(xiàn)混凝土橋低溫地區(qū)施工時(shí)存在一定的局限性,鋼橋面更加適應(yīng)于低溫地區(qū)［５］。所以,目前國內(nèi)外對(duì)鋼橋面和混凝土橋面的瀝青鋪裝層的研究實(shí)際上仍處于探索階段,不論是材料設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)組合、整體設(shè)計(jì)和運(yùn)營養(yǎng)護(hù)等都未形成一個(gè)類似于瀝青路面設(shè)計(jì)的完整體系。本文將主要從混凝土橋面瀝青鋪裝層應(yīng)用、鋪裝材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、檢測(cè)評(píng)價(jià)等方面的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行詳細(xì)分析。1混凝土橋面板的使用1.1瀝青鋪裝層主要病害種類近年來國內(nèi)外對(duì)橋面鋪裝層的研究有了長(zhǎng)足進(jìn)步,但從設(shè)計(jì)理論、規(guī)范要求、試驗(yàn)檢測(cè)等方面仍有深入研究的余地,特別在中國本來設(shè)計(jì)100年的大橋,結(jié)果在通車十幾年就成為了危橋,有的鋪裝層在通車當(dāng)年就出現(xiàn)了嚴(yán)重病害,造成了不良的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)影響。國外也有同樣的教訓(xùn),比如早在1990年蘇格蘭京斯頓大橋就出現(xiàn)了嚴(yán)重病害,為了在開放交通的情況下進(jìn)行維修,費(fèi)用高達(dá)1.3億美元,比新建費(fèi)用高出5倍多［６］?？傮w上來看,混凝土橋面瀝青鋪裝層的病害除了具有瀝青路面病害特征之外,在剪切破壞方面有其明顯特點(diǎn),比如李明國對(duì)廣東省87座混凝土橋梁的瀝青鋪裝層進(jìn)行調(diào)查,發(fā)現(xiàn)車轍、推移、擁包病害占78.1%［７］;郭渭彬?qū)Ψ鹕酱髽?4925m２瀝青鋪裝層病害進(jìn)行調(diào)查,認(rèn)為車轍、擁包、推移是瀝青鋪裝層的典型病害［８］。實(shí)際上,不同結(jié)構(gòu)的水泥混凝土橋面瀝青鋪裝層在經(jīng)受交通、環(huán)境荷載共同作用下,病害的主導(dǎo)類型及其成因均有其獨(dú)特性,且與地區(qū)、橋梁結(jié)構(gòu)、交通條件、氣候環(huán)境、施工條件、設(shè)計(jì)水平等因素有關(guān)。本文從病害的表現(xiàn)形式將其分為顯性病害和隱性病害兩大類。(1)顯性病害類。顯性病害指瀝青鋪裝層表面直接表現(xiàn)出來的病害形式,比如裂縫、唧漿、坑槽、車轍、推移、擁包等病害,往往可以通過人工或者其他快速成像系統(tǒng)從表觀識(shí)別出來,主要外觀形態(tài)見圖1、2。(2)隱性病害類。隱性病害指發(fā)生在瀝青鋪裝層內(nèi)部、層間以及瀝青層與橋面板之間,且未能在鋪裝層表面表現(xiàn)出來的病害,比如水損害、層間粘結(jié)失效等病害(圖3),往往通過人工或者儀器難以從表觀識(shí)別。實(shí)際上,目前隱性病害是較難檢測(cè)的,是致命的,往往進(jìn)一步發(fā)展為顯性病害,加劇結(jié)構(gòu)性病害產(chǎn)生。1.2主要癥狀的原因1.2.1梁橋的結(jié)構(gòu)及瀝青鋪裝層的透水性以及耐久性混凝土橋梁結(jié)構(gòu)壽命與瀝青鋪裝層的相互作用是密切相關(guān)的,一方面瀝青鋪裝層作為橋面系的主要組成部分,在承受輪載的作用、胎面的磨耗以及雨雪侵蝕的同時(shí),更起到了保護(hù)主梁結(jié)構(gòu)、橋面板及其鋼筋的作用,當(dāng)然也將車輪集中荷載向下傳遞,使其在橋梁結(jié)構(gòu)中更加均勻分布。同時(shí),瀝青鋪裝層的平整度也將影響行駛車輛對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的沖擊、振動(dòng),其透水性、耐久性對(duì)于橋梁使用壽命的延長(zhǎng)有著重要的作用。另一方面,橋梁結(jié)構(gòu)也直接影響著瀝青鋪裝層路用性能的發(fā)揮,比如簡(jiǎn)支梁橋由于存在橫向、縱向絞縫,從結(jié)構(gòu)上存在應(yīng)力集中的特殊部位,上部瀝青鋪裝層的破壞將在所難免,特別對(duì)于連續(xù)梁橋來說,鋪裝層表面還要受到支座處負(fù)彎矩造成的內(nèi)力影響。橋梁的上部結(jié)構(gòu)及橋梁線形對(duì)橋面鋪裝層的耐久性影響較大,其對(duì)瀝青鋪裝層病害的影響是永久性的,比如梁橋橫隔梁或連續(xù)梁支座處負(fù)彎矩的影響、橋面板橫向傳荷體系的破壞以及橋梁伸縮縫的影響。如果橋面防水和排水體系缺失或不完善,水分將通過瀝青鋪裝層進(jìn)入混凝土橋面板,使其發(fā)生凍融破壞、鋼筋銹蝕與堿集料反應(yīng)。1.2.2橋面板防水粘結(jié)層施工不良因素不論多么卓越的材料,多么合理的設(shè)計(jì),如果沒有高質(zhì)量、嚴(yán)要求的施工,都將難以保障鋪裝層的耐久性,鋪裝層病害將層出不窮。主要表現(xiàn)在:橋面板的不平整度及混凝土強(qiáng)度不足都將使得在鋪裝瀝青鋪裝層之前橋面板就出現(xiàn)裂紋或微裂縫,這在京秦高速公路大石河橋上得到了驗(yàn)證［９］;橋面鋼筋網(wǎng)設(shè)置不合理引起橋面板受力不均;混凝土橋面板表面處治不合理以及下承層表面污染都可能引起或加劇推移、擁包等病害的出現(xiàn);橋面板養(yǎng)生不足將造成防水粘結(jié)層產(chǎn)生鼓包、脫皮等,產(chǎn)生層間粘結(jié)實(shí)效;防水粘結(jié)層施工不良使其難以發(fā)揮作用;瀝青鋪裝層厚度不一、壓實(shí)不足都將引起早期水損壞、松散、坑槽等;瀝青鋪裝層下承層施工溫度過高也造成防水層的破壞。1.2.3瀝青混凝土抗壓強(qiáng)度分析首先,瀝青鋪裝層主要材料為瀝青粘結(jié)料、集料及其他改性劑,其路用性能與病害有直接關(guān)系,而級(jí)配、瀝青用量、空隙率、高低溫性能及疲勞性能也至關(guān)重要,當(dāng)然氣溫、水分、交通等外因作用也對(duì)病害起到推波助瀾的作用。其次,與“瀝青混凝土+半剛性基層+土基”的路面結(jié)構(gòu)不同的是瀝青鋪裝層結(jié)構(gòu)體系由瀝青鋪裝層、防水粘結(jié)層、混凝土橋面板組成了“剛+柔+剛”的三明治結(jié)構(gòu),柔性防水粘結(jié)層的存在將使得本來具備抗壓優(yōu)勢(shì)的瀝青混凝土層底承受了較大的彎拉應(yīng)力,更容易在層間產(chǎn)生“剪切滑動(dòng)效應(yīng)”。第三,鋪裝層及防水粘結(jié)層厚度也有一定影響,據(jù)國內(nèi)工程實(shí)踐及計(jì)算分析,當(dāng)鋪裝層厚度小于8cm時(shí),易產(chǎn)生層間剪切破壞,但當(dāng)厚度增加至16cm時(shí),鋪裝層表面最大剪應(yīng)力不再變化,不過從抗疲勞性能考慮,厚度不易太大。1.2.4解決了解決路面彎沉需要解決的問題超載、超限對(duì)橋面鋪裝層的破壞尤為嚴(yán)重,盡管對(duì)此進(jìn)行了治理,但仍然較為普遍。在2012年垮塌的哈爾濱陽明灘大橋上,4輛重卡中有3輛超載均大于300%,這給了深刻的教訓(xùn),因?yàn)?超載、超限將大大增加了一次性破壞的可能性,通過瀝青路面及水泥路面規(guī)范［１０－１１］發(fā)現(xiàn),計(jì)算瀝青路面彎沉?xí)r超載300%的一次軸載相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)軸載作用次數(shù)的416倍,層底彎拉應(yīng)力驗(yàn)算時(shí)相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)軸載的65536倍,這一點(diǎn)也得到美國、南非研究的證實(shí),即軸載超限100%時(shí),對(duì)路面的損害將是標(biāo)準(zhǔn)軸載的4~60倍,超載使車輛在橋頭、橋梁伸縮縫處的剎車和換檔幾率大大增加,加劇了對(duì)橋面鋪裝層的沖擊,更容易產(chǎn)生剪切破壞;交通過度渠化使得行車道上瀝青鋪裝層經(jīng)受3~5倍于其他車道的交通荷載作用;橋梁結(jié)構(gòu)都暴露在空氣中,對(duì)溫度更為敏感,容易出現(xiàn)冬季“冰柜效應(yīng)”和夏季的“煎烤效應(yīng)”;混凝土橋面板與瀝青混凝土的差異性脹縮將導(dǎo)致表面干縮裂縫;瀝青鋪裝層的脹縮受到混凝土板約束時(shí)將產(chǎn)生較大的溫縮裂縫;當(dāng)車速較低時(shí),雨水將通過地表徑流的形式“滲入”混合料中;當(dāng)車速較高時(shí),動(dòng)水壓力作用將使得水分被高速“擠入”瀝青混合料中;冰凍、海洋、工業(yè)酸霧及酸雨地區(qū)的融冰雪劑、鹽、酸等均對(duì)鋪裝層有一定的影響。2對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)的研究2.1橋面鋪裝層防水層的研究發(fā)展歷程混凝土橋面瀝青鋪裝層一般由混凝土橋面板+透層+防水粘結(jié)層+保護(hù)層+磨耗層以及鋪裝層之間的粘結(jié)層組成的多層組合結(jié)構(gòu),其中防水粘結(jié)層的好壞直接決定著鋪裝層橋梁整體結(jié)構(gòu)的壽命。國外一般在混凝土橋面上采用防水層+瀝青層的兩層式結(jié)構(gòu)和防水層+粘層+磨耗層的三層式結(jié)構(gòu),厚度多為40~100mm,都比較重視防水材料的使用,比如日本主要采用瀝青混凝土+卷材/3層氯丁橡膠/橡膠瀝青防水層+混凝土橋面板結(jié)構(gòu);德國采用雙層澆筑式瀝青混凝土+改性瀝青卷材或彈性體材料/環(huán)氧樹脂防水體系+混凝土橋面板結(jié)構(gòu);丹麥采用SMA+改性瀝青混凝土聯(lián)接層+開級(jí)配瀝青混凝土保護(hù)層+環(huán)氧樹脂防水層+混凝土橋面板結(jié)構(gòu);美國則采用雙層澆筑式瀝青混凝土/鋼纖維混凝土+改性瀝青卷材/環(huán)氧樹脂防水層+混凝土橋面板等典型結(jié)構(gòu)。中國的瀝青鋪裝層結(jié)構(gòu)發(fā)展經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的過程,主要分為3個(gè)階段。(1)20世紀(jì)50~60年代的探索階段。20世紀(jì)50年代以前,基本不鋪裝專門的鋪裝層,采用“混凝土橋面板+不超過5cm水泥砂漿磨耗層”結(jié)構(gòu)。20世紀(jì)50年代中國柔性鋪裝層俗稱“黑色鋪裝”,主要以渣油瀝青混凝土、柏油貫入式碎石為主。1956年原設(shè)計(jì)四分局才開發(fā)了瀝青浸漬磚的橋面鋪裝層技術(shù)［１２］。另外,當(dāng)時(shí)木橋上已廣泛采用木板、砂石、級(jí)配(礫)碎石、水泥混凝土、石板鋪裝層以及貫入式和表面處治的黑色鋪裝層［１３］。在1952年相關(guān)規(guī)范才提出了設(shè)防水層的要求,但考慮到經(jīng)濟(jì)、恒載過大、施工繁瑣等原因,加之當(dāng)時(shí)在中國1933年建好的未設(shè)防水層的某橋梁運(yùn)營22年未見水損害,以及前蘇聯(lián)、美國、歐洲都有不設(shè)防水層而直接鋪設(shè)瀝青混凝土鋪裝層的成功鋪裝,因此,導(dǎo)致20世紀(jì)50~60年代國內(nèi)外學(xué)術(shù)界一直對(duì)橋面鋪裝層是否應(yīng)設(shè)防水層的問題都處于爭(zhēng)論階段,比如西德、法國當(dāng)時(shí)急于減輕大跨徑混凝土橋和鋼橋面的自重和斷面尺寸,一度打算采用瀝青混凝土鋪裝層兼作防水層。閔子超對(duì)公路混凝土橋梁的橋面防水及鋪裝層技術(shù)進(jìn)行研究,在1956年建成的南昌八一大橋中采用了未設(shè)防水層的鋪裝體系,運(yùn)營了6年之后狀況一致良好［１４］;陳偉章以北京某橋?yàn)槔C明未設(shè)防水層的“混凝土橋面板+0.4kg·m－２瀝青粘層+5cm中粒式HMA+5cm粗粒式HMA”結(jié)構(gòu)取代“混凝土橋面板+100?；炷翂|拱+防水層+4cm200＃混凝土+5cmHMA”后2~3年內(nèi)未見病害［１５］;吳銳推薦了在橋面板上不設(shè)防水層而改為瑪蹄脂整平層上直接加鋪或澆筑的水泥混凝土鋪裝或?yàn)r青層結(jié)構(gòu)［１６］;楊振清認(rèn)為中小跨徑混凝土橋因減薄防水層和鋪裝層對(duì)減輕自重作用不明顯而推薦采用貼鋪式防水層,對(duì)于大跨徑橋因其下部結(jié)構(gòu)較大、上部結(jié)構(gòu)剛度大而適于采用瀝青鋪裝層［１７］。(2)20世紀(jì)70~80年代的發(fā)展階段。20世紀(jì)70年代橋面鋪裝普遍采用了防水層,陳偉章較早提出了“混凝土橋面板+4~8cm瀝青混凝土或?yàn)r青碎石+0.5cm三油兩布防水層+3cm瀝青石屑面層”的中置式防水層［１８］;20世紀(jì)80年代日本對(duì)防水層也處于研究階段,但只在連續(xù)剛梁橋的負(fù)彎矩區(qū)、重復(fù)應(yīng)力區(qū)鋪設(shè)防水層［１９］;沈巍等建議陽離子乳化瀝青膠乳防水層粘結(jié)強(qiáng)度為0.20~0.35MPa,抗剪強(qiáng)度大于0.2MPa的要求［２０］。(3)20世紀(jì)90年代以后的應(yīng)用階段。進(jìn)入20世紀(jì)90年代,隨著不同結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、形態(tài)的大跨徑水泥混凝土橋快速發(fā)展,因橋梁結(jié)構(gòu)導(dǎo)致鋪裝層發(fā)生病害,因橋面鋪裝破壞而加快橋梁混凝土結(jié)構(gòu)破壞、鋼筋銹蝕等現(xiàn)象越來越多,這就使得橋面鋪裝層的發(fā)展又進(jìn)入一個(gè)新的階段。進(jìn)入21世紀(jì)后,隨著超載、超限的常態(tài)化,對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)及鋪裝層的耐久性提出了更大的考驗(yàn),這勢(shì)必將鋪裝層的研究由單獨(dú)功能性的需求向復(fù)雜環(huán)境條件下混凝土橋?yàn)r青鋪裝層的綜合研究而邁進(jìn)。目前,中國對(duì)瀝青鋪裝層結(jié)構(gòu)組合及設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入研究,盡管鋪裝層都有一定的橋梁結(jié)構(gòu)局限性、氣候環(huán)境地域性,但是人們還是通過數(shù)值模擬、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐來尋找類似于瀝青路面一樣應(yīng)用更加廣泛的“典型結(jié)構(gòu)”。比如李洪東通過對(duì)佛開高速公路上聯(lián)星跨線橋等10多座大橋橋面鋪裝進(jìn)行了調(diào)查,發(fā)現(xiàn)可采用3cm細(xì)粒式開級(jí)配玄武巖瀝青磨耗層+5cm瀝青混凝土的雙層薄層結(jié)構(gòu),但最小厚度不小于5cm［２１］;張劍等在鋪裝組合結(jié)構(gòu)60℃動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)、小梁4點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,分別對(duì)Ⅰ、Ⅱ級(jí)防水體系提出了12種典型結(jié)構(gòu)組合［２２］?？傮w來看,世界各國的瀝青鋪裝層結(jié)構(gòu)組合更加復(fù)雜,趨于多層次組合;結(jié)構(gòu)層材料更多考慮了耐久性要求;結(jié)構(gòu)層厚度有增加的趨勢(shì),越來越重視防水粘結(jié)層體系。2.2瀝青混凝土與透層力學(xué)性質(zhì)的檢測(cè)英國Sutanto基于改進(jìn)Leutner試驗(yàn)、人工及自動(dòng)扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)、LINK水敏感試驗(yàn)對(duì)瀝青層之間的粘結(jié)性能進(jìn)行了評(píng)價(jià),并與瑞士、德國的規(guī)范進(jìn)行了對(duì)比,提出了英國關(guān)于粘結(jié)、剪切最低強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)［２３］。澳大利亞、英國BSEN13863-2、德國DIN2003及瑞士均采用拉伸粘結(jié)試驗(yàn)來確定拉伸粘結(jié)強(qiáng)度,英國BBA針對(duì)混凝土橋面卷材類、液體瀝青類防水膜提出了初步試驗(yàn)和125℃集料穿透試驗(yàn)等技術(shù)規(guī)范［２４］。EMPA的RaabandPartl(1999)開發(fā)了用于評(píng)價(jià)混凝土上加鋪瀝青層界面粘結(jié)的卡車后輪現(xiàn)場(chǎng)剪切試驗(yàn)法。美國Aubern大學(xué)NCAT(NationalCenterforAsphaltTechnology)的West等設(shè)計(jì)了剪切-法向組合荷載的直剪試驗(yàn)［２５］。德國Leutner開發(fā)了可在Marshall或CBR上進(jìn)行的簡(jiǎn)易直接剪切試驗(yàn)———Leutner試驗(yàn),并納入德國標(biāo)準(zhǔn)ALPA-StbTeil4(DIN1999)。加拿大Carleton大學(xué)、英國Nottingham大學(xué)及美國NCHRP(2005)LTRC(LouisianaTransportationResearchCenter)開發(fā)了扭轉(zhuǎn)剪切試驗(yàn)儀［２６］。法國Limoges大學(xué)開發(fā)了評(píng)價(jià)瀝青混凝土與透層剪切疲勞特性的雙剪切試驗(yàn)儀。德國Wellner和Ascher、英國Nottingham大學(xué)及Crispino等開發(fā)了確定瀝青層界面動(dòng)態(tài)剪切反應(yīng)模量的動(dòng)態(tài)剪切試驗(yàn)。Collop等通過自動(dòng)扭轉(zhuǎn)剪切試驗(yàn)(AutomaticTorqueTest,ATT)獲得的剪切反應(yīng)模量和扭轉(zhuǎn)角來估計(jì)界面的剪切反應(yīng)模量和扭轉(zhuǎn)角。西班牙BarcelonCatalonia技術(shù)大學(xué)開發(fā)了LCB剪切試驗(yàn)儀［２７］。Liu等通過建立剛/膜、多孔瀝青混凝土/膜、澆筑式瀝青混凝土/膜三種試模的薄膜粘結(jié)試驗(yàn)(MembraneAdhesionTest-MAT),得到正交異性鋼橋面板粘結(jié)層應(yīng)變能釋放率G模型［２８］。Doyle等利用凸軸加載鼓包試驗(yàn)檢測(cè)了環(huán)氧樹脂粘結(jié)玻璃的應(yīng)變能釋放率［２９］。當(dāng)然,隨著橋面鋪裝技術(shù)的進(jìn)步,中國在防水粘結(jié)層性能檢測(cè)及評(píng)價(jià)方法、儀器方面一直在探索,但總體上看國產(chǎn)儀器和檢測(cè)方法相對(duì)單一,主要有同濟(jì)大學(xué)、西安交通大學(xué)、長(zhǎng)安大學(xué)、高遠(yuǎn)公司開發(fā)的拉拔儀和直接剪切儀、斜剪儀、扭轉(zhuǎn)剪切儀,目的在于檢測(cè)粘結(jié)強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度。但拉拔試驗(yàn)與鋪裝層實(shí)際受力狀態(tài)不符,鋪裝層在荷載作用下并非處于法向受拉的應(yīng)力狀態(tài),而直剪試驗(yàn)、斜剪試驗(yàn)在試件破壞的過程剪切面受加載桿件的彎矩影響,并非因純剪切而破壞。東南大學(xué)趙永利等開發(fā)了檢測(cè)界面內(nèi)摩擦角和粘聚力的界面綜合分析儀?！冻擎?zhèn)道路路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(CJJ169—2012)采用孫立軍提出的“瀝青混合料單軸貫入抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)方法”檢測(cè)容許抗剪強(qiáng)度,不過該方法中的抗剪參數(shù)需要通過有限元數(shù)值計(jì)算來確定?？傮w上看,鋪裝層材料、結(jié)構(gòu)組合及鋪裝技術(shù)方面國內(nèi)外都比較成熟,目前研究的重點(diǎn)大多集中于瀝青層間及防水粘結(jié)層的應(yīng)用、評(píng)價(jià),中國在這方面相對(duì)比較落后。2.3防水系統(tǒng)與防水層系統(tǒng)的研究發(fā)展歷程目前,國外在防水層材料方面有比較完善的規(guī)范,美國、英國、荷蘭、德國等發(fā)達(dá)國家20世紀(jì)50年代已經(jīng)基本完成了公路和橋梁的快速規(guī)模建設(shè),直到20世紀(jì)60年代末才發(fā)現(xiàn)橋面出現(xiàn)的各種病害主要與水有關(guān),從而開始橋面防水設(shè)計(jì)、材料開發(fā)、檢測(cè)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的研究。英國于1965年在DTTMBE27提出鋪設(shè)防水體系的強(qiáng)制性規(guī)定;美國公路合作研究組織20世紀(jì)60年代提出在橋面鋪裝中采用由柔性防水材料鋪設(shè)的不透水防水層;德國20世紀(jì)70年代引入法國防水系統(tǒng),1999年提出包含40余項(xiàng)試驗(yàn)檢測(cè)方法的TP-BEL-B規(guī)范;國際經(jīng)濟(jì)發(fā)展與合作組織20世紀(jì)70年代提出了混凝土橋面板防水層的研究報(bào)告,推薦了防水材料的具體檢測(cè)和評(píng)價(jià)方法、標(biāo)準(zhǔn);日本公路公司1994年簽署了涉及卷材防水與涂膜防水的系列指南JH,1998年已推廣到所有類型混凝土橋面;英國交通研究實(shí)驗(yàn)室1965年開始防水層的抗?jié)B、粘結(jié)、耐高溫性能的對(duì)比研究,20世紀(jì)80年代對(duì)47種防水系統(tǒng)測(cè)試后發(fā)現(xiàn)防水層粘結(jié)性不足,鋪裝層高溫?cái)備伷茐募按旨洗唐剖侵饕茐脑?于1994年指定了包含14項(xiàng)試驗(yàn)的BD47/94規(guī)范［３０］。中國的相關(guān)規(guī)范比較多,但規(guī)定均不太一致,比如《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ014—97)中對(duì)鋪裝層結(jié)構(gòu)組合、粘結(jié)層、防水層做了規(guī)定,但未推薦典型結(jié)構(gòu)組合,要求高速、一級(jí)公路瀝青鋪裝層厚度為60~100mm。2.4國內(nèi)的瀝青混凝土鋪裝技術(shù)現(xiàn)行《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD50—2006)明確提出“表面層+防水體系(下面層+下封層+防水層)”的典型結(jié)構(gòu)組合?！豆窐蚝O(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTGD60—2004)中規(guī)定:高速公路和一級(jí)公路上特大橋、大橋的橋面鋪裝宜采用瀝青混凝土橋面鋪裝,且厚度不宜小于70mm,對(duì)二級(jí)及二級(jí)以下公路,厚度不宜小于50mm,其設(shè)計(jì)尚應(yīng)符合《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD50—2006)的要求?！豆窐蚝┕ぜ夹g(shù)規(guī)范》(JTG/TF50—2011)只要求在混凝土橋面板鋪筑瀝青混凝土前應(yīng)灑布0.3~0.5L·m－２的粘層瀝青?！冻鞘袠蛄涸O(shè)計(jì)規(guī)范》(CJJ11—2011)規(guī)定可采用瀝青混凝土或水泥混凝土材料。快速路、主干路橋梁和次干路上特大橋、大橋橋面鋪裝宜采用與橋頭引道瀝青面層一致的瀝青混凝土,厚度不宜小于80mm,一般采用上層細(xì)粒式HMA+下層中粒式HMA雙層式結(jié)構(gòu);次干路、支路時(shí),橋梁瀝青混凝土鋪裝層和水泥混凝土整平層厚度均不宜小于60mm。《城市橋梁橋面防水工程技術(shù)規(guī)程》(CJJ139—2010)規(guī)定:對(duì)防水等級(jí)為Ⅰ級(jí)的橋梁,卷材防水層以上瀝青混凝土面層的厚度不應(yīng)小于80mm。《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)第一冊(cè)土建工程》(JTGF80-1—2004)及《公路工程竣(交)工驗(yàn)收辦法實(shí)施細(xì)則》(2010—65號(hào))對(duì)混凝土橋面瀝青鋪裝層的評(píng)定盡管借鑒了瀝青路面的標(biāo)準(zhǔn),但棄掉了一個(gè)很重要的“滲水系數(shù)”指標(biāo)?？傮w上,從目前國內(nèi)主要采用的鋪裝層結(jié)構(gòu)(圖4)來看,基本趨勢(shì)為:組合由單層式向雙層式發(fā)展,且以4~5cmSMA+4~6cmSMA及樹脂反應(yīng)類更為普遍;防水粘結(jié)層更受關(guān)注,由卷材、涂膜類逐漸向AR或SBS改性瀝青碎石封層類發(fā)展;混凝土橋面板或整平層表面處理技術(shù)發(fā)展較快,由傳統(tǒng)的刻槽、打毛逐漸向拋丸等發(fā)展,現(xiàn)在出現(xiàn)了更為高效的高壓水沖毛技術(shù)。3鋪裝層設(shè)計(jì)方法從目前的橋面鋪裝層設(shè)計(jì)來看,僅限于線彈性理論、經(jīng)驗(yàn)性的設(shè)計(jì),而沒有專門的鋪裝層設(shè)計(jì)方法,這將很難適應(yīng)近幾十年來重交通、超載車輛以及寬基單胎迅速增長(zhǎng)的現(xiàn)狀。所以,研究者開始致力于橋面板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來解決和克服鋪裝層出現(xiàn)的若干問題,隨之經(jīng)歷了半經(jīng)驗(yàn)法、理論分析法、結(jié)構(gòu)分析法以及有限元數(shù)值分析法的發(fā)展。3.1鋪設(shè)設(shè)計(jì)參數(shù)起初,人們對(duì)橋面鋪裝層的設(shè)計(jì)來自于一些經(jīng)驗(yàn),比如1996年荷蘭的NPC(NetherlandsProteomicsCentre)采用SCB(Semi-CircularBending)試驗(yàn)確定了橋面鋪裝層的設(shè)計(jì)參數(shù)。3.2車橋面鋪裝平面內(nèi)理論早在1967年Metcalf就將鋪裝層+鋼橋面板橋面系簡(jiǎn)化為倒置復(fù)合梁理論模型,提出鋪裝層拉應(yīng)變計(jì)算公式。Cullimore等采用艾瑞應(yīng)力函數(shù)對(duì)鋼箱梁腹板以外懸臂部分的縱向應(yīng)力進(jìn)行理論求解［３１］。Seible等基于足尺試驗(yàn),對(duì)混凝土橋面水泥混凝土鋪裝層的破壞形式和機(jī)理進(jìn)行了探究,建立了粘結(jié)層非線性滑動(dòng)-彎曲模型［３２］。自從20世紀(jì)80年代開始,中國對(duì)鋼橋面的鋪裝層設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究,普遍在正交各向異性橋面板上加鋪瀝青層后采用正交異性板理論進(jìn)行分析、計(jì)算。國內(nèi)對(duì)水泥混凝土鋪裝層的研究比較少,人們大多將其視為與橋面板、調(diào)平層為一體的整體受力層,很少單獨(dú)對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)。王虎等基于彈性梁和疊層理論推導(dǎo)了混凝土主梁上緣計(jì)算應(yīng)力和單層、雙層鋪裝層內(nèi)及表面彎曲正應(yīng)力的理論計(jì)算公式,并對(duì)T型鋼構(gòu)懸臂箱梁橋和預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋的水泥混凝土鋪裝層進(jìn)行了數(shù)值分析,推薦了最小鋪裝層厚度［３３］。羅立峰等將混凝土橋面板及瀝青鋪裝層簡(jiǎn)化為“正交異性小撓度薄板的主板+各向同性大撓度薄板的瀝青鋪裝層”雙層式結(jié)構(gòu),并提出了以中面力表征豎向位移來代替水平位移、水平拉應(yīng)力、鋪裝層表面拉應(yīng)變及拉應(yīng)力、層間最大剪應(yīng)力作為控制指標(biāo)的設(shè)計(jì)方法［３４］。羅立峰等依照薄板彎曲及梁彎曲理論得到其撓曲微分方程和撓曲線方程［３５］。張占軍等基于主梁承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)所有恒載、主梁及鋪裝層承擔(dān)車輛活載、層間連續(xù)的彈性狀態(tài)假定,提出了鋪裝層表面、主梁上緣、防水層表面的彎曲應(yīng)力理論公式［３６］。趙鋒軍等針對(duì)簡(jiǎn)支梁橋面鋪裝的橫向彎拉受力特征,將橋梁結(jié)構(gòu)、橋面板及瀝青鋪裝層組合沿橫向簡(jiǎn)化為“疊層梁”力學(xué)模型,提出了橋面板/鋪裝層層間壓應(yīng)力、層間剪應(yīng)力的理論計(jì)算公式［３７］。方志禾等將水泥混凝土鋪裝層簡(jiǎn)化為支撐于“混凝土主梁+水泥整平層+防水粘結(jié)層”之上的彈性薄板［３８］。3.3面板結(jié)構(gòu)的影響結(jié)構(gòu)分析法主要針對(duì)當(dāng)時(shí)橋面鋪裝層的研究?jī)H限于鋪裝層材料、設(shè)計(jì)、性能方面,而忽略了橋面板結(jié)構(gòu)對(duì)鋪裝層耐久性的影響,以DeBacker、Tabchi、Bild等為代表進(jìn)行了通過控制橋面板結(jié)構(gòu)特性來減少、避免鋪裝層裂縫等病害的研究。德國Bild首先對(duì)規(guī)則正交異性鋼橋面板的彎曲、扭轉(zhuǎn)、變形給出了解析解,對(duì)不規(guī)則板的響應(yīng)則給出了近似解。3.4橋面板及鋪裝層厚度設(shè)計(jì)季節(jié)等基于4個(gè)基本假定條件:橋面鋪裝層有一定厚度且水平方向無限大,連續(xù)跨徑的水泥混凝土橋面板為水平方向無限大,鋪裝層與主梁之間連續(xù)接觸,主梁結(jié)構(gòu)層模量是鋪裝層模量12~32倍將導(dǎo)致主梁抗變形能力可視為彈性半空間體,將橋面系簡(jiǎn)化為雙層彈性層狀體系,提出了以橋梁活載撓度修正值作為設(shè)計(jì)彎沉來確定鋪裝層厚度［３９］。3.5多層分量多層體系設(shè)計(jì)方法Castro從結(jié)構(gòu)工程觀點(diǎn)出發(fā),提出依次確定橋梁荷載位置、將橋面板及橋梁當(dāng)量為雙層系統(tǒng)、采用多層體系法計(jì)算鋪裝層與橋面板雙層當(dāng)量系統(tǒng)的應(yīng)力和應(yīng)變以及通過疲勞破壞準(zhǔn)則評(píng)估鋪裝層壽命的逐層當(dāng)量多層體系設(shè)計(jì)方法,其適用于肋板梁、板梁、箱梁混凝土橋面板瀝青鋪裝層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［４０］。3.6數(shù)值模擬的應(yīng)用隨著計(jì)算機(jī)發(fā)展以及有限元理論在橋梁、道路領(lǐng)域的應(yīng)用,特別對(duì)一些難以求得解析解的復(fù)雜工程問題,采用有限元方法得到滿足工程精度需求的數(shù)值解已經(jīng)足夠了,所以數(shù)值分析法應(yīng)運(yùn)而生。Huurman等基于CAPA-3D有限元軟件對(duì)正交異性鋼橋面板瀝青鋪裝層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值模擬［４１］;Walter以荷蘭大貝爾橋?yàn)槔?建立了二維簡(jiǎn)支梁整體模型以及橫隔梁二維簡(jiǎn)支局部模型,計(jì)算整體模型和局部模型最敏感橫隔梁位置的剪力和彎矩,又采用DIANA軟件對(duì)三維有限元模型進(jìn)行模擬［４２］;Medani等基于2跨連續(xù)梁模型數(shù)值分析,發(fā)現(xiàn)鋼板中應(yīng)變呈線性分布,而瀝青層呈非線性分布［４３］。4需要考慮的問題、技術(shù)熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)4.1瀝青鋪裝層防水粘結(jié)性能的控制因素(1)人為地對(duì)瀝青鋪裝層賦予了超乎其本身功能、物理、力學(xué)極限的要求。瀝青鋪裝層及其層間粘結(jié)層基本功能到底是什么?在結(jié)構(gòu)及材料設(shè)計(jì)中,首先要考慮其功能需求,橋面鋪裝層與瀝青路面在功能方面有著較大的區(qū)別?；炷翗蛎驿佈b層鋪筑在梁體支撐的橋面板上,盡管瀝青鋪裝層由于追隨橋面板而產(chǎn)生較大的正彎矩(連續(xù)梁支座處存在負(fù)彎矩),但大部分承載力應(yīng)該由混凝土橋面板來承擔(dān),因此,瀝青鋪裝層的結(jié)構(gòu)承載力需求就遠(yuǎn)沒有功能需求重要了。所以,是否有必要設(shè)計(jì)大厚度、高模量的瀝青鋪裝層值得考慮。(2)粘結(jié)層的粘結(jié)性能與應(yīng)力吸收性能中哪一個(gè)應(yīng)為主導(dǎo)性能?混凝土橋梁受力結(jié)構(gòu)應(yīng)該是水泥混凝土構(gòu)件和橋面板,瀝青鋪裝層在靜態(tài)、動(dòng)態(tài)荷載作用下的局部變形較小。目前,不論是防水粘結(jié)材料設(shè)計(jì),還是試驗(yàn)檢測(cè)方法制定,都將抗剪、粘結(jié)強(qiáng)度作為重要控制指標(biāo),試圖采用環(huán)氧樹脂等高強(qiáng)度粘結(jié)層來“抵抗”橋梁在溫度、車輛荷載作用下的溫度應(yīng)力、彎拉應(yīng)力、剪應(yīng)力,這很值得思考。(3)瀝青鋪裝層靜態(tài)碾壓造成的先天性壓實(shí)不足。傳統(tǒng)上混凝土橋面瀝青鋪裝層的碾壓與瀝青路面碾壓不同,盡管JTGF40—2004中規(guī)定“橋面鋪裝的復(fù)壓宜采用輪胎壓路機(jī)、鋼筒式壓路機(jī)進(jìn)行,經(jīng)試驗(yàn)或經(jīng)驗(yàn)證明不致?lián)p壞橋梁結(jié)構(gòu)時(shí),也可采用振動(dòng)壓路機(jī)碾壓”,但實(shí)際施工中仍然