寒區鋼橋面瀝青混凝土鋪裝方案探討

李夢琪

(遼寧省交通規劃設計院有限責任公司 沈陽市 110166)

隨著交通運輸行業的發展，我國開始逐漸使用跨越長度大、重量輕、施工較為簡單的鋼箱梁橋[1]。但由于鋼箱梁自身結構較為復雜、柔度較大、在車輛荷載作用下產生的振動較大，同時由于我國對鋼橋面瀝青混凝土鋪裝的研究不夠深入，因此部分橋面鋪裝層在使用不久后即出現病害，影響鋼橋的安全性和舒適性。

近年來，根據我國的氣候特點，許多研究者對鋼橋面瀝青混凝土鋪裝的鋪裝結構、路用性能等方面進行了系統的研究。但對于寒冷地區，由于氣候條件特殊，其鋼橋面瀝青混凝土鋪裝結構既要滿足鋼橋面的受力特點，還要能夠適應寒冷的環境，使瀝青混凝土鋪裝層滿足使用性能要求。

1 鋼橋面瀝青混凝土鋪裝層受力特性

鋼橋面瀝青混凝土鋪裝層是作用在鋼板上的結構層，直接承受車輛荷載的作用，與鋼板形成統一的整體。但是，現階段我國對于鋼橋瀝青混凝土鋪裝層的結構設計只給定了厚度建議值，沒有明確的驗算過程。另外，鋼橋面瀝青混凝土鋪裝層在橋梁結構設計時一般不做專門的分析計算[2]。實際上，鋼橋面瀝青混凝土鋪裝層的受力特性比普通瀝青混凝土路面更加復雜，其受力特性主要表現為：

(1)在車輛荷載的作用下，鋼橋面瀝青混凝土鋪裝層隨鋼橋上下振動，由于橫縱向肋的補強，使得瀝青鋪裝層表面的某些位置會產生較大的拉應力。

(2)由于鋼橋的跨徑和柔度較大，使得兩跨間的振動位移和變形較大，其受力狀態受到嚴重影響。

(3)鋼橋與瀝青混凝土鋪裝層模量相差很大，使得在車輛荷載和環境變化下，容易產生較大的層間剪應力。

2 鋼橋面瀝青混凝土鋪裝層破壞形式

通過閱讀大量文獻可知，鋼橋面瀝青混凝土鋪裝層破壞形式較多，但縱橫向裂縫、脫層推移、車轍變形和坑槽等是主要的病害形式，對于寒冷地區還容易出現低溫開裂病害，造成這些病害的原因為如下幾方面：

(1)鋼橋面板設置了大量加勁部位，在車輛及溫度等因素的共同作用下，會使加勁部位上方形成高應力區，產生負彎矩。因此，當瀝青混凝土鋪裝層表面的最大應力大于瀝青鋪裝材料相應的容許應力時，這些位置處的鋪裝層表面會出現疲勞裂縫。

(2)防水粘結層作為鋼橋面板與瀝青混凝土鋪裝層之間的粘結層，其作用是使兩者能夠共同受力。但在車輛荷載及溫度等因素的共同作用下，鋼橋面板會與瀝青混凝土鋪裝層之間產生較大的剪切力，當兩者的粘結作用較差或達到極限剪切強度時，兩者之間會產生滑移，導致粘結層失效脫層。當表面水進入層間，在車輛荷載的作用下，會進一步產生坑槽等病害。

(3)由于鋼板的導熱系數較大，在炎熱的夏天其傳導到瀝青混凝土鋪裝層的熱量較多，降低瀝青混凝土鋪裝層的勁度模量，在車輛荷載的作用下，形成車轍變形。

(4)在我國北方寒冷地區，冬季寒冷干燥，在低溫作用下鋼橋面板的溫縮系數與瀝青混凝土鋪裝層不同，鋪裝層與鋼箱梁的溫度變形不協調，內部會產生溫度應力，進而引起低溫開裂。

因此，鋼橋面瀝青混凝土鋪裝層必須能與鋼橋面板緊密連接形成整體，并且兩者之間要具備良好的協同變形能力，同時應具有較好的高溫穩定性、低溫抗裂性和抗疲勞特性。另外，瀝青混凝土鋪裝層應具有良好的防水性，保證表面水不進入內部結構產生破壞。

3 寒區鋼橋面瀝青混凝土鋪裝層結構方案

目前，國內外較常見的鋼橋面瀝青混凝土鋪裝層結構為雙層鋪裝體系，其中分為雙層同質與雙層異質兩種結構類型。對于雙層同質鋼橋面瀝青混凝土鋪裝結構來說，其常用的典型代表為雙層SMA與雙層環氧結構；而雙層異質鋼橋面瀝青混凝土鋪裝結構，其主要類型有“下層澆注+上層環氧”、“下層環氧+上層SMA”、“下層澆注+上層SMA”等結構。

對于我國北方寒冷地區來說，橋面鋪裝的防水粘結體系尤為重要，其一旦遭到破壞，會導致路面水進入內部結構，經過多次的凍融循環后會引起瀝青混凝土鋪裝層強度的降低，產生松散坑槽等病害。同時在寒冷地區為了減少除雪劑中的氯離子對瀝青混凝土鋪裝層和鋼橋面造成腐蝕，應提高瀝青混凝土鋪裝層的耐腐蝕性。

我國國內針對寒區鋼橋面瀝青混凝土鋪裝，提出了ERS樹脂瀝青組合鋪裝體系，其典型結構為EBCL防水粘結層+RA05樹脂瀝青混凝土層+SMA瀝青瑪蹄脂碎石層。

其中，表面層主要承受拉應力，并且需承受剪應力的影響。SMA作為一種以瀝青為膠結料，并與少量細集料、纖維及較多礦粉組成的瀝青瑪蹄脂碎石混合料，具有良好的路用性能，將其作為鋼橋面瀝青混凝土鋪裝體系的表面層，可以滿足抗裂、抗車轍、水損害等路用性能要求，同時可為鋼橋面鋪裝提供良好的行車舒適性。

下面層主要承受剪應力，并受拉應力影響。RA05樹脂瀝青混凝土為冷拌瀝青混合料，其承載能力高、耐高低溫性能好、不透水，并且具有較好的施工和易性。同時RA05層可以與上下層之間形成良好的粘結，為鋼板提供保護。

防水粘結層作為鋪裝層與鋼板的連接層，其不僅要有較好的防水性能和粘結特性，還需要能夠承受較大的剪應力。而EBCL防水粘結層不僅具有高強度，隨從變形性、耐久性、耐腐蝕性等優點，而且通過在光滑的鋼板上粘結碎石來形成致密的防水抗滑層，可以約束鋪裝層不產生水平滑動位移，起到抗剪的作用。

后丁香大橋總長度為2830.81m，其中四號橋為連續鋼箱梁橋，跨徑為(48+61+38)m。該橋位于沈陽繞城高速公路上，橋址所在地年平均氣溫在6～9℃之間，年極端最高氣溫38℃，年極端最低氣溫-33℃，年平均降水量500～800mm，具有寒區典型氣候特點。其鋪裝類型為ERS樹脂瀝青組合鋪裝體系，具體鋪裝層結構見圖1所示。

圖1 后丁香大橋ERS鋪裝體系

針對后丁香大橋寒區的氣候特點，其ERS鋼橋面鋪裝材料室內試驗研究主要為以下四方面內容 ：

(1)表面層SMA-13的性能試驗：SMA-13所用瀝青的材料性能以及SMA-13的路用性能試驗。

(2)下面層RA05的性能試驗：RA05所用高粘樹脂瀝青的材料性能以及RA05樹脂瀝青混凝土的路用性能試驗。

(3)防水粘結層EBCL的性能試驗：EBCL材料的施工和易性試驗、強度試驗、可變形性試驗以及耐久性試驗。

(4)鋼橋瀝青混凝土鋪裝層層間剪切性能研究：針對RA05層與鋼板層間、RA05層與SMA13層間剪切性能，研究施工工藝、界面構造形式對層間剪切性能的影響。

4 結論

隨著我國經濟建設的快速發展，在寒冷地區鋼橋將會使用得越來越頻繁，對寒區鋼橋面瀝青混凝土鋪裝方案進行探討，選擇適宜得鋼橋面瀝青混凝土鋪裝材料，對今后的施工具有指導意義。

針對我國寒區鋼橋面瀝青混凝土鋪裝，ERS樹脂瀝青組合鋪裝體系具有強度高、高低溫性能好、層間剪切性能優越、耐腐蝕好等諸多優點，同時EBCL界面防水防腐性能優良，對鋼板的粘結強度高，界面的抗剪功能直觀明確，有針對性地解決了SMA鋪裝層容易滑移破壞的問題，而且EBCL施工簡便，易于控制，施工現場的各項指標檢測也比較簡單和直觀。

ERS的組合方案與環氧瀝青混凝土、澆注式瀝青混凝土相比，造價低廉，且無需專用設備，施工和組織相對簡單。因此，對于寒區鋼橋面瀝青混凝土鋪裝，ERS樹脂瀝青組合鋪裝體系優勢明顯，是今后大力推廣的鋪裝方案。