水泥混凝土梁桥沥青铺装层铺筑时机评价指标研究

陈楚鹏， 许新权， 李浩， 罗雪平， 聂桂海

(1．广东华路交通科技有限公司， 广东 广州 510420；

2.广州大学， 广东 广州 510000)

近年来，因沥青铺装层与混凝土梁桥层间黏结不足，导致铺装层通车后坑槽、脱皮等病害频发，严重影响了沥青铺装层的使用寿命。经实地调查，病害特点往往表现为“三多一少”：轮迹处多、主车道多、上坡路段多、养生时间少[1-4]。进一步分析可得，桥面整体化层养生时间不足、强度不够，交通荷载作用下产生的微裂缝造成层间黏结力不足，从而导致了病害发生[5-9]。

目前，CJJ 139—2010《城市桥梁桥面防水工程技术规程》规定混凝土龄期应≥7 d，方可进行上部结构施工[10]。而交通环境、养生条件、配合比等均会影响混凝土的表面状况，统一采用7 d龄期的铺筑时机不合理。此外，工期紧张路段，7 d养生龄期通常不能满足。可见，在通车时间和质量保障的双重要求下，亟需确定合理的沥青层铺筑时机。

针对此类问题，彭官友[11]通过室内拉拔和剪切试验，研究了水泥混凝土桥面与沥青铺装层间界面特性，结果表明层间黏结强度随着温度增大而降低；
许新水等[12]研究了广东省内水泥混凝土桥面铺装的病害及结构特点，建议单层桥面铺装时采用高黏改性沥青作为防水黏结层使用材料；
吴文佑[13]研究了水泥混凝土桥梁桥面防水黏结层破坏原因，建议提高桥面防水黏结层材料高温环境下的力学性能指标；
黄晓明[14]和杨忠胜[15]均认为水泥混凝土桥面板养生不足将造成防水黏结层产生脱皮、鼓包等病害。

综上所述，现有研究主要集中于铺装结构、材料设计及层间黏结特性等方面，未见有关沥青铺装层铺筑时机的相关研究，无法较好地指导施工。因此，该文通过大量室内试验、现场实测，提出通过回弹比λ和硬度值f指标来确定铺筑时机，以便为水泥混凝土梁桥沥青铺装层合适铺筑时机的选择提供参考和借鉴。

1.1 试件制备

(1) 水泥板试件成型：采用原材料室内成型车辙板试件，尺寸为30 cm×30 cm×5 cm，成型完成后将水泥混凝土板表面抹平，并采用扫帚拉毛，拉毛过程中保证每块板表面粗糙程度一致，然后在室内标准养护室养护，水泥混凝土配合比如表1所示。

表1 水泥混凝土配合比

(2) 在不同龄期时，按照1.2 kg/m3的SBS改性沥青用量对混凝土板进行涂抹处理，然后按照9 kg/m3的撒布量撒布5～10 mm碎石。

(3) 完成步骤(2)后，立即按照JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》操作方法在水泥混凝土板上加铺5 cm GAC-20C型沥青面层。

1.2 试验方案

采用莫氏硬度试验和回弹试验测试混凝土表面的状况及其变化规律，提出评价指标λ和f，采用室内拉拔试验和45°斜剪试验确定层间黏结强度与评价指标λ和f的关系，最后在室内试验的基础上，根据实体工程验证室内提出的评价指标λ和f的合理性，试验方案如表2所示。

表2 试验方案

(1) 莫氏硬度试验

莫氏硬度分为：金刚石(10)、刚玉(9)、黄玉(8)、石英(7)、长石(6)、磷灰石(5)、萤石(4)、方解石(3)、石膏(2)和滑石(1)，采用不同硬度的石头对混凝土表面进行刻划，当出现明显划痕时说明石头硬度比混凝土大，当出现石头磨损时，说明混凝土硬度比石头硬度大，当石头和混凝土均发生磨损时，说明混凝土和石头的硬度处于同等水平，则采用该石头硬度代表混凝土表面硬度。

(2) 回弹试验

回弹仪法是采用弹击杆弹击混凝土表面，通过测出的回弹值来推定混凝土强度的一种方法，而回弹值与混凝土表面硬度成一定的比例关系，因此采用回弹值来测定混凝土的表面硬度是非常合理的评价指标，从而为定量确定沥青铺装层铺筑时机提供参考依据。试验时采用标准养生方法，不对试件进行脱模，将混凝土试块划分为16个区域，严格按照DBJ/T13-71—2015《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》操作方法在每个板块进行回弹值测试，并按照规程进行数据处理。

(3) 拉拔试验

① 对试件进行清洁，然后将拉头底部涂抹一层AB胶，快速将拉头粘贴在试件表面，并养生30 min；
② 采用游标卡尺测量试件实际直径，准确至0.1 mm；
③ 将拉拔头和试件置于(20±1) ℃保温4 h，然后开始试验，拉伸速率为10 mm/min；
④ 试验拉断时，记录最大拉力F，精确至0.1 N,按照式(1)计算层间拉拔强度σ：

σ=F/S

(1)

(4) 45°斜剪试验

① 将切割成10 cm×10 cm的试件放入20 ℃恒温箱中保温4 h以上；
② 将保温好的试件，安放于试模中，放置在万能试验机中，开启试验机以50 mm/min速度向下移动，记录应力-位移曲线及峰值，当试件破坏或应力-位移曲线出现峰值时停止试验；
③ 记录试验机垂直最大向下压力F，精确至0.1 N，按照式(2)计算层间剪切强度τ：

τ=0.707×F/S

(2)

2.1 回弹比λ

采用回弹仪测试成型试块的表面硬度(以回弹值表征)随龄期的增长规律如图1所示。由图1可以看出，混凝土板表面硬度随龄期的增长规律可分为3个阶段：

第一阶段：快速增长(0～48 h)，混凝土表面硬度快速增长，此时混凝土中水泥快速水化，水泥水化产物快速增加，表面逐渐变成致密结构，凝结成一个整体，从而引起水泥混凝土表面硬度快速增长。

第二阶段：慢速增长(48～96 h)，表面硬度慢速增长，一方面是由于混凝土中水泥水化基本完成，水泥水化产物增加速率明显变慢；
另一方面是因为快速增长阶段结束后，混凝土表面形成一个致密的表面，后续水泥水化对表面致密结构的增加作用相对较小。

第三阶段：平稳阶段(96 h后)，表面硬度几乎不再增长，水泥水化基本完成，混凝土表面形成完全致密结构，平稳阶段后测试混凝土表面的回弹值，测试结果不再出现明显的变化。

根据上述分析，定义回弹比λ为测试的回弹值Ri与最大回弹值Rmax之比，如式(3)所示：

λ=Ri/Rmax×100%

(3)

图1 回弹值随龄期的增长

2.2 硬度值f

采用莫氏硬度计对成型的水泥混凝土板表面进行划痕试验，测试结果如表3所示。由表3可以看出：水泥混凝土板莫氏硬度可分为两个阶段：

第一阶段：龄期在48 h之前时，随龄期的增长，莫氏硬度值快速增长，此规律和回弹值测试规律一致。

第二阶段，龄期增长到48 h后，从莫氏硬度指标看，随龄期的增加，莫氏硬度值几乎不再增加，不能从该指标上看出混凝土表面硬度的变化。

因此，定义硬度值f为混凝土表面的莫氏硬度测试值。测试结果如表3所示。

表3 莫氏硬度测试结果

3.1 拉拔强度与评价指标的相关性分析

(1) 回弹比λ

不同回弹比λ时，在水泥混凝土板上加铺沥青层，测试其拉拔强度结果如图2所示。

图2 不同回弹比试件的拉拔强度

由图2可知：拉拔强度和λ存在较为明显的线性增长关系，拉拔强度随λ的不断增长而增长，但存在明显的转折点，当λ≥75%时，拉拔强度的增长速率明显下降，不再明显增长。当λ<75%时，拉拔强度随λ的增加而显著增长。这主要是当λ<75%时，由于水泥混凝土表面未完全水化形成一定的致密结构即开始加铺上部沥青层，混凝土表面微小空隙较多，此时加铺会造成空隙扩大形成较多微小的裂缝，从而引起拉拔强度较低；
当λ≥75%时，混凝土表面已形成致密结构，在上部铺筑沥青层，对其表面的影响较小，从而对拉拔强度的影响较小。

(2) 硬度值f

不同硬度值时，试块的拉拔强度结果如图3所示。

图3 不同硬度值试块的拉拔强度

由图3可知：当f≤4时，拉拔强度和f为线性增长关系，随莫氏硬度增加，拉拔强度逐渐增加；
当f=5时，此时拉拔强度相比莫氏硬度f=4时还略有下降，但没有显著的数据差异，因此可以认为f≥4时，拉拔强度不再明显增长。

3.2 45°剪切强度与评价指标的相关性分析

(1) 回弹比λ

不同回弹比试块的45°剪切强度结果如图4所示。

图4 不同回弹比试块的45°剪切强度

由图4可知：45°剪切强度和λ存在3阶段增长关系：当λ≤60%时，45°剪切强度随λ增加而略有增长；
当60%<λ≤80%时，45°剪切强度随λ增加而显著增长；
当λ>80%时，45°剪切强度随λ增加不再显著增长。

(2) 硬度值f

不同硬度值试块的45°剪切强度结果如图5所示。

图5 不同硬度值试块的45°剪切强度

由图5可知：当f≤4时，随着f的增加，45°剪切强度显著增长，当f=5时，其45°剪切强度和f=4时的45°剪切强度没有较大差异。

综上所述，当λ≥75%或f≥4时，经过室内试验研究，桥面整体化层与上部沥青层层间黏结强度满足规范要求，混凝土梁桥沥青铺筑结构可以开始铺筑上部沥青层。

依托广州市某高速公路，通过上文建立的铺筑时机评价指标，指导了上部沥青层铺筑，铺筑完成后，在测试回弹值和莫氏硬度指标区域内进行现场拉拔试验，以验证该方法的合理性。

对桥面整体化层进行回弹值和莫氏硬度测试，结果如图6所示。

图6 桥面整体化层回弹及莫氏硬度测试值

由图6可知：上述测试区域的测试点基本都满足λ≥75%或f≥4的要求，且桥面测试段λ和f具有很好的关联性，因此现场实际操作时可以选择其中一个方法作为评价指标，满足后即可进行沥青铺装层铺筑。桥面整体化层上部沥青铺装层铺筑完成后，在测试回弹值和莫氏硬度区域进行现场拉拔试验，结果如图7所示。

图7 现场拉拔试验测试结果

由图7可知：现场拉拔强度≥0.3 MPa，符合《广东省高等级公路沥青路面施工技术指南》(试用)的规定，该段路在经过5个月通行后，路面未发现早期损坏。

(1) 回弹和莫氏硬度试验结果表明，随着混凝土龄期的增加，表面回弹值和硬度值先快速增长后逐渐稳定，在此基础上，提出了回弹比λ和硬度值f指标，用于评价沥青铺装层铺筑时机。

(2) 建立了评价指标与层间黏结强度的关系，当λ<75%或f<4时，拉拔强度和45°剪切强度随λ和f的增加而增长；
当λ≥75%或f≥4时，随λ和f的增加，拉拔强度和45°剪切强度不再有明显变化。

(3) 室内试验和某高速公路实体工程验证表明，当λ≥75%或f≥4时，桥面整体化层与沥青铺装层层间黏结强度满足要求，提出的评价指标合理。