鋼橋面鋪裝材料的研究進展綜述

江二中　雷杰超　韋萬峰

摘要：瀝青瑪蹄脂碎石混合料（SMA）、環(huán)氧瀝青混合料（EAM）和澆注式瀝青混凝土（GAM）是我國鋼橋面鋪裝路面（SBDP）使用最廣泛的瀝青路面材料。文章從材料組成、性能特點、國內外發(fā)展現(xiàn)狀和工程應用情況等方面對鋼橋面鋪裝材料進行梳理：SMA具有優(yōu)異的高溫性能，適合于鋪裝上層；GAM具有優(yōu)越的變形追從性，適合于鋪裝下層；EAM的綜合性能優(yōu)越，可應用于鋪裝上層，也可應用于鋪裝下層；建議未來鋼橋面鋪裝技術應繼續(xù)開發(fā)新型高性能材料。

關鍵詞：鋼橋面鋪裝材料；路用性能；發(fā)展現(xiàn)狀；工程應用

0引言

近年來，鋼橋正在成為我國交通跨越大障礙物的主要方式。鋼橋面鋪裝路面（SBDP）是鋼橋上一種特殊的路面結構，是由正交各向異性鋼橋橋面（OSBD）、防腐涂層、防水粘結層和瀝青路面層組成的復合結構。SBDP具有跨越能力優(yōu)越、工期短、成本低、性能優(yōu)良等一系列優(yōu)點，主要用于直接承受各種車輪載荷，并保護底層OSBD免受環(huán)境侵蝕［1］。因此，鋼橋面路面需要具有優(yōu)異的抗永久變形和疲勞開裂能力，以及與鋼橋面良好的協(xié)同變形性能，且鋼橋面路面材料需要具有很強的變形恢復能力。瀝青混合料由于其低重量和高變形合規(guī)性的特性，是鋼橋面鋪裝的理想材料。其中，瀝青瑪蹄脂碎石混合料（SMA）、環(huán)氧瀝青混合料（EAM）和澆注式瀝青混凝土（GAM）是我國SBDP使用最廣泛的瀝青路面材料［2］。

雖然近年來我國鋼橋面鋪裝技術取得了很多成就和突破，但鋼橋面鋪裝結構與材料仍面臨重載交通、大交通量和極端氣候的挑戰(zhàn)，一些鋪裝工程在通車不久后就陸續(xù)產生各種病害，需要頻繁維修養(yǎng)護甚至重鋪。因此，各種鋼橋面鋪裝新材料的應用與評價仍是焦點。本文概述了國內外鋼橋面鋪裝材料及其工程應用情況，以期為鋼橋面鋪裝工程應用提供參考。

1 鋼橋面鋪裝常用材料

1.1 材料組成

SMA由70%～80%粗骨料、6%～7%瀝青、8%～12%填料和0.2%～0.5%穩(wěn)定添加劑組成，其較高比例的粗集料提供了穩(wěn)定的骨架結構，以抵抗永久變形和車輛打滑；而瀝青粘附在粗集料上，增加了SMA的耐久性和穩(wěn)定性，以抵抗路面損壞。

EMA是環(huán)氧樹脂和固化劑混合發(fā)生固化反應后形成高分子聚合物三維網絡結構，并與其他添加劑混合分布在瀝青中的高性能材料。

GAM是一種在攤鋪過程中無需碾壓，只靠自身流動密實成型的混合料。其根據材料組成可以分為MA和GA。MA的集料和瀝青含量要高于GA，但填料空隙率和含量低于GA。目前采用澆筑式瀝青混合料對鋼橋面進行鋪裝時，主要還是選擇GA。

1.2 性能對比

SMA的使用壽命更長，在重交通載荷下有良好的抗車轍性能，低溫下延遲疲勞開裂，其粗糙的表面紋理提高了抗車轍性能，減少了噪音污染［3］。SMA混合料的這些優(yōu)勢可以使其在鋼橋面鋪裝中適應性更強。然而，SMA粗糙的表面與鋼板粘結不充分容易導致分層、滑移開裂、早期疲勞開裂等多種病害，顯著降低了鋼橋面鋪裝層的使用壽命，不適合鋪裝在下層。瀝青含量和填料含量高，導致其生產成本也相對較高。

EAM的聚合物三維網絡體系從根本上將瀝青的熱塑性改變，使其轉化成強度與剛度較高、高溫性能優(yōu)越、耐腐蝕性強和抗老化性能好的熱固性材料［4］。EAM還具有優(yōu)異的水密性，能保護鋼板界面不受腐蝕，保證良好的粘結性能［5］。與SMA相比，EAM的高溫性能更好［6］。環(huán)氧瀝青的粘附性、水穩(wěn)定性遠遠優(yōu)于其他瀝青［7］。然而，固化后的EAM模量較大，在低溫下容易產生應力集中而導致低溫開裂。由于鋼橋面與EAM的模量的差異較大，導致其在車輛荷載作用下變形協(xié)調能力不足，容易發(fā)生脫層現(xiàn)象。而且，EAM強度的形成依賴于溫度和固化劑，所以施工難度較大，對設備的要求也比較高。

GAM的瀝青含量、礦粉含量和拌和溫度（220 ℃～260 ℃）均較高。由于GA的空隙率＜1%，具有極高的密實度，所以具有優(yōu)異的防水、防腐蝕、防老化和抗震性能［8］。高瀝青含量則使GA擁有優(yōu)越的變形追隨性，非常適合鋼橋面鋪裝下層。但GA的高溫性能和抗滑性能較差，容易發(fā)生車轍和推移，施工過程中需要特殊設備，并且對氣候要求較高。

綜上，SMA、EAM和GAM各有各的優(yōu)勢與不足，具體如表1所示。

2 發(fā)展現(xiàn)狀與應用情況

2.1 國內外發(fā)展現(xiàn)狀

2.1.1 SMA

SMA最早于20世紀60年代在德國內出現(xiàn)，而后逐漸向歐洲各國推廣。由于其優(yōu)越的路用性能，成為當時歐洲高等級路面的主要結構形式。1990年美國開始引進SMA，并大量鋪筑，取得了良好的效果。到20世紀90年代初，中國也開始引入SMA，首次鋪裝在虎門大橋上［9］。隨后，在礐石大橋、海滄大橋等國內大橋大量鋪筑試驗路［10-11］。但是，大橋通車不久便都出現(xiàn)車轍、裂縫等病害，這是因為國內外的氣候條件、交通條件差異較大，直接引用國外SMA技術并不適合。

SMA與其他混合料的主要區(qū)別在于其間斷級配增加了瀝青和填料含量［12］。為了防止瀝青流失，需要在瀝青中添加纖維或聚合物改性劑來改善瀝青的粘附性和力學性能［13］。間斷級配混合料的骨料之間存在一定空隙，容易導致其抗疲勞性能不如具有連續(xù)級配的瀝青混合料［14］。為了改善SMA的抗疲勞性能，Yarahmadi等將表面體積比大的納米CaCO3摻入瀝青中，改善瀝青與骨料的黏附能力，從而延緩SMA中疲勞裂紋的形成和擴展［15］。Chelovian等將Al2O3摻入SMA中，發(fā)現(xiàn)SMA的高溫性能、抗永久變形能力、抗疲勞性能得到明顯提高［16］。填料的性能也能影響SMA的瀝青含量、加工性和力學性能，較常見的是將熟石灰等材料作為填料來提高瀝青的含量及力學性能［17］。Korayem等將無定形碳粉作為填料摻入SMA，發(fā)現(xiàn)混合料的水穩(wěn)定性和抗車轍能力得到明顯提高［18］。目前，研究發(fā)現(xiàn)石灰石粉、廢陶瓷粉末、粉煤灰、鋼渣粉、煤廢料、沸石和硅酸鹽水泥粉等作為填料均能在一定程度上提高SMA的力學性能［19-20］。SMA技術在我國經過二十多年的改進和發(fā)展，現(xiàn)在已經成熟。目前SMA鋪裝技術的研究主要在集中在改性瀝青和填料類型上。

2.1.2 EAM

在20世紀50年代，為了解決重型飛機輪載荷和輪胎壓力，荷蘭開始將環(huán)氧樹脂摻入瀝青制備EAM，以改善瀝青的路用性能。在1967年，美國首次將EAM應用于圣馬特奧-海沃德大橋，作為鋼橋面路面鋪裝材料，取得了良好的效果。在2001年，我國采用EAM對鋼橋面進行鋪裝，發(fā)現(xiàn)EAM具有良好的高溫抗車轍能力。但我國初期生產的EAM適用期短、強度低，難以滿足工程應用需求，為了解決這些問題，研究者展開了大量研究。

Luo Z等發(fā)現(xiàn)瀝青的成分和含量、環(huán)氧樹脂成分和含量、固化條件和添加劑含量都能顯著影響環(huán)氧瀝青的力學性能［21］。Haiyan Y等認為環(huán)氧瀝青的黏度、固化行為、黏彈性和力學性能以及相分離形貌等性能取決于環(huán)氧樹脂與瀝青的比例［22］。周雄等發(fā)現(xiàn)油石比能顯著影響環(huán)氧瀝青混合料的空隙率［23］。為了提高EAM的低溫抗裂性，路冠中等在環(huán)氧瀝青中添加了纖維，研究發(fā)現(xiàn)纖維能阻礙瀝青低溫開裂的過程［24］。Yu等發(fā)現(xiàn)，EAM的表面耐磨性和抗滑能力比一般的改性瀝青更強，其表面紋理具有明顯的分形特征，可以用擺值表征路面的抗滑能力［25］。根據施工拌和溫度，EAM主要分為溫拌EAM和熱拌EAM。Sang L等認為溫拌EAM適用于干旱地區(qū)的新橋鋪路，熱拌EAM更適合用于交通繁忙的橋面路面的維護和修復［26］。劉乾發(fā)現(xiàn)熱拌EAM的抗車轍、抗疲勞和抗裂性能均比冷拌EAM好［27］。從環(huán)保節(jié)能的角度來看，溫拌的EAM比熱拌EAM更環(huán)保，但由于熱拌EAM允許施工時間長、施工難度低，在我國比溫拌EAM的使用頻率更高［28］。雖然環(huán)氧瀝青引起了我國工業(yè)界和學術界的廣泛關注，但由于EAM特有的性質和高成本，目前還是主要使用在機場和橋面鋪裝上［29］。經過二十多年的探索與改進，EAM技術在我國橋面鋪裝的應用上也逐漸成熟，目前的研究重點在于改善環(huán)氧樹脂與瀝青之間的相容性，提高低溫抗裂性能，并降低EAM的成本和施工難度。

2.1.3 GAM

GA在20世紀初開始應用在德國等歐洲國家，并在20世紀30年代開始應用于鋼橋面鋪裝技術。早期，德國主要采用特立尼達湖瀝青（TLA）以15%～35%的比例摻入30#～40#直餾瀝青中拌制而成。現(xiàn)在，德國規(guī)范要求瀝青膠結料不再使用TLA，而是使用經過聚合物改性后PmB45和PmB25瀝青。20世紀50年代，日本引入GA相關技術后，綜合國內氣候及交通情況作出了調整，降低了膠結料中TLA的比例，并將基質瀝青換成20#～40#直餾瀝青。隨后，GA被廣泛用于各國橋梁的橋面鋪裝，例如英國的亨伯灣大橋，法國的諾曼底大橋，丹麥的大貝爾特橋以及日本的多多羅大橋等［30］。在20世紀90年代，我國開始引入GA技術，并在1999年時首次應用于橋面鋪裝。但GA鋪裝技術未結合我國氣候與交通條件進行調整，導致通車不久便出現(xiàn)開裂、車轍等病害［31］。Luo等發(fā)現(xiàn)，GAM的力學性能受到瀝青膠結料性能、級配和油石比的影響很大［32］。為了提高GAM的路用性能，張銳等提出了澆筑式瀝青混合料級配的兩階段設計方法［33］。Qian等研究了混合溫度、混合料油石比和荷載應變水平對混凝土疲勞性能的影響，發(fā)現(xiàn)將混合溫度提高到230 ℃～240 ℃，油石比提高到8.5，更能滿足鋪設施工工藝的要求［34］。在瀝青膠結料性能方面，添加玻璃纖維或溫拌劑Sasobit都可以改善GAM的流動性和高溫性能［35-36］。經過多年調整與改性，現(xiàn)在GAM的鋪裝技術已經成熟，目前的研究主要集中在瀝青膠結料的性能和施工控制上。

如表2所示，簡要總結了SMA、EAM和GAM目前的發(fā)展現(xiàn)狀。

2.2 工程應用情況

收集國內近年來鋼橋面鋪裝常見材料的工程應用情況如表3所示。從表3可以看出，近年來鋼橋面鋪裝結構層材料常用雙層EAM、下面層GAM+上面層SMA，以及ERS。ERS是我國自主研發(fā)的新型鋪裝材料，由環(huán)氧粘結碎石（EBCL）、冷拌樹脂瀝青混凝土（RA）和SMA組成。上面層是行車層，需要考慮具有抗車轍、抗裂、抗滑等優(yōu)良性能的鋪裝材料，所以上面層選擇SMA較多。下面層與鋼橋頂板相接，該層結構的鋪裝材料應考慮具有優(yōu)越的變形追從性、防水、粘結、耐腐蝕和耐老化的材料，所以下面層材料大多數選擇GAM。EAM由于其優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性，水密性和耐腐蝕能力，所以也有較多橋梁雙層結構的鋪裝材料都采用EMA。

2.3 建議

（1）鋼橋面鋪裝材料的力學性能研究和工程應用較為成熟，但在微觀機理上的研究較少，可以進一步研究瀝青組分、官能團、分子量和微觀形態(tài)等對鋼橋面鋪裝材料的性能影響。

（2）目前單一荷載或單一氣候條件下的鋼橋面鋪裝材料性能研究較多，建議后續(xù)將試驗條件改為多因素耦聯(lián)作用，研究多因素對鋪裝材料的力學性能影響及作用機理，開發(fā)出適用不同車輛荷載和氣候條件的改性瀝青。

（3）EAM和GAM仍然存在施工難度大，設備要求高，成本高等問題，后續(xù)應進一步開發(fā)新型高性能材料，以充分利用資源，降低成本。

3 結語

本文介紹了鋼橋面鋪裝材料的基本概念和性能對比，對這些材料的國內外研究進展進行比較和總結，收集了這些材料的工程應用情況，并提出建議，為后續(xù)的研究作參考。目前，SMA的研究主要在重點集中在改性瀝青和填料類型對瀝青的性能提升上；GAM的研究集中在瀝青膠結料的性能和施工質量控制上；EAM的研究重點在于改善環(huán)氧樹脂與瀝青之間的相容性，提高低溫抗裂性能，并降低GAM和EAM的施工難度。鋼橋面鋪裝材料目前在力學性能研究和工程應用方面較為成熟，但在微觀機理上的研究較少，建議進一步采用近代高分子測試分析方法研究鋼橋面鋪裝材料的微觀性能，開發(fā)出適應不同交通條件和氣候條件的新型高性能鋼橋面鋪裝材料，在提高鋼橋面與瀝青混合料的黏結能力、改善整體路用性能的同時，符合節(jié)能環(huán)保、成本低、施工簡便和快速維修的特點。

參考文獻：

［1］Liu G，Qian Z，Wu X，et al.Influence of weld seam on the coMPaction characteristics of steel bridge deck pavement asphalt mixture［J］.Construction and Building Materials，2022，347（1）：1-10.

[HJ0.9mm]

［2］Fan X，Luo R.Deformation recovery characteristics of asphalt pavement material on steel bridge decks under nondestructive conditions［J］.Construction and Building Materials，2021，313（11）：125495.

［3］F.M N，E.A，M.A M.Fatigue behavior of SMA and HMA mixtures［J］.Construction and Building Materials，2009，24（7）：1 158-1 165.

［4］Wei H，Weiqiang G，Ya W.Thermal Effect on Rheological Properties of Epoxy Asphalt Mixture and Stress Prediction for Bridge Deck Paving［J］.Journal of Materials in Civil Engineering，2019，31（10）：0419222.

［5］Nie W，Wang D，Sun Y，et al.Integrated Design of Structure and Material of Epoxy Asphalt Mixture Used in Steel Bridge Deck Pavement［J］.Buildings，2021，12（1）：9.

［6］譚繼宗，劉 靖，徐 升，等.級配對橡膠瀝青混合料高溫性能影響研究［J］.中外公路，2021，41（02）：301-306.

［7］劉 陽，錢振東.環(huán)氧瀝青與花崗巖集料黏附性研究［J］.公路，2014，59（11）：165-170.

［8］Li T，Jin Q，Jiang P，et al.Performance Optimization of Modified Gussasphalt Binder Prepared Using Natural Asphalt［J］.Frontiers in Materials，2022，9（1）：1-12.

［9］王迎軍，朱桂新，陳旭東.虎門大橋鋼橋面鋪裝的使用和維護［J］.公路交通科技，2004（8）：64-67.

［10］張起森，李宇峙，邵臘根，等.廈門海滄大橋橋面瀝青鋪裝層直道疲勞試驗研究［J］.中國公路學報，2001（1）：62-67.

［11］余叔藩.汕頭綉石大橋鋼橋面SMA鋪裝層施工質量管理與檢測［J］.公路，2001（1）：71-76.

［12］Al-Hadidy A I，Tan Y，Ayman T H.Starch as a modifier for asphalt paving materials［J］.Construction and Building Materials，2011，25（1）：14-20.

［13］Süreyya T，Halit O，Atakan A.Investigation of rutting performance of asphalt mixtures containing polymer modifiers［J］.Construction and Building Materials，2007（2）：328-337.

［14］F.M N，E.A，M.A M.Fatigue behavior of SMA and HMA mixtures［J］.Construction and Building Materials，2010（7）：1 158-1165.

［15］Yarahmadi A M，Shafabakhsh G，Asakereh A.Laboratory investigation of the effect of nano Caco3 on rutting and fatigue of stone mastic asphalt mixtures［J］.Construction and Building Materials，2022，317（1）：126-127.

［16］Asadollah C，Gholamali S.Laboratory evaluation of Nano Al2O3 effect on dynamic performance of stone mastic asphalt［J］.International Journal of Pavement Research and Technology，2017，10（2）：131-138.

［17］Anggraini Z，Wong Y D，Darren S D.Effects of Fillers on Properties of Asphalt-Concrete Mixture［J］.Journal of Transportation Engineering，2012，138（7）：902-910.

［18］Asghar H K，Hassan Z，Mojtaba H，et al.Laboratory evaluation of stone mastic asphalt containing amorphous carbon powder as filler material［C］.International conference on Sustainable Civil Infrastructure，2014.

［19］R M，E A，R T.Effect of Mineral Filler Type and Particle Size on the Engineering Properties of Stone Mastic Asphalt Pavements［J］.The Journal of Engineering Research，2013，10（2）：13-32.

［20］Amir M，Morteza R.Application of coal waste powder as filler in hot mix asphalt［J］.Construction and Building Materials，2014，66（9）：476-483.

［21］Luo Z，Liu T，Wu Y，et al.Study on Epoxy Resin-Modified Asphalt Binders with Improved Low-Temperature Performance［J］.Advances in Civil Engineering，2021（12）：1-15.

［22］Haiyan Y，Hui J，Chengshuang W，et al.Thermal，damping，and mechanical properties of thermosetting epoxy-modified asphalts［J］.Journal of Thermal Analysis and Calorimetry，2014，115（2）：1 073-1 080.

［23］周 雄，李寧博，郝培文，等.橋面鋪裝瀝青混合料抗泛白性能評價方法及影響因素研究［J］.內蒙古公路與運輸，2021（6）：9-16.

［24］路冠中，何東坡，王宏光.多聚磷酸和玄武巖纖維改性瀝青高低溫性能研究［J］.科學技術與工程，2022，22（6）：2 498-2 506.

［25］Yu Y，Tang S，Xu G，et al.Investigations on the long-term skid resistance of epoxy asphalt mixture based on accelerated loading test［J］.Construction and Building Materials，2023，365（1）：1-11.

［26］Sang L，Ziming L，Xu Y，et al.Construction Technology of Warm and Hot Mix Epoxy Asphalt Paving for Long-Span Steel Bridge［J］.Journal of Construction Engineering and Management，2019，145（12）：1-12.

［27］劉 乾.高速公路工程中瀝青混合料的試驗檢測［J］.交通世界，2021（21）：7-8.

［28］Xie H，Li C，Wang Q.A critical review on performance and phase separation of thermosetting epoxy asphalt binders and bond coats［J］.Construction and Building Materials，2022，326（4）：126792.

［29］Qing L，John B.Alternate uses of epoxy asphalt on bridge decks and roadways［J］.Construction and Building Materials，2015，78（3）：18-25.

［30］Chunfu X，Qing L，Changfa A，et al.Optimization of hard modified asphalt formula for gussasphalt based on uniform experimental design［J］.Construction and Building Materials，2017，136（4）：556-564.

［31］Hongchang W，Guofen L.Study of factors influencing gussasphalt mixture performance［J］.Construction and Building Materials，2015，101（11）：193-200.

［32］Sang L，Zhendong Q，Xu Y，et al.Design of gussasphalt mixtures based on performance of gussasphalt binders，mastics and mixtures［J］.Construction and Building Materials，2017，156（11）：131-141.

［33］張 銳，黃曉明，趙永利.澆注式瀝青混凝土級配設計［J］.東南大學學報（自然科學版），2007（4）：661-665.

［34］Qian J，Wang Q，Wu W，et al.Fatigue performance of gussasphalt concrete made from modified AH-70# asphalt［J］.Materials and Design，2013，52（11）：686-692.

［35］楊理廣，錢振東，羅 桑，等.溫拌改性劑對澆注式瀝青混合料性能的影響性研究［J］.公路，2013（4）：80-84.

［36］何 靜，殷紅梅，劉國強.玻璃纖維增強澆筑式瀝青混凝土性能試驗研究［J］.公路交通技術，2012（5）：37-40.

基金項目：中央引導地方科技發(fā)展資金項目“廣西典型固體廢棄物道路領域綜合資源化利用技術研發(fā)中心”（編號：桂科ZY21195043）

作者簡介：江二中（1982—），碩士，高級工程師，主要從事公路與水運工程建設管理工作。