SBS改性沥青及SMA的桥面铺装技术

SBS改性沥青及SMA的桥面铺装技术徐世法张新天龙佩恒王锐英北京建筑工程学院土木工程系贺军珠海国际赛车场工程部摘要：本文分析了桥面铺装损坏的类型及成因，评价了SBS改性沥青及SMA的路用性能，建议了桥面铺装层结构厚度设计与材料组成，推荐了粘层与防水层材料和工艺，并对桥面排水系统进行了讨论。关键词：桥面铺装；SBS改性沥青；SMA；粘层与防水层；排水系统0引言随着高等道路在我国大规模兴建，桥梁建设技术取得了突飞猛进的发展，造型优美而结构新颖的大中型桥梁在我国各地不断涌现。沥青混合料柔性桥面铺装因其具有水泥混凝土桥面所无法比拟的优点而在桥梁工程中得到了广泛应用。如果说桥梁结构是桥梁的“形体”，那么桥面铺装可谓是桥梁的“脸面”了。然而，现实情况是桥梁技术发展的不平衡导致了桥梁建设中的“重形体，轻脸面”的局面，至今尚无专门的而且行之有效的桥面铺装设计与施工规范。由于交通量及轴载的增大以及气候因素的影响，沥青路面桥面铺装层普遍出现了严重的早期病害，严重影响了桥梁的服务品质，造成了巨大经济损失。对于一些重点工程或有重大影响的桥梁，其桥面早期损坏甚至影响了业主乃至政府的形象。因而，桥面铺装问题近年来在我国受到了各方面的普遍重视。本文在分析桥面铺装的受力特点及损坏成因的基础上，提出了桥面铺装层材料与设计系统。1沥青混凝土桥面铺装层损坏类型常见的损坏类型有如下几种：变形类即车辙、推挤、拥包、波浪和沉陷。开裂类即横缝、纵缝、网裂、推移裂缝。松散类即坑槽、松散和剥落。以上前三类损坏在沥青路面上也常有发生，但是其程度却要轻得多，其原因在于材料在路面中和桥面上的受力特点区别较大。2受力特点及损坏成因分析2.1不论是钢桥还是水泥混凝土桥，沥青混合料铺装层同桥梁结构在材料性能上差异较大，即一柔一刚，因此会导致在外力作用下应力与变形的不连续。在刚度大得多的桥梁结构上，柔性铺装层必须具有足够的强度和稳定性，尤其是抗剪强度更为关键。此外，桥梁挠度大，震动剧烈，温度应力显著，有时还存在负弯矩，这些外力条件都比材料在路面中所经受的要严苛。这就要求铺面材料必须更柔韧耐久。2.2桥面铺装层同路面结构层在受力特征方面有明显的差异，因而对材料及结构设计有更高的要求。而习惯上通常把铺装层当作普通路面结构来设计与施工，并没有根据其受力特点进行专门的设计与处理，造成设计不合理，从而诱发各种早期损坏。2.3在桥梁结构与柔性铺面层之间的粘结层，对桥面铺装层起着至关重要的作用。这一层次应该能起到承上启下的过渡功能，同时还可兼作防水层。研究表明，许多的损坏是由这一层诱发的，其原因是习惯上用普通沥青作为粘层油，用油量控制不好且容易偏高，其软化点一般都偏低，高温极易软化而变成润滑层，导致面层推挤、拥包、波浪和车辙的产生，还可导致桥面撕裂、脱皮等损坏。因此粘结层必须具备足够的粘韧性和合理的用量，而普通沥青往往难以满足这一要求。2.4桥面结构因形同‘空中楼阁’而完全暴露于空气中，直接受气候条件的影响，因而同路面中材料相比，铺装层材料夏季温度更高，冬季温度更低，即相同的气候条件对铺面材料的影响更为苛刻。所以，这就对材料的温度敏感性提出了更高的要求，即高温不软化，低温不脆硬，而这一相互矛盾的要求，普通沥青往往难当此任。2.5水是沥青铺装层损坏的主要诱因之一，由于沥青的粘附性差，空隙率过大或铺装层开裂导致水分渗入而产生损坏，如松散，坑槽等，使铺装层失去强度和防水能力。如果桥梁及铺装层排水系统设计不当，渗入的水分无法及时排出，整个铺装层就象置于一个大型水浴之中，加剧了铺装层的损坏。如果防水层被破坏，渗水将直接腐蚀桥体，从而危及桥梁的安全。因此完善的桥面铺装系统及防水铺装层是确保铺面服务性能的关键措施。2.6车辆超载现象比较突出，有的车辆轴载高达20-30吨，而路面设计标准轴载为10吨，力学分析和实际情况都证明超重车是铺面材料的“杀手”，它比对沥青路面材料的破坏更大，这是由于铺装结构层的受力特点所决定的。因此一般来说，一方面应严格限制大型超重车上桥，另一方面要提高铺装层材料等级与设计标准。综上所述，桥面铺装层材料的受力条件比普通路面材料严苛得多，因而对材料有更高的要求。造成桥面早期破坏的原因是多方面的、综合的，涉及到设计、施工、材料、气候及交通条件的诸多方面。针对桥面铺装层的特点，除了应建立专门的有别于普通路面结构的设计与施工规程外，尤其要注意铺面材料、粘结层及防水层材料的选择与设计，所用的材料必须同时具有很高的高温抗变形能力，低温抗开裂能力，又要抗疲劳、抗老化、抗水损坏，并保持与桥面很好的粘结性及变形适应性。上述苛刻要求，普通沥青及普通沥青混合料是很难胜任的。然而，令人鼓舞的是近期的研究表明，SBS改性沥青及SMA沥青玛蹄脂碎石因其工程性能全方位的改善而显示出了在桥面铺装方面很好的应用前景。3性能优越的SBS改性沥青材料及SMA3.1SBS改性沥青的性能影响改性沥青性能的主要因素有改性剂、基质沥青及改性工艺。这些因素互相联系，互相制约，只有通过合理的组合才能达到最佳改性效果，而改性剂与基质沥青的配伍性被认为是影响改性效果的关镀所在。根据目前改性沥青的研究与应用情况，常用的改性沥青可分为两类，即合成橡胶类(如SBS)和塑性体类(如EVA、PE)，其改性效果对比见下表。表1改性沥青路用性能对比改性剂温度开裂温度疲劳荷载疲劳磨耗老化车辙SBS++++++EVA--++0+PE----0+注：“+”抗力增加，“0”无影响，“-”抗力减弱。可见SBS改性沥青全方位地改善沥青的路用性能，即高温、常温、低温、水稳定性和抗老化性能。其突出的弹性与韧性使得这种材料尤其适宜于桥面铺装层。改性沥青在我国研究与应用的历史虽然不长，但SBS改性沥青被普遍认为最适于中国道路的交通与气候条件。SBS改性沥青的优良性能归功于SBS在沥青介质中所发生的一系列物理变化。当几个苯乙烯(S)分子靠范德华力吸引在一起时，便形成聚苯乙烯“节点”，“节点”之间由类似弹簧的聚丁二烯(B)“链”联接而形成三维网状结构。这种刚性“节点”与柔性“链”使得改性沥青具有了刚柔并济的特性。在沥青加入SBS改性剂，最突出的特点是沥青的粘度增加。因此，为了达到同普通沥青相同的操作和易性，须将相应的操作温度较普通沥青提高20℃左右，即泵送温度高于130℃，拌和温度165-185℃，摊铺与压实温度尽可能高些，并切忌将改性沥青加热到190℃以上，以防止SBS焦化而影响改性沥青的品质。试验表明，当SBS含量为4%以上时，改性沥青的抗车辙能力提高10倍以上，抗疲劳寿命延长3-5倍，抗开裂、老化、水损害及愈合能力也都有明显改善，详见有关资料。3.2SMA及其性能SMA即沥青玛蹄脂碎石，是一种间断级配的沥青混合料，其组成上有以下特点，即粗集料(5mm以上)比例高达70-80%，矿粉用量达8-13%，沥青用量高达6.5-7.0%，纤维稳定剂为0.3-0.4%。这种沥青混合料由粗集料形成骨架，具有很突出的抗车辙能力和抗滑性能，降噪及防雾溅能力也比沥青混凝土大为改善，而由沥青、矿粉、细集料及纤维形成的沥青玛蹄脂填充在粗骨料之间，从而克服了透水沥青混合料的严重缺陷。因此，这种沥青混合料兼顾了各方面性能。大空隙率透水抗滑表层虽然具有明显的抗滑、排水及降噪音效果，但是耐久性差且养护工作量大，因此，在我国目前的环境条件下不便于大规模推广。同较常用的沥青混凝土相比，在高温、低温、水稳和疲劳等方面，SMA的性能表现出其它沥青混合料无可比拟的路用性能。表3为SMA与沥青混凝土高温性能的对比，其差异是非常明显的。·同普通沥青混凝土(AC)相比，采用SBS改性沥青或SMA都将明显提高沥青混合料的动态稳定度即抗高温变形能力。用改性沥青取代普通沥青，动态稳定度可提高1.76倍，而用SMA取代AC，动态稳定度可提高0.74倍，采用改性沥青比采用SMA能更有效地提高沥青混合料的高温稳定性。而如果既选用SMA又同时使用改性沥青，则动态稳定度增加3.46倍，这是相当可观的改善。．SMA-13与SMA-16或AC-13与AC-16之间在动态稳定度方面并无明显差异，说明级配类型相同而最大粒径不同(13mm与16mm)的材料在高温稳定性方面的表现是类似的。·马歇尔稳定度与流值同表征抗车辙能力的动态稳定度之间相关性很差，进一步说明这两个指标是不能用来反映沥青混合料高温稳定性的。·同一种级配最佳沥青用量随沥青的类型而变，采用改性沥青要比普通沥青用量增加(0.2-0.4个百分点)。4桥面铺装层设计要点根据前述桥面铺装层损坏成因分析，要确保铺装层的使用质量和寿命，必须做到：·选用具有优良性能的沥青及沥青混合料·采用合理的铺装层结构设计方法和标准·选择优质粘结层和防水层·设计完善的排水系统·严格控制施工质量4.1优质铺装层材料SBS改性沥青被证明能全方位地改善沥青的路用性能，而SMA沥青玛蹄脂碎石则能较全面地兼顾各种沥青混合料的优点，因此改性沥青SMA是最值得推荐的桥面铺装材料。对于路用改性沥青及混合料的技术要求，交通部已颁布有关标准，但对于桥面铺装材料尚无专门的标准，建议可参照执行。鉴于铺装层的气候条件更为严苛，所以，必须提高气候区等级加以弥补。有关技术要求见下表：对于沥青混合料的水稳定性则要求残留马歇尔稳定度及冻融劈强度比不低于80%，测试方法见相应规程。需要特别强调的是由于混合料中矿料占90%左右，因此起框架作用的矿料的质量是至关重要的，那种只注重沥青质量而忽略矿料品质的作法，必须予以纠正。4.2桥面铺装层结构与厚度设计桥面铺装层材料的受力特性与道路路面中材料的受力差异很大，利用现有的路面结构厚度设计方法来确定桥面铺装层的厚度显然是不合理的。国内外的研究人员根据铺装层的受力提出了一系列的力学模型，试图通过力学分析来确定铺装层的结构与厚度设计，但成熟的设计方法尚不多见。有关的计算表明，铺装层厚度范围通常为6-12cm。根据国内外桥面铺装成功实例的调查统计发现，桥面铺装通常分为两层，下面层3-8cm，上面层为3-5cm。根据我国的气候与交通条件及相邻道路的路面结构设计，建议选用如下铺装层结构与厚度：上面层类型：SMA-16，SMA-13，AC-16Ⅰ，AC-13Ⅱ厚型：3cm，4cm，5cm。下面层类型：SMA-16，AC-16Ⅰ，AC-16Ⅱ厚度：4cm，5cm，6cm。4.3粘结层与防水层SBS改性沥青具有很高的粘韧性及防水效果，因此，在桥面上喷洒SBS改性沥青膜可以既作粘结层又作防水层。室内模拟抗剪试验表明，当改性沥青喷洒量低于0.6kg／m2时，难以形成粘结层而表现为抗剪强度随喷洒量的增加而提高较慢；当喷洒量为0.6-1.6kg／m2范围内时，抗剪强度随沥青用量的增大而显著提高，说明此时已形成厚度合理的粘膜；喷洒量如再提高，则抗剪强度增加缓慢甚至降低，说明沥青膜过厚，起润滑层作用。以上试验中抗剪强度随改性沥青喷洒量而变化的“三部曲”规律，对于工程实际有十分珍贵的参考价值。结合桥梁结构形式、交通与气候条件、铺装层的设计以及国内外成功的工程实例，建议粘层防水层改性沥青的用量为1.0-1.6kg／m2，SBS含量为5-6%。60℃粘度应高于400Pa.s，弹性恢复高于80%。为有利于同桥面板的粘结，在喷洒粘层防水层之前必须对桥面板进行彻底清扫，清除松动的材料，并均匀喷洒少量乳化沥青或稀释沥青，严格控制用量不大于0.3kg／m2。由于改性沥青粘度很高，所以必须高温喷洒，建议喷洒温度180-185℃。在喷洒完的表面，建议铺撤一层瓜米石(0.5-0.8cm粒径)以保护其防水功能不被铺装层石料或施工机械损坏。4.4排水设计桥面排水是一系统工程，排水系统不仅要纵向或横向及时排走铺装层表面的水，更要设置密水铺装层和防水层防止水份进入铺装层和桥梁结构，同时还要特别注意排走进入铺装层内的水，只有这样层层设防，才能确保桥梁结构免受水害，延长其使用寿命。而大量调查发现，渗入铺装层内的水无法排走是加剧桥面及桥梁结构水损害的主要原因。因此，在进行桥面铺装设计时，必须在横向或纵向设置铺装层内部排水设施。5结语SMA5.1桥面铺装层的受