熱拌環(huán)氧瀝青混凝土在荊岳大橋鋼橋面養(yǎng)護(hù)工程中的應(yīng)用

儲昭勝，周則程，安 健，關(guān) 鍵，黃紹龍

(1.湖北交投智能檢測股份有限公司,武漢 430051；2.湖北省交通運(yùn)輸廳隨岳高速公路管理處第三養(yǎng)護(hù)管理站，荊州 433332；3.湖北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430062)

隨著國內(nèi)交通規(guī)模不斷擴(kuò)大，建設(shè)的大跨徑橋梁數(shù)量也逐漸增多，因鋼橋面自身受力情況復(fù)雜，在重載、環(huán)境因素作用下易發(fā)生裂縫車轍等病害，從而嚴(yán)重影響其壽命及功能性，所以鋼橋面鋪裝養(yǎng)護(hù)技術(shù)變得愈發(fā)重要[1]。鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)主要有SMA、澆筑式瀝青混凝土和環(huán)氧瀝青混凝土。其中SMA是較常見的混合料，其熱穩(wěn)定性優(yōu)良，耐磨抗滑，但粘結(jié)性能較差，易出現(xiàn)推移擁包[2]。澆筑式混凝土，油石比高，在高溫下能自重流平，無需碾壓，其防水、抗變形、抗疲勞性能優(yōu)異，唯一缺陷是高溫穩(wěn)定性不足，工程常采用高粘SMA+澆筑式雙層結(jié)構(gòu)來提高動穩(wěn)定度[3]。環(huán)氧瀝青混凝土的防水、抗變形、高溫穩(wěn)定性綜合性能佳，但抗裂性能一般，造價偏高。其可分為美國代表的溫拌環(huán)氧瀝青混凝土(WEA)和日本為代表的熱拌環(huán)氧瀝青混凝土(HEA)[4]。目前還比較熱門的是針對小跨徑薄鋼板橋面養(yǎng)護(hù)，可在鋼板上鋪筑一層超高性能混凝土(UHPC)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固，可避免瀝青鋪裝層與鋼板間的推移[5]。

1 工程概況

1.1 荊岳大橋簡介

荊岳長江大橋(K529+595～K535+014)長5.42 km，為雙塔鋼箱梁斜拉橋，位于湖北、湖南兩省的長江交界處。因韌性好、強(qiáng)度高、高低溫性能優(yōu)異、施工溫度低、環(huán)保節(jié)能、建設(shè)時期鋪裝體系選用溫拌環(huán)氧瀝青混凝土，于2010年12月9日通車。

1.2 病害概述及原因分析

荊岳長江大橋部分鋼橋面出現(xiàn)連片坑槽、裂縫病害如圖1所示。其主要原因有以下3點：

1)該橋通車后超重載現(xiàn)象日益嚴(yán)重，在溫度載荷及風(fēng)載的多重作用下，正交異性鋼橋發(fā)生復(fù)雜變形，鋪裝層表面產(chǎn)生反復(fù)的局部應(yīng)力集中和彎曲變形是導(dǎo)致其出現(xiàn)開裂的重要原因。

2)荊岳大橋橋面建設(shè)時鋪裝結(jié)構(gòu)層為溫拌環(huán)氧瀝青混凝土，粘接層亦為美國溫拌環(huán)氧，其固化養(yǎng)生溫度為110～120 ℃，固化時間 30～40 d，鋪筑時僅與面層混合料粘結(jié)一起，與鋼橋面固化條件達(dá)不到要求，反應(yīng)不完全，導(dǎo)致層間粘結(jié)力不足，無法形成獨立的防水粘結(jié)層狀體系，路表水分容易深入鋼板表面引發(fā)層間脫空、鋪裝層鼓包等問題。

3)目前環(huán)氧瀝青混凝土鋼橋面裂縫、坑槽病害維修難度較大，常規(guī)的瀝青類灌縫、修補(bǔ)材料與環(huán)氧瀝青混凝土的粘結(jié)性較差，修補(bǔ)后在重載車輛作用下，在較短時間內(nèi)容易再次發(fā)生開裂，同時導(dǎo)致裂縫周邊環(huán)氧瀝青混凝土的崩解與剝落，雨水下滲、鋼板銹蝕后產(chǎn)生更嚴(yán)重的連片坑槽病害。

1.3 養(yǎng)護(hù)設(shè)計

1.3.1 養(yǎng)護(hù)材料要求

針對荊岳大橋已出現(xiàn)的病害，選擇一種合適的養(yǎng)護(hù)鋪裝材料，其應(yīng)具有以下幾種特點：

1)應(yīng)具備良好的疲勞抗開裂性能以承受反復(fù)復(fù)雜變形；

2)應(yīng)具備優(yōu)良高溫穩(wěn)定性能,以滿足高達(dá)70 ℃的高溫使用條件要求；

3)很好的致密性和完善的防排水體系，以保證鋼板不被侵蝕；

4)良好的層間結(jié)合,保證鋪裝與橋面板的協(xié)同作用；

5)對鋼板變形良好的追從性,以適應(yīng)鋼板變形；

6)良好的平整度與抗滑性能。

由材料本身性能及工程經(jīng)驗，環(huán)氧瀝青混凝土符合養(yǎng)護(hù)材料的要求。

1.3.2 環(huán)氧瀝青的選擇

從不同方面分析熱拌環(huán)氧與溫拌環(huán)氧瀝青的差異，如表1所示。

從表1可知，熱拌環(huán)氧瀝青首先在材料方面對水不敏感，并且在高溫攤鋪過程中水分能夠蒸發(fā)完全，而溫拌環(huán)氧固化劑為酸酐類，對水非常敏感，并且攤鋪溫度在115 ℃左右，水分不能完全蒸發(fā)，因空隙率很低，如有水分積留則容易產(chǎn)生鼓包，故要求溫拌環(huán)氧瀝青骨料必須嚴(yán)格干燥。從拌和及施工設(shè)備上，熱拌環(huán)氧要求低于溫拌環(huán)氧，并且施工可操作時間長，封閉范圍小，養(yǎng)生時間短，早期強(qiáng)度高能夠達(dá)到盡早開放交通需求。

表1 熱拌環(huán)氧瀝青與溫拌環(huán)氧瀝青的對比分析表

對于養(yǎng)護(hù)而言，在材料性能滿足的情況下，盡可能施工便捷、對交通影響小、能夠迅速開放交通。綜合分析兩種環(huán)氧瀝青，宜選擇熱拌環(huán)氧瀝青混凝土作為本次養(yǎng)護(hù)材料。

2 目標(biāo)配合比設(shè)計

2.1 原材料

1)環(huán)氧結(jié)合料、粘層油：日本株式會社近代化成公司，環(huán)氧結(jié)合料KD-BEP，主劑與固化劑按照56∶44混合；粘層油按照A∶B=1∶1混合。

2)富鋅漆：老人牌，主劑∶固化劑=12∶3混合。

3)70#基質(zhì)瀝青：中海瀝青廠提供。

4)集料，礦粉：京山某石材廠。

2.2 礦料組成設(shè)計

利用粗細(xì)集料及礦粉設(shè)計EA-10環(huán)氧瀝青混凝土目標(biāo)配合比，其礦料配比、合成級配如表2、圖2所示。

表2 EA-10環(huán)氧瀝青混凝土礦料配比

2.3 油石比確定

按環(huán)氧瀝青混合料設(shè)計文件對油石比5.5%、6.0%、6.5%、7.0%、7.5%進(jìn)行馬歇爾試驗，根據(jù)環(huán)氧瀝青混合料配合比設(shè)計要求及相關(guān)工程經(jīng)驗，最終確定最佳油石比為6.4%。

2.4 目標(biāo)配合比驗證

根據(jù)設(shè)計的級配及最佳油石比6.4%，進(jìn)行混合料試驗，其試驗結(jié)果詳見表3。

表3 目標(biāo)配合比下的馬歇爾試件性能

由以上試驗結(jié)果可知，所設(shè)計的EA-10環(huán)氧瀝青混合料高溫性能好，車轍次數(shù)可達(dá)到14 000以上，抗水損能力強(qiáng)，殘留穩(wěn)定度達(dá)到99.2%，各項性能符合設(shè)計要求。

3 施工工藝

3.1 前期準(zhǔn)備

按要求對荊岳大橋維修路段進(jìn)行破除，噴砂除銹后進(jìn)行環(huán)氧富鋅防銹層施工，隨后涂布粘層油，待其硬化后準(zhǔn)備環(huán)氧瀝青混合料攤鋪。

3.2 混合料拌和

在拌合站進(jìn)行環(huán)氧瀝青混合料拌和，其操作流程如圖3所示，與傳統(tǒng)熱拌瀝青不同在于膠結(jié)料，其將環(huán)氧主劑與固化劑按照56∶44混合后與基質(zhì)瀝青再按照1∶1同時投入進(jìn)行拌和出料。注意出料溫度應(yīng)在170～185 ℃之間，取部分料在拌合站實驗室成型馬歇爾試件，如圖4所示。

3.3 混合料運(yùn)輸

因日本環(huán)氧為熱拌環(huán)氧，攤鋪溫度在165 ℃以上，為了防止裝料車?yán)锏幕旌狭系臏囟冉档停w一層帆布來提高保溫效果，并且注意混合料不要有局部露在外面。混合料在拌和的同時進(jìn)行固化反應(yīng)，所以混合料運(yùn)輸要控制在1 h以內(nèi)，運(yùn)輸車進(jìn)入攤鋪現(xiàn)場前，人工使用吹風(fēng)機(jī)和拖把對輪胎進(jìn)行清潔，避免污染物進(jìn)入作業(yè)面[6]。

3.4 混合料攤鋪及碾壓

環(huán)氧瀝青混合料攤鋪操作時間應(yīng)控制在2 h之內(nèi)，事先預(yù)熱攤鋪機(jī)，等混合料運(yùn)到現(xiàn)場后及時攤鋪，混合料溫度低于160 ℃以下或者惡劣天氣情況下應(yīng)停止攤鋪。由于混合料攤鋪的厚度較薄，空氣和橋板很快吸收混合料的熱量，造成混合料溫度下降較快，所以攤鋪后盡快進(jìn)行初碾壓。同樣，二次碾壓和終壓也要及時進(jìn)行。碾壓應(yīng)緊跟攤鋪機(jī)，碾壓過程按初壓、復(fù)壓、終壓三個階段進(jìn)行。碾壓時壓路機(jī)驅(qū)動輪面向攤鋪機(jī)，由低到高，依次連續(xù)均勻碾壓，相鄰碾壓帶重疊 1/3 輪寬，碾壓過程中壓路機(jī)不得在鋪裝層上轉(zhuǎn)向、調(diào)頭，壓路機(jī)起動、停止必須減速緩行，不準(zhǔn)緊急剎車制動[7]。為了達(dá)到邊部壓實目的，提出加護(hù)邊坡措施。

3.5 橋面接縫處理及養(yǎng)生

環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝上、下層橫縫施工縫均采用90°直接縫。鋪裝層下層切縫深度控制在1.5 cm 左右，以防止破壞橋面涂刷層，上層切縫深度控制在2.0 cm左右，防止切穿下面結(jié)構(gòu)層。切縫后，將鋪裝多余的部分撬走清除干凈，并涂刷粘結(jié)層。環(huán)氧瀝青混合料是隨樹脂的固化反應(yīng)而強(qiáng)度增加。當(dāng)固化反應(yīng)不足的鋪裝初期，為了防止重載車對鋪面的破壞，要進(jìn)行封閉交通來對路面進(jìn)行養(yǎng)生[8]。

4 評估檢測

攤鋪完成后，對拌合站取料成型的試件進(jìn)行穩(wěn)定度檢測，并對荊岳大橋鋼橋面鋪裝養(yǎng)護(hù)段從平整度、抗滑性能、抗?jié)B性能三方面考察熱拌環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝效果。

4.1 未固化試件穩(wěn)定度

馬歇爾試件測試其未完全固化不同時間下的穩(wěn)定度，為早期開放交通時間提供參考。其結(jié)果如表4所示。

表4 未固化前不同養(yǎng)護(hù)時間下熱拌環(huán)氧瀝青混凝土的穩(wěn)定度

從表4可知，熱拌環(huán)氧瀝青混凝土擊實后3 h強(qiáng)度為7.16 kN,1 d強(qiáng)度可以達(dá)到20.9 kN，已初步達(dá)到通車要求，3 d就已經(jīng)完全固化(≥40 kN)。熱拌環(huán)氧瀝青混凝土碾壓后能夠快速固化，可迅速達(dá)到開放交通，減少封閉交通帶來的影響，這也是維修設(shè)計時選擇熱拌環(huán)氧瀝青作為養(yǎng)護(hù)材料的重要原因之一。

4.2 平整度、抗滑及抗?jié)B性能

平整度是瀝青路面重要指標(biāo)，影響車輛的行駛舒適性，根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)，采用3 m直尺法對養(yǎng)護(hù)路段平整度進(jìn)行檢測；瀝青路面的抗滑性能對道路行車安全性有較大影響，根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTGF40—2004)，采用擺式摩擦系數(shù)測定儀對養(yǎng)護(hù)段路面構(gòu)造深度、抗滑擺值進(jìn)行檢測；路面的防水性能優(yōu)異可有效減少出現(xiàn)坑槽等水損害，根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)，對養(yǎng)護(hù)段滲水系數(shù)進(jìn)行檢測。綜合檢測結(jié)果如表5所示。

表5 熱拌環(huán)氧瀝青混凝土養(yǎng)護(hù)路段檢測結(jié)果

由表5可以看出，環(huán)氧瀝青養(yǎng)護(hù)路段平整度檢測值均在0.8 mm左右，同時路面構(gòu)造深度均大于0.6 mm、抗滑擺值檢測平均值為47，滿足高速公路、一級公路的要求，具有良好的抗滑性能。滲水系數(shù)檢測平均值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于規(guī)范要求值，具有良好的抗?jié)B能力。

5 結(jié) 論

a.荊岳長江大橋通車9年來，由于自身正交異性鋼橋面受力不均勻、防水粘結(jié)層存在缺陷、重載交通及環(huán)境因素多重作用，已出現(xiàn)連片裂縫、坑槽病害，從材料特點及施工工藝對比分析，較溫拌環(huán)氧瀝青而言，熱拌環(huán)氧瀝青混凝土適宜作為該橋面鋪裝養(yǎng)護(hù)材料。

b.EA-10熱拌環(huán)氧瀝青混合料最佳油石比為6.4%，其高溫性能優(yōu)異，車轍次數(shù)可達(dá)到14 000以上，抗水損能力強(qiáng)，殘留穩(wěn)定度達(dá)到99.2%。

c.熱拌環(huán)氧混凝土施工工藝主要包括前期準(zhǔn)備、混合料拌和、運(yùn)輸、攤鋪、碾壓、接縫處理及養(yǎng)生。

d.熱拌環(huán)氧混凝土養(yǎng)生時間短，早期強(qiáng)度高，3 d即可開放交通。從路面平整度、抗滑擺值和滲水系數(shù)對養(yǎng)護(hù)段進(jìn)行檢測，結(jié)果表明，養(yǎng)護(hù)段路面平整度好、抗滑、防水抗?jié)B能力強(qiáng)，熱拌環(huán)氧瀝青混凝土在荊岳大橋的工程應(yīng)用為鋼箱梁橋面的養(yǎng)護(hù)提供了較好的指導(dǎo)作用。