部分長(zhǎng)江大橋鋼橋面鋪裝常見(jiàn)病害分析與處治建議

彭政瑋， 馬杰靈， 湛文濤， 羅杰， 郭彬

(1.桂林電子科技大學(xué) 建筑與交通工程學(xué)院， 廣西 桂林 541004；2.湖北交投智能檢測(cè)股份有限公司， 湖北 武漢 430030)

中國(guó)鋼橋面鋪裝主要使用環(huán)氧、澆注、改性SMA 3種瀝青砼材料，由于各類(lèi)材料在力學(xué)特征與材料屬性等方面差異較大，合理的材料選擇和組合方式對(duì)鋼橋面鋪裝體系的性能發(fā)揮至關(guān)重要。長(zhǎng)江大橋作為連接南北交通的通道發(fā)揮著重要作用，但受長(zhǎng)江流域氣候條件、交通條件等因素影響，長(zhǎng)江大橋鋼橋面鋪裝層在使用中出現(xiàn)一些問(wèn)題，其中病害問(wèn)題尤為嚴(yán)重。該文對(duì)湖北省內(nèi)6座長(zhǎng)江大橋鋼橋面鋪裝層病害進(jìn)行調(diào)研，結(jié)合各座大橋鋪裝層的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、氣候條件、交通狀況等因素，分析其病害類(lèi)型和形成原因，進(jìn)而提出改善處治建議。

1 典型長(zhǎng)江大橋影響因素分析

1.1 橋梁概況

長(zhǎng)江是湖北省最主要的河流，近年來(lái)湖北省內(nèi)已建成的長(zhǎng)江大橋多達(dá)33座，還有6座正在修建，其中6座典型長(zhǎng)江大橋的主要參數(shù)見(jiàn)表1。

從表1可以看出：6 座長(zhǎng)江大橋的通車(chē)年份為2000—2010年，主跨跨度為460～1 280 m；斜拉橋5座，懸索橋1座；白沙洲大橋、軍山長(zhǎng)江大橋采用SMA鋪裝結(jié)構(gòu)，其他4座大橋采用EA鋪裝。

表1 6座橋梁概況

橋梁條件中對(duì)病害影響最大的因素是鋪裝情況，合理的鋪裝材料選擇對(duì)鋼橋面鋪裝體系的性能發(fā)揮至關(guān)重要。雙層SMA鋪裝結(jié)構(gòu)具有良好的抗滑、高溫抗車(chē)轍性能，施工中不需要特殊的設(shè)備，成本也不高，2000年前后在長(zhǎng)江大橋中使用較普遍。雙層EA鋪裝結(jié)構(gòu)具有良好的界面安全性、變形協(xié)調(diào)性及優(yōu)異的抗疲勞性能，2007年后在長(zhǎng)江大橋中使用較多。

1.2 氣候條件

6座長(zhǎng)江大橋所在地區(qū)均屬于亞熱帶季風(fēng)性氣候，夏季高溫、冬季稍涼濕潤(rùn)。夏季持續(xù)時(shí)間約135 d，正午太陽(yáng)直射溫度達(dá)38 ℃，氣溫普遍高于37 ℃，極端最高氣溫44.5 ℃。雨量充沛、降雨集中，多年平均降雨量達(dá)1 100 mm，在初夏梅雨季節(jié)雨量較集中，歷年最大降雨量達(dá)2 107.1 mm。

氣候條件中對(duì)橋面鋪裝影響最大的因素是氣溫，環(huán)境溫度惡劣對(duì)鋪裝材料的性能會(huì)產(chǎn)生一定影響。夏天橋面溫度過(guò)高，高溫持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，在瀝青砼與鋼箱梁的吸熱、儲(chǔ)熱效應(yīng)下，橋面鋪裝溫度較高，對(duì)瀝青砼鋪裝結(jié)構(gòu)的損傷較大，橋面鋪裝層易發(fā)生熱穩(wěn)定性病害。由于湖北地區(qū)每年夏季降雨強(qiáng)度大，雨水一旦滲透到鋪裝層間，也會(huì)對(duì)鋪裝結(jié)構(gòu)的性能產(chǎn)生一定影響。

1.3 交通狀況

長(zhǎng)江大橋交通流量大，車(chē)輛(尤其是大型貨車(chē))超強(qiáng)度的碾軋，會(huì)使橋面鋼板產(chǎn)生裂縫。鑒于長(zhǎng)江大橋重要的交通功能，大橋投入運(yùn)營(yíng)后不允許道路長(zhǎng)期受阻和中斷維修，養(yǎng)護(hù)、維修較困難。因此，在橋面鋪裝設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡可能選擇具有良好耐久性(使用壽命)和便于后期維修的鋪裝結(jié)構(gòu)，以減少橋面后期大面積修護(hù)。

2 病害狀況分析

2.1 病害類(lèi)型

根據(jù)6座長(zhǎng)江大橋鋼橋面鋪裝層病害調(diào)研結(jié)果，其主要病害類(lèi)型有裂縫、鼓包、坑槽、車(chē)轍、滑移和熱穩(wěn)定性病害(見(jiàn)表2)。

表2 6座橋梁病害類(lèi)型及維修狀況

由表2可知：裂縫、鼓包、坑槽、車(chē)轍病害在6座長(zhǎng)江大橋中出現(xiàn)頻率最高，幾乎每座大橋都出現(xiàn)或大或小的坑槽、鼓包和裂縫病害；由于夏季橋面溫度過(guò)高且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，在高溫及車(chē)輛荷載作用下，橋面鋪裝層易發(fā)生熱穩(wěn)定性病害；滑移病害也是長(zhǎng)江大橋較常見(jiàn)的病害類(lèi)型，其中白沙洲大橋滑移病害較嚴(yán)重；在橋梁維修方面，大多采用EA鋪裝技術(shù)進(jìn)行修復(fù)，效果較好。

2.2 病害成因分析

2.2.1 白沙洲、軍山長(zhǎng)江大橋的病害成因

白沙洲長(zhǎng)江大橋和軍山長(zhǎng)江大橋的鋪裝層采用雙層SMA結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)形式均為斜拉橋。針對(duì)這2座大橋橋面鋪裝出現(xiàn)的病害類(lèi)型，從使用環(huán)境、溫度、交通荷載等方面進(jìn)行分析，病害成因主要為：

(1) 鋼橋面板剛性不足。白沙洲長(zhǎng)江大橋和軍山長(zhǎng)江大橋鋼板較薄，只有12 mm，橋面系剛度不足，在重交通作用下，橋面板易產(chǎn)生較大變形。這種大幅度的反復(fù)彎曲變形會(huì)使橋面鋪裝層瀝青砼的性能衰退，若變形超出瀝青砼的容許范圍，就會(huì)出現(xiàn)裂縫等病害。

(2) 環(huán)境溫度惡劣及鋪裝材料熱穩(wěn)性有限。武漢夏天氣溫普遍高于37 ℃，瀝青砼與鋼箱梁的吸熱、儲(chǔ)熱效應(yīng)使橋面鋪裝溫度較高，車(chē)輛荷載對(duì)瀝青砼鋪裝結(jié)構(gòu)的損傷較大。大橋鋪裝較早，對(duì)橋面鋪裝的溫度、荷載使用條件掌握不充分，瀝青鋪裝層高溫穩(wěn)定性有限，在高溫及車(chē)輛荷載作用下，橋面鋪裝易發(fā)生熱穩(wěn)定性病害。

(3) 鋪裝材料性能有限。初期對(duì)SMA結(jié)構(gòu)特性認(rèn)識(shí)不充分，對(duì)橋面鋪裝的溫度、荷載等條件掌握不足，造成早期橋面鋪裝材料性能有限，在使用溫度較高、車(chē)輛荷載不斷增加特別是重車(chē)超載增多時(shí)，橋面鋪裝易發(fā)生疲勞病害。后期采用環(huán)氧瀝青砼，受施工季節(jié)溫度、養(yǎng)護(hù)時(shí)間等影響，出現(xiàn)與其他環(huán)氧砼橋梁類(lèi)似的病害(鼓包、坑槽等)。

(4) 翻修結(jié)構(gòu)體系不完善。軍山長(zhǎng)江大橋翻修結(jié)構(gòu)在短期內(nèi)出現(xiàn)病害，甚至出現(xiàn)原鋪裝極少出現(xiàn)的問(wèn)題，與結(jié)構(gòu)體系不完善有很大關(guān)系，具體表現(xiàn)為鋼板表面無(wú)防腐層、反應(yīng)性防水層與SMA之間無(wú)過(guò)渡黏層、SMA配合比設(shè)計(jì)與控制欠佳等。

(5) 交通量大，重載車(chē)輛多。白沙洲長(zhǎng)江大橋日交通量大，且存在重載車(chē)，遠(yuǎn)超出橋面原設(shè)計(jì)交通量。超負(fù)荷的交通量加快了橋面鋪裝隨從鋼橋面板的變形幅度和次數(shù)，加速鋪裝層產(chǎn)生開(kāi)裂破壞。

2.2.2 陽(yáng)邏、天興洲長(zhǎng)江大橋的病害成因

陽(yáng)邏長(zhǎng)江公路大橋和天興洲長(zhǎng)江大橋采用雙層EA鋪裝結(jié)構(gòu)，病害類(lèi)型及成因有較多相似之處，主要病害為鼓包及鼓包引起的塊裂等。2座大橋橋面鋪裝病害的成因主要為：

(1) 鋪裝材料施工要求苛刻。橋面鋪裝采用雙層EA結(jié)構(gòu)，該材料對(duì)溫度要求極高，施工要求也非常嚴(yán)格。原材料兩組份拌合時(shí)溫度控制不到位，會(huì)顯著影響原材料壓實(shí)及使用性能；橋面板處理時(shí)水分未處理干凈，會(huì)使混合料日后發(fā)生鼓包破壞，在環(huán)境溫度和車(chē)輛荷載作用下演變?yōu)閴K裂、裂縫。

(2) 養(yǎng)護(hù)管理不及時(shí)。橋面發(fā)生鼓包時(shí)未及時(shí)予以處理，病害演變?yōu)槠扑楹?，隨著橋梁的使用及雨水的下滲，病害加重，隨即引發(fā)其他病害。

(3) 維修養(yǎng)護(hù)困難。環(huán)氧瀝青砼發(fā)生破壞后維修處理相當(dāng)困難，難以從根本上處理病害，遏制病害的進(jìn)一步發(fā)生，病害得以繼續(xù)延伸、發(fā)展。

(4) 環(huán)境溫度惡劣。夏季持續(xù)高溫，橋面環(huán)境溫度過(guò)高，如果瀝青鋪裝層沒(méi)有很好的高溫穩(wěn)定性，在重載車(chē)輛作用下，橋面鋪裝將很快被破壞。

2.2.3 鄂東、荊岳長(zhǎng)江大橋的病害成因

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研結(jié)果，鄂東長(zhǎng)江公路大橋和荊岳長(zhǎng)江大橋的鋼橋面鋪裝整體使用情況較好，表面只出現(xiàn)零星坑槽修補(bǔ)痕跡及鼓包病害。原因如下：

(1) 交通量。鄂東長(zhǎng)江公路大橋和荊岳長(zhǎng)江大橋初期交通量還未達(dá)到飽和狀態(tài)，交通量較小，車(chē)輛荷載對(duì)鋼橋面鋪裝的作用次數(shù)較少，疲勞開(kāi)裂等病害較少。雖然2017年軍山長(zhǎng)江大橋限制貨車(chē)通行后荊岳長(zhǎng)江大橋交通量基本處于飽和狀態(tài)，但對(duì)橋面鋪裝的考驗(yàn)時(shí)間還不長(zhǎng)。大橋管理養(yǎng)護(hù)單位計(jì)劃采用ERE鋪裝體系進(jìn)行試驗(yàn)性鋪裝，為后期大修提供預(yù)案。

(2) 支承結(jié)構(gòu)條件。鄂東長(zhǎng)江公路大橋鋼箱梁橋面板厚度為16 mm，最厚處達(dá)25 mm；荊岳長(zhǎng)江大橋鋼箱梁橋面板厚度為16 mm，鋼-混結(jié)合段厚度為20 mm。橋面板厚度比早期建設(shè)的橋梁厚度大，提升了支承結(jié)構(gòu)的整體剛度，減弱了橋面鋪裝內(nèi)部出現(xiàn)的應(yīng)力等。

3 處治建議

3.1 熱穩(wěn)定性病害的處治

對(duì)于由高溫導(dǎo)致的大部分輕微不能愈合的路面裂縫，可采用以下方式進(jìn)行處治：

(1) 及時(shí)清理存在裂縫的路段，在表面噴灑少量乳化瀝青，再均勻涂撒干燥、潔凈的粗砂和石屑，并用輕型壓路機(jī)進(jìn)行碾壓，即對(duì)裂縫涂刷稠度相對(duì)較低的瀝青。

(2) 對(duì)不同寬度的裂縫進(jìn)行分類(lèi)處理。對(duì)寬度5 mm以?xún)?nèi)的裂縫，先擠入稠度較低的熱瀝青，再填入干凈的粗砂和石屑，將其搗實(shí)，最后清除外溢的石屑、粗砂及瀝青。對(duì)于寬度大于5 mm的裂縫，先清除松動(dòng)的裂縫邊緣，再填入乳化瀝青混合料。對(duì)于面積較大的裂縫，利用乳化瀝青進(jìn)行稀漿封層，鋪設(shè)土工合成材料，再用瀝青混合料進(jìn)行封層，對(duì)瀝青面層和瀝青基層進(jìn)行處治。

3.2 裂縫、鼓包、坑槽等病害的處治

(1) 對(duì)裂縫利用超高性能砼(UHPC)進(jìn)行修復(fù)。將UHPC與鋼橋面連接，相當(dāng)于加厚了鋼橋面板厚度，橋面板的疲勞應(yīng)力幅遠(yuǎn)低于開(kāi)裂應(yīng)力幅，通過(guò)UHPC、剪力釘和鋼橋面的結(jié)合，使橋面剛度得到提高。UHPC的結(jié)構(gòu)層和鋪裝層之間可采用新型環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠進(jìn)行黏結(jié)，以提供足夠的黏結(jié)力，避免持續(xù)高溫作用下功能層發(fā)生滑移。UHPC層可將橋面板所受應(yīng)力最高降低86.4%，從而降低鋼橋面板開(kāi)裂概率。

(2) 對(duì)于采用環(huán)氧樹(shù)脂瀝青材料進(jìn)行鋪裝的橋梁，選用高滲透性環(huán)氧樹(shù)脂材料對(duì)裂縫進(jìn)行處理，有直接灌縫和擴(kuò)槽灌縫2種方式。2017年，初次對(duì)荊岳長(zhǎng)江大橋采用日本EA鋪裝技術(shù)進(jìn)行修復(fù)，該材料具有良好的熱固性，在高溫和重載條件下仍能保持較好的路用性能，有效避免車(chē)轍、滑移等病害。

(3) 坑槽病害的處治方案需滿(mǎn)足修復(fù)后使用壽命長(zhǎng)、保護(hù)鋼橋面且不影響交通的要求。結(jié)合以往的處治方案和坑槽產(chǎn)生原因，選用環(huán)氧瀝青砂漿進(jìn)行處治。相對(duì)于傳統(tǒng)熱修復(fù)技術(shù)，冷拌環(huán)氧瀝青砂漿的路用性能更優(yōu)異，使用壽命也較好，常用于大跨徑鋼橋面鋪裝。冷拌環(huán)氧瀝青砂漿的強(qiáng)度形成快，病害修復(fù)完成4 h后即可恢復(fù)交通。

3.3 鋪裝層滑移病害的處治

鋪裝層產(chǎn)生滑移的主要原因是鋪裝層與鋼橋面之間的抗剪能力較低，不足以在車(chē)輛制動(dòng)時(shí)提供足夠的抗剪能力；在持續(xù)高溫作用下，黏結(jié)層的黏結(jié)性能降低。因此，處治方案著重增加鋪裝層和鋼橋面之間的抗剪能力，并提高黏結(jié)層的黏結(jié)力。選用新型環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠作為黏結(jié)材料，其具有良好的黏結(jié)性能和防水性能，抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和拉伸剪切強(qiáng)度均優(yōu)于工程結(jié)構(gòu)加固材料中的Ⅰ類(lèi)A級(jí)結(jié)構(gòu)膠，在70 ℃以下仍能保持黏結(jié)強(qiáng)度>5.0 MPa，且在低溫條件下不發(fā)生脆性開(kāi)裂。使用1.5 mm厚新型環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠對(duì)鋼板表面進(jìn)行處理，使用3 mm新型環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠作為黏結(jié)劑，在新型環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠表面均勻鋪撒高強(qiáng)度碎石，使鋪裝層與鋼橋面之間形成抗剪能力強(qiáng)、防水和黏結(jié)性能好的黏結(jié)層。

4 結(jié)論

(1) 長(zhǎng)江大橋夏季持續(xù)高溫時(shí)間長(zhǎng)、橋面溫度過(guò)高，在高溫及車(chē)輛荷載作用下，橋面鋪裝層易發(fā)生熱穩(wěn)定性病害。

(2) 鋼橋面板處理時(shí)必須把水分處理干凈，否則日后易發(fā)生鼓包病害，同時(shí)在環(huán)境溫度和車(chē)輛荷載作用下易演變?yōu)閴K裂、裂縫病害。

(3) 對(duì)于鋼橋面較薄的長(zhǎng)江大橋，可選擇采用UHPC提高橋面剛度，避免鋼橋面板開(kāi)裂問(wèn)題，修復(fù)效果較好。

(4) 環(huán)氧瀝青砼對(duì)溫度的要求極高，對(duì)施工的要求也非常嚴(yán)格，施工中必須對(duì)溫度進(jìn)行嚴(yán)格控制，否則會(huì)顯著影響原材料壓實(shí)及使用性能，進(jìn)而發(fā)生熱穩(wěn)定性病害和鼓包、開(kāi)裂等病害。