南京地區(qū)環(huán)氧瀝青混凝土鋼橋面鋪裝病害分析及養(yǎng)護(hù)措施

李 丹，余 健，章登精

(1.江蘇省南京重大路橋建設(shè)指揮部，南京210031;2.江蘇省南京長江第二大橋有限責(zé)任公司，南京210006;3.江蘇省南京重大路橋建設(shè)指揮部，南京210031)

環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝技術(shù)在國內(nèi)于2000年首次用于南京長江二橋，解決了以往橋梁建成后不久出現(xiàn)的大面積推擠、車轍等破壞的問題。2005年該技術(shù)再次被用于南京長江第三大橋鋼橋面鋪裝。目前南京長江二橋通車已10 a，南京長江三橋也通車近5 a，鋼橋面鋪裝使用整體狀況良好。

南京長江二橋和三橋都是國家高速公路網(wǎng)、國道主干線在南京結(jié)點(diǎn)上的重要過江通道。南京二橋南汊大橋主橋?yàn)殡p塔雙索面五跨連續(xù)鋼箱梁斜拉橋，橋梁跨徑布置為 58.5+246.5+628+246.5+58.5=1 238m，主跨628m;南京三橋主橋?yàn)槲蹇邕B續(xù)雙塔雙索面鋼塔鋼箱梁斜拉橋，橋梁跨徑布置為63+257+648+257+63=1 288m，主跨648m。均采用雙向六車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)行車速度100km/h，設(shè)計(jì)荷載汽車—超20級、掛車—120。鋼箱梁采用正交異性板流線型扁平鋼箱梁，鋼橋面鋪裝的行車道采用“2.5 cm+2.5 cm”的雙層環(huán)氧瀝青混凝土方案，鋪裝上下層之間、鋪裝下層與鋼橋面板之間均用環(huán)氧瀝青作為粘結(jié)層。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中南京長江三橋按照20%的車輛超載30%的條件，進(jìn)行橋面鋪裝設(shè)計(jì)驗(yàn)證。

圖1 環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝結(jié)構(gòu)Fig.1 Pavement structure of epoxy asphalt concrete

南京長江二橋2001年通車后年日均交通量9800輛 (絕對數(shù)，以下同)，2009年日均交通量49 300輛，日均交通量年遞增 19.7%。從 2001-2002年度，按照“禁止軸載超50%的車輛過橋”的原則進(jìn)行了超限車輛管理;因超限車管理系統(tǒng)問題，實(shí)際限制了“軸載超50%的車輛”中的約30%車輛通過大橋;2004年二橋公司股權(quán)轉(zhuǎn)讓后，取消超限車管理，2007年實(shí)現(xiàn)計(jì)重收費(fèi) (見表1)。

表1 2007年二橋過往車輛超載情況統(tǒng)計(jì)表 輛Tab.1 Statistics of Overload on the No.2 bridge in 2007

南京三橋2005年通車，06年日均交通量 (絕對數(shù))12 200輛，2009年日達(dá)均交通量20 000輛，日均交通量年遞增17.9%，未設(shè)超限管理，實(shí)施計(jì)重收費(fèi)。

表2 2007年三橋過往車輛超載情況統(tǒng)計(jì)表 輛Tab.2 Statistics of Overload on the No.3 bridge in 2007

1 鋪裝病害基本情況

南京地區(qū)鋼橋面鋪裝的病害以裂縫為主，也有少量鼓包和硬傷，其中裂縫病害占總病害的96.7%。

1.1 鼓 包

鼓包病害一般是由于殘留在鋪裝層內(nèi)部的水，高溫形成水汽體積膨脹而導(dǎo)致的;鼓包也是對于密級配瀝青混凝土鋼橋面鋪裝最常見的一種病害表現(xiàn)形式。

環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝鼓包病害一般是由于施工時的非人為因素 (諸如汗水、雨、露水等)而導(dǎo)致［1］。鋪裝層存在內(nèi)部不連通空隙，空隙率很小(〈3%)，高溫下水逐漸變成水汽無法揮發(fā)到鋪裝層外，體積膨脹使得局部頂起，形成鋪裝層表面的“隆起”現(xiàn)象［2］。隆起的鋪裝層部分在車輛荷載的反復(fù)作用下很容易被壓碎，從而形成表面的不規(guī)則裂紋。二橋通車第一年出現(xiàn)多處鼓包病害，三橋因采用側(cè)喂料機(jī)施工工藝后未出現(xiàn)此類病害［3］。

按照鼓包發(fā)展的不同形式和表現(xiàn)出來的外觀形態(tài)，鼓包病害可劃分以下幾個階段。

(1)初期隆起。鼓包初期表現(xiàn)出來的是表面的圓形小范圍內(nèi)的微微隆起現(xiàn)象，如圖2所示。鋪裝層被頂起，此處的鋪裝層脫離鋼板或下層基礎(chǔ)(視病害根源所在位置而定)的支撐，從而形成視覺上明顯的高差。初期隆起開裂現(xiàn)象出現(xiàn)后，如果不及時進(jìn)行處理，就會發(fā)展成為更為嚴(yán)重的中期裂縫擴(kuò)展。

圖2 鼓包與坑洞病害Fig.2 Drum kit and hollow hole

(2)中期裂縫擴(kuò)展。初期隆起的鋪裝層部分在行車荷載的循環(huán)作用下迅速發(fā)展為裂紋，最為明顯的特征除了“隆起”頂端的放射分布裂紋繼續(xù)擴(kuò)展以外，就是在初期“隆起”的圓形范圍的根部出現(xiàn)圓形裂紋，并有逐漸閉合的趨勢。該裂紋是“隆起”的鋪裝層部分在喪失支撐后被車輛荷載壓“塌陷”而導(dǎo)致的。

(3)完全破壞階段。如果鼓包病害發(fā)展到表面塌陷，鋪裝層所出現(xiàn)的裂縫，在行車荷載產(chǎn)生的壓力作用下，水從開裂鋪裝層處下滲到鋪裝層內(nèi)部，導(dǎo)致鋼板銹蝕。整個鼓包區(qū)域混合料破壞，最終出現(xiàn)坑洞?？佣吹某霈F(xiàn)是鼓包病害處理不及時的必然結(jié)果。

1.2 裂 縫

包括縱向裂縫和短小方向各異的微裂紋 (不包括鼓包位置的微裂縫)，縱向裂縫最長達(dá)15～20m;微裂紋長度小于20cm，如圖3所示。

圖3 裂縫病害Fig.3 Crack defect

(1)微裂縫。微裂縫是非結(jié)構(gòu)性受力裂縫，出現(xiàn)的位置并非是室內(nèi)力學(xué)分析的最不利位置(應(yīng)力或應(yīng)變最大點(diǎn))。裂縫出現(xiàn)極為不規(guī)則，且裂縫的間距也不固定。從裂紋發(fā)展的速度而言，速度極為緩慢。一般認(rèn)為該裂縫跟施工工藝和施工控制不成熟有關(guān)。二橋出現(xiàn)的微裂縫發(fā)現(xiàn)于通車第2年，位于鋪裝面層的部分施工接縫兩側(cè);三橋未發(fā)現(xiàn)微裂縫。

(2)縱向裂縫?？v向裂縫一般是結(jié)構(gòu)性受力裂縫，有兩類:一類是因疲勞而產(chǎn)生的裂縫，一類是因結(jié)構(gòu)及荷載原因引起的破壞裂縫。常常出現(xiàn)在正交異性鋼橋面板鋪裝層的最大拉應(yīng)力位置，位于梯形加勁肋肋頂和縱隔板頂?shù)匿佈b層表面附近區(qū)域。

1.3 表面小坑

一類是使用期間過往車輛上掉落硬物的沖擊損傷 (即外傷)，一類是施工留下在鋪裝表面的低強(qiáng)度雜物被汽車磨除，一般表現(xiàn)為凹坑。

外傷是指環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝層由于過往車輛上硬物掉落鋪裝表面對鋪裝表面的沖擊與破損，或由于車禍等問題導(dǎo)致的硬物在鋪裝層表面形成的劃痕。二橋、三橋均出現(xiàn)多起此類病害。

三橋鋪裝施工第一次使用側(cè)喂料機(jī)，采用橡膠傳送帶，在長期高溫的作用下橡膠帶有老化剝落的情況，雖然在施工過程中有專人對剝落的橡膠塊進(jìn)行清理，但是仍有極少部分會殘留在鋪裝層中。通車以后此處會形成薄弱點(diǎn)而產(chǎn)生小坑洞，如圖4所示。

圖4 硬傷病害Fig.4 Mishap defect

2 鋪裝病害分析對比

鋼橋面鋪裝的病害問題已經(jīng)越來越突出，不少橋梁已直接影響橋梁的正常運(yùn)營。國內(nèi)鋼橋面鋪裝常見病害 (見表3)主要有六大類:①剪切滑移、脫層;②車轍;③推擠、擁包;④鼓包、坑槽、剝落破壞;⑤裂縫;⑥泛油、光面的輪跡帶或輪印。前三類病害為國內(nèi)早期鋼橋面鋪裝常見致命的病害，成因分析見表3。以南京地區(qū)采用的環(huán)氧瀝青橋面鋪裝技術(shù)，很好地克服了前三類病害和第六類病害。南京地區(qū)環(huán)氧瀝青橋面鋪裝中所出現(xiàn)的病害，主要是第五類裂縫，第四病害也少有出現(xiàn)。

二橋鋼橋面第一次采用環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝技術(shù)，出現(xiàn)的較為典型病害，按時間先后分別是:鼓包、微裂紋、表面小坑和縱向裂縫。

鼓包病害最早出現(xiàn)在二橋施工期 (2000年9月份開始施工，10月22日完成攤鋪)，起因是運(yùn)料車直接行駛攤鋪車道聯(lián)結(jié)層上進(jìn)行卸料，而貨車的車況參差不齊，時而出現(xiàn)滴水或漏油情況，使得水滴或其他高溫易汽化的液體被埋入混凝土體內(nèi)。施工初期經(jīng)驗(yàn)不足、氣溫較高，出現(xiàn)鼓包較多;后期在運(yùn)輸環(huán)節(jié)上針對性加強(qiáng)措施，氣溫也較低，鼓包也相對較少。在混凝土強(qiáng)度增長過程中發(fā)現(xiàn)的鼓包，采用排除水分等措施進(jìn)行了修復(fù);在混凝土養(yǎng)護(hù)期以后發(fā)現(xiàn)的鼓包，二橋通車前后都針對性地進(jìn)行修補(bǔ)，仍以排除水分修補(bǔ)鼓包引起的層間聯(lián)結(jié)失效為主要目的。三橋2005年施工，研制了側(cè)喂料機(jī)，避免了料車對施工質(zhì)量的直接影響，同時健全了施工管理細(xì)節(jié)，未出現(xiàn)鼓包病害。

二橋微裂紋病害分布于施工兩側(cè)，位于行車道中間位置 (非輪跡帶位置)，初期未作修補(bǔ)，也沒有明顯發(fā)展，形狀不規(guī)則，以橫橋向?yàn)橹鳎缙诎l(fā)現(xiàn)的僅有部分段落存在。成因是鋪裝施工終壓階段，壓路機(jī)急停轉(zhuǎn)向所致。三橋施工期間，加強(qiáng)了施工碾壓管理，過程中發(fā)現(xiàn)類似裂紋，據(jù)此要求專項(xiàng)管理。

二橋縱向裂縫首次于2006年秋季被筆者發(fā)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)時裂縫上口已成圓弧狀。位于行車道縱隔板附近，該位置后期發(fā)現(xiàn)局部結(jié)構(gòu)失效。疲勞試驗(yàn)表明，常溫5kN荷載作用下疲勞壽命超過2 000萬次(花山玄武巖，二橋試件)，常溫8kN荷載作用下疲勞壽命不足200萬次 (花山玄武巖，三橋試件)。裂縫產(chǎn)生可以確認(rèn)為高應(yīng)力下的疲勞裂縫。三橋局部段落在2007年也發(fā)現(xiàn)縱向裂縫，該段落因暴雪災(zāi)害曾大量積壓重型車輛和積雪。

表3 國內(nèi)鋼橋面鋪裝常見病害Tab.3 Common defects in Steel deck pavement

續(xù)表

3 鋪裝病害養(yǎng)護(hù)措施

3.1 日常養(yǎng)護(hù)

日常養(yǎng)護(hù)主要是排水通道的清理和橋面清掃，可防止橋面積水導(dǎo)致抗滑性能下降，防止碎石或金屬物體被重車碾壓形成小坑。

3.2 運(yùn)營初期溫度監(jiān)測及灑水降溫

二橋環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝的設(shè)計(jì)溫度為-15℃～60℃?？紤]日照輻射作用下，表面溫度近70℃，2001年高溫期按照氣溫35℃以上灑水降溫并進(jìn)行了溫度監(jiān)測 (部分溫測結(jié)果見表4)。交通量驟增后，放棄了灑水降溫養(yǎng)護(hù)。溫度監(jiān)測顯示灑水后，溫度可以降低近10℃。

3.3 鼓包病害養(yǎng)護(hù)

3.3.1 早期鼓包

修補(bǔ)目標(biāo)是修復(fù)鼓包底部界面。養(yǎng)護(hù)期對突起鼓包在界面處理完畢后，采用加溫壓重措施消除突起。修補(bǔ)材料:低粘度材料YBL粘結(jié)劑材料和LSQ47環(huán)氧樹脂。LSQ47環(huán)氧樹脂主要強(qiáng)度指標(biāo):粘度 0.295 Pa·s(23℃)，拉伸強(qiáng)度 16.3 MPa，延伸率71%，常溫配置，固化時間短。

先在鼓起范圍的鋪裝層表面錐刺3～4個小孔，錐刺深度以達(dá)到鼓起底層位置，用熱吹風(fēng)機(jī)將熱空氣鼓吹入鼓包鋪裝層內(nèi)部，待鼓包內(nèi)濕氣充分干燥并待溫度冷卻后即可進(jìn)行灌縫處理。用注射器或?qū)Ｓ昧芽p灌注儀，按照從最低位置的錐刺孔灌注粘結(jié)料的原則進(jìn)行灌注，待臨近錐刺孔內(nèi)有YBL粘結(jié)劑滲出后，用橡膠皮堵孔，如此往復(fù)，直至最高位置的錐刺孔內(nèi)粘結(jié)劑滲出為止，最后用灌縫料將裂縫密封，待YBL灌縫料固化后即可開放交通。

表4 南京二橋鋼橋面鋪裝溫度測量部分成果 (夏季)Tab.4 Temperature measurements of pavement in the No.2 bridge(summer)

3.3.2 中晚期鼓包

對惡化后鋪裝層的中晚期鼓包病害，可以根據(jù)鼓包范圍根部的裂縫閉合情況確定鼓包病害的嚴(yán)重程度，再根據(jù)不同的嚴(yán)重程度選擇采用灌縫密封處理還是開挖回填處理。

對于使用期間出現(xiàn)的嚴(yán)重中晚期鼓包開裂病害，按坑洞回填處理。

3.4 裂縫病害養(yǎng)護(hù)

3.4.1 修補(bǔ)材料

方案1:選擇一種低粘度，但強(qiáng)度值與原環(huán)氧粘結(jié)料相當(dāng)?shù)墓嗫p材料進(jìn)行修補(bǔ)。擇優(yōu)選擇YBL粘結(jié)劑作為環(huán)氧瀝青混凝土鋼橋面鋪裝層的裂縫修復(fù)材料。YBL86技術(shù)指標(biāo):粘度 0.075 Pa·s(23℃)，拉伸強(qiáng)度42.5 MPa，斷裂延伸率5.4%，常溫配置，固化時間4h。

方案2:根據(jù)不同的裂縫寬度，選用表5中的修縫劑加以修復(fù)。

表5 修縫劑技術(shù)指標(biāo) (23℃)Tab.5 Technical indexes of repair joint agent

方案3:將環(huán)氧樹脂+固化劑+酒精 (為溶劑)按照一定的比例調(diào)勻后，直接涂抹在裂紋(縫)的表面進(jìn)行封閉

3.4.2 施工工藝

應(yīng)選擇在連續(xù)烈日暴曬后進(jìn)行，并避免高溫時分進(jìn)行灌注;灌注前應(yīng)清除裂縫內(nèi)部的油污等影響粘結(jié)強(qiáng)度的雜質(zhì);若有油污，先用肥皂水進(jìn)行刷洗，待日后烈日暴曬干燥后再進(jìn)行灌縫處理。這些措施是為了灌縫材料在沒有到達(dá)裂縫底部時，不會因反應(yīng)劇烈而導(dǎo)致粘度過大無法下滲，其修補(bǔ)情況如圖5所示。

圖5 部分病害修補(bǔ)情況Fig.5 Repair status of partial defects

裂縫周邊若存在明顯的唧漿現(xiàn)象，應(yīng)先用切縫機(jī)對裂縫進(jìn)行拓寬，處理好內(nèi)部破碎顆粒及水分后，按坑洞病害處理。

3.5 坑洞病害養(yǎng)護(hù)

3.5.1 小坑洞修補(bǔ)

方案1:先將小坑洞內(nèi)清理干凈，再將環(huán)氧樹脂+固化劑+酒精+集料按照一定比例調(diào)配后直接填入小坑洞內(nèi)，最后人工進(jìn)行夯實(shí)。

方案2:先用鋼絲刷與鬃毛刷將凹坑內(nèi)的浮動顆粒與灰塵清除干凈，然后預(yù)埋細(xì)質(zhì)集料，與臨近鋪裝層表面齊平，再將YBL86粘結(jié)劑灌入凹坑內(nèi)，待粘結(jié)劑完全固化后即可開放交通。

方案3:用高強(qiáng)度Ⅳ型修復(fù)劑+冷拌混合料修補(bǔ)。修復(fù)Ⅳ型材料技術(shù)指標(biāo) (23℃)技術(shù)指標(biāo):粘度 0.43Pa·s50℃ (23℃)，拉伸強(qiáng)度 3.9MPa，斷裂延伸率180%，馬歇爾強(qiáng)度78.5 kN，流值31.0(0.1mm)。

3.5.2 大坑洞修補(bǔ)

是指直徑大于50cm的大坑洞以及狹長刮擦外傷坑洞的修補(bǔ)。

方案1:冷補(bǔ)法。用A型高強(qiáng)粘結(jié)劑+Ⅴ型純樹脂添加劑+冷拌混合料修補(bǔ)。采用容量為500～800 kg，加熱范圍250℃的小型滾筒拌合機(jī)進(jìn)行機(jī)械拌和混合料，同時匹配小型手扶式壓路機(jī)，對修復(fù)鋪裝部分進(jìn)行壓實(shí)處理。修復(fù)Ⅴ型添加劑技術(shù)指標(biāo):粘 度 0.23 Pa·s50℃ (23℃)， 拉 伸 強(qiáng) 度2.9MPa，斷裂延伸率 180%，馬歇爾強(qiáng)度 63.7 kN，流值38.2(0.1mm)h。修復(fù) A 型粘結(jié)劑技術(shù)指標(biāo)粘度 1.03Pa·s50℃ (23℃)，粘度 0.53(Pa·s，50℃)拉伸強(qiáng)度 7.83MPa，斷裂延伸率1200(%，23℃)，馬歇爾強(qiáng)度 63.7 kN，流值38.2(0.1mm)。

方案2:熱補(bǔ)法。環(huán)氧瀝青聯(lián)結(jié)層+環(huán)氧瀝青混合料。

4 幾點(diǎn)體會

病害的長期觀測及病害修補(bǔ)后的觀測表明，環(huán)氧瀝青混凝土鋼橋面的合理養(yǎng)護(hù)和病害修補(bǔ)方案至關(guān)重要。

(1)鋪裝的日常巡檢應(yīng)高度重視，可以及時發(fā)現(xiàn)病害，便于制定可靠的修補(bǔ)方案;

(2)鼓包病害的處理要及時，早處理可以避免發(fā)展為坑洞;要嚴(yán)禁把初期鼓包 (病害范圍尚未確定)挖除，直接按坑洞修補(bǔ)。

(3)不是所有的裂縫都會發(fā)展為引起鋪裝破壞的病害，很多裂縫不修補(bǔ)也不會發(fā)展;要根據(jù)裂縫的寬度、深度及位置，是否存在唧漿現(xiàn)象，客觀分析并對裂縫進(jìn)行分類，科學(xué)制度處理方案。

(4)坑洞修補(bǔ)應(yīng)盡量采用熱補(bǔ)法，特別是大于20cm×20cm的坑洞應(yīng)禁止用強(qiáng)度小于原鋪裝的材料修補(bǔ)。

(5)各類病害修補(bǔ)工作要嚴(yán)禁在雨季、低溫條件下進(jìn)行，除部分裂縫修補(bǔ)外宜選擇高溫、干燥季節(jié)施工。

［1］于 力，童義和，俞 健.南京長江第二大橋鋼橋面鋪裝的養(yǎng)護(hù)管理［J］.公路交通科技，2006(3):105-107.

［2］李國芬，侯彥明，朱華平.瀝青混凝土橋面早期病害原因分析［J］.森林工程，2007，23(2):62-64.

［3］章登精.南京長江第三大橋環(huán)氧瀝青橋面鋪裝工程［J］.公路，2007(9):21-23.