剛?cè)釓?fù)合型鋪裝坑槽發(fā)展規(guī)律及處治技術(shù)研究

朱瑤之，李 娣

（1.江蘇長路交通工程有限公司，江蘇 南京 211806；2.江蘇中路工程技術(shù)研究院有限公司）

1 引言

國外鋼橋面鋪裝技術(shù)研究和應(yīng)用較早，主要形成了以德國、英國和日本為首的澆注式瀝青鋪裝體系，以及以美國為代表的環(huán)氧鋪裝體系，由于國外交通荷載條件和溫度條件較好，其采用桁架梁結(jié)構(gòu)，鋪裝整體使用狀況較好，可以達(dá)到30年～40年不大修的使用壽命，養(yǎng)護(hù)需求較小，故相應(yīng)的養(yǎng)護(hù)技術(shù)研究及應(yīng)用案例也較少。

國內(nèi)鋼橋面鋪裝技術(shù)研究較晚，主要有早期的雙層SMA、澆注式、雙層環(huán)氧以及新型的UHPC 等典型鋪裝方案。由于高溫、多雨、重載的使用條件，鋪裝使用壽命較國外短很多，早期病害現(xiàn)象突出，一些大橋往往使用了3年～5年就開始出現(xiàn)病害甚至開始大中修。目前國內(nèi)缺乏有效的養(yǎng)護(hù)技術(shù)方案，多以經(jīng)驗性養(yǎng)護(hù)為主，養(yǎng)護(hù)效果參差不齊[1]。

“下層澆注+上層環(huán)氧”剛?cè)釓?fù)合型鋪裝方案屬國內(nèi)首創(chuàng)的鋼橋面鋪裝方案，自2002年以來，先后在凍青橋、江陰大橋及泰州大橋建養(yǎng)工程中得到成功應(yīng)用。凍青橋在省道重載和高溫條件耦合作用下，已運(yùn)營17年，目前整體狀況良好，僅在上層環(huán)氧輪跡帶出現(xiàn)單條縱向裂縫；江陰大橋?qū)崿F(xiàn)了2000 萬次～4000 萬次的超壽命服役；泰州大橋通車近8年，總體狀況良好，局部鋪裝表面逐漸出現(xiàn)微裂紋、鼓包等病害，如圖1 所示。隨著使用年限的推移，剛?cè)釓?fù)合型鋪裝將逐步步入運(yùn)營管養(yǎng)的關(guān)鍵時期，關(guān)乎鋪裝長期服役性能和使用壽命。

圖1 典型病害類型

剛?cè)釓?fù)合型鋪裝結(jié)構(gòu)形式不同于剛性鋪裝（雙層環(huán)氧）和柔性鋪裝（下層澆注+上層改性瀝青），其受力及變形性能溫度敏感性高，鋪裝性能衰變規(guī)律也不同，但目前針對剛?cè)釓?fù)合型鋪裝性能衰變規(guī)律研究甚少，且缺乏相應(yīng)的養(yǎng)護(hù)技術(shù)方案。本文重點(diǎn)對剛?cè)釓?fù)合型鋪裝典型病害發(fā)展模式進(jìn)行分析，其中坑槽病害是鋪裝開裂、鼓包等微損傷在荷載作用下逐步累積，過渡至結(jié)構(gòu)性破損的典型病害。但由于剛?cè)釓?fù)合型鋪裝結(jié)構(gòu)形式的不同，其坑槽發(fā)展模式和修補(bǔ)技術(shù)也應(yīng)區(qū)別于剛性或柔性鋪裝。基于原結(jié)構(gòu)恢復(fù)和快速養(yǎng)護(hù)的理念，根據(jù)坑槽病害發(fā)展模式，提出分層處治技術(shù)和快速修補(bǔ)材料。

2 基于坑槽病害的鋪裝受力特性分析

剛?cè)釓?fù)合型鋪裝溫度敏感性較高，夏季下層澆注明顯變軟，上層環(huán)氧為主要承重層。在高溫、多雨及交通荷載耦合條件下，上層環(huán)氧易開裂或?qū)娱g水汽化易產(chǎn)生鼓包等病害。環(huán)氧為熱固性材料，開裂后裂縫不可自愈合，在雨水侵蝕和行車荷載耦合作用下，裂縫周圍鋪裝將逐漸出現(xiàn)松散，進(jìn)一步發(fā)展為坑槽。此外，層間產(chǎn)生鼓包病害后，鋪裝表面處于受拉狀態(tài)，在行車荷載反作用力下，鋪裝易被壓裂、壓碎，進(jìn)而發(fā)展為坑槽。可見坑槽是上層環(huán)氧出現(xiàn)開裂、鼓包等局部微損傷后，在荷載作用下，病害進(jìn)一步發(fā)展至結(jié)構(gòu)性破環(huán)的必經(jīng)環(huán)節(jié)。剛?cè)釓?fù)合型鋪裝具有其先天結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，下層澆注具有良好的與鋼板協(xié)同變形性能和高溫自愈合性能，因此不易產(chǎn)生開裂、脫層等病害，可以起到良好的防水防銹、保護(hù)鋼板的作用，顯示出一定的長壽命結(jié)構(gòu)特性。因此，本文重點(diǎn)對上層環(huán)氧出現(xiàn)坑槽后的受力特性進(jìn)行模擬分析，為坑槽修補(bǔ)技術(shù)和材料研究提供理論支撐。

2.1 基于上層環(huán)氧坑槽病害的鋪裝受力特性

2.1.1 橋面鋪裝結(jié)構(gòu)模型建立

剛?cè)釓?fù)合型鋼橋面鋪裝有限元計算基本假設(shè)如下[2-5]：①橋面鋪裝各結(jié)構(gòu)層為均勻、連續(xù)、各向同性的連續(xù)彈性體。②各結(jié)構(gòu)層之間完全連續(xù)，橫隔板底部完全固定。

圖2 坑槽病害模擬示意圖

鋪裝層結(jié)構(gòu)由鋼板從下至上依次為35mm 澆注式+25mm 環(huán)氧。忽略粘結(jié)層厚度，采用有限元軟件ABAQUS 中的“tie”模塊模擬層間粘結(jié)關(guān)系。橋面鋪裝結(jié)構(gòu)模型材料參數(shù)見表1[6]。邊界條件為沿行車方向兩端施加橫向（X 方向）及縱向（Z 方向）位移約束，橫隔板底部完全固定。

表1 有限元模型參數(shù)

2.1.2 計算結(jié)果分析

高溫條件下，上層環(huán)氧為主要承重層，相比常溫條件下更易產(chǎn)生開裂等病害，進(jìn)而發(fā)展為坑槽，下層澆注式具有良好的高溫自愈合性能，因此重點(diǎn)模擬高溫季節(jié)鋪裝上層出現(xiàn)坑槽的工況，考慮三種坑槽尺寸0.2m×0.2m、0.5m×0.5m、1.0m×1.0m，坑槽均位于輪載正下方。環(huán)氧鋪裝層高溫模量為1000MPa（70℃）、澆注層高溫模量為50MPa（70℃），荷載考慮超載50%及50%的水平制動力，并以最大拉應(yīng)力、最大豎向壓應(yīng)力為力學(xué)指標(biāo)，如圖3、圖4所示。

圖3 坑槽病害時鋪裝層拉應(yīng)力分布云圖（0.5×0.5m2）

圖4 鋪裝上層出現(xiàn)坑槽后力學(xué)響應(yīng)

計算結(jié)果顯示：

①鋪裝層拉應(yīng)力隨坑槽尺寸增大而增大，當(dāng)坑槽尺寸為0.5×0.5m2時，橫向及縱向拉應(yīng)力分別增大309%、130%。說明鋪裝層在坑槽附近，易發(fā)生受拉開裂，導(dǎo)致坑槽繼續(xù)擴(kuò)展，直至完全失去鋪裝層的功能。

②鋪裝層豎向壓應(yīng)力隨坑槽尺寸增大而增大，當(dāng)坑槽尺寸為0.5×0.5m2時，鋪裝上、下層豎向壓應(yīng)力分別增大452%、153%，此時鋪裝上層環(huán)氧易被壓碎而坑槽繼續(xù)擴(kuò)展，下層澆注式瀝青則易產(chǎn)生車轍。

綜上所述，當(dāng)鋪裝層發(fā)生坑槽病害后，若不及時處理，在行車荷載作用下會導(dǎo)致鋪裝層繼續(xù)產(chǎn)生一系列病害，最終導(dǎo)致鋪裝結(jié)構(gòu)性破壞。

2.2 基于不同坑槽材料的鋪裝受力特性

修補(bǔ)材料的選擇直接影響著坑槽修補(bǔ)效果和鋪裝整體性能恢復(fù)狀況，重點(diǎn)選取模量為500MPa、1000MPa、1500MPa 和2000MPa 四種材料，對不同強(qiáng)度的修補(bǔ)材料的修復(fù)效果進(jìn)行力學(xué)模擬分析，模型參數(shù)仍考慮極端高溫和極端荷載耦合作用，如圖5所示。

圖5 坑槽修補(bǔ)后鋪裝層受力云圖（0.5×0.5m2）

計算結(jié)果顯示：

①總體上，鋪裝未出現(xiàn)坑槽狀況下，上層環(huán)氧為主要承重層，下層澆注受力較小；但環(huán)氧層出現(xiàn)坑槽且修補(bǔ)后，應(yīng)力通過坑槽修補(bǔ)邊緣傳遞到下層澆注層，上下層共同受力，出現(xiàn)上層環(huán)氧受力變小而下層澆注受力變大現(xiàn)象。②采用不同強(qiáng)度修補(bǔ)材料后，坑槽修補(bǔ)處應(yīng)力水平隨修補(bǔ)材料模量增大而增大，但分散緩解了原鋪裝應(yīng)力集中現(xiàn)象。隨著修補(bǔ)材料模量由500MPa 增大到2000MPa，原鋪裝上層環(huán)氧應(yīng)力水平減小15%～25%；下層澆注式應(yīng)力水平則減小30%左右，如圖6所示。

圖6 上層環(huán)氧開裂前后豎向壓應(yīng)力

因此采用高強(qiáng)度的修補(bǔ)材料，可更好地適應(yīng)坑槽位置應(yīng)力集中現(xiàn)象，并有助于保護(hù)原鋪裝受力，可有效保護(hù)下層澆注式不產(chǎn)生車轍變形病害。

3 坑槽分層快速修補(bǔ)技術(shù)和材料開發(fā)

根據(jù)力學(xué)計算發(fā)現(xiàn)，上層環(huán)氧一旦出現(xiàn)坑槽，若不及時修補(bǔ)，在軸載作用下，將逐漸擴(kuò)大，甚至影響到下層澆注式使用性能，導(dǎo)致鋪裝結(jié)構(gòu)性破損。坑槽修補(bǔ)應(yīng)滿足以下原則：養(yǎng)護(hù)材料應(yīng)與原結(jié)構(gòu)材料相匹配；同時應(yīng)選擇高強(qiáng)修補(bǔ)材料，消除應(yīng)力集中現(xiàn)象；此外應(yīng)滿足快速修補(bǔ)、快速開放交通的養(yǎng)護(hù)要求。

3.1 坑槽修補(bǔ)結(jié)構(gòu)方案

本文基于原結(jié)構(gòu)恢復(fù)理念，并以保護(hù)下層澆注式結(jié)構(gòu)完整性為原則[7-8]，結(jié)合“當(dāng)天養(yǎng)護(hù)、當(dāng)天開放交通”的養(yǎng)護(hù)需求，根據(jù)坑槽發(fā)展層位，研究了不同的坑槽快速修補(bǔ)方案，如圖7所示。

圖7 坑槽分級處治方案

①坑槽僅發(fā)生于上層環(huán)氧層：挖除鋪裝上層，保護(hù)鋪裝下層完好，做好澆注式混凝土層界面處治，采用高強(qiáng)冷拌環(huán)氧瀝青混凝土進(jìn)行坑槽修補(bǔ)。

②坑槽發(fā)展到下層澆注層：將破損鋪裝挖除至鋼板，做好澆注式與鋼板界面處治，采用“下層澆注式瀝青混凝土+上層高強(qiáng)冷拌環(huán)氧瀝青混凝土”原鋪裝方案，提高坑槽修補(bǔ)結(jié)構(gòu)與原鋪裝的整體相容性。

3.2 快速修補(bǔ)材料

3.2.1 預(yù)制澆注試塊開發(fā)

由于澆注式拌合時間長、工藝復(fù)雜，為縮短現(xiàn)場養(yǎng)護(hù)時間，采用澆注式小球預(yù)制重熔技術(shù)對澆注層坑槽進(jìn)行修補(bǔ)，即后場按標(biāo)準(zhǔn)尺寸制備模具，預(yù)制澆注一定規(guī)格的球型澆注試塊，保證現(xiàn)場加熱重熔至試塊內(nèi)部變軟，具有較好的可塑性，且表面未出現(xiàn)流動狀態(tài)；現(xiàn)場采用小型移動式加熱設(shè)備，將澆注試塊加熱重熔后即可對坑槽進(jìn)行回填修補(bǔ)；新舊鋪裝界面刷涂熱瀝青，并通過人工擊實方式保證界面粘結(jié)完好，如圖8所示。

圖8 澆注試塊預(yù)制工藝

為更好地提高澆注試塊與原鋪裝的相容性，采用與原鋪裝相同的膠結(jié)料和級配，即膠結(jié)料由30#硬質(zhì)直餾瀝青和湖瀝青（TLA）按7∶3 摻配所得，油石比為10%，級配曲線如圖9所示[9，10]。

為適應(yīng)坑槽修補(bǔ)位置應(yīng)力集中現(xiàn)象，重點(diǎn)提高澆注試塊的高溫性能，其60℃動穩(wěn)定度可達(dá)到500 次/mm，相比原鋪裝具有更好地高溫抗車轍性能，流動性、貫入度等指標(biāo)均滿足原鋪裝技術(shù)要求，預(yù)制澆注試塊混合料性能見表2。

表2 預(yù)制澆注試塊混合料性能

3.2.2 高強(qiáng)冷拌環(huán)氧瀝青材料

針對上層環(huán)氧坑槽，采用高強(qiáng)冷拌環(huán)氧瀝青材料進(jìn)行修補(bǔ)，一方面達(dá)到原結(jié)構(gòu)恢復(fù)的修補(bǔ)要求，提高坑槽修補(bǔ)與原鋪裝結(jié)構(gòu)的相容性；另一方面采用提高強(qiáng)度，提高坑槽修補(bǔ)位置抗應(yīng)力集中能力；同時采用冷拌冷鋪工藝，施工便捷，實現(xiàn)“當(dāng)天養(yǎng)護(hù)、當(dāng)天開放交通”。

冷拌環(huán)氧采用與原環(huán)氧瀝青混凝土一致的級配。油石比相比原鋪裝的7.0%提高到9.0%，提高施工和易性、疲勞性能和密水性能。

冷拌環(huán)氧強(qiáng)度、變形性能、水穩(wěn)定性、高低溫性能等均可達(dá)到原鋪裝性能要求，具體結(jié)果見表3。

表3 冷拌環(huán)氧瀝青混合料試驗結(jié)果

①60℃馬歇爾穩(wěn)定度達(dá)到75kN 左右，與原鋪裝60℃相比有所提高，可以更好地適應(yīng)坑槽處應(yīng)力集中現(xiàn)象。②冷拌環(huán)氧溫度敏感性不高，60℃動穩(wěn)定度達(dá)到63000 次/mm，與原鋪裝相當(dāng)。③冷拌環(huán)氧瀝青混合料低溫極限破壞應(yīng)變高達(dá)5000με 以上，明顯高于原鋪裝低溫極限應(yīng)變，可提高坑槽修補(bǔ)位置的低溫變形性能，延長鋪裝使用壽命。

4 坑槽分層修補(bǔ)工藝

根據(jù)坑槽發(fā)展層位和原結(jié)構(gòu)恢復(fù)理念，采取分層修補(bǔ)工藝，如圖9所示。

圖9 坑槽修補(bǔ)施工工序流程

4.1 上層環(huán)氧坑槽修補(bǔ)

采用切割機(jī)、風(fēng)鎬等將破損鋪裝清除至澆注層頂面，并對暴露出來的澆注層界面進(jìn)行打磨清理；吹干吹凈后，重新涂布原鋪裝粘結(jié)層材料；回填冷拌環(huán)氧材料，碾壓；常溫養(yǎng)生固化后開放交通。開槽時，采用45°斜向切縫方式，使新舊混凝土相互搭接，有助于傳遞應(yīng)力，消除應(yīng)力集中現(xiàn)象，恢復(fù)鋪裝整體受力特性。

4.2 全厚度坑槽修補(bǔ)

采用切割機(jī)、風(fēng)鎬等將破損鋪裝清除至鋼板頂面，并對鋼板表面進(jìn)行打磨除銹；吹干吹凈后，重新涂布原鋪裝防水粘結(jié)層材料，然后分別采用預(yù)制澆注試塊和冷拌環(huán)氧材料對坑槽進(jìn)行分層修補(bǔ)，粘結(jié)層仍采用原鋪裝粘結(jié)層材料，養(yǎng)生固化后開放交通。

5 結(jié)語

本文采用力學(xué)分析軟件對剛?cè)釓?fù)合型鋪裝出現(xiàn)坑槽狀況下的受力特性進(jìn)行了模擬分析，并開發(fā)了針對性的快速修補(bǔ)技術(shù)和高強(qiáng)修補(bǔ)材料。主要研究結(jié)論包括：

①剛?cè)釓?fù)合型鋪裝下層澆注式具有良好的變形協(xié)同性能和自愈合性能，可以保持長久的結(jié)構(gòu)完好性，鋪裝裂縫、鼓包等病害主要集中于上層環(huán)氧。

②上層環(huán)氧出現(xiàn)坑槽后，坑槽位置應(yīng)力應(yīng)變顯著增大到完好狀態(tài)下的1～3 倍，且坑槽邊緣出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，使坑槽進(jìn)一步發(fā)展至鋪裝整體結(jié)構(gòu)性破損。坑槽修補(bǔ)需提高上下層修補(bǔ)材料的強(qiáng)度，以更好地抵抗應(yīng)力集中問題。

③基于原結(jié)構(gòu)恢復(fù)理念，根據(jù)坑槽發(fā)展層位提出分層分級處治方案：針對坑槽僅限于上層環(huán)氧，采用冷拌環(huán)氧材料進(jìn)行修補(bǔ)；針對坑槽發(fā)展至下層澆注，采用“預(yù)制澆注+冷拌環(huán)氧”原結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行修補(bǔ)。

④為滿足“快速養(yǎng)護(hù)、快速開放交通”的養(yǎng)護(hù)要求，研究了預(yù)制澆注試塊修補(bǔ)技術(shù)，且預(yù)制澆注試塊高溫穩(wěn)定性提高至500 次/mm；上層采用高強(qiáng)冷拌冷鋪環(huán)氧瀝青材料，養(yǎng)生4h～6h即可開放交通，且強(qiáng)度相比原鋪裝明顯提高。

⑤最后研究關(guān)鍵施工工藝，提出45°角斜向開槽方案，實現(xiàn)新舊鋪裝之間的搭接和應(yīng)力傳遞，使新舊鋪裝的整體協(xié)同受力，緩解邊緣應(yīng)力集中問題，提高鋪裝整體性。