鋼橋面鋪裝坑槽病害快速修復材料性能試驗研究

黃健華 萬建軍 周橙琪

(1.江蘇省崇啟大橋管理處 南通 226255；2.江蘇中路工程技術研究院有限公司 南京 211806)

環氧瀝青鋪裝技術在20世紀50年代后期由殼牌石油公司開發，最早應用于機場跑道上作罩面，以提高跑道的抗沖擊性和耐久性。1967年，San Mateo-Hayward鋼桁架橋面鋪裝首次應用了環氧瀝青混凝土技術，隨后在美國、加拿大、荷蘭、澳大利亞和中國等國家得到大范圍應用[1-4]。國外由于使用條件，尤其是荷載條件相對較好，其鋪裝使用年限相對較長。環氧瀝青在北美等地區及國家也能達到20年以上無大中修使用壽命。較之國外，國內鋼橋面鋪裝由于高溫重載等惡劣的使用條件，使用壽命大幅衰減，過早出現疲勞損壞，有的甚至在通車幾個月后就開始出現裂縫、坑槽、鼓包等結構性病害，不得不提前進行集中維修[5-6]。

目前國內對鋼橋面鋪裝養護技術的系統研究和工程實踐還很有限，缺少科學的養護手段和養護材料[7]。尤其是橋梁多處于公路交通的要塞位置，交通量大、重載比例高，傳統瀝青路面養護材料技術具有明顯的局限性，采用瀝青類灌縫材料、乳化瀝青冷補料等進行病害修復，雖然方便、便宜，但使用壽命較短，起不到較好的養護效果，反而會對鋪裝整體耐久性產生不利影響，最終過早引起大中修，造成養護資金不當消耗。采用進口修補材料進行修復，價格極為昂貴，效果也不是十分理想。

隨著國內對鋼橋面鋪裝技術的不斷深入研究，開發了一批具有自主知識產權的鋼橋面鋪裝冷拌樹脂養護材料，并形成了相應的機械化施工工藝，包括小修保養、預防性養護，以及大中修等技術[8-10]。冷拌樹脂采用冷拌冷鋪工藝，施工方便，養生時間較短，在國內一些大跨徑纜索承重橋梁鋼橋面鋪裝養護工程中已經得到推廣應用，比如，潤揚長江大橋、南京長江三橋、陽邏長江大橋、荊岳長江大橋、崇啟長江大橋、鄂東長江大橋等。

本研究針對鋼橋面鋪裝養護中鋪裝層二次開裂、養護時間較長、施工縫開裂滲水等諸多問題，研發了一種高性能鋪裝修復材料，可實現鋼橋面鋪裝坑槽病害的高質量快速修補。高韌樹脂混合料采用冷拌工藝，攤鋪當日即可開放交通，既能保證鋪裝層修補質量，又可緩解交通封閉帶來的通行壓力。

1 高韌樹脂膠結料及其混合料組成設計

1.1 高韌樹脂材料性能

膠結料采用常溫拌合型高韌樹脂，高韌樹脂的相關性能如下。

1.1.1膠結料拉伸性能

參照GB/T 16777-2008《建筑防水涂料試驗方法》中的拉伸試驗對高韌樹脂膠結料的拉伸性能進行研究[11]。將固化后的啞鈴形試件放置于23 ℃溫度下，恒溫不少于3 h后進行試驗，試件兩端夾在拉力試驗機上，夾具以50 mm/min的速度勻速分離，直至試件斷裂，計算試件斷裂時的拉伸強度和斷裂延伸率，并與美國環氧瀝青和日本環氧瀝青進行了對比，結果見表1。

表1 環氧膠結料拉伸試驗結果

由表1可見，高韌樹脂膠結料23 ℃拉伸強度為3.7 MPa，斷裂延伸率接近400%，具備良好的變形能力。

1.1.2膠結料黏度-時間曲線

采用黏度-時間曲線定量評估高韌樹脂膠結料黏度隨固化時間的變化歷程，高韌樹脂的黏度-時間曲線見圖1。在高韌樹脂膠結料拌和后的100 min內，其黏度隨固化時間的延長而緩慢增加；當固化時間超過100 min后，其黏度隨固化時間增大而迅速增大。

圖1 高韌樹脂黏度-時間曲線

1.2 混合料組成設計

1.2.1級配設計

集料采用玄武巖，填料采用石灰巖礦粉，高韌樹脂混合料的礦料級配設計見表2，礦料級配曲線見圖2。

表2 級配要求及合成級配

圖2 合成級配曲線圖

1.2.2最佳油石比

根據擬定級配進行了多種油石比下高韌樹脂混合料試件成型，并最終優選了最佳油石比8.5%。相比環氧瀝青混合料通常采用的6.5%油石比，小修保養材料選定更高膠結料的用量，優點如下。

1) 可以提高現場施工和易性，在不具備大型拌和、碾壓設備的條件下，提高混合料施工性能，尤其是可壓實性。

2) 采用更高的油石比，可以進一步提升混合料的變形能力、降低孔隙率，進而提升疲勞性能和防水性能，提高鋪裝層小修保養耐久性。

2 高韌樹脂混合料性能研究

2.1 施工和易性

為模擬施工現場高韌樹脂膠結料所拌制混合料的可施工時間，在實驗室通過不同容留時間后馬歇爾試件的空隙率來評價，試驗結果見圖3。

圖3 高韌樹脂混合料可施工時間

由圖可3見，隨著容留時間的延長，高韌樹脂開始出現固化，空隙率呈現隨容留時間延長而升高的趨勢。當所拌制混合料的容留時間小于2.7 h時，其空隙率均小于3%，滿足設計要求。因此，高韌樹脂混合料的可施工時間應控制在2.7 h內。

2.2 強度特性

混合料空隙率參數控制在2%左右，具有良好的密水及防水性能。不同混合料的馬歇爾穩定度試驗結果見表3，高韌樹脂混合料60 ℃馬歇爾穩定度達到68 kN左右，空隙率1.60%，均滿足鋼橋面鋪裝使用要求，其強度與日本環氧瀝青強度相當，高出美國環氧瀝青強度。

表3 混合料溫度測試

環氧瀝青混合料的強度增長規律不同于普通瀝青混合料及其他改性瀝青混合料，其強度變化規律隨時間、溫度的變化而不斷改變。為模擬夏季高溫養生條件下環氧瀝青混合料的強度增長規律，采用相同級配及各類型環氧瀝青混合料相應的最佳油石比，在相同容留時間下成型馬歇爾試件，并在60 ℃溫度下養生12，24，48，96 h后測試馬歇爾穩定度和流值，研究各類型環氧混合料強度的增長規律，見圖4。

圖4 不同環氧類混合料60 ℃養生下強度增長規律

由圖4可見，高韌樹脂混合料前期強度大幅提升，后期趨于平緩，96 h最終強度達70.1 kN，明顯高于美國環氧瀝青混合料，接近日本環氧瀝青混合料。高韌樹脂采用的是多胺固化劑，在常溫下就能打開環氧樹脂的環氧基，一段時間內便可實現凝膠固化，在高溫養生24 h后，高韌樹脂混合料馬歇爾穩定度已高達69.2 kN，分別是同養生期內美國環氧瀝青混合料和日本環氧瀝青混合料強度的4.2倍和1.4倍，在具有快速開放交通需求時優勢明顯。

2.3 路用性能

2.3.1高溫穩定性與低溫抗裂性

通過高溫車轍試驗和低溫小梁彎曲試驗分別對高韌樹脂混合料的高溫穩定性和低溫抗裂性進行研究，試驗結果見表4。

表4 混合料高溫、低溫性能

由表4可見，高韌樹脂材料是熱固性材料，相比一般瀝青材料，對溫度不敏感，高溫條件下仍具有較高的高溫穩定性，其70 ℃動穩定度大于10 000 次/mm。

為了提高修復鋪裝的疲勞性能，通過提高混合料變性能力來延長疲勞壽命，開發的高韌樹脂混合料低溫極限破壞應變高達6 500×10-6以上，相比普通瀝青材料3 000×10-6(左右)高出1～2倍。

2.3.2水穩定性

采用浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗對高韌樹脂混合料的水穩定性進行研究，試驗結果見表5。由于空隙率較低，水很難滲入混合料內部，高韌樹脂混合料表現出了良好的水穩定性，其殘留馬歇爾穩定度MS達到88.5%，凍融劈裂強度比TSR為91.9%。

表5 混合料水穩定性 %

2.3.3疲勞性能

采用四點彎曲疲勞試驗對高韌樹脂混合料的疲勞耐久性進行研究[12]，試驗溫度為15 ℃，加載頻率為10 Hz，試驗結果見表6。

表6 高韌樹脂混合料四點彎曲疲勞試驗結果

由表6可見，當加載應變水平為400×10-6時，常溫拌合型高韌樹脂混合料加載次數100萬次，模量僅下降至99%，小應變下幾乎不發生疲勞破壞，累積耗散能826.193 MJ/m3；當加載應變水平為800×10-6時，常溫拌合型高韌樹脂混合料加載次數100萬次，模量下降至83%，累積耗散能3 221.602 MJ/m3；當加載應變水平為1 200×10-6時，常溫拌合型高韌樹脂混合料模量下降至50%，加載次數481 730次，累積耗散能4 211.046 MJ/m3。

高韌樹脂混合料在不同加載應變水平下的模量衰減曲線見圖5。

圖5 高韌樹脂混合料模量衰減曲線

由圖5可見，在小應變水平下，隨著加載次數的增加，高韌樹脂混合料的模量幾乎無衰減，疲勞壽命區域無窮大。在800×10-6應變水平下，高韌樹脂的模量曲線在下降一段后趨于平緩，在1 200×10-6應變水平下，模量下降較為明顯，疲勞壽命也隨之降低。

2.4 復合結構耐久性

采用三點加載復合梁疲勞試驗對復合結構試件的疲勞耐久性進行研究，最大荷載取3.8 kN，試驗的接觸壓力取為最大荷載的1/10。復合結構成型步驟為：鋼板噴砂除銹→撒布RBChip環氧樹脂碎石防水黏結層→涂抹RM樹脂黏層→成型高韌樹脂混凝土鋪裝層(30 mm)。

疲勞試驗結果見表7，動荷載在3.8 kN條件下，復合件的動撓度為0.2 mm左右，試驗加載了1 200萬次以上，試件未發生脫離和開裂等形式的破壞，說明RBChip環氧樹脂碎石防水黏結層+高韌樹脂混合料的鋪裝結構有良好的抗疲勞開裂性能，加載1 200萬次不破壞。

表7 帶鋼板復合件疲勞試驗結果

3 工程應用

在崇啟大橋主橋鋼橋面環氧瀝青鋪裝坑槽病害的處治過程中，采用高韌樹脂混凝土鋪裝方案進行了病害處治。通過后期的跟蹤觀測發現，經冷拌高韌樹脂混凝土修補后，各坑補位置鋪裝服役狀況良好。

4 結論

本文研發了一種高性能的鋼橋面鋪裝坑槽修復材料，并對其材料性能進行了相關試驗研究，主要研究結論如下。

1) 通過拉伸試驗發現，高韌樹脂膠結料23 ℃拉伸強度為3.7 MPa，斷裂延伸率接近400%，具備良好的變形能力；高韌樹脂膠結料拌和100 min后，其黏度隨固化時間增大而迅速增大。

2) 通過對高韌樹脂混合料強度特征的研究發現，高韌樹脂混合料前期強度增長較快，在60 ℃養生24 h后，高韌樹脂混合料馬歇爾穩定度已高達69.2 kN，分別是同養生期內美國環氧瀝青混合料和日本環氧瀝青混合料強度的4.2倍和1.4倍，快速開放交通優勢明顯。

3) 通過高溫車轍試驗發現，高韌樹脂混合料的70 ℃動穩定度大于10 000 次/mm，具備良好的高溫穩定性；通過低溫小梁彎曲試驗發現，高韌樹脂混合料的低溫極限破壞應變高達6 500×10-6以上，相比普通瀝青材料(3 000×10-6)左右高出1～2倍；通過浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗發現，高韌樹脂混合料的浸水殘留穩定度和TSR值分別為88.5%和91.9%，表現出良好的水穩定性；通過對高韌樹脂混合料在不同加載應變水平下的疲勞壽命研究發現，400×10-6，800×10-6應變水平條件下，疲勞加載次數均超過100萬次；1 200×10-6應變水平條件下，疲勞加載次數為481 730次。

4) RBChip環氧樹脂碎石防水黏結層+高韌樹脂混合料的鋪裝結構有良好的抗疲勞開裂性能，加載1 200萬次不破壞。