大縱坡小半徑鋼橋面瀝青鋪裝設(shè)計(jì)研究

潘友強(qiáng)，郭忠印

（1.同濟(jì)大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院，上海201804；2.江蘇省交通科學(xué)研究院，江蘇 南京211112）

鋼橋面瀝青鋪裝技術(shù)是一項(xiàng)世界性難題，也是當(dāng)前我國(guó)鋼橋建設(shè)的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一，特別是一些特大跨徑或者特殊結(jié)構(gòu)的橋梁，對(duì)橋面瀝青鋪裝提出了更高要求.

鋼橋面瀝青鋪裝是鋪設(shè)在鋼橋面板上，起保護(hù)鋼板并保證汽車行駛要求的單層或雙層構(gòu)造物.鋼橋面瀝青鋪裝的高溫穩(wěn)定性，抗疲勞開(kāi)裂性，對(duì)鋼板變形的隨從性，層間黏接、防排水性能以及施工的和易性等均有極高的要求［1－2］.

國(guó)內(nèi)鋼橋面瀝青鋪裝經(jīng)過(guò)10余年的研究實(shí)踐，基本上形成了以環(huán)氧瀝青為代表的熱固性鋼橋面瀝青鋪裝［3］、以澆注式瀝青為代表的高溫拌合型鋼橋面瀝青鋪裝［4］和以SMA（stone mastic asphalt，瀝青瑪蹄脂碎石）為代表的常規(guī)熱拌鋼橋面瀝青鋪裝［5］.

杭州灣跨海大橋連接主橋與海中觀景平臺(tái)的鋼匝道橋縱坡大，轉(zhuǎn)彎半徑小，最大縱坡3.84%，最大橫坡7%，最小轉(zhuǎn)彎半徑72 m，部分位置復(fù)合坡達(dá)8%，無(wú)論是鋪裝施工還是后期的使用都對(duì)橋面鋪裝提出了更高的要求.

1 大縱坡小半徑鋼橋面瀝青鋪裝特點(diǎn)分析

首先，從施工角度考慮，鋼匝道橋縱坡大，轉(zhuǎn)彎半徑小，橋面鋪裝施工難度大.目前國(guó)內(nèi)采用的美國(guó)環(huán)氧瀝青鋪裝方案，在攤鋪碾壓過(guò)程中，環(huán)氧瀝青黏結(jié)層處于凝膠狀態(tài)，在坡度較大的情況下攤鋪機(jī)行走在未固化的環(huán)氧瀝青黏結(jié)層表面會(huì)發(fā)生打滑和粘連現(xiàn)象［6］.在壓路機(jī)碾壓過(guò)程中，由于縱坡過(guò)大，壓路機(jī)會(huì)在未固化的黏結(jié)層界面上施加較大的水平剪力，容易造成黏結(jié)層破壞，影響鋪裝層的施工效果.美國(guó)環(huán)氧瀝青鋼橋面瀝青鋪裝方案在大縱坡小半徑鋼橋面瀝青鋪裝上施工難度比較大.

其次，從受力角度分析，由于匝道橋縱坡大、轉(zhuǎn)彎半徑小，鋪裝層受力非常不利，因此要求鋪裝層具有更高的高溫穩(wěn)定性和界面安全性，目前國(guó)內(nèi)采用的澆注式瀝青鋼橋面瀝青鋪裝在高溫性能方面存在較大風(fēng)險(xiǎn).

再次，從使用角度看，大縱坡小半徑橋面要求鋪裝表面粗糙，抗滑系數(shù)大，以保證行車的安全性.美國(guó)環(huán)氧瀝青混凝土采用了類似AC10 型級(jí)配，細(xì)集料含量大，鋪裝表面宏觀構(gòu)造深度小，抗滑性能較差，特別是杭州灣地區(qū)海上風(fēng)大、雨多，雨后橋面極易形成水膜，嚴(yán)重影響行車的安全性.

總體來(lái)說(shuō)，大縱坡、小半徑鋼橋要求鋼橋面瀝青鋪裝施工簡(jiǎn)單可行，高溫性能較優(yōu)，界面穩(wěn)定性高，鋪裝表面粗糙，抗滑性能好.

2 鋪裝方案設(shè)計(jì)

2.1 鋪裝方案設(shè)計(jì)

綜合大縱坡、小半徑鋼橋的特點(diǎn)和使用要求，推薦樹(shù)脂瀝青組合體系（ERS）鋼橋面鋪裝方案，如圖1所示.ERS 鋼橋面鋪裝主要由環(huán)氧黏結(jié)碎石層（EBCL）、樹(shù)脂瀝青混凝土（RA05）、SMA10組成.

圖1 杭州灣跨海大橋海中平臺(tái)匝道橋ERS鋼橋面鋪裝方案Fig.1 ERS steel deck pavement of the off－ramp bridge of Hangzhou Bay Bridge

（1）鋼板要求噴砂除銹達(dá)到Sa2.5級(jí)，粗糙度要求達(dá)到60～100μm.

（2）然后立即涂刷一層0.7～1.0kg·m－2的EBCL膠料，同時(shí)灑布3～5mm 粒徑的碎石，碎石灑布要求達(dá)到滿布面積的80%.

（3）EBCL 層固化以后，在其上成型一層1.5 cm 厚的RA05整體化層.RA05碾壓施工時(shí)，應(yīng)撒布10～13mm 單粒徑碎石，保證RA05表面凹凸不平.

（4）RA05固化以后灑布防水黏結(jié)層，然后成型SMA10瀝青混凝土層，SMA10 分兩層施工，下層2.5cm，上層3.0cm.鋪裝總厚度控制在7cm.

2.2 該方案的主要特點(diǎn)

EBCL層施工簡(jiǎn)便，固化時(shí)間短，可有效解決橋面鋪裝界面防水防腐及抗剪問(wèn)題，而且固化后的EBCL層可以作為后期施工的平臺(tái).

RA05冷拌樹(shù)脂瀝青混凝土，常溫拌合施工，常溫快速固化，耐高溫、耐疲勞，以RA05做SMA 層施工平臺(tái)易施工且不易滑動(dòng).

SMA 是典型的骨架型瀝青混合料，表面粗糙均勻，能夠保證匝道橋行車的安全性和舒適性.

ERS鋼橋面鋪裝對(duì)施工環(huán)境條件的要求不高，不需要特殊的、大型的施工機(jī)具，有利于在海中匝道橋處的施工組織.

3 EBCL層性能研究

EBCL層作為ERS鋼橋面鋪裝方案的防水抗滑黏結(jié)層，要求施工簡(jiǎn)單，固化快速，與鋼板有良好的黏結(jié)強(qiáng)度，良好的變形性能和耐久性，而且還要為后期RA05和SMA10提供施工的平臺(tái).論文主要從施工和易性、強(qiáng)度、變形以及耐久性等幾個(gè)方面對(duì)EBCL進(jìn)行了研究.

3.1 施工和易性

EBCL層作為一種環(huán)氧樹(shù)脂類材料，主要采用指干時(shí)間、固化時(shí)間評(píng)價(jià)其施工可實(shí)施性.表1 為EBCL層指干時(shí)間和固化時(shí)間試驗(yàn)結(jié)果.

表1 EBCL 膠料指干和固化時(shí)間Tab.1 The hand dry and solidfied time of EBCL

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出EBCL 膠料強(qiáng)度增長(zhǎng)很快，25 ℃條件下基本在3d左右、60 ℃條件下基本1 d左右即可達(dá)到固化強(qiáng)度.EBCL 膠料固化速度快，有利于后序施工的開(kāi)展.

3.2 強(qiáng)度性能

鋼橋面板與鋪裝之間的抗剪切能力不足是導(dǎo)致鋼橋面鋪裝產(chǎn)生推移破壞的主要原因之一.EBCL作為ERS鋼橋面鋪裝方案的防水抗滑黏結(jié)層，與鋼板黏結(jié)強(qiáng)度的大小對(duì)于整個(gè)鋪裝層的安全穩(wěn)定具有決定性意義.EBCL 層與鋼板黏結(jié)強(qiáng)度通常采用拉拔強(qiáng)度和拉剪強(qiáng)度進(jìn)行表征，完全固化條件下EBCL層強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2.

表2 完全固化條件下EBCL 層與鋼板的黏結(jié)強(qiáng)度Tab.2 The strength of solidified EBCL

完全固化狀態(tài)的EBCL膠料與鋼板之間具有較高的黏結(jié)強(qiáng)度，特別是在高溫70 ℃條件下，剪切強(qiáng)度超過(guò)1 MPa，拉拔強(qiáng)度超過(guò)5 MPa，滿足鋼橋面瀝青鋪裝的剪切強(qiáng)度要求.EBCL 層與鋼板的黏結(jié)強(qiáng)度特別是高溫條件下的強(qiáng)度遠(yuǎn)優(yōu)于一般的瀝青類防水黏結(jié)層和環(huán)氧瀝青類防水黏結(jié)層.

3.3 變形性能

EBCL用于鋼橋面鋪裝不僅要滿足強(qiáng)度的要求，而且要求具有一定的變形性能.評(píng)價(jià)EBCL 的變形性能主要采用了斷裂延伸率試驗(yàn)和鋼板加EBCL組合結(jié)構(gòu)變形隨從性試驗(yàn).EBCL 斷裂延伸率試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3.

表3 EBCL 斷裂延伸率試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Direct tensile test results of EBCL

變形隨從性試驗(yàn)采用14 mm 厚鋼板加EBCL層組合試件進(jìn)行，彎曲試驗(yàn)溫度－10℃.試驗(yàn)通過(guò)逐級(jí)加載，觀察鋼板表面EBCL 的狀況.試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，EBCL層的計(jì)算拉應(yīng)變達(dá)到7 000×10－6，EBCL 層未出現(xiàn)肉眼可見(jiàn)的開(kāi)裂、脫層的現(xiàn)象（圖2）.

斷裂延伸率試驗(yàn)和變形隨從性試驗(yàn)結(jié)果表明EBCL層具有較好的變形性能.

3.4 EBCL防腐性能

為了考察EBCL 能否對(duì)鋼板進(jìn)行有效的保護(hù)，進(jìn)行了鋼板加EBCL 層組合試件鹽水浸泡的對(duì)比試驗(yàn).將固化后的鋼板加EBCL 組合試件置于10%的鹽水中，觀察鋼板表面的變化.試驗(yàn)時(shí)間為60d，試驗(yàn)結(jié)束后試件表面沒(méi)有出現(xiàn)銹蝕現(xiàn)象（圖3）.

試驗(yàn)結(jié)果表明，EBCL 層對(duì)鋼板有良好的防護(hù)作用.EBCL通過(guò)完全阻斷水和空氣與鋼板接觸保證鋼板不被銹蝕，與環(huán)氧富鋅漆的代償作用不同.

4 RA05性能研究

RA05是整個(gè)ERS鋼橋面鋪裝體系中最關(guān)鍵的一層，常溫施工，具有強(qiáng)度高、耐高溫、抗疲勞、易施工等特點(diǎn).

4.1 RA05混合料設(shè)計(jì)

RA05作為防水層、整體化層和隔熱層，要求它不透水，同時(shí)考慮到在坡度比較大的鋼匝道橋橋面上實(shí)施要求有極好的施工和易性.基于上述考慮，選擇最大公稱粒徑為5 mm 的連續(xù)式密級(jí)配作為RA05混合料級(jí)配.RA05級(jí)配組成及油石比如表4所示.

表4 RA05級(jí)配及油石比要求Tab.4 The gradation and binder content of RA05

RA05 混合料所用膠結(jié)料為樹(shù)脂瀝青，由A，B兩種組分按照比例混合后反應(yīng)而成.RA05混合料所用膠結(jié)料性能如表5所示.

表5 25 ℃時(shí)RA05膠結(jié)料主要性能Tab.5 The binder performance of RA05at 25 ℃

4.2 基本路用性能

RA05混合料抗水損害性能、高低溫性能和疲勞性能試驗(yàn)結(jié)果如表6所示.

表6 RA05基本路用性能Tab.6 The performance of RA05mixture

RA05混合料70 ℃馬歇爾穩(wěn)定度為40kN，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一般的瀝青混合料.RA05瀝青混合料具有優(yōu)良的水穩(wěn)定性、高低溫性能和疲勞性能.

4.3 EBCL與RA05之間的抗剪強(qiáng)度

EBCL與RA05之間的界面抗剪強(qiáng)度是ERS鋼橋面鋪裝成功的關(guān)鍵之一.EBCL和RA05組合結(jié)構(gòu)的常溫（25 ℃）和高溫（70 ℃）條件下45°斜剪試驗(yàn)結(jié)果如表7所示.

表7 EBCL 加RA05復(fù)合件抗剪試驗(yàn)結(jié)果Tab.7 The shear performance of EBCL and RA05 composite structure

EBCL與RA05之間通過(guò)碎石嵌擠緊密，復(fù)合件具有較高的抗剪強(qiáng)度，45°斜剪試驗(yàn)破壞界面均發(fā)生在EBCL與鋼板界面，說(shuō)明EBCL 和RA05之間的界面有極好的抗剪切能力.圖4為斜剪試驗(yàn)破壞的界面.

5 高黏改性瀝青SMA10層性能研究

大縱坡小半徑鋼橋?yàn)r青鋪裝面層除了具有良好的高低溫性能、抗疲勞性能之外，還應(yīng)具有良好的粗糙度，保證行車的安全性.為此選擇雙層高黏改性瀝青SMA 10作為ERS鋪裝的表面功能層.SMA 10采用高黏改性瀝青作膠結(jié)料，高黏改性瀝青軟化點(diǎn)要求大于85℃，60℃動(dòng)力黏度要求超過(guò)10 MPa·s，SHRP 性 能 分 級(jí) 滿 足PG82－22.高 黏 改 性 瀝 青SMA10瀝青混合料的基本性能如表8所示.

表8 高黏改性瀝青SMA10基本路用性能Tab.8 The performance of SMA10with high viscosity bitumen

從試驗(yàn)結(jié)果可知：高黏改性瀝青SMA 10具有優(yōu)良的抗水損害性能、高溫性能和低溫抗裂性能.SMA 瀝青混合料表面粗糙均勻，具有較高的構(gòu)造深度和摩擦系數(shù)，抗滑性能好，可以改善大縱坡、小半徑鋼橋橋面瀝青鋪裝的行車安全性.

6 工程應(yīng)用

杭州灣跨海大橋海中平臺(tái)匝道橋最大縱坡達(dá)到3.84%，最大橫坡7%，最小轉(zhuǎn)彎半徑72 m，鋼橋面瀝青鋪裝的實(shí)施難度大，后期使用性能要求高.ERS鋼橋面鋪裝在杭州灣跨海大橋海中平臺(tái)匝道橋順利實(shí)施，并運(yùn)行超過(guò)1 年，目前橋面鋪裝狀況良好.ERS鋼橋面鋪裝成功地解決了大縱坡、小半徑鋼橋面瀝青鋪裝技術(shù)難題.

7 結(jié)論

為了解決杭州灣跨海大橋海中平臺(tái)匝道橋鋼橋面瀝青鋪裝技術(shù)難題，研究開(kāi)發(fā)了ERS鋼橋面鋪裝技術(shù).ERS鋼橋面鋪裝主要由EBCL，RA05，SMA10組成，EBCL作為防水抗滑黏結(jié)層，RA05作為鋪裝整體化層，SMA10作為表面功能層，各層功能明確.

EBCL膠料與鋼板有良好的黏結(jié)能力，可以滿足橋面鋪裝黏結(jié)層的抗剪切要求，同時(shí)固化時(shí)間短可以滿足大縱坡、小半徑鋼橋面鋪裝施工平臺(tái)要求.

RA05混合料70 ℃的穩(wěn)定度達(dá)到40kN 以上，具有優(yōu)良的路用性能，而且施工簡(jiǎn)單，固化時(shí)間短，可以滿足海中匝道橋橋面鋪裝整體化的要求.

國(guó)產(chǎn)高黏改性瀝青SMA 10 混合料，綜合路用性能優(yōu)良，表面粗糙、均勻，可以保證匝道橋行車的安全性和舒適性.

ERS鋼橋面鋪裝在杭州灣跨海大橋海中平臺(tái)匝道橋上的成功應(yīng)用，表明該技術(shù)具有優(yōu)良的施工和易性和良好的性能，在類似鋼橋中具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值.

［1］ 黃衛(wèi).大跨徑橋梁鋼橋面鋪裝設(shè)計(jì)理論與方法［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2006.HUANG Wei.Theory and method of deck paving design for large span bridges［M］.Beijing：China Architecture and Building Press，2006.

［2］ 南京二橋建設(shè)指揮部，東南大學(xué).南京二橋環(huán)氧瀝青鋼橋面鋪裝技術(shù)研究［R］.南京：東南大學(xué)交通學(xué)院，2001.Nanjing Second Yangze River Bridge Construction Headquaters，Southeast University.The research on epoxy steel deck pavement of Nanjing second Yangze river bridge［R］.Nanjing：School of Transportation of Southeast University，2001.

［3］ 黃衛(wèi)，錢振東，程剛，等.大跨徑鋼橋面環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝研究［J］.科學(xué)通報(bào)，2002（24）：1894.HUANG Wei，QIAN Zhendong，CHENG Gang，et al. The reasearch of epoxy asphalt concrete on large span steel deck pavement［J］.Chinese Science Bulletin，2002（24）：1894.

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