牛四强

(廊坊市交通局公路工程管理处)

1 引 言

桥梁伸缩缝是为保证车辆通过桥面,并满足桥面变形的需要,而在桥梁梁端之间、梁端与桥台之间或桥梁的铰接位置设置的各种装置的总称。桥梁伸缩缝是满足桥梁因温度变化、荷载作用等引起梁板的涨缩而设置的变形缝,因此,对伸缩缝的要求不仅要具有满足桥梁板的变形具有一定的强度,而且也要满足高速行车对舒适性的要求,即使桥面保证齐平,行车舒适。目前,中小桥常用的伸缩缝可分为钢板伸缩缝(包括钢搭板式、梳形钢板式)橡胶条式,仿毛勒缝与无缝伸缩缝。前三种伸缩能满足变形要求,但安装工艺复杂,行车舒适性较差,最突出的问题是橡胶易老化,使用年限短,且由于预埋件较多,损坏后维修相当困难。伸缩缝的维修成为国内公路桥梁养护的一大难题。

为了解决上述伸缩缝存在的缺陷,近年来正在研究和推广无缝伸缩缝装置(TST碎石桥梁弹性接缝),该伸缩缝的特点是采用改性沥青作为弹性粘结材料,经熔化后与具有一定级配石料拌合后直接填筑在伸缩缝位置,以代替上述伸缩缝装置,达到既满足变形要求,又能使行车舒适的效果。目前第四代粘结料 GTF(高弹塑体)和 TST(弹塑体)能够同时兼顾高温和低温,渗透和粘性这些对立的性能要求,不仅适用温度单一地区,而且适用于温差较大的地区。因此,弹塑体伸缩装置在国内中小桥梁的伸缩缝上,尤其是在中小桥梁伸缩缝的维修上得到较多的应用。

2 试验方案

为验证 TST良好的性能,在室内进行了相关试验研究。

2.1 伸缩缝的结构形式

弹塑体伸缩装置由粘结料(TST)、集料(碎石)、T型搭接钢板和填塞料等四要素组成,其结构见图 1。

图 1 无缝伸缩缝的结构图

2.2 伸缩缝槽口宽度的选择

TST弹性材料混合料粘结拉伸伸长率试验结果见表 1。

表 1 弹性材料混合料粘结拉伸伸长率试验

根据上述试验结果,在 -38℃时,平均伸长率最低为9%,由公式 L=Δt/ε,针对不同伸缩量得出混合料的理论宽度见表 2。

表 2 混合料理论宽度

考虑到野外施工与试验室试验的条件差别及施工误差,确定其施工宽度即槽口宽度见表 3。

表 3 槽口宽度

2.3 改性高弹性弹塑体

该高弹塑体是一种改性沥青材料,在沥青中填加了改性剂、表面活性剂、抗老化剂和填充料,采用胺类表面活性物质和微电化各相共存理论,解决了不同改性剂之间的互相干扰问题,这种改性沥青能够同时兼顾高温和低温、渗透和粘性这些对立的性能要求,经交通部公路科研所检验,达到了热熔性伸缩缝填料要求的技术指标,其主要特点是具有较高的软化点和较大的回弹性。它的力学特点是在车辆荷载冲击力下显示弹性,在温度变化及桥梁伸缩时显示塑性,它与粗骨料、支承钢板一起作为伸缩缝的主体材料。

2.4 骨料的选择

混合料骨料应具有足够的强度和耐磨性能,骨料采用单一级配,以便由较多的弹塑体粘结材料填充孔隙,以满足桥梁对伸缩量的要求,骨料分为粗骨料和细骨料,主骨料用于承重荷载,细骨料用于与桥面铺装找平。为了使弹塑体与石料结合牢固,所用石料必需全部用水清洗干净,骨料粒径要求如下:

粗骨料粒径:15～20mm(方孔筛);

细骨料粒径:6～10mm(方孔筛);

骨料颗粒应有良好的颗料形状,扁长颗粒含量应小于15%。

2.5 跨缝钢板

跨缝钢板的作用主要是防止伸缩缝混合料从接缝处落下,另外,还应能承受混合料传来的竖向荷载,避免伸缩缝产生凹陷,跨缝钢板的宽度应根据缝口宽度、交通量大小等因素选择,钢板应经过防腐处理,厚度 3～5mm,宽度以缝口两侧各搭接 50mm左右为宜,每段长度约为 1.0m,为防止跨缝钢板在荷载的冲击作用下发生较大位移,而偏离梁端缝口,需在钢板中间焊接钢板。

3 改性弹性材料混合料的组成设计和试验

3.1 配合比的选择试验

伸缩缝粗骨料混合料是伸缩缝是主体,随车辆荷载、传递荷载和具有适应桥梁变形的能力。

在混合料组成中,为提高混合料的热敷性和支承能力,混合料的粗骨料均为单一级配,它在混合料中形成骨架,使其具有足够的抗压强度,又由于单一级配具有较大的孔隙率,以便容纳较多的粘结料来提高其变形能力。伸缩缝表面耐磨、致密,在结构设计中采用双层结构,主层采用粗粒径混合料,而上层则用细粒径混合料,上层厚度为 2cm。

在试验中发现弹塑体材料含量太高时,在高温季节,伸缩缝会出现较大的塑体变形,热稳性差,弹塑体含量较低时,在低温季节,该混合料与桥面铺装接合部局部出现裂缝,因此经反复试验分析,弹性体混合料配比为 m弹塑体∶m骨料=1∶2(重量比)在高温下无明显的塑体变形,在低温下无裂缝产生。

3.2 改性弹性材料混合料的力学性能试验

(1)低温抗裂性能试验

表 4中列出了普通路用改性沥青及改性弹性材料混合料在不同温度下的抗弯拉强度的对比。

图 2 应变与温度变化曲线

从上述图表中可以得出如下结论。

①改性弹性材料混合料在-15℃时的抗弯拉强度达到最大值,而路面改性沥青混合料在 -10℃抗弯拉强度就已达到最大值,这说明改性弹性材料的脆化温度比路用改性沥青低。

②在-40℃和-38℃时,改性弹性材料混合料的抗弯拉强度是路用改性沥青的 7.51倍和 3.3倍。说明改性弹性材料混合料的抗高温性和低温抗裂性能均比路用改性沥青好。

(2)粘结拉伸试验

根据交通部行业标准《公路水泥混凝土路面接缝材料》(JT/J203-95)规定的试验方法进行试验,改性弹性材料与路用改性沥青不同的温度下的伸缩率试验结果见表 5。伸缩率(ε)与温度(T)ε-T变化曲线见图 3。

表 5 改性弹性材料与路用改性沥青的伸缩率试验结果

图 3 ε-T试验变化曲线

从上述图表可以看出,随着温度的不断降低,改性弹性材料的伸缩率是路用改性沥青的 3.4～9倍。说明改性弹性材料的伸缩变形性能远高于路用改性沥青。

(3)改性弹性材料混合料粘结性能试验

改性弹性材料混合料作为一种特殊的无缝伸缩缝材料,在低温状态下,能否保证改性弹性材料与桥面铺装的粘结效果,是该种无缝伸缩缝的关键之一。因此其与普通沥青混凝土及钢筋混凝土之间的粘结强度也是一个相当重要的技术指标。通过试验其粘结强度见表 6。

表 6 普通沥青混凝土及钢筋混凝土之间的粘结强度

从上述图表可以看出:

①改性弹性材料混合料与沥青混凝土和钢筋混凝土在-38℃时的粘结强度分别为 3.03MPa和 2.13MPa,在40℃时的粘结强度分别为 4.86MPa和 4.26MPa,均大于2MPa的要求;

②改性弹性材料混合料与沥青混凝土和钢筋混凝土的粘结强度在 10～20℃时产生最大值,随着温度的增加或降低,其粘结强度逐渐减小,温度越低,粘结强度越小。

4 试验工艺流程

4.1 切割及清理伸缩缝槽口

以梁端接缝为中心,按设计要求切割相应的宽度和深度然后用镐凿除、人工清理槽口,再用高压水枪冲洗槽口底及两侧壁,最后用压缩空气吹槽口,清净杂物。

4.2 刷底层弹塑体

为了便于弹塑体与槽口的粘接,必须用火焰喷枪烘干槽口,然后用泡沫条填塞梁端接缝,并安放跨缝钢板,使之居中,然后用刮刀把预先熔化的弹塑体均匀地涂沫在槽口底部,两侧壁及跨缝钢板的底、表面。

4.3 混合料搅拌摊铺

将粗石料烘干加热到 160～180℃,然后按重量比 1∶2加入熔化的弹塑体粘结料,并充分拌和,摊铺在底层,(底层表面应比路面低 10m左右)并用铁锹拍打捣实,紧接搅拌并摊铺细骨料的上层弹塑体混合料,用铁锹整平拍实。

5 结 语

无缝伸缩缝在中小桥应用后,弹塑体伸缩装置和桥梁上部结构之间的锚固牢靠、耐久,能够满足上部结构之间的位移要求,能够抵抗机械磨损、碰撞,且耐化学物质的腐蚀,具有气候稳定性好(在常温情况下,保持其延伸性能不变),其行车平衡舒适性很好,与橡胶板式及梳形钢板伸缩缝相比,伸缩缝处的颠簸现象得到了很好地解决,大大提高了车辆过桥时的平衡性,相应减少了对桥梁的冲击作用。尤其适宜旧桥伸缩缝的更换。该技术彻底解决了旧桥伸缩缝修复的难题,基本上消除了桥上跳车现象。弹塑体伸缩装置在中小桥梁维护方面具有广阔的应用前景。

[1]刘真岩,周建斌.旧桥维修加固施工方法与实例[M].北京:人民交通出版社,2005.

[2]李新梅.桥涵施工与养护技术[M].北京:人民交通出版社,2005.

[3]李扬海 .公路桥梁伸缩装置[M].北京:人民交通出版社,2001.