環(huán)氧瀝青鋼橋面鋪裝使用周期的性能表現(xiàn)與養(yǎng)護維修

徐 偉,周嘉博,莊國藝

華南理工大學 土木與交通學院,廣東 廣州 510640

0 引言

隨著中國公路大跨徑鋼橋建設的發(fā)展,鋼橋面鋪裝技術也得到了快速進步,高性能改性瀝青混合料、澆注式瀝青混合料、環(huán)氧瀝青混合料、高強水泥混凝土等材料被廣泛應用于鋼橋面鋪裝工程[1-3].各種鋼橋面鋪裝材料具有不同的特點和適應性,鋼橋面鋪裝的使用性能因鋪裝材料性能、鋼橋面板剛度、施工質量、氣候環(huán)境、交通荷載等因素的影響表現(xiàn)出較大的差異[4-7].

中國多數(shù)大跨徑鋼橋面臨高溫多雨、重載、大交通量等惡劣環(huán)境條件的挑戰(zhàn),而環(huán)氧瀝青鋪裝具有較好的高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性、層間黏結性和抗疲勞耐久性等[8].自2000年以來,環(huán)氧瀝青在中國鋼橋面鋪裝工程中逐漸得到了廣泛應用[9].由于環(huán)氧瀝青的基本性能與普通瀝青具有顯著差異,環(huán)氧瀝青鋪裝的性能表現(xiàn)、病害特點和維修養(yǎng)護方式與普通瀝青路面也有較大不同[10].雖然環(huán)氧瀝青鋼橋面鋪裝具有較好的性能表現(xiàn),但也會因施工質量控制、重載超載、鋼橋面板較薄等因素出現(xiàn)早期病害問題[11].本文分別針對施工質量良好但存在一定施工質量缺陷的2種環(huán)氧瀝青鋪裝工程,開展鋪裝使用周期的調查,分析環(huán)氧瀝青鋪裝從施工階段、運行初期、運行中期、運行后期及大修各階段的性能表現(xiàn)規(guī)律、病害特點和維修養(yǎng)護方式,為環(huán)氧瀝青鋼橋面鋪裝的設計、施工控制及養(yǎng)護維修提供參考.

1 環(huán)氧瀝青鋪裝施工質量良好情況下的性能表現(xiàn)及養(yǎng)護措施

環(huán)氧瀝青混凝土屬于熱固性材料,水穩(wěn)定性、抗老化性和耐油污性能優(yōu)良,具有良好的韌性和抗疲勞性能,15 ℃小梁彎曲強度可達15~20 MPa.正常情況下環(huán)氧瀝青鋼橋面鋪裝不會出現(xiàn)車轍、水損害、坑槽等病害.當鋪裝層彎拉應變低于一定應變水平時(如400 με),環(huán)氧瀝青鋪裝表現(xiàn)出長壽命狀態(tài);當鋪裝層彎拉應變超過一定應變水平時(如1 000 με),環(huán)氧瀝青鋪裝會出現(xiàn)早期疲勞開裂.

1967年美國San Mateo-Hayward大橋首次采用環(huán)氧瀝青鋼橋面鋪裝,經過近35年使用后2002年開始出現(xiàn)開裂,使用40年后的2008年鋪裝表面狀況見圖1.2015年SanMateo-Hayward大橋日均交通量達10.3萬輛,2015年5月進行了環(huán)氧瀝青鋪裝整體大修,該橋環(huán)氧瀝青鋪裝使用壽命最終達48年.

1986年金門大橋的混凝土橋面板更換為正交異性鋼橋面板,鋼橋面鋪裝采用溫拌型環(huán)氧瀝青混凝土; 2008年金門大橋鋼橋面鋪裝已有較多開裂,局部嚴重網(wǎng)裂,但仍能保持正常通行(圖(2a)、(b));2012年金門大橋鋼橋面鋪裝開裂病害進一步發(fā)展,維護人員對部分較嚴重的裂縫進行了灌縫處理,見圖2(c);2018年金門大橋鋼橋面鋪裝狀況見圖2(d).截至2018年金門大橋鋼橋面鋪裝已運行32年,日均交通量約10萬輛.

圖1 San Mateo-Hayward大橋鋼橋面鋪裝狀況(2008年)

施工質量優(yōu)良的環(huán)氧瀝青鋪裝在正常的交通荷載條件下可具有15~40年甚至更長的使用壽命,環(huán)氧瀝青鋪裝使用后期主要出現(xiàn)的病害是疲勞開裂,開裂會加速鋪裝病害的進一步發(fā)展.

圖2 金門大橋鋼橋面鋪裝狀況

環(huán)氧瀝青屬于熱固型材料,環(huán)氧瀝青混合料在使用過程中不會被壓密,其鋪裝表面構造發(fā)展變化趨勢與普通瀝青路面也不同.環(huán)氧瀝青鋪裝表面細集料磨耗脫落后會形成主要由剩余粗集料組成的較粗糙表面構造,金門大橋通車22年及佛山平勝大橋通車10年鋪裝表面變化情況分別見圖3、4.與普通瀝青路面抗滑性發(fā)展趨勢不同,環(huán)氧瀝青鋪裝表面抗滑性能隨著使用時間延長而逐漸增強,其鋪裝表面實際狀況與所用集料的耐磨性、混合料級配、交通量及車輛組成相關.

圖3 金門大橋鋼橋面鋪裝表面構造狀況

圖4 平勝大橋環(huán)氧瀝青鋪裝表面構造狀況

2 環(huán)氧瀝青鋪裝存在施工缺陷情況下的性能表現(xiàn)及維修措施

環(huán)氧瀝青施工質量控制要求較高,如果環(huán)氧瀝青混合料、黏結防水層等關鍵環(huán)節(jié)的施工質量沒有達到設計目標和技術要求,鋪裝整體性能也會受到顯著影響,出現(xiàn)早期病害問題,顯著降低鋪裝的使用壽命.另一方面,超載及較薄鋼橋面板也會引起環(huán)氧瀝青鋪裝早期的疲勞開裂.

以下基于2006年建成的一項鋼橋面鋪裝工程,對環(huán)氧瀝青鋪裝使用周期內的病害特點和維修養(yǎng)護措施進行調查分析.

2.1 環(huán)氧瀝青混合料施工期的問題與處置

環(huán)氧瀝青混合料鋪裝的空隙率基本低于3%,處于不透水、不透氣的狀態(tài),在攤鋪過程中如果環(huán)氧瀝青混合料內混入一定數(shù)量的水或油,環(huán)氧瀝青鋪裝會在壓密后因液體高溫下體積膨脹而引起鼓包,同時水分也會與固化劑發(fā)生反應,影響?zhàn)そY強度[12-13].對于較小的鼓包(直徑小于150 mm),一般可采用刺破放氣、重新壓實的方式處理,見圖5;對于較大的鼓包(直徑大于150 mm),重新壓實可能難以保證有效黏結,一般采用及時挖除鼓包、補回環(huán)氧瀝青混合料的方式處理,見圖6.

圖5 鼓包刺破

圖6 鼓包挖除

2.2 環(huán)氧瀝青鋪裝使用初期的性能表現(xiàn)與維養(yǎng)措施

部分環(huán)氧瀝青鋪裝鼓包并沒有在施工過程出現(xiàn),尤其是溫拌環(huán)氧瀝青和冷拌環(huán)氧瀝青鋪裝,但可能在通車后1~2年的夏季高溫期出現(xiàn)[14].該橋環(huán)氧瀝青鋪裝2008年出現(xiàn)的鼓包情況見圖7.實際維修應用效果證明鉆孔注膠處理鼓包方式不理想,一方面注膠難以與脫層界面有效黏結,另一方面注膠過多形成鋪裝突起影響路面平整度.一般環(huán)氧瀝青混凝土具有較強的韌性,出現(xiàn)局部裂縫后仍可使用較長時間,對于鼓包開裂情況可先采用改性瀝青灌縫的方式處理,見圖8.跟蹤觀察后發(fā)現(xiàn),鼓包開裂后5年內的狀態(tài)沒有顯著變化,表現(xiàn)出環(huán)氧瀝青混凝土具有較好的韌性.

2.3 環(huán)氧瀝青鋪裝使用中期的性能表現(xiàn)與維養(yǎng)措施

圖7 通車后鼓包開裂

圖8 鼓包灌縫封閉

2009年該項目環(huán)氧瀝青鋪裝表面出現(xiàn)激漿,且發(fā)生縱向開裂,見圖9、10.一般環(huán)氧瀝青鋪裝通車2~4年后,鼓包、開裂可能發(fā)展至激漿,這種情況說明鋪裝層已發(fā)生層間脫離,因混合料與鋼板摩擦產生粉料,在雨水和輪載作用下出現(xiàn)激漿.出現(xiàn)激漿后,病害位置鋪裝層需要及時維修(圖11),以減少病害擴展和對鋼橋面板的腐蝕,一般可采用灌縫方式進行封閉,見圖12.灌縫料采用改性瀝青效果較好,因為改性瀝青具有較好的黏附、熱熔和變形性能,而環(huán)氧瀝青或環(huán)氧樹脂灌縫易再次產生開裂.如果局部開裂嚴重或出現(xiàn)坑槽(圖13),可采用冷拌型環(huán)氧瀝青混合料進行挖補維修,修補材料應具有較好耐久性和與原鋪裝的相容性,見圖14.

2.4 環(huán)氧瀝青鋪裝使用后期的性能表現(xiàn)與維養(yǎng)措施

圖9 鼓包開裂激漿

圖10 鋪裝縱向開裂

圖11 鋪裝推移開裂

圖12 開裂灌縫養(yǎng)護

圖13 鋪裝坑槽破壞

隨著鋪裝運行時間的延長,2010年該項目4個車道環(huán)氧瀝青鋪裝出現(xiàn)脫層、開裂病害,鋪裝層產生較大面的推移、脫落和坑槽(圖15),局部出現(xiàn)鋼橋面板外露情況,已嚴重影響鋪裝的行駛功能和安全性,也會對鋼橋面板造成較嚴重的腐蝕,需要及時進行病害嚴重路段的車道鋪裝維修,需鏟除(圖16)鋼橋面板局部已經被嚴重銹蝕.

圖14 鋪裝坑槽挖補

圖15 較大面鋪裝縱向推移開裂

圖16 脫層鋪裝鏟除

對一個段落的車道鋪裝進行維修工程量較大,需要采用機械施工,一般采用性能相似的環(huán)氧瀝青混合料進行維修.首先銑刨病害區(qū)域的鋪裝層,銑刨深度控制在鋼橋面板上方約20 mm,以避免損傷鋼板,然后采用小型機械及人工清理殘留的鋪裝層(圖17).鋪裝病害位置在下面層、上面層的情況均有.最后涂布黏結層并鋪筑環(huán)氧瀝青混合料,如工程量較大需要采用拌合樓生產環(huán)氧瀝青混合料,也可以考慮采用移動式拌合設備進行較小范圍的混合料拌合生產,之后采用壓路機進行壓實,養(yǎng)生結束后方可開放交通,見圖18.為減少維修對交通的影響,宜選用快速養(yǎng)生環(huán)氧瀝青材料,并選擇氣溫較高的天氣進行鋪裝維修.

圖17 輪跡帶病害鋪裝清除

圖18 輪跡帶鋪裝修復

3 環(huán)氧瀝青鋪裝大修清除工藝

2017年金門大橋環(huán)氧瀝青鋪裝使用后期的整體病害較嚴重(圖19),路用性能顯著降低,通過一般養(yǎng)護措施難以長期有效恢復鋪裝使用功能,需要進行整體鋪裝大修.

環(huán)氧瀝青鋪裝未發(fā)生病害的區(qū)域與鋼橋面板仍然具有較強的黏結性,清除有一定難度,一般是先采用銑刨方式清除鋪裝至鋼橋面板上方約20 mm的深度(圖20),以免破壞鋼橋面板;然后采用機械鏟除殘余鋪裝,并配合人工清除粘結層(圖21).

脫層病害位置鋪裝黏結層界面狀態(tài)見圖22,黏結層材料處于松軟狀態(tài),與完全固化狀態(tài)不同.通車11年后黏結層存在這種狀態(tài)是不正常的,這也反映出黏結層強度失效是產生鋪裝脫層病害的主要原因.

最后采用機械噴砂方式清潔鋼橋面板,達到清潔度和粗糙度的設計要求(圖23),并按照維修設計方案完成鋪裝施工.為了保證交通通行、施工安全和維修施工效率,該項目采用了一幅雙向車輛通行、一幅進行鋪裝維修的施工組織方式,交替完成整橋鋪裝大修工程,見圖24.

圖19 鋪裝整體出現(xiàn)開裂、推移、坑槽

圖20 鋪裝整體銑刨

圖21 鋪裝機械挖除

圖22 鋪裝病害位置的黏結層界面

圖23 鋼橋面重新噴砂除銹

圖24 單幅封閉鋪裝維修與交通通行

環(huán)氧瀝青鋪裝按照施工拌合溫度可分為熱拌、溫拌和冷拌3種類型,按組成也可分為不同類型的環(huán)氧瀝青產品,實際工程應用中因環(huán)氧瀝青材料、施工質量、運行環(huán)境、交通荷載等的差異,其性能表現(xiàn)也會有較大差異.對具有較長使用壽命的環(huán)氧瀝青鋪裝和有早期損害環(huán)氧瀝青鋪裝在使用周期的性能表現(xiàn)和維修養(yǎng)護進行了調查分析,具體比較分析見表1.

4 結 語

為了保證環(huán)氧瀝青鋼橋面鋪裝的可靠性、耐久性,以下幾方面問題需要重點考慮.

表1 環(huán)氧瀝青鋼橋面鋪裝使用周期性能表現(xiàn)及維修比較分析

(1)環(huán)氧瀝青材料必須性能穩(wěn)定、技術指標明確,環(huán)氧瀝青混合料應具有良好的韌性和抗疲勞性能,鋪裝層、黏結層與鋼橋面板能夠形成具有可靠黏結強度的鋪裝復合體系,相關鋪裝材料、鋪裝方案應具有良好的應用工程案例.

(2)環(huán)氧瀝青鋪裝施工工藝、技術要求和控制體系應全面、具體,并從環(huán)氧瀝青材料角度,為環(huán)氧瀝青鋪裝的施工便利性、可控性提供基礎,尤其重視環(huán)氧瀝青的混合、投入、涂布等機械裝置的可靠性和穩(wěn)定性,實地調查顯示,較多的環(huán)氧瀝青鋪裝早期病害與施工管理、機械設備控制有關.

(3)及時采用可行方案對環(huán)氧瀝青鋪裝病害進行維修養(yǎng)護,一方面可以有效延長環(huán)氧瀝青鋪裝使用壽命,保證鋼橋面鋪裝的交通功能,另一方面也可以保護鋼橋面板,減少或避免因鋪裝破損而造成的鋼橋面板磨損和腐蝕.