寒区沥青混凝土桥面铺装研究报告.docx
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寒区沥青混凝土桥面铺装研究报告
部省联合科技支撑黑龙江省公路建设行动计划项目
交通编号：
合同号：
H1006单位编号：
密级：
公开分类号：
U443.33
寒区沥青混凝土桥面铺装技术
研究报告
黑龙江省交通科学研究所
2017年08月
中文题名
寒区沥青混凝土桥面铺装技术
英文题名
Coldasphaltconcretedeckpavingtechnology
交通编号
项目来源
黑龙江省交通运输厅
单位编号
合同号
H1006
分类号
U443.33
项目起止年限
2015.04～2017.12
第一完成单位
黑龙江省交通科学研究
密级
公开
项目负责人
项目主要
参加人
主题词
寒区、沥青混凝土、桥面铺装技术
报告摘要：
项目所推广的桥面铺装技术针对黑龙江交通与环境特点，在正确分析桥面铺装病害产生原因的基础上，提出几种公路桥梁桥面铺装的合理结构形式和简便实用的设计方法，并给出适宜于我省自然条件的桥面铺装材料及相应的施工技术。
该技术的推广将切实解决我省公路桥梁建设的关键问题，并降低公路建设的寿命周期成本，为我省公路建设的科学发展提供技术支持。
本项目技术重点在于：
在我省季冻气候条件下，合理设计桥面系防水黏结层材料及工艺方法，不同跨径的桥梁采用不同的防黏设计方案，从经济和技术角度全面提升黑龙江省公路桥面铺装的使用品质。
英文摘要：
ProjectpromotionofdeckpavementtechnologyinHeilongjiangtrafficandenvironmentalcharacteristics,inthecorrectanalysisofthedefectsofbridgedeckpavementhasinthereasonfoundation,proposedseveralkindsofdeckpavementofhighwaybridgestructureformandsimpleandpracticaldesignmethodsuitableforourprovince,andgiventhenaturalconditionsofthebridgedeckpavementmaterialandthecorrespondingconstructiontechnology.Thepromotionofthetechnologywillsolveourprovincehighwaybridgeconstructionisthekeyprobleminhighwayconstruction,andreducethelifecyclecost,asthehighwayconstructionofourprovincescientificdevelopmenttoprovidetechnicalsupport.
Theprojectfocuseson:
inmyprovinceseasonalclimateconditions,therationaldesignofbridgedeckwaterproofadhesivelayermaterialandtechnologymethod,differentoflong-spanbridgesusingdifferentstickingpreventiondesign,fromtheeconomicandtechnicalpointofviewtoenhancetheHeilongjiangprovincehighwaybridgedeckpavementusingquality.
1.项目的背景、必要性及目的1
1.1项目背景1
1.2项目推广的必要性和目的2
2.项目的主要研究内容4
3.依托工程同集高速工程概况5
4.桥面铺装层结构设计7
4.1铺装层防水粘层的设计原则与个性化设计7
4.1.1桥面防水粘层材料的选择7
4.1.2桥面铺装防水层个性化设计11
4.1.3防水层设计方案的比选原则12
4.1.4桥面防水层的技术要点13
4.1.4.1桥面防水层材料洒布量的标定13
4.1.4.2桥面防水层基面的处理15
4.1.4.3桥面防水层施工要求15
4.2桥面铺装下面层生产配合比设计及性能验证15
4.2.1工程现场的粗集料性能验证15
4.2.2铺装层下面层生产配合比设计15
4.2.2.1生产配合比级配调试16
4.2.2.2铺装层下面层性能验证19
4.2.2.3铺装层下面层设计结论23
4.3桥面铺装上面层生产配合比设计及性能验证23
4.3.1桥面铺装层上面层的生产配合比设计23
4.3.1.1生产配合比级配调试24
4.3.2最佳油石比的确定26
4.3.3性能验证28
4.3.4铺装层上面层设计结论31
4.4桥面铺装聚酯纤维层的施工控制要点31
4.4.1聚酯纤维拌合的技术要点31
4.4.2聚酯纤维层的摊铺与碾压32
5.寒区改性沥青聚酯纤维混凝土桥面铺装工艺方法33
5.1施工准备33
5.2基层的处理33
5.3桥面防水层的施工34
5.4桥面铺装层材料的拌合35
5.5桥面聚酯纤维层的摊铺35
5.6铺装层的压实及成型36
5.7开放交通及其他38
6.寒区改性沥青聚酯纤维混凝土桥面铺装的工后效果观测39
6.1桥面渗水系数检验39
6.2桥面构造深度测试40
6.3平整度测试40
6.4三米直尺测桥面车辙深度40
6.5现场试验报告41
7.结论42
附录43
1.项目的背景、必要性及目的
1.1项目背景
桥面铺装是桥梁的重要组成部分，是桥梁体现其使用功能的唯一通道。
铺装层建设质量的好坏不仅直接影响到行车的安全性、舒适性和路桥结构的耐久性，也影响着其价值投资的经济效益和社会效益。
长期以来，对于水泥混凝土桥面的沥青铺装层，人们只是把铺装层当作普通路面结构来设计和施工，但是普遍出现的一些铺装层过早损坏，引起了各界的高度关注。
据调查，桥面铺装破坏的主要原因包括：
①水泥混凝土桥面板或调平层施工质量差，致使沥青层与水泥混凝土铺装层黏结不良；②水泥混凝土桥面板平整度差，未设调平层，致使沥青面层厚薄不均，压实度不一致，铺装层薄处的混合料产生严重离析；③水泥混凝土桥面板或调平层顶面，尚未完全干燥时铺筑防水粘结层和沥青混合料，水分遇热可以变成水汽，使防水粘结层产生鼓包、脱皮等现象；④寒冷地区冬季撒盐除雪与重复冻融的作用等，对桥面板（梁）及混凝土铺装层造成部分腐蚀。
因此对桥面板和铺装层必须进行相应设计才能保证铺装层的质量。
我省地处寒冷地区，铺装层的早期损坏表现的尤为突出，因此我省围绕寒冷地区的气候特点，对桥面系的相关技术进行了较深入的专项研究并取得了一些突破性成果，具体包括：
Ⅰ）首先明确了寒区桥面铺装应具有如下的技术性能：
（1）桥面铺装必须满足基本的抗车辙、抗裂、抗滑性能优良、平整等基本使用性能要求。
（2）桥面铺装必须具有良好的防水性，防止水渗入到桥面板，引起结合界面的破坏及对桥梁结构造成腐蚀。
（3）桥面粘结层具有良好的的层间粘结力、抗渗性能、高温稳定性，低温抗裂性和抗腐蚀的能力等。
（4）桥面铺装沥青混凝土本身必须具有良好的抗冻融水损害能力，以确保铺装具有良好耐久性。
Ⅱ）通过研究，确定了适合于高寒区公路环境和工程特点的4大类不同结构形式公路梁桥的18种桥面铺装的合理结构形式；
Ⅲ）提出了高性能桥面铺装材料的设计理念和设计方法。
以上的研究成果，在使用中取得了显著成效，铺装层的早期病害得到了有效控制，但由于桥梁结构本身存在着个性化和地域化的差异，因此在推广应用过程中应遵循具体问题具体分析的原则，根据工程的具体特点进行个性化设计。
本项目拟推广应用的就是上述研究成果的部分内容，应用的依托工程是同江—集贤高速公路。
1.2项目推广的必要性和目的
目前，正值我省公路交通“三年决战”时期，大规模的基础设施尤其是大跨径桥梁建设蓬勃发展，我们面临着时间紧、任务重、技术难度大、优质的筑路材料短缺等一系列问题，如何在我省现有的建设环境下，保证公路和桥梁结构的使用寿命和耐久性是最为重要和关键的问题，也是迫切需要解决的问题。
由于时间紧迫，再开展大量的试验研究对现实工程指导意义不大。
本项目宗旨在于充分利用好我省已取得的研究成果，将新成果和新技术应用到工程建设实际中去，结合工程现场的实际情况进行系统化的个性设计，使我省寒区沥青混凝土桥面铺装技术的实用性得到进一步完善和提高，为今后桥面铺装的建设与维修提供理论指导。
同时，通过保证桥梁长期使用性能，还可以实现提高交通运输效益，创造巨大的经济与社会效益的目的。
2.项目的主要研究内容
（1）沥青桥面铺装结构层设计，重点是桥面防水粘层的个性化设计；
（2）桥面铺装层施工配合比设计及使用性能检验，包括高温稳定性（车辙）、水损害稳定性（浸水马歇尔、冻融劈裂）、低温抗裂性（小梁弯曲试验）和沥青混合料渗水试验及构造深度验证；
（3）桥面铺装施工工艺及质量控制；
（4）应用效果观测、技术总结。
主要技术指标：
①桥面铺装层渗水系数小于120ml/min；
②铺装层改性沥青混凝土的动稳定度DS≥3000次/mm；
③铺装层改性沥青混凝土的冻融劈裂强度≥80%；
④铺装层的马歇尔残留稳定度≥85%；
⑤铺装层沥青混合料低温弯曲试验破坏应变≥2800。
3.依托工程同集高速工程概况
同集高速公路是我省公路“三年决战”的重点建设项目之一。
根据当地气候条件其气候分区属夏热冬严寒湿润（2-1-2），交通条件为重载，应按照《公路沥青路面施工技术规范》JTGF40-2004的相关要求确定相应的设计指标。
该路线起于我省重要的煤炭工业基地双鸭山市（集贤），途经二九一农场，富锦市，建三江农垦分局（二龙山），终点至同江市的哈鱼岛疏港路口，路线全长167.7公里，于2010年5月开工建设，投资规模40亿元。
全线沥青混凝土面层361万平方米。
沿线有大桥210，52m/2座，上部构造采用预应力混凝土空心板结构，下部采用柱式桥墩、肋板式桥台、桩基础。
中桥422.48m/5座，上部构造全部采用预应力混凝土空心板结构，下部采用柱式墩、肋板式桥台、柱式桥台、座板台、钻孔桩基础。
小桥537.38m/8座，上部构造采用预应力混凝土空心板，钢筋混凝土空心板结构，下部采用柱式墩、薄壁墩、肋式台、柱式台、薄壁台、钻孔桩基础。
在设计文件中桥面铺装结构层总设计厚度20cm,即上层5cmAC-16改性沥青聚酯纤维混凝土+下层5cmAC-20改性沥青混凝土+防水层+10cm抗渗抗冻混凝土。
要求在铺筑沥青混凝土前对抗渗抗冻混凝土进行洗刨，厚度5mm。
沥青混凝土桥面铺装防水层采用路桥用水性沥青基防水涂料，其性能指标应满足中华人民共和国交通行业标准《路桥用材料标准九项》JT/T535—2004的相关规定。
掺入沥青混凝土的纤维应具有强度高、不溶解、吸附性能强、化学性质稳定以及良好的分散性,不易结团的性能。
聚酯纤维掺入量为混和料质量的0.25%,即每吨沥青混合料掺2.5kg。
掺入的聚酯纤维的性能应满足如下技术指标，见表3-1。
比重（g/cm3）
规定值±0.05
燃点温度
≥230℃
长度（mm）
6±1.5
直径（mm）
0.015±0.005
耐热性163℃5小时
颜色体积无变化
断裂延伸率（％）
8
抗拉强度（MPa）
≥500
吸油量
规定值±0.1
规定值:
企业标准或产品说明书所规定的值
表3-1掺入的聚酯纤维的性能技术指标
本项目的应用路段落实在A7合同段。
图3-1掺入的聚酯纤维
4.桥面铺装层结构设计
我国现行的《公路沥青路面设计规范》中规定：
“当路面与桥面连续施工时，高速公路、一级公路的大、中、小桥的面层结构与厚度宜与两端路线的表面层、中面层相同。
”依据这个原则，课题组将研究的重点放在桥面防水粘层材料的优选上，同时，在对铺装上下面层进行配合比设计和性能验证时，重点考察防水粘结层和下面层的密水性，这是保证铺装层耐久性的关键。
4.1铺装层防水粘层的设计原则与个性化设计
就水泥混凝土桥面的沥青铺装层而言，铺装层与桥面板的粘结不牢往往是导致铺装层损坏的最根本的原因。
桥面防水层的设置不仅仅是为了防水，更重要的是使沥青铺装层与水泥桥面板粘结成为一个整体，这是防水层设计的根本原则。
防水粘结层若有破损、漏空或脱离，水就会渗入防水粘结层与水泥混凝土板的界面上，影响与桥面板的粘结强度，甚至成为滑动的界面状态，使桥面铺装成为一个单独受力的层次，就会出现很大的水平剪应力和底部的弯拉应力，桥面铺装就必然导致迅速破坏。
从现在常见的破坏情况看，铺装层绝大部分的损坏都是由防水粘结层的过早损坏引起的，当然这里也不能排除施工质量方面的因素。
因此，在重视铺装层设计的同时也要注重施工质量的管理，二者缺一不可。
4.1.1桥面防水粘层材料的选择
为了对桥面防水材料进行优选并同时兼顾施工的可操作性，课题组在广泛调查研究的基础上，比选出了三种性能相对优异的粘层材料，即常温改性乳化沥青（委托配制、高浓度）、水性沥青基防水涂料（工程现场的桥面防水材料）和加热使用的5%SBS改性沥青（现场路面材料热拌专用），对这三种材料进行了路用性能指标的试验检验，试验结果见表4-1、表4-2、表4-3和表4-4。
表4-1委托配制的桥面防水层用改性乳化沥青技术要求及实测值
原始样品
实测值
课题的技术要求
实验方法
沥青标准粘度,25℃
10
8-25
T0621
恩格拉粘度，25℃
4
1-10
T0622
破乳速度
快
中或快
T0658
粒子电荷
+
+
T0653
筛上剩余物试验,1.18mm,%
0.05
<0.1
T0652
与矿料粘附性试验
>2/3
>2/3
T0654
储存稳定性，1天，%
0.4
<1
T0655
储存稳定性，5天，%
3.9
<5
T0655
蒸发残留物含%
52.6
>50
T0651
蒸发残留物性质
针入度,25℃,100g,5s，0.1mm
90
40-120
T0604
软化点,℃
54.7
>50
T0606
溶解度,%
99.7
>97.5
T0607
延度，5℃，5cm/min,cm
50
>20
T0605
表4-2现场的5%SBS改性沥青性能指标
原始样品
检测结果
指挥部要求
实验方法
针入度25℃100g.5s.0.1mm.
72
60-80
T0604-2000
针入度指数PI
0.14
-0.2~1.0
T0604-2000
软化点oC------------------------------------
82.6
≥75
T0606-2000
延度,5cm/min,5℃,cm
58.7
≥30
T0605-1993
运动粘度60℃Pa.s.
1546
≥800
T0625-2000
运动粘度135℃Pa.s.
1.145
≤3.0
T0625-2000
闪点℃
285
≥230
T0611-1993
溶解度%
99.7
≥99
T0607-2000
离析试验软化点差℃
1.3
≤2.5
T0661-2000
弹性恢复25℃%
97
≥90
T0662-2000
旋转薄膜烘箱后残留物
T0610-1993
质量损失%
0.4
≤0.6
T0610-1993
延度5cm/min,,5℃,cm
37
≥20
T0605-1993
针入度比25℃,%
85
≥70
T0604-2000
弹性恢复25℃,%
90
≥80
T0662-2000
SHRP性能指标
原样沥青
动态剪切流变kPa.PG70
1.55
≥1.0
AASHTOTP5
RTFOT试验后
动态剪切流变,kPa.PG70
2.45
≥2.2
AASHTOTP5
路用性能等级
PG70-28
结论：
各项指标都满足规定要求，可用于工程实体
表4-3水性沥青基防水涂料性能指标
项目
实测值
规范值
外观
搅拌后为黑色或蓝褐色均质液体，
搅拌棒上不粘附任何明显颗粒
固体含量，%
52
≥43
延伸性，㎜
无处理
11
≥6.0
处理后
7
≥4.5
柔韧性，℃
-20±2
无裂纹、断裂
耐热性，℃
160±2
无流淌、起泡和滑动
粘结性，Mpa
0.47
≥0.4
不透水性
0.3Mpa、30min不渗水
抗冻性，-20℃
20次不开裂
耐腐蚀性
耐碱（20℃）
Ca（OH）2中浸泡15d无异常
耐盐水（20℃）
3%盐水中浸泡15d无异常
干燥性，
25℃
表干
1.5h
≤4h
实干
5h
≤12h
抗硌破及渗水
不渗水
暴露轮碾试验
（0.7Mpa，100次）后，
0.3Mpa水压下不渗水
人工气候
加速老化
外观
无滑动、流淌、滴落
纵向拉力
保质率，%
≥80
低温柔度，℃
-10
无裂纹
注：
试件参考涂布量与施工用量相同：
1.5㎏/㎡～2.5㎏/㎡
表4-4三种防水材料综合分析
项目
改性乳化沥青
水性沥青基防水涂料
5%SBS改性沥青
基面要求
潮湿或干燥
潮湿或干燥
干燥
是否加热
常温使用
常温使用
加热使用
施工方式
人工刮涂
人工喷涂或机械撒布
专用机械热撒
与桥面板粘结性
人为影响因素大
一般
紧密
单价（万元/吨）
0.5-0.6
0.8-1.0
0.6-0.7
最后的取舍要根据使用时现场的材料供应及施工机具的可调配情况确定。
我们对这三种材料的选择排序是：
5%SBS改性沥青、水性沥青基防水涂料、改性乳化沥青。
4.1.2桥面铺装防水层个性化设计
根据以上三种防水材料，我们设计了A、B、C三种桥面铺装防水层结构形式：
方案A
桥面混凝土机械铣刨或抛丸打毛，厚度为5㎜→吹净→洒布或涂刷改性乳化沥青或水性沥青基防水涂料，用量1.1-1.2㎏/㎡→
5㎝AC-20SBS改性沥青聚酯纤维混凝土→+5㎝AC-16改性沥青聚酯纤维混凝土。
A方案仅适用于本路线的中小桥。
5cmAC-16改性沥青聚酯纤维混凝土
5㎝AC-20SBS改性沥青聚酯纤维混凝土
1.1-1.2㎏/㎡改性乳化沥青或沥青涂料
桥面板铣刨或打毛
图4-1A方案示意图
方案B
桥面混凝土机械铣刨或抛丸打毛，厚度为5㎜→吹净→洒布5%SBS改性热沥青，用量1.2-1.4㎏/㎡→撒布洁净的2.36㎜的机制砂（覆盖率：
60%-70%）→6t-8t轻型压路机慢速碾压→5㎝AC-20SBS改性沥青混凝土→+5㎝AC-16改性沥青聚酯纤维混凝土。
B方案适用于本路线的大中小桥。
5cmAC-16改性沥青聚酯纤维混凝土
5㎝AC-20SBS改性沥青混凝土
5%SBS改性热沥青+2.36mm的机制砂
桥面板铣刨或打毛
图4-2B方案示意图
方案C
桥面混凝土机械铣刨或抛丸打毛，厚度为5㎜→吹净→同步碎石摊铺机洒布5%SBS改性热沥青（用量1.2-1.4㎏/㎡）+4.75mm的洁净碎石（覆盖率：
60%-70%）→5㎝AC-205%SBS改性沥青聚酯纤维混凝土→+5㎝AC-16改性沥青聚酯纤维混凝土。
C方案适用于本路线的大桥或重要位置桥梁。
5cmAC-16改性沥青聚酯纤维混凝土
5㎝AC-205%SBS改性沥青聚酯纤维混凝土
5%SBS改性热沥青+4.75mm的洁净碎石
桥面板铣刨或打毛
图4-3C方案示意图
4.1.3防水层设计方案的比选原则
结合工程实际，课题组综合分析了A、B、C三个设计方案，确定的取舍原则是：
三种防水材料获得的难易程度与技术性能比较、机械化施工程度、施工过程控制中关键指标的调整灵活性和准确性，工程造价的经济性和防水效果的质量保证性。
依照上述原则我们了解到，用作桥面防水材料的“水性沥青基防水涂料”已经到场，用作路面沥青混合料拌合的5%SBS改性沥青，各拌站也都有储备，此外，沥青洒布车和同步碎石机正在相邻的路段工作着。
为了使桥面防水体系达到最佳效果，课题组优选出A、C两种方案作为最终推广方案，并提交指挥部的工程部和技术部审议。
我们认为A、C两种方案具备如下的几方面优势：
（1）都可实现机械喷洒，保证了防水层厚度的均匀性和可靠性，尤其是同步碎石封层车的运用，使桥面防水粘结层和石屑保护层一次成型，避免了分层撒布带来的交通流污染，防水层与桥面板粘结的更加紧密，可获得良好的层间粘结力和可靠的防水性；
（2）特别是4.75mm粒径石屑的撒布，增加了层间的摩阻力，使防水层有利于和下面层一起形成稳定的桥面防水体系。
（3）桥面系双层改性沥青聚酯纤维混凝土结构，有利于较大程度地增加桥面系的抗裂性，提高其耐候性，增强耐久性，延长铺装层的使用寿命。
A、C方案很快通过了指挥部审核，并协助课题组在短时间内落实了同步碎石机的合作事项和应用路段A7标辖区。
A方案由于是原设计限定的方法，故遵照设计文件执行。
下一个工作环节就是进一步明确桥面防水层施工工艺各环节的关键控制点和指标。
4.1.4桥面防水层的技术要点
着重研究并完成桥面防水粘层的热油和防水涂料喷洒量及碎石撒布量的标定。
4.1.4.1桥面防水层材料洒布量的标定
（1）5%SBS改性沥青喷量的确定
国内外的相关研究结果表明，当防水粘层的5%SBS改性沥青喷量<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；当喷量增至0.6-1.6kg/m2时，抗剪强度随用量的增加而显著提高，说明已形成厚度合理的粘膜；再增加SBS喷量时，则抗剪强度增加变缓甚至降低，说明沥青膜过厚，起润滑作用。
国际、国内的成功实例建议：
SBS含量为5-6%时，防水粘层SBS的用量为1.0-1.6kg/m2，我国现行的《沥青路面设计规范》中规定，桥面铺装的改性沥青洒布量为1.2-1.6kg/m2。
综合以上因素，课题组推荐的本依托工程的桥面防水层5%SBS改性沥青洒布量为1.2-1.4㎏/㎡，其上4.75mm洁净石屑的覆盖率为60%~70%以保护其防水功能不被铺装层石料或施工机械损坏，并对同步碎石撒布车进行数控设置。
5%SBS改性沥青的喷洒温度按规范要求设定为180～185℃。
图4-
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