部分長江大橋鋼橋面鋪裝常見病害分析與處治建議

彭政瑋， 馬杰靈， 湛文濤， 羅杰， 郭彬

(1.桂林電子科技大學 建筑與交通工程學院， 廣西 桂林 541004；2.湖北交投智能檢測股份有限公司， 湖北 武漢 430030)

中國鋼橋面鋪裝主要使用環氧、澆注、改性SMA 3種瀝青砼材料，由于各類材料在力學特征與材料屬性等方面差異較大，合理的材料選擇和組合方式對鋼橋面鋪裝體系的性能發揮至關重要。長江大橋作為連接南北交通的通道發揮著重要作用，但受長江流域氣候條件、交通條件等因素影響，長江大橋鋼橋面鋪裝層在使用中出現一些問題，其中病害問題尤為嚴重。該文對湖北省內6座長江大橋鋼橋面鋪裝層病害進行調研，結合各座大橋鋪裝層的結構特點、氣候條件、交通狀況等因素，分析其病害類型和形成原因，進而提出改善處治建議。

1 典型長江大橋影響因素分析

1.1 橋梁概況

長江是湖北省最主要的河流，近年來湖北省內已建成的長江大橋多達33座，還有6座正在修建，其中6座典型長江大橋的主要參數見表1。

從表1可以看出：6 座長江大橋的通車年份為2000—2010年，主跨跨度為460～1 280 m；斜拉橋5座，懸索橋1座；白沙洲大橋、軍山長江大橋采用SMA鋪裝結構，其他4座大橋采用EA鋪裝。

表1 6座橋梁概況

橋梁條件中對病害影響最大的因素是鋪裝情況，合理的鋪裝材料選擇對鋼橋面鋪裝體系的性能發揮至關重要。雙層SMA鋪裝結構具有良好的抗滑、高溫抗車轍性能，施工中不需要特殊的設備，成本也不高，2000年前后在長江大橋中使用較普遍。雙層EA鋪裝結構具有良好的界面安全性、變形協調性及優異的抗疲勞性能，2007年后在長江大橋中使用較多。

1.2 氣候條件

6座長江大橋所在地區均屬于亞熱帶季風性氣候，夏季高溫、冬季稍涼濕潤。夏季持續時間約135 d，正午太陽直射溫度達38 ℃，氣溫普遍高于37 ℃，極端最高氣溫44.5 ℃。雨量充沛、降雨集中，多年平均降雨量達1 100 mm，在初夏梅雨季節雨量較集中，歷年最大降雨量達2 107.1 mm。

氣候條件中對橋面鋪裝影響最大的因素是氣溫，環境溫度惡劣對鋪裝材料的性能會產生一定影響。夏天橋面溫度過高，高溫持續時間長，在瀝青砼與鋼箱梁的吸熱、儲熱效應下，橋面鋪裝溫度較高，對瀝青砼鋪裝結構的損傷較大，橋面鋪裝層易發生熱穩定性病害。由于湖北地區每年夏季降雨強度大，雨水一旦滲透到鋪裝層間，也會對鋪裝結構的性能產生一定影響。

1.3 交通狀況

長江大橋交通流量大，車輛(尤其是大型貨車)超強度的碾軋，會使橋面鋼板產生裂縫。鑒于長江大橋重要的交通功能，大橋投入運營后不允許道路長期受阻和中斷維修，養護、維修較困難。因此，在橋面鋪裝設計中，應盡可能選擇具有良好耐久性(使用壽命)和便于后期維修的鋪裝結構，以減少橋面后期大面積修護。

2 病害狀況分析

2.1 病害類型

根據6座長江大橋鋼橋面鋪裝層病害調研結果，其主要病害類型有裂縫、鼓包、坑槽、車轍、滑移和熱穩定性病害(見表2)。

表2 6座橋梁病害類型及維修狀況

由表2可知：裂縫、鼓包、坑槽、車轍病害在6座長江大橋中出現頻率最高，幾乎每座大橋都出現或大或小的坑槽、鼓包和裂縫病害；由于夏季橋面溫度過高且持續時間長，在高溫及車輛荷載作用下，橋面鋪裝層易發生熱穩定性病害；滑移病害也是長江大橋較常見的病害類型，其中白沙洲大橋滑移病害較嚴重；在橋梁維修方面，大多采用EA鋪裝技術進行修復，效果較好。

2.2 病害成因分析

2.2.1 白沙洲、軍山長江大橋的病害成因

白沙洲長江大橋和軍山長江大橋的鋪裝層采用雙層SMA結構，結構形式均為斜拉橋。針對這2座大橋橋面鋪裝出現的病害類型，從使用環境、溫度、交通荷載等方面進行分析，病害成因主要為：

(1) 鋼橋面板剛性不足。白沙洲長江大橋和軍山長江大橋鋼板較薄，只有12 mm，橋面系剛度不足，在重交通作用下，橋面板易產生較大變形。這種大幅度的反復彎曲變形會使橋面鋪裝層瀝青砼的性能衰退，若變形超出瀝青砼的容許范圍，就會出現裂縫等病害。

(2) 環境溫度惡劣及鋪裝材料熱穩性有限。武漢夏天氣溫普遍高于37 ℃，瀝青砼與鋼箱梁的吸熱、儲熱效應使橋面鋪裝溫度較高，車輛荷載對瀝青砼鋪裝結構的損傷較大。大橋鋪裝較早，對橋面鋪裝的溫度、荷載使用條件掌握不充分，瀝青鋪裝層高溫穩定性有限，在高溫及車輛荷載作用下，橋面鋪裝易發生熱穩定性病害。

(3) 鋪裝材料性能有限。初期對SMA結構特性認識不充分，對橋面鋪裝的溫度、荷載等條件掌握不足，造成早期橋面鋪裝材料性能有限，在使用溫度較高、車輛荷載不斷增加特別是重車超載增多時，橋面鋪裝易發生疲勞病害。后期采用環氧瀝青砼，受施工季節溫度、養護時間等影響，出現與其他環氧砼橋梁類似的病害(鼓包、坑槽等)。

(4) 翻修結構體系不完善。軍山長江大橋翻修結構在短期內出現病害，甚至出現原鋪裝極少出現的問題，與結構體系不完善有很大關系，具體表現為鋼板表面無防腐層、反應性防水層與SMA之間無過渡黏層、SMA配合比設計與控制欠佳等。

(5) 交通量大，重載車輛多。白沙洲長江大橋日交通量大，且存在重載車，遠超出橋面原設計交通量。超負荷的交通量加快了橋面鋪裝隨從鋼橋面板的變形幅度和次數，加速鋪裝層產生開裂破壞。

2.2.2 陽邏、天興洲長江大橋的病害成因

陽邏長江公路大橋和天興洲長江大橋采用雙層EA鋪裝結構，病害類型及成因有較多相似之處，主要病害為鼓包及鼓包引起的塊裂等。2座大橋橋面鋪裝病害的成因主要為：

(1) 鋪裝材料施工要求苛刻。橋面鋪裝采用雙層EA結構，該材料對溫度要求極高，施工要求也非常嚴格。原材料兩組份拌合時溫度控制不到位，會顯著影響原材料壓實及使用性能；橋面板處理時水分未處理干凈，會使混合料日后發生鼓包破壞，在環境溫度和車輛荷載作用下演變為塊裂、裂縫。

(2) 養護管理不及時。橋面發生鼓包時未及時予以處理，病害演變為破碎后，隨著橋梁的使用及雨水的下滲，病害加重，隨即引發其他病害。

(3) 維修養護困難。環氧瀝青砼發生破壞后維修處理相當困難，難以從根本上處理病害，遏制病害的進一步發生，病害得以繼續延伸、發展。

(4) 環境溫度惡劣。夏季持續高溫，橋面環境溫度過高，如果瀝青鋪裝層沒有很好的高溫穩定性，在重載車輛作用下，橋面鋪裝將很快被破壞。

2.2.3 鄂東、荊岳長江大橋的病害成因

根據現場調研結果，鄂東長江公路大橋和荊岳長江大橋的鋼橋面鋪裝整體使用情況較好，表面只出現零星坑槽修補痕跡及鼓包病害。原因如下：

(1) 交通量。鄂東長江公路大橋和荊岳長江大橋初期交通量還未達到飽和狀態，交通量較小，車輛荷載對鋼橋面鋪裝的作用次數較少，疲勞開裂等病害較少。雖然2017年軍山長江大橋限制貨車通行后荊岳長江大橋交通量基本處于飽和狀態，但對橋面鋪裝的考驗時間還不長。大橋管理養護單位計劃采用ERE鋪裝體系進行試驗性鋪裝，為后期大修提供預案。

(2) 支承結構條件。鄂東長江公路大橋鋼箱梁橋面板厚度為16 mm，最厚處達25 mm；荊岳長江大橋鋼箱梁橋面板厚度為16 mm，鋼-混結合段厚度為20 mm。橋面板厚度比早期建設的橋梁厚度大，提升了支承結構的整體剛度，減弱了橋面鋪裝內部出現的應力等。

3 處治建議

3.1 熱穩定性病害的處治

對于由高溫導致的大部分輕微不能愈合的路面裂縫，可采用以下方式進行處治：

(1) 及時清理存在裂縫的路段，在表面噴灑少量乳化瀝青，再均勻涂撒干燥、潔凈的粗砂和石屑，并用輕型壓路機進行碾壓，即對裂縫涂刷稠度相對較低的瀝青。

(2) 對不同寬度的裂縫進行分類處理。對寬度5 mm以內的裂縫，先擠入稠度較低的熱瀝青，再填入干凈的粗砂和石屑，將其搗實，最后清除外溢的石屑、粗砂及瀝青。對于寬度大于5 mm的裂縫，先清除松動的裂縫邊緣，再填入乳化瀝青混合料。對于面積較大的裂縫，利用乳化瀝青進行稀漿封層，鋪設土工合成材料，再用瀝青混合料進行封層，對瀝青面層和瀝青基層進行處治。

3.2 裂縫、鼓包、坑槽等病害的處治

(1) 對裂縫利用超高性能砼(UHPC)進行修復。將UHPC與鋼橋面連接，相當于加厚了鋼橋面板厚度，橋面板的疲勞應力幅遠低于開裂應力幅，通過UHPC、剪力釘和鋼橋面的結合，使橋面剛度得到提高。UHPC的結構層和鋪裝層之間可采用新型環氧結構膠進行黏結，以提供足夠的黏結力，避免持續高溫作用下功能層發生滑移。UHPC層可將橋面板所受應力最高降低86.4%，從而降低鋼橋面板開裂概率。

(2) 對于采用環氧樹脂瀝青材料進行鋪裝的橋梁，選用高滲透性環氧樹脂材料對裂縫進行處理，有直接灌縫和擴槽灌縫2種方式。2017年，初次對荊岳長江大橋采用日本EA鋪裝技術進行修復，該材料具有良好的熱固性，在高溫和重載條件下仍能保持較好的路用性能，有效避免車轍、滑移等病害。

(3) 坑槽病害的處治方案需滿足修復后使用壽命長、保護鋼橋面且不影響交通的要求。結合以往的處治方案和坑槽產生原因，選用環氧瀝青砂漿進行處治。相對于傳統熱修復技術，冷拌環氧瀝青砂漿的路用性能更優異，使用壽命也較好，常用于大跨徑鋼橋面鋪裝。冷拌環氧瀝青砂漿的強度形成快，病害修復完成4 h后即可恢復交通。

3.3 鋪裝層滑移病害的處治

鋪裝層產生滑移的主要原因是鋪裝層與鋼橋面之間的抗剪能力較低，不足以在車輛制動時提供足夠的抗剪能力；在持續高溫作用下，黏結層的黏結性能降低。因此，處治方案著重增加鋪裝層和鋼橋面之間的抗剪能力，并提高黏結層的黏結力。選用新型環氧結構膠作為黏結材料，其具有良好的黏結性能和防水性能，抗拉強度、抗壓強度、抗彎強度和拉伸剪切強度均優于工程結構加固材料中的Ⅰ類A級結構膠，在70 ℃以下仍能保持黏結強度>5.0 MPa，且在低溫條件下不發生脆性開裂。使用1.5 mm厚新型環氧結構膠對鋼板表面進行處理，使用3 mm新型環氧結構膠作為黏結劑，在新型環氧結構膠表面均勻鋪撒高強度碎石，使鋪裝層與鋼橋面之間形成抗剪能力強、防水和黏結性能好的黏結層。

4 結論

(1) 長江大橋夏季持續高溫時間長、橋面溫度過高，在高溫及車輛荷載作用下，橋面鋪裝層易發生熱穩定性病害。

(2) 鋼橋面板處理時必須把水分處理干凈，否則日后易發生鼓包病害，同時在環境溫度和車輛荷載作用下易演變為塊裂、裂縫病害。

(3) 對于鋼橋面較薄的長江大橋，可選擇采用UHPC提高橋面剛度，避免鋼橋面板開裂問題，修復效果較好。

(4) 環氧瀝青砼對溫度的要求極高，對施工的要求也非常嚴格，施工中必須對溫度進行嚴格控制，否則會顯著影響原材料壓實及使用性能，進而發生熱穩定性病害和鼓包、開裂等病害。