一种适用于混凝土桥的耐久性桥面铺装结构及其施工方法

1.本发明属于涉及道路桥面铺装工程领域，涉及一种适用于混凝土桥的耐久性桥面铺装结构及其施工方法。


背景技术：

2.20世纪80年代以来，国内桥梁基础设施建设里程突飞猛进，其中中小跨径水泥混凝土桥仍居主流位置，但是由于设计时对铺装结构的功能和耐久性要求缺乏认识，加上交通轴载和交通量的快速增大，许多桥梁局部甚至整体结构发生了严重损坏，后期维修费用远大于修建费用，对经济和社会发展造成不利影响。
3.现在我国桥面铺装结构体系由“双层沥青铺装层 防水粘结层 混凝土桥面板”，三者刚度差异较大，柔性防水粘结层的存在使铺装下层混凝土承受较大的弯拉应力，使层间更容易发生剪切滑移，因此为了平衡层间的模量过渡，可以考虑将防水粘结层设置为“环氧树脂 碎石”的复合防水粘结层，环氧树脂提供了足够的粘结力，而碎石提高了层间摩擦，并且提高了防水粘结层的模量，更好地起到了应力扩散的作用。
4.另一方面，从桥面铺装混合料的角度考虑，由于桥面铺装完全暴露在室外，直接受光照、风力、流水等环境因素的影响，传统的铺装沥青混合料难以满足现有需求。参考永久性路面设计理念，可以根据层位的受力特点和实际使用需求，可将铺装层分为主要起抗滑，抗车辙抗磨耗作用的耐磨耗层和起到抗疲劳、抗车辙作用的永久结构层。现有提高混合料耐久性的主要措施可以分为：1)利用沥青改性技术，如sbs改性沥青，高胶沥青，环氧树脂沥青等；2)改变混合料组成结构，采用开机配骨架型沥青混凝土，如sup、sma、sac等；3)改善集料和沥青的黏附性。


技术实现要素：

5.针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种适用于混凝土桥的耐久性桥面铺装结构及其施工方法，运用沥青多重复合改性技术，采用优化的矿料骨架结构，通过提升沥青黏附性的同时提高沥青的高低温性能，从而提高沥青混合料的耐久性，用来解决混凝土桥面铺装早期病害问题及提高其使用寿命，所提供的铺装结构具有抗开裂能力强，防水性好，使用寿命长，成本低，环保的优点。
6.为解决现有技术问题，本发明采取的技术方案为：
7.一种适用于混凝土桥的耐久性铺装结构，在混凝土现浇层的上表面从下到上依次为高摩阻抗滑强粘防水层，永久结构层，强粘结层，抗车辙防裂耐磨耗层。
8.作为改进的是，所述高摩阻抗滑强粘防水层由环氧树脂粘结剂和4.75mm的单粒径碎石，采取同步喷洒方式形成的，其中，环氧树脂涂布量为1kg/m2，碎石覆盖率为55％。
9.进一步改进的是，所述环氧树脂粘结剂为双酚f型环氧树脂粘结剂。
10.作为改进的是，永久结构层材料为橡胶改性沥青混凝土，厚度为5.5-6.5cm，采用间断级配，碎石公称最大粒径为19mm，油石比5％-5.5％，孔隙率4％，各档集料之间的质量
配比为：16-19mm：9.5-13.2mm：1.18-4.75mm：0.075-0.6mm＝12-23：17-18：33-38：10-13，大粒径碎石形成良好的骨架结构，提高了混合料的抗车辙性能和抗剪切性能，添加的橡胶改性沥青提高了混合料的致密性，提升了结构的耐久性。
11.作为改进的是，强粘结层由橡胶改性沥青和纤维混合形成的，其中橡胶改性沥青的洒布量1.8
±
0.1kg/m2，纤维100g/m2，所述纤维为长度4～6m玻璃纤维。
12.作为改进的是，橡胶改性沥青的制备方法如下：首先将4.36-8.34重量份的胶粉颗粒和2.48-4.15重量份的星型sbs热塑性弹性体混合，以4000rpm的速度搅拌均匀，再加入4.78-9.47重量份润滑剂和0.25-1.14重量份的多壁碳纳米管，在4000rpm搅拌4-6分钟后，得到复合改性剂，将80-90重量份70#石油沥青加热至175-185℃后，再与复合改性剂混合，并在剪切机研磨30-40min，直至无肉眼可见明显颗粒，最后加入1.0-3.0重量份的交联剂和1.0-3.0重量份的硫化助剂搅拌，得到橡胶改性沥青。
13.进一步改进的是，所述润滑剂为硬脂酸酰胺所述交联剂为叔丁基过氧-2-乙基己酸酯，硫化助剂为氯化亚锡，且交联剂与硫化助剂的重量比为1：1。
14.上述橡胶改性沥青采用多壁碳纳米管能够提升sbs在沥青中的相容性，使其在沥青中更好地分散与溶胀，同时也限制了分子链自由摆动，降低沥青内部损耗因子，提升沥青的抗变形能力；润滑剂为硬脂酸酰胺，其主要功能为减小分子内部摩擦，使多壁碳纳米管均匀分散在橡胶分子链上；
15.作为改进的是，抗车辙防裂耐磨耗层材料为橡胶改性沥青混凝土，采用间断级配，公称最大粒径为13.2mm，油石比4.5％-5％,孔隙率为3％～4％，厚度为3.5～4.5cm，各档集料按照9.5-13.2mm、2.36-4.75mm、0.06-1.18mm、0.075-0.3mm质量配比为39-48:42-43:8-9:4-5。
16.作为改进的是，所述铺装结构的总厚度为11～12cm。
17.上述适用于混凝土桥的耐久性铺装结构的铺装实施方法，具体由以下步骤:
18.s1、对将要施工的混凝土桥面板进行粗糙化处理，采用专业铣刨机，铣刨深度控制在3-5mm，铣刨速度控制在5-8m/min，每小时完成铣刨500m2；
19.s2、混凝土桥面进行喷砂处理，采用带吸尘装置的移动式自动无尘打砂机，喷砂工作宽度为0.8m，现场行走速度为7m/min，每小时完成喷砂面积约300m2，多台喷砂机作业采用并行直线连续打砂方式；
20.s3、高摩阻抗滑强粘防水层施工：将环氧树脂粘结剂均匀喷涂于桥面板上，喷涂量为1.0kg/m2，同时采用同步碎石喷涂机，将4.75mm碎石均匀喷涂于混凝土桥面板上，碎石覆盖率为55％，完成后在常温条件下固化3h；
21.s4、永久结构层的施工：沥青混合料的现场摊铺温度不低于170℃，采用带平衡梁的全自动摊铺机摊铺，摊铺的松铺系数为1.1-1.3，摊铺速度宜控制在1-3m/min，碾压时按阶梯形路线进行作业，采用“钢轮压路机-胶轮压路机-钢轮振动压路机-钢轮压路机”的组合方式进行沥青混合料的初压、复压、终压、成型；
22.s5、层间强粘结层施工:采用专用洒布车，洒布起点和终点各安排专人进行接头处理，对于喷洒不均匀的局部，应安排人员及时均匀补洒，沥青和纤维应按相应比例均匀撒布，撒布完成后参照步骤s4，进行上层抗车辙防裂耐磨耗层施工。
23.有益效果：
24.第一.本方案所采用的铺装层沥青为橡胶改性沥青为橡胶、sbs、多壁碳纳米管三者复合改性沥青，充分发挥了三者的优点，不仅橡胶的加入提供了良好的低温抗裂性能，而由于多壁碳纳米管和sbs的存在，又限制了分子链的自由摆动，降低了沥青内部的动态摩擦，提高了沥青的对集料的黏附固定作用，从而减小了在车辆行驶过程中铺装层内部产生的动态滑移，减小了荷载作用下的永久变形。
25.第二.高摩阻抗滑强粘防水层中的树脂提供了足够的黏附性能和抗剪性能，加入的碎石进一步提高了层间滑动阻力，同时提高了防水粘结层整体模量，优化了结构模量的过渡，改善了结构的应力分布情况，减小了发生应力集中破坏的可能。
26.第三.本结构铺装层混合料均采用间断级配，由较多的粗集料形成骨架结构，由矿粉和沥青填充其空隙，所形成的结构具有良好的耐磨性，抗车辙性和防水性，大大延长了铺装层的使用寿命。
附图说明
27.图1为一种耐久性桥面铺装结构，其中，1.高摩阻抗滑强粘防水层，2.永久结构层，3.强粘结层，4.抗车辙防裂耐磨耗层。
具体实施方式
28.为了使专业技术人员更全面理解本发明，下面结合附图和对比案例，对本发明的优势做进一步说明。
29.实施例1
30.如图1，一种适用于混凝土桥的耐久性铺装结构，在混凝土现浇层的上表面从下到上依次为0.5-1.0cm的高摩阻抗滑强粘防水层1，6cm的永久结构层2(铺装下层)、0.3-0.5mm的强粘结层3、4cm的抗车辙防裂耐磨耗层4(铺装上层)，各层结构材料与厚度见表1所示。
31.表1实例1混凝土桥面铺装结构
[0032][0033]
在本实施例中，所述高摩阻抗滑强粘防水层由环氧树脂粘结剂和4.75mm的单粒径碎石，采取同步喷洒方式成型。其中，环氧树脂粘结剂涂布量为1kg/m2，碎石覆盖率为55％，
[0034]
该方案中所采用的环氧树脂为台湾南亚生产的双酚f型环氧树脂npef-170。
[0035]
橡胶改性沥青的制备方法如下：首先将6.2重量份的胶粉颗粒和3.1重量份的星型sbs热塑性弹性体混合，以4000rpm的速度搅拌均匀，再加入7.40重量份润滑剂和0.48重量份的多壁碳纳米管，在4000rpm搅拌5分钟后，得到复合改性剂，将80重量份70#石油沥青加热至180℃后，再与复合改性剂混合，并在剪切机研磨30min，至无肉眼可见明显颗粒，最后加入2.0重量份的交联剂和2.0重量份的硫化助剂搅拌，得到橡胶改性沥青，其中，所述润滑剂为硬脂酸酰胺所述交联剂为叔丁基过氧-2-乙基己酸酯，硫化助剂为氯化亚锡，且交联剂与硫化助剂的重量比为1：1。
[0036]
将其常规性能与sbs/橡胶双重改性沥青的对比如表2。
[0037]
表2沥青性能对比
[0038][0039]
由上表可知，本实施例添加的多壁碳纳米管提升了沥青的软化点，同时降低了沥青的针入度，说明本实例中多壁碳纳米管、sbs、橡胶三重复合改性的橡胶改性沥青具有优异的高温性能，同时该沥青的模量更高，抗变形能力更强。
[0040]
铺装下层永久结构层土油石比为5.1％，厚度为6cm。矿料合成级配通过率如表3所示。
[0041]
表3永久结构层料矿料级配通过率
[0042][0043]
铺装上下层间设置层间强粘结层，橡胶改性沥青用量控制在1.8
±
0.1kg/m2，纤维
采用玻璃纤维，长度4～6cm，撒布量为100g/m2。
[0044]
铺装上层抗车辙防裂耐磨耗层油石比为4.9％，厚度为4cm。矿料合成级配通过率如表4所示。
[0045]
表4抗车辙防裂耐磨耗层矿料级配通过率
[0046][0047]
对比例1
[0048]
一种基于sbs/橡胶双重改性沥青的混凝土桥面铺装结构，所用sbs/橡胶双重改性沥青购买于江苏中宏环保科技有限公司，除所铺装上、下层采用沥青不同，其余结构及材料组成均与实施例1相同。
[0049]
本对比例的目的在于说明橡胶改性沥青提高混合料路用性能，改善层间粘结方面的有益效果。
[0050]
对比例2
[0051]
一种基于连续级配的混凝土桥面铺装结构，与实施例1不同的是，上下面层级配采用ac-13和ac-20，其余结构及材料组成均与实施例1相同。具体铺装结构层自上而下如表3所示。ac-13、ac-20矿料级配通过率如表5、表6所示。
[0052]
表5 ac-13料矿料级配通过率
[0053][0054]
表6 ac-20料矿料级配通过率
[0055][0056]
本对比例的目的在于说明实施例1中采用的间断级配具有良好抗车辙，抗开裂效果。
[0057]
由于对比例1和实施例1相比，区别在于混合料的沥青胶结料不同；对比例2和实施例1相比，区别在于混合料的矿料级配不同，因此，为了突出实施例1的优势，将对比例1、对比例2和实施例1采用的桥面铺装上下层混合料的路用性能检测结果进行汇总，如表7所示。
[0058]
其中，表7中测定的性能数据测试方法参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(jtg e20-2011)。
[0059]
表7对比例1、对比例2、实施例1铺装结构上下层混合料性能结果
[0060][0061]
由上表试验结果可知，实施例1中铺装层在高温性能，低温性能及抗疲劳性能均优于对比例1和对比例2。其中，实施例1的动稳定度更是远远大于其他对比例，说明采用间断级配和橡胶改性沥青的铺装层，拥有优秀的抗变形能力，并且由实施例1中低温弯曲应变及疲劳寿命结果可知，该铺装结构在应对低温开裂和疲劳开裂方面，也拥有显著的优势。
[0062]
对比例3
[0063]
一种基于pcr改性乳化沥青黏层的混凝土桥面铺装结构，本例与实施例1不同的
是，本对比例防水粘结层采用pcr改性乳化沥青黏层，其余结构及材料组成均与实施例1相同。pcr改性乳化沥青购于茂名石化。
[0064]
本对比例的目的在于说明实施例1中高摩阻抗滑强粘防水层具有有优秀的层间粘结性能。
[0065]
将对比例3和实施例1采用的防水粘结层的拉拔和剪切试验结果进行汇总，测试方法参照《城市桥梁桥面防水工程技术规程》(cjj 139-2010),结果如表8所示。
[0066]
表8对比例3、实施例1防水粘结层试验结果
[0067]
试验名称对比例3实例1拉拔试验(20℃，kn)0.410.68斜剪试验(20℃，kn)0.711.24
[0068]
由结果可见，相较于pcr改性乳化沥青粘结层，实施例1所采用的高摩阻抗滑强粘防水层表现出了极高的粘结强度和剪切强度，能与混凝土层更紧密地粘结在一起，且由于高摩阻抗滑强粘防水层中的碎石提供了较高的模量，使得层间的模量过渡更平缓，不容易发生应力集中，长期的损伤积累相对传统防水粘结层小得多，使得该结构具有良好的使用寿命。