幾種典型鋼橋面瀝青鋪裝方案分析

劉景峰

(榆林市公路局第三工程處，陜西榆林 719000)

0 引言

近年來隨著國民經(jīng)濟水平的提高，我國的公路交通事業(yè)得到了飛速發(fā)展，橋梁建設(shè)尤其是大跨徑鋼橋建設(shè)已成為公路建設(shè)的重要組成部分。我國的大跨徑鋼橋一般作為跨江或跨海大橋，承受著嚴峻的氣候環(huán)境。鋼橋面鋪裝層鋪裝在鋼橋面板之上，在承受行車荷載作用的同時還經(jīng)受著外界環(huán)境的考驗，同時，由于鋼箱梁自身結(jié)構(gòu)的特點導致鋪裝層的受力特點與一般的瀝青路面有很大區(qū)別。鋼橋面鋪裝層的質(zhì)量直接決定了橋梁的服務水平，在很大程度上影響當?shù)亟煌ǖ恼＿\轉(zhuǎn)。因此，作為鋪裝層的材料必須有良好高低溫、抗疲勞及水穩(wěn)性能，能夠在荷載及環(huán)境的作用下表現(xiàn)出良好的路用性能。

目前鋼橋面瀝青鋪裝層的設(shè)計與施工主要借鑒瀝青路面的設(shè)計方法，沒有根據(jù)鋼橋面鋪裝層的受力特點采取針對性的措施。鋼橋面鋪裝層產(chǎn)生車轍、開裂及坑槽等早期損壞很普遍，因此，針對國內(nèi)外典型的鋼橋面鋪裝方案開展調(diào)查具有重要意義。通過分析不同鋼橋面鋪裝方案的特點及易出現(xiàn)的問題，歸納各種鋪裝材料在性能和造價等方面的差異，可為鋼橋面鋪裝方案的選擇提供一定的參考依據(jù)。

1 典型的鋼橋面鋪裝方案

目前，在國內(nèi)外鋼橋面鋪裝中常采用的方案主要有三類［1］:1)澆筑式瀝青混凝土方案，屬于此范疇的還有瀝青瑪脂混凝土;2)改性瀝青SMA(Stone Mastic Asphalt)方案;3)環(huán)氧瀝青混凝土方案。

1.1 澆筑式瀝青混凝土

澆筑式瀝青混凝土屬于連續(xù)級配瀝青混凝土，通常在較高的溫度(220℃～250℃)下拌和，由于瀝青含量較高具有良好的流動性，在攤鋪時只要簡單地攤鋪整平即可而不必采用壓路機進行碾壓。澆筑式混凝土的空隙率小且內(nèi)部空隙不連通，防水性能較好，但高溫性能不佳。混凝土的膠結(jié)料中由于摻加一定比例的湖瀝青具有良好的溫度敏感性與抗疲勞性能［2］。

澆筑式瀝青混凝土在英國、丹麥、日本、瑞典等國的鋼橋面鋪裝中應用很廣泛。我國江陰大橋及香港青馬大橋的鋪裝層也采用了這種鋪裝材料，但二者表現(xiàn)差異很大，后者的使用狀況良好，前者卻出現(xiàn)嚴重的病害。從澆筑式瀝青混凝土鋼橋面鋪裝層的使用情況來看，該鋪裝類型出現(xiàn)的病害作用以車轍為主，其次是開裂、推擠和粘結(jié)層破壞。出現(xiàn)這些病害的主要原因是鋪裝材料的高溫穩(wěn)定性不佳，抗疲勞性能、層間粘結(jié)力不足等，同時與國內(nèi)車輛的超載也有重要的關(guān)系。

1.2 改性瀝青SMA

改性瀝青SMA是起源于德國的一種鋼橋面鋪裝材料。典型的SMA是一種間斷密級配混合料，混合料中粗集料、礦粉和瀝青的含量較高，分別占到混合料的70%，10%和6%～7%。考慮混合料中的高瀝青含量，在實際應用中常在混合料中加入一定量的纖維以防止混合料發(fā)生析漏。由于粗骨料間的嵌擠作用［3］，SMA具有較好的高溫穩(wěn)定性，不易產(chǎn)生車轍，而含量較高的瀝青瑪脂則保證了混合料良好的低溫抗裂性。

宜昌長江公路大橋是蓉國道主干線上跨越長江的一座特大型懸索橋，由于我國對SMA橋面鋪裝方案應用認識不深，缺乏實際經(jīng)驗，在鋪裝層使用后期主要出現(xiàn)了車轍、開裂、推移及脫層等病害，這些病害同樣在虎門大橋和海滄大橋中出現(xiàn)。出現(xiàn)這些病害的原因主要是鋪裝材料高溫穩(wěn)定性不足，防水能力不佳，另外鋪裝層與橋面板間的粘結(jié)劑高溫抗剪強度不足，在局部產(chǎn)生輕微推移后，水分很容易浸入鋪裝層內(nèi)部引起鋪裝層產(chǎn)生脫層和推移等病害。

1.3 環(huán)氧瀝青混凝土

環(huán)氧瀝青混凝土中的膠結(jié)料采用環(huán)氧瀝青，由于環(huán)氧瀝青具有熱固性的特點，拌制出來的混凝土具有強度高、剛度大，耐腐蝕性能和耐疲勞性能好的特點［4］，但其性能受成型時的溫度、時間等因素影響顯著，對施工質(zhì)量的要求相當高，并且必須保證施工結(jié)束后有足夠養(yǎng)護期確保環(huán)氧瀝青混凝土能夠基本完成固化。

舟山桃夭門大橋是舟山大陸連島工程的第三座跨海大橋，橋面鋪裝層采用55 mm的雙層環(huán)氧瀝青混凝土，在通車四年后調(diào)查發(fā)現(xiàn)僅在行車道與路肩局部位置出現(xiàn)縱向裂縫。潤揚大橋、蘇通大橋、南京長江三橋等鋼橋面鋪裝層中使用的環(huán)氧瀝青混凝土也表現(xiàn)出了良好的使用性能。總體來說，環(huán)氧瀝青混凝土鋼橋面鋪裝使用效果較好，產(chǎn)生的病害以縱向裂縫為主。環(huán)氧瀝青混凝土的早期損壞絕大部分由施工質(zhì)量不佳導致，通過嚴格控制施工質(zhì)量，可以保證環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝層良好的使用性能。

2 不同鋼橋面鋪裝材料對比分析

不同的鋼橋面鋪裝材料具有不同的性能，其施工工藝和工程造價也有所差別。本文分別從鋪裝材料的高低溫性能、抗疲勞性能、水穩(wěn)性能、施工及造價方面進行評述。

1)高溫穩(wěn)定性。在高溫季節(jié)，鋼橋面板的溫度可達到70℃以上，且鋼板的傳熱能力較強，從而要求鋪裝材料要具有良好的高溫性能。環(huán)氧瀝青混凝土屬于熱固性材料，其高溫穩(wěn)定性隨時間的增加逐漸增強，是三種材料中最好的，澆筑式瀝青混凝土由于細集料含量高、空隙率過小、高溫穩(wěn)定性最差，SMA高溫穩(wěn)定性介于環(huán)氧瀝青混凝土和澆筑式瀝青混凝土之間。

2)低溫穩(wěn)定性。當外界環(huán)境溫度下降，鋼橋面板和鋪裝材料間產(chǎn)生的低溫收縮差異較大時，鋪裝材料就會承受拉應力作用，而當產(chǎn)生的拉應力和拉應變超過材料的容許值時，橋面鋪裝層中便產(chǎn)生裂縫破壞。澆筑式瀝青混凝土破壞時能夠承受的應力和應變最大，其抗低溫開裂能力最強;SMA和環(huán)氧瀝青混凝土在破壞時能夠承受的應力和應變較小，其低溫穩(wěn)定性劣于澆筑式混凝土。

3)抗疲勞性能。鋪裝材料的抗疲勞性能好，橋面鋪裝層可以更好的承受行車荷載的反復作用，其使用壽命就長。環(huán)氧瀝青混凝土強度高、硬度大，在相同荷載次數(shù)作用下抗疲勞性能優(yōu)于澆筑式瀝青混凝土和SMA，同時還能在一定程度上對正交異性鋼板起到加強的作用。對于澆筑式瀝青混凝土而言，其抗疲勞性能要優(yōu)于SMA。

4)水穩(wěn)定性。鋪裝層的水穩(wěn)定性，是指鋪裝材料在行車荷載和降水形成的動水壓力沖刷作用下仍能保持良好的整體性能，而不致形成坑洞、轍槽等破壞的能力。環(huán)氧瀝青混凝土由于強度高、剛度大，其劈裂強度在幾種鋪裝材料中是最大的，但其凍融劈裂強度比最小;而澆筑式瀝青混凝土由于瀝青、細集料含量高，水穩(wěn)定性最好;SMA的水穩(wěn)定性介于二者之間。

5)施工難易程度。SMA中由于摻加了纖維，其施工工藝比普通瀝青混凝土略微復雜，而環(huán)氧瀝青混凝土出于對和易性和壓實度要求的考慮，在施工過程中對溫度和時間的控制非常嚴格，同時對施工時的氣溫、風速等也有一定的要求;澆筑式瀝青混凝土在施工中則需要特殊的拌合設(shè)備。

6)工程造價方面。如果按照同一鋪裝厚度計，環(huán)氧瀝青混凝土造價最高，其次是澆筑式瀝青混凝土，SMA造價最少，僅略高于普通瀝青混凝土。然而，由于環(huán)氧瀝青鋪裝層性能較好，在實際工程中鋪裝層厚度均小于澆筑式混凝土和SMA，這樣不僅減輕了自重，而且降低了工程造價。從不同橋面鋪裝層的全壽命周期成本分析可知，環(huán)氧瀝青鋪裝層的后期維修成本遠低于其他鋪裝材料，具有良好的社會效益。同時，隨著國內(nèi)環(huán)氧瀝青鋪裝技術(shù)的發(fā)展和大規(guī)模的推廣應用，環(huán)氧瀝青鋪裝層的工程造價將會大大降低。

3 環(huán)氧瀝青混凝土的特點及存在的問題

環(huán)氧瀝青混凝土屬于熱固性材料，其固化后已不是一般意義上的混凝土，在夏季炎熱季節(jié)瀝青混凝土不會有多余的瀝青滲出，有著其他鋪裝材料無法比擬的優(yōu)點和良好的抗變形能力，高溫穩(wěn)定性較其他鋪裝材料的要好得多，在夏季炎熱季節(jié)不易產(chǎn)生車轍、壅包等病害。

但是，環(huán)氧瀝青混凝土剛度過大，彈性模量過高，柔性較差，導致其在外界荷載和溫度應力的作用下不能很好的協(xié)調(diào)鋼橋面板的變形。在外界環(huán)境溫度急劇降低時，環(huán)氧瀝青混凝土內(nèi)部會產(chǎn)生較大的溫度應力，導致低溫開裂。同時，由于橋面鋼板的模量比環(huán)氧瀝青混凝土小得多，在外界荷載作用下鋪裝層與橋面鋼板的變形無法協(xié)調(diào)一致。當橋面板在荷載作用下產(chǎn)生的變形很大時，環(huán)氧瀝青混凝土很容易因開裂或粘結(jié)層失效而導致破壞。

因此，環(huán)氧瀝青混凝土作為鋼橋面鋪裝材料，除了高溫性能、抗疲勞性能、耐老化性能和防腐性能外，還需考慮如何改善、提高環(huán)氧瀝青混凝土的柔韌性，進而從根本上解決環(huán)氧瀝青混凝土易出現(xiàn)低溫開裂病害的難題。

4 結(jié)語

通過研究幾種典型的鋼橋面鋪裝方案，分析鋼橋面鋪裝層的主要病害及其成因，基于病害控制的目的提出環(huán)氧瀝青混凝土柔韌性的技術(shù)要求，主要結(jié)論如下:

1)介紹了國內(nèi)典型橋面鋪裝方案的特點及其主要病害，并從材料性能、施工工藝和工程造價等方面進行對比分析，發(fā)現(xiàn)環(huán)氧瀝青混凝土具有優(yōu)良的力學性能及良好的經(jīng)濟社會效益，是作為鋼橋面鋪裝材料的較佳選擇。2)通過分析環(huán)氧瀝青混凝土鋼橋面鋪裝的特點及其在應用中存在的問題，發(fā)現(xiàn)要想從源頭上提高環(huán)氧瀝青鋼橋面鋪裝層的使用效果，需要降低環(huán)氧瀝青混凝土的模量，改善其柔性性能和變形能力，從而可以更好地協(xié)調(diào)橋面鋼板的變形。

［1］盧 輝，胡玲玲.幾種典型鋼橋面鋪裝技術(shù)的對比［J］.科學技術(shù)與工程，2009，9(19)：5234-5237.

［2］李 智，錢振東.典型鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)的病害分類分析［J］.交通運輸工程與信息學報，2006，4(2)：110-115.

［3］郭偉堅.改性瀝青SMA在鋼橋面鋪裝工程的應用［J］.廣東交通科技，2002(1)：24-27.

［4］李宇峙，吳國平，邵臘庚.環(huán)氧瀝青混凝土材料在鋼橋面鋪裝中的應用［J］.中南公路工程，2005，30(3)：168-170.