鋼-超高性能混凝土組合橋面鋪裝現(xiàn)狀

肖 麗，常 城，王 滔，賈興文

(1.重慶市智翔鋪道技術(shù)工程有限公司，重慶 400060；2.重慶大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400044)

正交異性鋼橋面板以自重輕、承載能力強(qiáng)和整體性好等優(yōu)點(diǎn)在國(guó)內(nèi)外大跨度橋梁中得到廣泛應(yīng)用。但正交異性鋼橋面板由于構(gòu)造復(fù)雜、焊縫多、焊接殘余應(yīng)力大等原因，在車輪荷載反復(fù)作用下易出現(xiàn)疲勞破壞[1-2]。同時(shí)正交異性板易致使局部豎向剛度不均勻，使鋼橋面鋪裝承受較大的表面拉應(yīng)力和層底剪應(yīng)力，極易損壞[3-4]。

正交異性鋼橋面板疲勞開裂和鋪裝層頻繁破壞會(huì)造成橋面系使用性能和耐久性能顯著下降，危及橋梁安全。為解決上述問題，國(guó)內(nèi)外研究者提出了多種解決方案，其中增加橋面系剛度是最直接的解決方法[5-6]。超高性能混凝土(UHPC)鋪裝通過提高鋪裝材料模量及與橋面板之間的粘結(jié)性能，達(dá)到提高橋面系剛度的目的，并通過提高鋪裝材料抗彎拉強(qiáng)度和柔韌性以增強(qiáng)其抗裂能力，目前不僅用于鋼橋面鋪裝補(bǔ)強(qiáng)工程，也用于新建工程[7-8]。

超高性能混凝土是指由水泥、礦物摻合料、骨料、纖維、外加劑和水等原材料制成的具有超高力學(xué)性能、超高抗?jié)B性能的高韌性水泥基復(fù)合材料，其抗壓強(qiáng)度一般在150 MPa以上[9-10]。荷蘭和日本將超高性能混凝土用于正交異性板剛度不足時(shí)的橋面維修和補(bǔ)強(qiáng)，但其應(yīng)用并不廣泛[11]。近幾年超高性能混凝土在我國(guó)鋼橋面鋪裝中得到較快的發(fā)展，不僅應(yīng)用于跨徑較小的橋梁上，少數(shù)跨徑較大的橋梁也使用了鋼-超高性能混凝土組合橋面[12]。

正交異性鋼橋面鋪裝是鋼橋關(guān)鍵技術(shù)之一，目前主要采用柔性鋪裝[13-14]。近年來國(guó)內(nèi)研究者提出了鋼-超高性能混凝土組合橋面結(jié)構(gòu)[15]，再在上面鋪設(shè)磨耗層，即鋼橋面板+UHPC+磨耗層。2011年在廣東省馬房大橋鋪設(shè)了試驗(yàn)段，隨后在廣東佛陳大橋、北京通惠河大橋、天津海河大橋、汕頭礐石大橋等進(jìn)行了鋼橋面補(bǔ)強(qiáng)應(yīng)用，也在湖南洞庭湖大橋、滬通長(zhǎng)江大橋鐵路橋、公安長(zhǎng)江大橋鐵路橋等新建工程中應(yīng)用。

UHPC鋪裝模量高、強(qiáng)度高，能增加橋面系剛度，保護(hù)正交異性板，減少焊縫疲勞開裂，同時(shí)可改善正交異性板局部剛度不均勻的受力狀況，降低鋼頂板和U肋應(yīng)力幅，從而改善瀝青磨耗層的基面狀況。但這種鋪裝結(jié)構(gòu)磨耗層薄，層間剪應(yīng)力大，易出現(xiàn)磨耗層推移等病害。本文對(duì)國(guó)內(nèi)外鋼橋面UHPC技術(shù)進(jìn)行調(diào)研，特別對(duì)9座已通車的UHPC組合橋面鋪裝進(jìn)行實(shí)地調(diào)查，總結(jié)了目前鋼橋面UHPC鋪裝的服役現(xiàn)狀。

1 國(guó)內(nèi)外鋼橋面UHPC鋪裝技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 荷蘭鋼橋面UHPC鋪裝技術(shù)

UHPC鋪裝起源于荷蘭，也是使用UHPC鋪裝技術(shù)較多的國(guó)家。荷蘭新建鋼橋的橋面鋪裝一般采用澆注式瀝青混凝土，但隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，交通日益繁重，一些早期修建的鋼橋由于橋面系剛度過低而在橋面系焊接部位出現(xiàn)了疲勞裂縫，橋面鋪裝損壞嚴(yán)重。如Caland Bridge和Moerdijk Bridge等橋，橋面板出現(xiàn)疲勞裂縫后，均采用了UHPC替換原澆注式瀝青混凝土的維修方案。荷蘭典型的UHPC鋪裝結(jié)構(gòu)粘結(jié)層采用雙組份環(huán)氧樹脂，環(huán)氧樹脂未固化前撒布鋁土巖集料，以形成剪力鍵，增加鋪裝層與橋面鋼板之間的抗剪性能和抗拉拔性能。由于荷蘭的澆注式瀝青混凝土鋪裝厚度一般為5.0 cm～6.0 cm，因此用于維修的UHPC鋪裝厚度也采用5.0 cm～6.0 cm，其上不設(shè)置瀝青混凝土磨耗層，典型鋪裝結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 荷蘭UHPC鋪裝典型結(jié)構(gòu)Fig.1 Typical structure of UHPC pavement in Holland

荷蘭的UHPC通過加入超增塑劑和微硅粉等改性劑，改變水泥漿中孔隙的數(shù)量、大小以及在水泥混凝土中的分布，從而使微觀結(jié)構(gòu)變得更為致密，使水泥混凝土抗壓強(qiáng)度從約30 MPa提高至300 MPa以上，而通過加熱和加壓等措施可進(jìn)一步提高強(qiáng)度至600 MPa，形成超高性能水泥混凝土。

荷蘭的UHPC雖然具有很高的抗壓強(qiáng)度，但抗拉強(qiáng)度卻較小。通過提高集料用量、添加大量纖維和鋼筋等加強(qiáng)措施，能極大提高其韌性，形成密筋水泥混凝土(CRC)。在CRC和UHPC的基礎(chǔ)上，通過進(jìn)一步降低水泥用量、增加集料用量、增加水灰比至0.28～0.32和使用添加劑，可形成工作性和強(qiáng)度更好的密筋高性能水泥混凝土(HRUHPC)。由于習(xí)慣性因素，用于鋼橋面鋪裝的超高性能水泥混凝土一般統(tǒng)稱為UHPC。

1.2 日本鋼橋面UHPC鋪裝技術(shù)

日本的鋼橋面鋪裝大多采用下層澆注式瀝青混合料、上層密級(jí)配瀝青混合料的典型結(jié)構(gòu)，隨著日本社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展完善，中、東部多數(shù)鋼橋交通量呈飽和狀態(tài)，一些早期修建的鋼橋也出現(xiàn)了疲勞裂縫現(xiàn)象，如Yokohama Bay Bridge(2004年)和Shonan Ohashi Bridge(2005年)等，對(duì)這些鋼橋面鋪裝的維修，采用了UHPC鋪裝替換原瀝青混凝土鋪裝的方案。

日本UHPC鋪裝一般采用鋼纖維水泥混凝土(SFRC)，鋪裝維修方案中鋪裝層厚度與原方案相同，一般為7.0 cm～7.5 cm。鋪裝層與橋面鋼板之間采用雙組份環(huán)氧樹脂進(jìn)行粘結(jié)，但環(huán)氧樹脂粘結(jié)層上未撒布粗集料。日本Metropolitan Expressway公司在一些工程中采用了5.0 cm厚度的SFRC，并采用3.0 cm多孔瀝青混凝土作為磨耗層，2層之間設(shè)置溶劑型防水膜，典型鋪裝結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 日本SFRC鋪裝結(jié)構(gòu)Fig.2 SFRC pavement structure in Japan

與荷蘭UHPC鋪裝不同的是，日本SFRC鋪裝結(jié)構(gòu)除采用SFRC結(jié)構(gòu)層和開級(jí)配磨耗層外，在橋面鋪裝每個(gè)行車道的兩側(cè)還設(shè)置一排剪力釘，主要用于防止溫度應(yīng)力造成的層間滑動(dòng)。而荷蘭學(xué)者則認(rèn)為，未配置鋼筋的SFRC在車輛荷載的高應(yīng)力作用下，性能衰減很快；鋪裝層與橋面鋼板之間采用剪力釘時(shí)，局部會(huì)形成應(yīng)力峰值。

日本SFRC鋪裝材料由超快硬性水泥、鋼纖維和碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)組成。與荷蘭UHPC不同的是，SFRC采用CFRP網(wǎng)代替鋼筋網(wǎng)，CFRP由碳纖維和聚合物構(gòu)成，常被用作增強(qiáng)材料。相比鋼材，CFRP具有很多優(yōu)點(diǎn)：比鋼材輕5倍，但強(qiáng)度是鋼材的10倍，且防腐性強(qiáng)。CFRP以類似土工格柵的形式用于SFRC鋪裝層的中間，F(xiàn)RRP網(wǎng)格的縱向和橫向尺寸為50 cm×50 cm，抗拉強(qiáng)度為1 400 N/m，抗拉彈性模量為100 kN/mm2。

1.3 我國(guó)鋼橋面UHPC鋪裝技術(shù)

我國(guó)在廣東馬房大橋等組合橋面鋪裝工程中采用了主材為活性粉末混凝土的高韌性混凝土(STC)鋪裝，本質(zhì)上也屬于UHPC。我國(guó)UHPC鋪裝結(jié)構(gòu)與荷蘭和日本的最大不同之處在于，UHPC層與鋼橋面板之間布置了密集剪力釘，在每個(gè)縱向加勁肋中間線沿縱向設(shè)置1排，縱向間距為40 cm～50 cm，相鄰2排之間呈梅花狀布置，剪力釘尺寸和日本的相同。按結(jié)構(gòu)層設(shè)計(jì)，STC層厚一般為45 mm～60 mm，剪力釘布置間距一般為150 mm，且剪力釘位置應(yīng)錯(cuò)開U肋腹板和橫隔板腹板位置，鋼筋直徑一般為10 mm，布置間距一般為37.5 mm，典型鋪裝結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 中國(guó)STC鋪裝結(jié)構(gòu)Fig.3 STC pavement structure in China

我國(guó)STC鋪裝技術(shù)與日本SFRC和荷蘭UHPC均有所差異，主要體現(xiàn)在鋪裝結(jié)構(gòu)和材料上，見表1。STC材料由超細(xì)活性粉末、水泥、優(yōu)質(zhì)細(xì)骨料、高強(qiáng)度纖維等組分，通過特定工藝制備而成，具有高抗彎強(qiáng)度、高韌性、高耐久性。STC鋪裝結(jié)構(gòu)未使用環(huán)氧樹脂作為粘結(jié)層，也未撒布粗集料以增加層間抗剪性能和抗拉拔性能，而是依賴于剪力釘實(shí)現(xiàn)鋪裝層與橋面鋼板之間的連接。

表1 各國(guó)UHPC鋪裝技術(shù)差別Table 1 Differences of UHPC paving technology in different countries

2 我國(guó)鋼橋面UHPC鋪裝應(yīng)用情況

2.1 使用條件

使用條件直接影響鋼橋面鋪裝使用壽命和使用質(zhì)量，對(duì)UHPC組合橋面鋪裝的初始設(shè)計(jì)具有重要的參考意義，使用條件參數(shù)包括氣候、交通和橋梁結(jié)構(gòu)等。為了使調(diào)研具有針對(duì)性，選擇了具有區(qū)域代表性的9座不同結(jié)構(gòu)鋼橋，對(duì)我國(guó)鋼-UHPC組合橋面鋪裝的應(yīng)用情況進(jìn)行了調(diào)研，其中包括華南地區(qū)3座、華北地區(qū)2座、華中地區(qū)3座、西南地區(qū)1座，見表2。

表2 調(diào)研橋梁Table 2 Investigated bridges

2.2 使用情況

對(duì)9座鋼-UHPC組合橋面鋪裝的病害情況進(jìn)行了實(shí)地調(diào)查，其中A橋?yàn)r青混合料出現(xiàn)了磨損；B橋、F橋和H橋局部瀝青混合料出現(xiàn)了離析；C橋跨中位置出現(xiàn)了縱向開裂，橋塔鋼混結(jié)合段出現(xiàn)了橫向裂縫，主跨伸縮縫位置出現(xiàn)了推移；D橋出現(xiàn)推移和車轍；其余橋梁鋪裝使用狀況良好。

從9座鋼橋?qū)嵉卣{(diào)研情況來看，UHPC鋪裝結(jié)構(gòu)主要存在開裂、車轍、推移、伸縮縫拉裂等病害，部分橋面存在瀝青混合料離析、縱向施工縫處理欠妥等施工缺陷，具體見表3。

表3 9座鋼橋UHPC鋪裝病害情況Table 3 Diseases of UHPC pavement of the 9 steel bridges

3 結(jié)束語

1) UHPC鋪裝強(qiáng)度高、剛度大，能較好地保護(hù)鋼橋面正交異性板，并給瀝青磨耗層提供良好的受力基面，可改善因正交異性板局部剛度差異導(dǎo)致的鋪裝表面拉應(yīng)力過大等狀況。

2) 目前我國(guó)鋼-UHPC組合橋面與荷蘭和日本均有所差異，主要是UHPC層與鋼橋面板之間布置了密集剪力釘。

3) 從9座實(shí)橋調(diào)研結(jié)果看，目前我國(guó)UHPC鋪裝主要存在混合料離析，鋪裝開裂、車轍和推移，以及伸縮縫拉裂等病害，后續(xù)研究應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注UHPC與磨耗層間有效粘結(jié)、瀝青磨耗層抗車轍、抗裂等問題，同時(shí)注意瀝青混合料攤鋪碾壓工藝控制，減少混合料離析。