西堠門大橋鋼橋面鋪裝層病害發(fā)展規(guī)律與處置對策

陳永偉,徐洪科,黃舒文

（1.浙江舟山跨海大橋有限公司,浙江 舟山 316000; 2.南京道潤交通科技有限公司,江蘇 南京 210000）

0 引言

大跨徑鋼橋面鋪裝一直以來是道路工程界的技術(shù)難點(diǎn)，由于多采用正交異性鋼橋面板，在荷載作用下應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜，變形大柔度大，環(huán)境溫度較為嚴(yán)苛，因此對鋪裝層的工作性能提出了苛刻的要求。常見的鋼橋面鋪裝層應(yīng)用的技術(shù)有雙層澆筑式瀝青混合料（南京長江四橋、南京長江大橋改造）、環(huán)氧瀝青混凝土（潤揚(yáng)大橋、蘇通大橋、金塘大橋、南京長江三橋等）、冷拌樹脂類混凝土（明州大橋）、高黏SMA（桃夭門大橋、虎門大橋）以及上述技術(shù)的組合使用的方式，如EA-10+SMA-10、GA-10+EA-10、GA-10+SMA-10等，但諸多技術(shù)各有優(yōu)勢，也都存在一定的局限性，特定的病害仍然會(huì)較快出現(xiàn)（如虎門大橋，采用了雙層SMA結(jié)構(gòu)，1997年5月通車運(yùn)行，2003年9月即進(jìn)行了全面的大修[1]），不能很好地解決鋼橋面鋪裝層的使用耐久性問題。

1 工程概況

西堠門大橋是G9211甬舟高速主線的主要組成部分，于2009年投入運(yùn)行，是舟山連島工程一座非對稱式雙塔雙索面懸索橋，連接舟山冊子島與金塘島，其跨徑為578 m+1 650 m+485 m。其中，578 m的北邊跨和1 650 m的中跨為鋼箱梁結(jié)構(gòu)，主跨跨徑1 650 m，是世界上第一座分離式雙鋼箱梁懸索橋，主梁為正交異性鋼橋面板。如圖1所示。

大橋連接了舟山市定海區(qū)的冊子島與金塘島，跨越西堠門水道，長期處于海洋環(huán)境中，該地區(qū)降雨高峰與高溫天氣同期，年氣溫平均在3～32 ℃之間，極端高溫超過40 ℃，年降水量超1 200 mm，且臺(tái)風(fēng)頻發(fā)，冬季多大風(fēng)天氣，因此服役環(huán)境較為苛刻。西堠門大橋?yàn)檎划愋园邃撓淞航Y(jié)構(gòu)，鋼橋面鋪裝在對國內(nèi)外鋪裝層典型結(jié)構(gòu)形式、技術(shù)性能、施工工藝及方法、使用狀況充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，并結(jié)合大橋所處環(huán)境條件、荷載條件和結(jié)構(gòu)支撐條件，設(shè)計(jì)方案采用了雙層環(huán)氧鋪裝的結(jié)構(gòu)方案，具體為：下面層2.5 cm環(huán)氧瀝青混凝土+環(huán)氧瀝青黏結(jié)層+上面層3 cm環(huán)氧瀝青混凝土。

自通車以來，西堠門大橋主橋服役狀態(tài)良好，但隨著時(shí)間的增長，交通量呈不斷增大趨勢，近年來，鋼橋面鋪裝層陸續(xù)出現(xiàn)了一定程度的病害，并且呈不斷演化、不斷加劇的趨勢，影響了行車安全和舒適性，對跨海大橋主橋主體結(jié)構(gòu)的耐久性帶來了較大影響。同時(shí)，由于西堠門大橋是舟山群島與寧波陸上的唯一通道，交通管制的要求極為嚴(yán)格，對養(yǎng)護(hù)的效率、技術(shù)成熟度、對環(huán)境的適應(yīng)性、容錯(cuò)性的要求極高，因此對養(yǎng)護(hù)施工組織水平的要求很高。

2 環(huán)氧瀝青混凝土特性

2.1 材料組成與特點(diǎn)

西堠門大橋主橋鋼橋面鋪裝層結(jié)構(gòu)層為雙層環(huán)氧瀝青混凝土，如表1所示。

表1 西堠門大橋鋼橋面鋪裝層結(jié)構(gòu)

環(huán)氧瀝青混凝土是由環(huán)氧樹脂按照一定的比例添加進(jìn)入瀝青中形成一種特種瀝青材料，并與石料拌和形成的混合料。其具有強(qiáng)度高、高溫穩(wěn)定性好、密實(shí)阻水、與鋼板黏結(jié)牢固、耐腐蝕等特點(diǎn)，因此廣泛用于鋼橋面鋪裝層中[2]。環(huán)氧樹脂通常由A、B兩種組分構(gòu)成，混合均勻后發(fā)生固化反應(yīng)，從而形成較高的強(qiáng)度。該材料性能對各組分的配比用量以及生產(chǎn)溫度較為敏感，生產(chǎn)要求高，且強(qiáng)度形成較快，與水不相容，必須在干燥環(huán)境下生產(chǎn)和攤鋪施工，因此對施工工藝和應(yīng)用環(huán)境的要求較為嚴(yán)苛[3-4]。

2.2 材料性能

環(huán)氧瀝青混凝土級(jí)配類型為懸浮密實(shí)型級(jí)配，空隙率小，結(jié)構(gòu)致密，不透水，成型后強(qiáng)度、模量均較高，有一定的抗裂性能。為對其高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性進(jìn)行評價(jià)，擬分別采用車轍試驗(yàn)和小梁彎曲試驗(yàn)[5]。

2.2.1 高溫穩(wěn)定性

首先采用車轍試驗(yàn)對環(huán)氧瀝青混合料進(jìn)行評價(jià)，根據(jù)試驗(yàn)輪加載45 min及60 min時(shí)的車轍變形值d1及d2，可以確定試件的動(dòng)穩(wěn)定度，如式（1）所示。

式中，DS——?jiǎng)臃€(wěn)定度（次/mm）；

d1——t1時(shí)間的變形量（mm）；

d2——t2時(shí)間的變形量（mm）；

N——試驗(yàn)機(jī)往返碾壓次數(shù)，通常為42次/min

車轍試驗(yàn)過程，試驗(yàn)溫度70 ℃，材料的動(dòng)穩(wěn)定度如表2所示。

表2 車轍試驗(yàn)結(jié)果

2.2.2 低溫抗裂性

試驗(yàn)采取小梁彎曲試驗(yàn)進(jìn)行評價(jià)，試塊加工成長250 mm，寬30 mm，高25 mm的長方體，在兩端設(shè)置支點(diǎn)，在中部加載。計(jì)算公式如式（2）、（3）、（4）所示：

式中，RB——試件破壞時(shí)的抗彎拉強(qiáng)度（MPa）；

εB——試件破壞時(shí)的最大彎拉應(yīng)變（με）；

SB——試件破壞時(shí)的彎曲勁度模量（MPa）；

b——試件的寬度（跨中）（mm）；

h——試件的高度（跨中）（mm）；

L——試件的跨徑（mm）；

PB——試件破壞時(shí)的最大荷載（N）；

d——試件破壞時(shí)的跨中撓度（mm）。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 彎曲小梁試驗(yàn)結(jié)果

綜合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，環(huán)氧瀝青混凝土具有極好的高溫穩(wěn)定性，在70 ℃下，動(dòng)穩(wěn)定度超過10 000次/mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于一般路面瀝青混凝土的技術(shù)要求；低溫性能方面，-10 ℃下彎拉應(yīng)變超過3 000 με，具備一定的柔韌性和追從性，能夠滿足鋼橋面鋪裝的使用要求。

3 環(huán)氧瀝青鋼橋面鋪裝層病害特征及其發(fā)展規(guī)律

3.1 病害類型

西堠門大橋通車運(yùn)行多年以來一致較為平穩(wěn)，自2017年以來，陸續(xù)出現(xiàn)一些病害，并逐步發(fā)展。病害主要類型包括：線性裂縫、網(wǎng)狀裂縫、放射狀裂縫、松散、坑槽、塊狀修補(bǔ)等。如圖2所示。

圖2 典型病害形式

3.2 病害發(fā)展規(guī)律

環(huán)氧鋪裝層的病害特征較為明顯，基本為線性狀的細(xì)微裂縫出現(xiàn)，并逐步發(fā)展、劣化為網(wǎng)裂、松散、坑槽等病害。病害由表層向下層逐步發(fā)展，最終到達(dá)鋼板表面，引起該區(qū)域的徹底損壞，并造成雨水下滲，鋼板銹蝕[6]。其發(fā)展過程如下所示：

細(xì)微線性裂縫→橫向或縱向裂縫→放射狀裂縫→網(wǎng)狀裂縫→松散、坑槽。

造成該類病害的原因較為復(fù)雜，影響因素較多，主要包括：材料性能衰減、車輛荷載加大、施工期間材料的不均勻性、鋼橋面大柔度大變形特點(diǎn)、頂板縱橫隔板U型肋應(yīng)力集中等。其中，材料自身性能的衰減是最主要的影響因素。環(huán)氧瀝青材料在成型早期具備較好的高溫穩(wěn)定性和抗裂性能，但隨著時(shí)間增長，其抗裂性能不斷衰減，裂縫不斷出現(xiàn)和積累且不可逆轉(zhuǎn)，使環(huán)氧瀝青混凝土逐步向脆性材料的方向發(fā)展，因此由裂縫引發(fā)的鋪裝層損壞失效是環(huán)氧瀝青鋪裝層的典型病害特征。

4 養(yǎng)護(hù)處置對策

4.1 日常養(yǎng)護(hù)

日常養(yǎng)護(hù)主要包括裂縫封閉和坑槽修補(bǔ)，應(yīng)加強(qiáng)病害的巡查，及早發(fā)現(xiàn)裂縫。對于一般細(xì)微裂縫，可采用高滲透性環(huán)氧樹脂直接灌縫。如裂縫開展明顯，深度較大，或者出現(xiàn)放射狀裂縫的，可進(jìn)行開槽擴(kuò)縫，采用環(huán)氧樹脂拌制的砂漿進(jìn)行灌縫。出現(xiàn)坑槽后，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行修補(bǔ)，可采用冷拌高韌性樹脂混凝土或熱拌高黏瀝青混凝土進(jìn)行修補(bǔ)[7]。

4.2 預(yù)防性養(yǎng)護(hù)

預(yù)防性養(yǎng)護(hù)作為道路養(yǎng)護(hù)計(jì)劃中最有影響的組成部分，其理念在鋼橋面鋪裝的養(yǎng)護(hù)中尚未受到足夠重視。在鋼橋面鋪裝產(chǎn)生病害后，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仍然較好，表面存在磨光、滲水等輕微問題時(shí)，應(yīng)考慮采取預(yù)防性養(yǎng)護(hù)措施對其進(jìn)行保護(hù)，封閉表面裂縫，這樣可有效提高路表抗滑水平，延長鋪裝層的使用壽命。預(yù)防性養(yǎng)護(hù)施工前，首先將裂縫、坑槽修補(bǔ)完畢，清理路表雜物后。預(yù)防性養(yǎng)護(hù)手段可采用復(fù)合型樹脂碎石超薄磨耗層或超薄耐久性抗滑磨耗層（TFC-Ⅱ），上述兩種技術(shù)經(jīng)歷了一年以上的檢驗(yàn)，使用效果較好。施工后對路表的保護(hù)、抗滑水平的提升、美觀度的提升均有明顯的作用[8]。

4.3 結(jié)構(gòu)性養(yǎng)護(hù)

當(dāng)鋪裝層病害較為嚴(yán)重時(shí)，應(yīng)考慮進(jìn)行結(jié)構(gòu)性養(yǎng)護(hù)。首先應(yīng)根據(jù)病害情況，結(jié)合現(xiàn)場得出的材料的試驗(yàn)結(jié)果，判斷其下面層的殘余壽命。如仍有較好的殘余性能，可考慮保留下面層，僅維修上面層?？刹扇°娕僭厦鎸? cm，修補(bǔ)下面層病害后重鋪上面層，材料可選擇高黏高彈SMA或HSAC高性能瀝青混合料。

如下面層性能較差，應(yīng)考慮整體銑刨，清理后重新施工鋪裝層。技術(shù)選擇上，下面層應(yīng)采用與原橋面鋪裝層接近的環(huán)氧瀝青混凝土，上面層可采用高黏高彈SMA或HSAC高性能瀝青混合料。

5 結(jié)論

（1）環(huán)氧瀝青混凝土在西堠門大橋上的應(yīng)用效果較好，服役時(shí)間長，高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性較好，根據(jù)70 ℃車轍實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其動(dòng)穩(wěn)定度可達(dá)10 000次/mm以上，具備較好的在高溫下抵抗重載車輛荷載的能力；根據(jù)-10 ℃小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果，彎拉應(yīng)變可達(dá)3 000 με以上，具備一定的柔韌性和變形追從性，可以滿足大跨徑鋼箱梁橋橋面大變形大柔度的特點(diǎn)，能夠適應(yīng)大跨徑鋼箱梁橋重載車道的使用環(huán)境。

（2）環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝層的病害發(fā)展規(guī)律較為明顯，主要的病害類型為由于裂縫發(fā)展而逐漸引發(fā)的連鎖的破壞形式。病害原因是材料性能衰減，導(dǎo)致裂縫逐漸出現(xiàn)，且該類型的裂縫不可逆轉(zhuǎn)。裂縫由上而下逐步發(fā)展，寬度加大、深度加深，逐漸由線性裂縫轉(zhuǎn)變?yōu)榉派錉盍芽p、網(wǎng)裂、松散、坑槽等病害，最終貫穿整個(gè)鋪裝層，導(dǎo)致該區(qū)域整體失效。

（3）鋼橋面鋪裝層對養(yǎng)護(hù)要求較高，應(yīng)加強(qiáng)巡查力度，充分結(jié)合日常養(yǎng)護(hù)、預(yù)防性養(yǎng)護(hù)、結(jié)構(gòu)性養(yǎng)護(hù)手段。對養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)與手段的選擇進(jìn)行充分合理的評估，判斷需要采取的養(yǎng)護(hù)手段強(qiáng)度，在合適的養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)介入，選擇針對性強(qiáng)、可靠性強(qiáng)的技術(shù)方案，盡可能延長鋪裝層的使用壽命。