鋼橋面環(huán)氧瀝青鋪裝用冷拌澆注式混合料修復(fù)應(yīng)用研究

彭祝濤，王 滔，王 杰，尚 飛

(1.重慶市智翔鋪道技術(shù)工程有限公司，重慶 400060； 2.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司，重慶 400067)

大跨徑橋梁大多采用鋼箱梁結(jié)構(gòu)，而正交異性鋼橋面板是其重要組成部分，因自重輕，經(jīng)濟(jì)效益良好以及跨越能力超強(qiáng)等特點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用。但正交異性面板具有結(jié)構(gòu)剛度不均勻，加勁肋頂部存在負(fù)彎矩，以及柔性支撐等問(wèn)題，導(dǎo)致已建成的大跨徑鋼橋的橋面鋪裝在服務(wù)期限內(nèi)或多或少出現(xiàn)各類鋪裝病害[1-2]。

目前常見(jiàn)的鋼橋面鋪裝典型結(jié)構(gòu)有雙層SMA、澆注式GA+SMA及雙層環(huán)氧瀝青混凝土3種結(jié)構(gòu)，雙層環(huán)氧瀝青混凝土以其高強(qiáng)度、高剛度、優(yōu)良的耐疲勞性能以及良好的粘結(jié)性能等在大量的實(shí)體工程中得以應(yīng)用[3]。由于環(huán)氧瀝青混合料材質(zhì)的特殊性，普通的瀝青類材料無(wú)法與其有效結(jié)合，維修時(shí)往往采用與之性能相近的樹(shù)脂類材料[4]。

國(guó)外對(duì)鋼橋面環(huán)氧鋪裝維修方面的研究報(bào)道甚少，國(guó)內(nèi)針對(duì)環(huán)氧瀝青鋪裝的修復(fù)材料主要有冷拌環(huán)氧瀝青砂漿、冷拌環(huán)氧樹(shù)脂混凝土、ERE樹(shù)脂瀝青及EC0改性聚氨酯混凝土等。如賀曉川[5]采用了RA05的級(jí)配生產(chǎn)出冷拌環(huán)氧瀝青砂漿，并將該材料用于白沙洲大橋坑槽修補(bǔ)，并形成了養(yǎng)護(hù)成果；徐磊[6]開(kāi)發(fā)了名為修補(bǔ)I型的環(huán)氧樹(shù)脂混凝土，并對(duì)該材料的環(huán)氧膠黏劑自身性能、樹(shù)脂混凝土級(jí)配、疲勞性能及施工工藝進(jìn)行了研究，并用于佛山平勝大橋的橋面養(yǎng)護(hù)維修工程中，取得了較好的維修效果。國(guó)內(nèi)某公司采用ERE樹(shù)脂瀝青體系(EBCL+RA13+EBCL)對(duì)鄂東長(zhǎng)江大橋進(jìn)行了約141 m2的坑槽修補(bǔ)及205 m2的試驗(yàn)段病害修補(bǔ)。以上案例均為環(huán)氧瀝青鋪裝結(jié)構(gòu)病害的修復(fù)提供了解決方案，并驗(yàn)證了樹(shù)脂類材料在修復(fù)鋼橋面環(huán)氧瀝青鋪裝的可行性。

澆注式瀝青混合料由于其材料的自流平特性，在坑槽修復(fù)中避免了機(jī)械碾壓，人工簡(jiǎn)單整平即可[7-9]，在快速養(yǎng)護(hù)方面具備明顯優(yōu)勢(shì)，但無(wú)法與舊環(huán)氧鋪裝有效結(jié)合，并在材料冷卻后不可避免地留下施工接縫?；谝陨锨闆r，結(jié)合環(huán)氧瀝青鋪裝結(jié)構(gòu)對(duì)修復(fù)材料的需求，利用澆注式瀝青在病害修復(fù)中的優(yōu)勢(shì)，項(xiàng)目組開(kāi)發(fā)了冷拌澆注式混合料(EGA)，并自制了具備知識(shí)產(chǎn)權(quán)的環(huán)氧膠結(jié)料。該材料兼?zhèn)錆沧⑹綖r青混合料自流平特性和冷拌環(huán)氧材料在環(huán)氧鋪裝修補(bǔ)上的優(yōu)點(diǎn)，修補(bǔ)后材料和原環(huán)氧瀝青鋪裝之間無(wú)施工裂縫且形成一個(gè)整體板塊，在鋼橋面環(huán)氧鋪裝的養(yǎng)護(hù)工程中具備快速修補(bǔ)、施工便捷及節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢(shì)。同時(shí)項(xiàng)目組對(duì)環(huán)氧膠結(jié)料自身性能、混合料的路面性能及施工可行性等進(jìn)行了研究。

1 環(huán)氧膠結(jié)料

冷拌澆注式環(huán)氧膠結(jié)料為熱固性材料，為環(huán)氧樹(shù)脂和固化劑按照特定比例混合均勻制得。冷拌澆注式混合料(EGA)微觀上為環(huán)氧樹(shù)脂形成的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其中環(huán)氧膠結(jié)料為環(huán)氧混合料的強(qiáng)度主體[10-11]。為研究冷拌澆注式環(huán)氧膠結(jié)料的材料性能，分別對(duì)材料的粘結(jié)強(qiáng)度、延展性、抗紫外老化性、耐酸性等方面進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

1.1 粘結(jié)性能與抗剪性能

良好的粘結(jié)性能和抗剪性能，可使橋面鋼板和環(huán)氧混合料這2種不同性質(zhì)的材料能較好地粘結(jié)成一個(gè)整體，以保證在車輛荷載的水平作用下不至于層間推移，防止在鋪裝層間產(chǎn)生脫層、推移等病害。

環(huán)氧膠結(jié)料在不同的養(yǎng)護(hù)溫度下，其強(qiáng)度呈現(xiàn)較大差異。為了模擬鋼橋面鋪裝在不同溫度下的粘結(jié)和抗剪情況，選取了25 ℃、40 ℃和60 ℃三個(gè)溫度進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 粘結(jié)與抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

由表1可知，在25 ℃時(shí)，環(huán)氧粘結(jié)劑的粘結(jié)性能、抗剪性能超過(guò)5 MPa；隨著溫度增加，粘結(jié)、抗剪強(qiáng)度隨之降低，但在60 ℃等極端高溫情況下，粘結(jié)強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度分別能達(dá)到2.27 MPa和1.62 MPa，說(shuō)明該環(huán)氧粘結(jié)劑即使在高溫不利情況下仍有較強(qiáng)的抵抗能力。

1.2 延展性

試驗(yàn)設(shè)備采用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，參照《硫化橡膠或熱塑性橡膠-拉伸應(yīng)力應(yīng)變性能的測(cè)定》試驗(yàn)規(guī)程，進(jìn)行環(huán)氧膠結(jié)料的延展試驗(yàn)。

本次試樣共3組，選用啞鈴狀試樣。試驗(yàn)前，將試樣置于60 ℃恒溫環(huán)境中養(yǎng)護(hù)24 h，確保環(huán)氧膠結(jié)料交聯(lián)反應(yīng)充分完成。試驗(yàn)時(shí)，試樣溫度保持在室溫(25 ℃)環(huán)境下進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 延展試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

由表2可知，在室溫(25 ℃)環(huán)境下，環(huán)氧膠結(jié)料的拉伸強(qiáng)度平均值約為4 MPa，遠(yuǎn)超試驗(yàn)技術(shù)指標(biāo)要求。同時(shí)，斷裂伸長(zhǎng)率基本保持在60%左右，高于技術(shù)指標(biāo)20%。說(shuō)明環(huán)氧膠結(jié)料的延展性能良好，均可滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

1.3 抗紫外老化試驗(yàn)

在自然環(huán)境下，紫外老化的周期較長(zhǎng)，一般需要2～3年才會(huì)呈現(xiàn)出老化現(xiàn)象。為了在短時(shí)間內(nèi)證明材料的抗紫外老化性能，試驗(yàn)采用了氙燈耐氣候試驗(yàn)箱來(lái)模擬環(huán)氧膠結(jié)料在室外環(huán)境下受紫外影響的老化情況。

測(cè)試經(jīng)紫外老化試驗(yàn)試件與未經(jīng)過(guò)老化試件的延展性能并進(jìn)行對(duì)比分析，用以評(píng)價(jià)自制環(huán)氧膠結(jié)料的抗紫外老化性能，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。試件在模擬試驗(yàn)箱內(nèi)經(jīng)7 h的紫外照射后，發(fā)現(xiàn)拉伸試件未有明顯的發(fā)黃、粉化現(xiàn)象。

表3 紫外老化測(cè)試結(jié)果

由表3可見(jiàn)，經(jīng)紫外老化試驗(yàn)后，環(huán)氧膠結(jié)料的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率分別下降了15%、20%，其中拉伸強(qiáng)度仍符合技術(shù)指標(biāo)要求，而斷裂伸長(zhǎng)率略低于技術(shù)指標(biāo)要求，但均能保持良好的狀況。

1.4 耐酸性

在使用過(guò)程中，鋼橋面鋪裝極易受到酸雨、殘留化學(xué)品、車輛油斑等外界腐蝕物的影響而出現(xiàn)老化。經(jīng)過(guò)10 d的環(huán)氧酸霧試驗(yàn)，并對(duì)酸霧試驗(yàn)老化后的試件進(jìn)行性能測(cè)試，研究環(huán)氧膠結(jié)料的拉拔強(qiáng)度的變化情況來(lái)驗(yàn)證環(huán)氧膠結(jié)料的耐酸腐蝕性能，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 耐酸霧試驗(yàn)后拉拔強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

由表4可知，隨著酸霧試驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)，其拉拔強(qiáng)度有一定的衰減。以最長(zhǎng)10 d的酸霧時(shí)間結(jié)果來(lái)看，與未經(jīng)酸霧老化的拉拔強(qiáng)度相比，衰減了僅約13%，影響較小，說(shuō)明環(huán)氧膠結(jié)料有較強(qiáng)的耐酸腐蝕的性能。

1.5 膠凝時(shí)間

環(huán)氧膠結(jié)料在拌和及養(yǎng)生過(guò)程中，在固化劑的官能團(tuán)作用下，環(huán)氧樹(shù)脂發(fā)生了開(kāi)環(huán)反應(yīng)，并逐漸形成空間網(wǎng)絡(luò)體系。經(jīng)過(guò)環(huán)氧聚合交聯(lián)反應(yīng)，逐漸聚合成不均勻的微凝膠體，隨著環(huán)氧固化的進(jìn)行，這種膠體不斷增長(zhǎng)，直至聚合成大的凝膠體，最終形成網(wǎng)狀立體聚合物[12]。這種行為在宏觀上，則表現(xiàn)為粘度的不斷增大至膠結(jié)料的凝固、硬化并形成強(qiáng)度的過(guò)程。

室溫(25 ℃)環(huán)境下，在不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)下，環(huán)氧膠結(jié)料在宏觀表現(xiàn)的流動(dòng)性能及聚合情況觀測(cè)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 流動(dòng)性能及聚合情況

由表5可知，混合均勻后的環(huán)氧膠結(jié)料在常溫(25 ℃)情況下，在第3小時(shí)出現(xiàn)拉絲現(xiàn)象，說(shuō)明該時(shí)間段已開(kāi)始形成微凝膠體，隨著膠體的不斷增長(zhǎng)，在第4小時(shí)開(kāi)始初凝現(xiàn)象，該階段持續(xù)約1 h后，環(huán)氧膠結(jié)料發(fā)生完全固化。

2 冷拌澆注式混合料

2.1 級(jí)配設(shè)計(jì)

冷拌澆注式混合料(EGA)每檔礦料的通過(guò)率，參照J(rèn)TG/T 3364-02—2019《公路鋼橋面鋪裝設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》中澆注式瀝青混合料(GA10)級(jí)配范圍要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。冷拌澆注式混合料(EGA)中外加劑摻量為石料的0.5%，該部分計(jì)入礦粉的用量。環(huán)氧膠結(jié)料占總石料的比例，即膠石比為12%，設(shè)計(jì)級(jí)配范圍見(jiàn)表6。

表6 冷拌澆注式混合料(EGA)級(jí)配范圍

2.2 路用性能

對(duì)冷拌澆注式混合料(EGA)進(jìn)行劉埃爾流動(dòng)度、馬歇爾穩(wěn)定度、流值及低溫彎拉性能研究，并與澆注式瀝青混合料(GA)、環(huán)氧瀝青混合料(EA)的路用性能進(jìn)行對(duì)比分析。

2.2.1 流動(dòng)度

劉埃爾流動(dòng)度指標(biāo)主要用于評(píng)價(jià)澆注式瀝青混合料的施工和易性，在JTG/T 3364-02—2019《公路鋼橋面鋪裝設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》中，對(duì)室內(nèi)目標(biāo)配合比劉埃爾流動(dòng)性作了規(guī)定，要求指標(biāo)處于5 s～20 s之間，且為防止?jié)沧⑹綖r青混合料離析，要求下限值≥5 s。而澆注式瀝青混合料運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)時(shí)，流動(dòng)性只要滿足良好和易性即可進(jìn)行施工，試驗(yàn)設(shè)備見(jiàn)圖1。

(a) 料桶(b) 支架(c) 落錘

冷拌澆注式混合料(EGA)與澆注式瀝青混合料(GA)具備相同的流淌特性，則該試驗(yàn)方法依舊適用于冷拌澆注式混合料(EGA)。

室溫(25 ℃)環(huán)境下，在混合料生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)冷拌澆注式混合料(EGA)進(jìn)行劉埃爾流動(dòng)度測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 冷拌澆注式混合料(EGA)流動(dòng)度測(cè)試結(jié)果

由表7可知，冷拌澆注式混合料(EGA)在拌和后1 h以內(nèi)，能保持較好的流動(dòng)度狀況。隨著時(shí)間增長(zhǎng)，拌和1.5 h后，流動(dòng)性出現(xiàn)急劇下降，施工和易性較差，但仍能進(jìn)行施工。在拌和2 h后，混合料失去了流動(dòng)性，此時(shí)已無(wú)法施工。

冷拌澆注式混合料(EGA)的現(xiàn)場(chǎng)施工工藝較為簡(jiǎn)單，只需將礦料和膠結(jié)料按比例混合攪拌均勻，直接人工攤鋪，簡(jiǎn)單整平即可。冷拌澆注式混合料(EGA)的容留時(shí)間在1.5 h以上，完全可滿足現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)間需求。

2.2.2 馬歇爾穩(wěn)定度

對(duì)馬歇爾試件在恒定的溫度及加載速率條件施加壓力，可測(cè)定試件的穩(wěn)定度和流值指標(biāo)。雖然馬歇爾穩(wěn)定度并不能直接反映混合料的路用性能，但可間接反映混合料的強(qiáng)度、力學(xué)性能及承受荷載的能力[13]。

試驗(yàn)選用了3種材料進(jìn)行馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)，分別為冷拌澆注式混合料(EGA)、日本熱拌環(huán)氧瀝青混合料(EA)和澆注式瀝青混合料(GA)，結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果

由表8可知，冷拌澆注式混合料(EGA)的馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果均符合技術(shù)指標(biāo)要求，其中冷拌澆注式混合料(EGA)的馬歇爾穩(wěn)定度比環(huán)氧瀝青混凝土(EA)高約30%，說(shuō)明冷拌澆注式混合料(EGA)的強(qiáng)度優(yōu)于環(huán)氧瀝青混凝土(EA)，但冷拌澆注式混合料(EGA)的流值比環(huán)氧瀝青混凝土(EA)高約60%，說(shuō)明承受變形能力較環(huán)氧瀝青混凝土(EA)差。

2.2.3 低溫彎拉性能

低溫彎拉試驗(yàn)是為了測(cè)試混合料的抗彎拉和抗變形能力，用于評(píng)價(jià)混合料的變形性能及彎拉模量等，可間接反映混合料抗疲勞特性及模量情況等[14]。

本次試驗(yàn)采用小梁試件，試驗(yàn)溫度為-10 ℃，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表9。

表9 幾種混合料低溫小梁彎拉結(jié)果

由表9可知，3種材料均滿足設(shè)計(jì)規(guī)范中技術(shù)指標(biāo)要求，冷拌澆注式混合料(EGA)與環(huán)氧瀝青混合料(EA)的低溫變形性能基本接近，但和澆注式瀝青混合料(GA)相比，低溫彎曲應(yīng)變、勁度模量、彎拉強(qiáng)度遠(yuǎn)高于澆注式瀝青混合料(GA)，說(shuō)明環(huán)氧類混合料(EGA、EA)具備更高的剛度，且低溫變形能力優(yōu)于澆注式瀝青混合料(GA)。

3 實(shí)體工程應(yīng)用

本文所研制的鋼橋面環(huán)氧瀝青鋪裝用冷拌澆注式混合料修復(fù)材料已成功應(yīng)用于寧波某斜拉橋。該斜拉橋位于繁忙的港口碼頭必經(jīng)咽喉要道，鋼橋面鋪裝層常年處于交通超載、重載等超負(fù)荷的不良狀況。目前，在日常養(yǎng)護(hù)工程中，冷拌澆注式混合料在該橋已大面積推廣使用，修補(bǔ)的橋面鋪裝運(yùn)營(yíng)情況良好，未發(fā)現(xiàn)二次破損、開(kāi)裂情況，說(shuō)明自制的冷拌澆注式混合料具有良好的力學(xué)性能和修補(bǔ)特性，能夠滿足實(shí)體工程的需要。具體實(shí)施效果見(jiàn)圖2。

(a) 剛修補(bǔ)后的冷拌澆注式混合料 (b) 修補(bǔ)半年后使用情況

4 結(jié)論

針對(duì)鋼橋面環(huán)氧鋪裝的養(yǎng)護(hù)需求，開(kāi)發(fā)了冷拌澆注式混合料(EGA)修補(bǔ)材料，通過(guò)對(duì)該材料的環(huán)氧粘結(jié)料和混合料的力學(xué)性能、路用性能等進(jìn)行試驗(yàn)研究，得到以下結(jié)論：

1) 冷拌澆注式環(huán)氧膠結(jié)料具有優(yōu)異的力學(xué)性能，其粘結(jié)強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、延展性能指標(biāo)(斷裂伸長(zhǎng)率、拉伸強(qiáng)度)均滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

2) 紫外老化和耐酸腐蝕后，環(huán)氧膠結(jié)料的力學(xué)性能均出現(xiàn)衰減，且衰減后的各項(xiàng)指標(biāo)仍處于較好的狀態(tài)，說(shuō)明環(huán)氧膠結(jié)料具有良好的抗紫外老化性能和耐酸腐蝕性能。

3) 冷拌澆注式混合料(EGA)的馬歇爾穩(wěn)定度和流值滿足技術(shù)指標(biāo)要求，其馬歇爾穩(wěn)定度比環(huán)氧瀝青混凝土(EA)高約30%，說(shuō)明強(qiáng)度優(yōu)于環(huán)氧瀝青混凝土(EA)，但承受變形能力較環(huán)氧瀝青混凝土(EA)差。

4) 冷拌澆注式混合料(EGA)與環(huán)氧瀝青混合料(EA)的低溫變形性能基本接近，但較澆注式瀝青混合料(GA)的低溫彎曲應(yīng)變低，而勁度模量高。

5) 相比于環(huán)氧瀝青混凝土，冷拌澆注式混合料價(jià)格上更具優(yōu)勢(shì)，未來(lái)有很大的應(yīng)用推廣前景。

6) 冷拌澆注式混合料具備良好的力學(xué)性能、施工和易性，能夠滿足實(shí)體工程的需要，目前已在實(shí)體養(yǎng)護(hù)工程中進(jìn)行了大面積應(yīng)用，且應(yīng)用情況良好。