0 引言

浇注式沥青混凝土最早起源于德国，后主要在英国、日本等国家得到进一步推广应用^[1-2]。浇注式沥青混凝土作为铺装材料的优点是自身流动性大，可凭借自身流动而密实成型，无需碾压，并能满足一定的路用性能要求^[2]。国外很早就开始对浇注式沥青混凝土进行研究，目前已发展形成了成熟的技术流程，并形成了系统的施工方法和评价标准^[3-6]。由于地域、气候和交通状况差异，且我国存在环境和施工条件复杂的情况，使用浇注式沥青混凝土时，国外理论并不完全适用于我国^[6]。必须结合我国气候特征、交通情况等实际工况的特点，对浇注式沥青混凝土技术作进一步的改进。

浇注式沥青混凝土由于其优良的性能广泛应用于桥面铺装，目前主要应用于我国南方地区^[2-6]。理论上浇注式沥青混凝土的空隙率认为是0^[7]，因此更容易发生高温破坏而产生车辙。浇注式沥青混凝土在我国桥面铺装应用较多，而且我国大多数钢箱梁桥为封闭式^[8]，具有很强的储热作用，钢箱梁温度太高使得铺装层持续处于高温状态，从而产生高温病害。钢桥面铺装层的力学与使用性能和温度、铺装层材料类型以及铺装结构具有较大的相关性。近年来，浇注式沥青混凝土已开始应用于我国寒冷地区桥面铺装。由于我国内蒙古等寒冷地区夏季最高气温与南方地区十分接近，且偶有极端高温现象，基于已有研究成果^[7-22]，对浇注式沥青混凝土在我国寒冷地区应用的高温性能进行研究具有重要意义。

1 相关规范与我国实际工程高温性能指标调查分析

(1) 部分国内外评价指标调查分析

通过调查部分国内外浇注式沥青混凝土相关规范，对浇注式沥青混凝土应用较为广泛的德国、英国、日本和中国关于浇注式沥青混凝土高温性能评价指标进行汇总^[6]，见表 1。

由表 1可以看出，德国规范以贯入度及贯入度增量作为浇注式沥青混凝土高温性能评价指标。英国规范以车辙率和车辙深度作为评价指标。日本规范同时对贯入度和动稳定度做出规定。我国《公路钢箱梁桥面铺装设计与施工技术指南》根据夏季气候分区，以贯入度及贯入度增量作为浇注式沥青混凝土高温性能评价指标。各国使用贯入度作为浇注式沥青混凝土高温性能评价指标最多，且测试方法基本一致。贯入度试验可以初步判断浇注式沥青混合料的高温性能，但存在一定的局限性，该试验可以在一定程度上反映浇注式沥青混合料的抗压能力，但是不能很好模拟浇注式沥青混合料在交通荷载作用下的实际工作状态。德国，英国并未提出动稳定度相关规定，考虑到浇注式沥青混合料的抗车辙能力，日本提出了动稳定度要求(≥350次/mm)。我国目前还没有关于浇注式沥青混凝土车辙动稳定度的具体要求。

(2) 我国实际工程调查分析

通过对我国部分浇注式沥青混凝土桥面铺装实体工程资料进行收集与调查^[6]，将其高温稳定性观测值进行汇总，具体数值见表 2。

由表 2可以看出，所调查的浇注式沥青混凝土铺装工程中，60 ℃贯入度大概在1.42~3.89 mm范围内，均满足我国《公路钢箱梁桥面铺装设计与施工技术指南》对浇注式沥青混凝土贯入度的要求。贯入度增量均满足我国《公路钢箱梁桥面铺装设计与施工技术指南》要求，贯入度增量大概在0.11~0.35 mm范围内。我国规范对于浇注式沥青混凝土动稳定度没有具体规定，日本规范规定浇注式沥青混凝土动稳定度应大于或等于350次/mm。通过实体工程动稳定度的调查数据可以看出，我国现有浇注式沥青混凝土桥面铺装层动稳定度值的差异较大，除安庆长江公路大桥可能受试验温度影响导致动稳定度较低，其中67%的实体工程动稳定度大于1 000次/mm，33%处于400~500次/mm范围内。

2 寒冷地区桥面铺装层高温环境特征分析

对于我国桥面铺装层来说，铺装层的夏季使用温度很高，且我国大多数钢箱梁桥为封闭式，储热作用强，钢箱梁内部温度高且不易散热，浇注式沥青混凝土铺装层持续处于高温工作状态^[8]。钢桥面板的导热系数要比其他土工材料大得多，除了自身正常的温度变化，日温差和气候变化都会对铺装层的变形造成一定的影响，钢桥面沥青混合料铺装层随温度变化更加敏感，尤其是当处于极端高温或极端低温条件下。因此浇注式沥青混凝土桥面铺装层应当具有较好的高温稳定性来满足其使用性能。以内蒙古地区为例，内蒙古自治区地域跨度大，东西横跨2 400 km，气候以温带大陆性季风气候为主，冬、春季漫长且气温低，夏季短暂。虽平均温度较低，但是其夏季最高气温并不低，极端高温温度值与南方地区十分接近，且偶有极端高温出现。选取内蒙古地区典型城市，根据统计数据得到各地区近30年的7月最高气温见图 1，内蒙古典型地区七月最高气温已经达到较高水平，大致处于38~42.6 ℃。寒冷地区夏季的日照时长与南方地区相近，且受太阳辐射时间较长，沥青混凝土铺装层在夏季气温最高时，铺装结构容易产生高温病害。

在热交换、太阳辐射和热对流的作用下，沥青面层的温度非常高，沥青混凝土铺装层内曾测到70 ℃以上的温度。因此，高温季节时沥青铺装层内会迅速产生永久变形，有些重载交通路段超载现象严重，甚至在几天的连续高温气候下路面即可看到明显的辙痕。沥青混合料的高温病害还表现为推移、拥包和波浪。在我国寒冷地区进行浇注式沥青混凝土桥面铺装层设计时，需要充分考虑高温对沥青路面的影响。通过对内蒙古地区典型城市最高气温状况进行调查分析，发现各地区最高气温均出现在7月，建议以工程所在地7月可能出现的最高气温作为浇注式沥青混凝土铺装层设计高温设防值。

3 寒冷地区桥面铺装层层间受力分析

影响桥面层间应力变化因素很多，其中桥面铺装层间和桥面板厚度和模量变化影响不明显，故本研究在进行力学分析时不对其进行考虑^[22]。利用有限元软件对铺装层厚度、沥青铺装层模量、超载、温度进行计算分析，得到在不同工况作用下铺装层与桥面板间的力学规律。

(1) 桥面铺装层厚度

考虑铺装厚度对沥青混凝土桥面铺装层的影响，沥青混凝土桥面铺装层厚度一般在4~14 cm范围内，本研究对6种厚度的沥青混凝土桥面铺装层进行计算分析，分别得到不同厚度桥面铺装层对应的层间最大剪应力，见表 3。

由表 3可知，铺装层厚度为4 cm时，层间最大剪应力为0.155 9 MPa；铺装层厚度为14 cm时，层间最大剪应力为0.086 1 MPa。随着沥青铺装层厚度增加，铺装层层间最大剪应力逐渐减小，且剪应力随铺装层厚度增加的降低幅度较大。铺装层厚度由4 cm增加到14 cm时，桥面层间最大剪应力降低了44%，桥面层间应力对沥青铺装层的厚度变化较为敏感，桥面铺装层设计时铺装层厚度应合理取值。因此建议铺装层厚度在经济条件和技术条件允许的情况下，可以适当选取较大的铺装厚度，以保证铺装层具有良好的路用性能。

(2) 桥面铺装层模量

考虑铺装材料模量对沥青混凝土桥面铺装层的影响，沥青铺装层模量选取1 060，1 260，1 460，1 660，1 860，2 060 MPa这6种模量进行计算分析，分别得到不同模量对应的桥面铺装层层间最大剪应力见表 4。

由表 4可知，铺装层材料模量为1 060 MPa时，层间最大剪应力为0.116 8 MPa；铺装层材料模量为2 060 MPa时，层间最大剪应力为0.094 3 MPa。随着桥面铺装层模量的不断增加，桥面铺装层层间最大剪应力不断减小。沥青铺装层模量由1 060 MPa增加到2 060 MPa时，桥面层间的最大剪应力减小了19.3%，可见沥青铺装层模量对桥面层间应力有一定影响，采用较高模量的铺装材料有利于提高铺装层整体性。

(3) 超载

本研究计算了桥面在100~200 kN这6种轴载情况下的层间最大剪应力。轮胎接地面积及接地压强与轴载大小关系密切，车辆轴载变化时，轮胎接地面积及接地压强均随之变化，因此为分析不同轴载作用下路面力学状态应首先确定不同轴载时轮胎胎压和接地面积。本研究轮胎接地压力计算模型^[17]，如下式所示：

式中，P为轮载。P_i为轮压。a，b为计算系数，轴重＜150 kN时，a=0.001 1，b=0.591 2；轴重≥150 kN时，a= 0.002 3，b=0.409 4。

根据上述轮胎接地压力预估模型及轴重=胎压×接地面积换算关系，由各级轴载计算得到的接地面积、当量圆半径δ及轮压如表 5所示。

超载给桥面的薄弱层间连接带来了挑战，造成了桥面铺装层的过早发生病害。因此，在本研究中超载考虑0，20%，40%，60%，80%，100%这5种工况水平，如表 6所示。

由表 6可知，超载率为零时，层间最大剪应力为0.111 MPa；超载率为100%时，层间最大剪应力为0.169 3 MPa。桥面层间最大剪应力随超载率的增加而不断增长，当超载率从0增长为100%时，铺装层间的最大剪应力增长了47.7%，桥面层间最大剪应力对超载率变化较为敏感。桥面铺装层设计时需要着重考虑交通荷载影响，说明了随着超载幅度的增加，层间受到的剪应力也急剧攀升，因此对于重载路段应加强层间处治。

(4) 气温

结合桥面铺装从实际工作状态考虑气温在-30，-20，0，20，30，40 ℃时对层间力学性能的影响。考虑沥青混合料的热敏感性，本研究采用BELLS修正模型^[17]表征温度对沥青混合料弹性模量E的影响，即：

式中，T为沥青混合料温度；E₂₀为20 ℃时沥青混合料的模量；α为沥青混合料的热敏感系数，与沥青混合料配合比及热力学性质有关，α值在0.015~0.030之间。

根据以上分析，计算得到各路面结构层在不同温度条件下的沥青混凝土面层材料回弹模量见表 7，不同温度条件下桥面层间最大剪应力见表 8。

由表 8可知，温度为-30 ℃时，层间最大剪应力为0.043 MPa；温度为40 ℃时，层间最大剪应力为0.140 MPa。桥面层间的最大剪应力随温度的增大呈线性增长趋势，这与铺装层模量对桥面层间最大剪力的影响趋势吻合。当环境温度从-30 ℃变为40 ℃时，桥面层间最大剪应力增大了226%，说明环境温度从负温升到较高温度时对铺装层间的最大剪应力影响较明显，温度越高对桥面层间越不利，寒冷地区桥面层间设计需要着重考虑高温条件下层间剪应力。

采用变化幅度的大小来表征各影响因素对桥面层间的最大剪应力影响程度，在所选的4个因素中，对桥面层间的最大剪应力影响程度的大小关系为：温度＞超载＞厚度＞材料模量。所以，浇注式沥青混凝土在我国北方寒冷地区使用时，需着重考虑温度对其使用性能的影响。

4 工程应用效果

项目依托工程为乌兰察布市集宁南绕城公路，该工程起点位于G6京藏高速公路运营里程K311+500处(接110国道)，终点与110国道相接，路线全长41.967 km。试验路左幅采用3×35 m等截面钢箱梁，桥梁起点桩号K353+220.2，终点桩号K353+333.2，斜交角度75°，设计行车速度100 km/h，桥涵设计荷载为公路-Ⅰ级。

试验路采用3×35 m等截面钢箱梁，钢桥面行车道铺装层厚度考虑功能要求的不同，分多层设计。桥面铺装设计总厚度70 mm，结构自上而下为：35 mm SMA10改性沥青玛蹄脂碎石+35 mm GA10改性沥青浇注式混凝土。铺装层SMA10混合料添加适量的抗车辙剂或抗剥落剂，以提高SMA混合料的抗高温性能和抗水损害能力。浇注式沥青混凝土采用改性沥青与TLA以7：3的比例进行掺配，最佳沥青用量确定为7.6%，浇注式沥青混合料级配组成见表 9。钢桥面铺装层结构见图 2。

经检测，SMA沥青混合料与GA浇注式沥青混合料高温性能满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)和《公路钢箱梁桥面铺装设计与施工技术指南》相关要求。施工过程中沥青铺装层工程质量及铺装结构整体性良好，铺装效果平整，外观均匀一致，无离析现象，接缝平顺。试验路通车后，使用性能良好，无明显病害，施工质量符合要求。

由此可见，浇注式沥青混凝土桥面铺装层在我国内蒙古乌兰察布地区使用效果良好。长期使用效果有待进一步观测。

5 结论

(1) 通过分析国内外相关规范对浇注式沥青混凝土高温稳定性指标的规定，调查了国内实际工程浇注式沥青混凝土高温稳定性观测值，得到了我国浇注式沥青混凝土桥面铺装层实体工程动稳定度区间。其中67%的实体工程动稳定度大于1 000次/mm，33%处于400~500次/mm范围内。

(2) 分析了桥面铺装层层间力学性能主要影响因素，对铺装层厚度、沥青铺装层模量、超载、温度对桥面铺装层层间力学性能进行计算分析，得到不同影响因素对桥面层间的最大剪应力影响程度的大小排序为：温度＞超载＞厚度＞材料模量。

(3) 分析了我国寒冷地区的夏季高温特征，在我国寒冷地区进行浇注式沥青混凝土桥面铺装层设计时，需要充分考虑高温对沥青路面的影响，建议以工程所在地7月最高气温作为浇注式沥青混凝土铺装层设计高温设防值。

(4) 建议增加车辙试验作为浇注式沥青混凝土高温性能评价方法，采用动稳定度作为评价指标。

(5) 依托工程实施效果良好，工程完成后经观测，路用性能良好。