鋼橋面鋪裝環(huán)氧瀝青混合料的特點及應用

徐 偉,曽嘉科,韋瀟樹

華南理工大學 土木與交通學院,廣東 廣州 510640

0 引 言

近30余年來隨著中國公路交通建設(shè)的快速發(fā)展,有數(shù)以百座跨海、跨江的大跨徑鋼橋建成.鋼橋面鋪裝是保證大橋安全通暢的一個基礎(chǔ)條件,但高溫、多雨、重載的使用環(huán)境對鋼橋面鋪裝也提出了較苛刻的要求[1].

鋼橋面鋪裝技術(shù)近年發(fā)展較快,但鋼橋面鋪裝早期出現(xiàn)病害、使用壽命短等問題仍然是技術(shù)難點.中國鋼橋面鋪裝采用了多種鋪裝材料,其中環(huán)氧瀝青是一種典型材料,應用較廣泛[2-3].

環(huán)氧瀝青材料與普通瀝青材料有顯著的差異,環(huán)氧瀝青在材料組成、力學性能、施工工藝及路用性能等方面均具有顯著的特征,本文從環(huán)氧瀝青材料特點、混合料性能、工程應用、病害特點及其發(fā)展等方面進行分析,為環(huán)氧瀝青材料的應用提供參考[4].

1 環(huán)氧瀝青材料的基本特點

環(huán)氧瀝青是由環(huán)氧樹脂、固化劑與基質(zhì)瀝青經(jīng)化學反應而得到的混合物.環(huán)氧瀝青微觀表現(xiàn)是環(huán)氧樹脂形成的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),環(huán)氧樹脂是材料強度的主體,瀝青填充了環(huán)氧樹脂的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),起到增加環(huán)氧瀝青的柔韌性、防腐性的作用,環(huán)氧瀝青微觀結(jié)構(gòu)見圖1[5].環(huán)氧瀝青在力學性能上主要體現(xiàn)的是環(huán)氧樹脂的性能,即熱固性材料,從力學特性角度而言,環(huán)氧瀝青實際上不屬于熱塑性改性瀝青范疇.

研制和設(shè)計環(huán)氧瀝青時需要解決瀝青與環(huán)氧樹脂的相容性、環(huán)氧瀝青的強度與韌性、施工允許時間與養(yǎng)生時間、施工溫度與施工時間等多個相互制約、相互影響的技術(shù)問題.

圖1 環(huán)氧瀝青微觀結(jié)構(gòu)

環(huán)氧瀝青混凝土是由環(huán)氧瀝青結(jié)合料與符合級配要求的礦料拌合而成的熱固性混凝土材料.固化后的環(huán)氧瀝青混凝土是一種強度與力學性能均較高的材料,其60 ℃馬歇爾穩(wěn)定度高于40 kN(JTG E20-2011 T0719),15 ℃彎拉強度高于20 MPa(JTG E20-2011 T0715),對溫度的敏感程度較低(不會產(chǎn)生高溫車轍),同時具有不低于一般瀝青混凝土的低溫抗變形性能[6].普通瀝青混凝土施工基本屬于拌合、壓實的物理變化過程,而環(huán)氧瀝青混凝土在拌合、運輸、壓實施工過程中同時發(fā)生著化學固化反應.環(huán)氧瀝青混凝土的性能受成型時溫度、時間、水等因素影響顯著,并且在壓實后須有一定養(yǎng)生期,以確保環(huán)氧瀝青混凝土能夠完成固化,對施工質(zhì)量管理、控制體系的要求較高[7-8].

2 環(huán)氧瀝青混合料的類型與特點

2.1 環(huán)氧瀝青混合料的類型

每種環(huán)氧瀝青實際是一個特定的環(huán)氧樹脂或環(huán)氧瀝青產(chǎn)品,具有各自獨特的配方和性能特點,一般也具有獨立的鋪裝材料體系.按照混合料拌合溫度分類,鋼橋面環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝可分為3類,以3種典型的環(huán)氧瀝青為基礎(chǔ)分析3類環(huán)氧瀝青的基本特點.

2.1.1 熱拌環(huán)氧瀝青

熱拌環(huán)氧瀝青的拌合溫度為160 ℃~185 ℃,因溫度條件不同,養(yǎng)生時間一般為4~15 d,拌合到攤鋪允許時間約為 3 h,沒有攤鋪窗口時間要求,施工時間和混合料拌合溫度允許范圍相對較寬,集料要求與普通瀝青混合料相似,施工工藝和控制要求條件較嚴格[9].

2.1.2 溫拌環(huán)氧瀝青

溫拌環(huán)氧瀝青的拌合溫度為110 ℃~120 ℃,因溫度條件不同,養(yǎng)生時間一般為30~45 d,拌合到攤鋪允許時間為1~1.5 h,攤鋪窗口時間為10~25 min,施工時間和混合料拌合溫度允許范圍較窄,要求集料干燥,施工工藝和控制條件非常嚴格[10-11].

2.1.3 冷拌環(huán)氧鋪裝

冷拌環(huán)氧鋪裝的拌合溫度為常溫,因溫度條件不同,養(yǎng)生時間一般為3~10 d,拌合到攤鋪允許時間約為1h,沒有攤鋪窗口時間要求,施工時間和混合料拌合溫度允許范圍相對較寬,要求集料干燥,施工工藝和控制條件嚴格[12-13].

2.2 環(huán)氧瀝青混合料的性能特點

與普通瀝青混合料相比,環(huán)氧瀝青混合料具有如下特點.

(1)熱固性.環(huán)氧瀝青屬于熱固性材料,環(huán)氧瀝青鋪裝層不會出現(xiàn)高溫車轍,同時環(huán)氧瀝青混合料不會發(fā)生壓密過程,其鋪裝表面構(gòu)造發(fā)展變化趨勢與普通瀝青路面也不同[14].

環(huán)氧瀝青鋪裝多采用密級配混合料,初期構(gòu)造深度較小,由于其良好的微觀、細觀紋理,整體抗滑性能良好.由于環(huán)氧瀝青混合料的熱固性特點,不會出現(xiàn)壓密現(xiàn)象,而且隨著表面細集料被磨耗掉,鋪裝表面發(fā)展成為由剩余粗集料組成的較粗糙表面構(gòu)造,見圖2.當集料具有優(yōu)良的耐磨性時,環(huán)氧瀝青鋪裝的表面抗滑性能隨著使用時間增加逐漸增強,因此環(huán)氧瀝青鋪裝的長期抗滑性能較好.研究人員曾在2009~2015年對虎門大橋環(huán)氧瀝青鋪裝表面的抗滑性能進行了跟蹤檢測,并與相接的SMA混凝土橋面鋪裝進行對比,見圖3.由圖3可知,環(huán)氧瀝青鋪裝表面抗滑性能整體上呈現(xiàn)逐增加趨勢,并且高于SMA,而SMA的抗滑性能呈現(xiàn)逐年下降趨勢.

(2)空隙率較低.基于環(huán)氧瀝青混合料熱固性特點,不需要考慮瀝青熱脹預留空隙,同時為了提高環(huán)氧瀝青混合料的強度、水穩(wěn)定性和耐久性,環(huán)氧瀝青混合料設(shè)計及現(xiàn)場空隙率一般均低于3%,基本處于不透水、不透氣的狀態(tài),因此也會由于水分、油分進入環(huán)氧瀝青混合料內(nèi)部而導致鼓包病害發(fā)生[15].

(3)非線性疲勞性能.環(huán)氧瀝青的疲勞性能表現(xiàn)出顯著的非線性,控制應變的四點彎曲疲勞試驗(T0739-2011)曲線見圖4.當?shù)陀谝欢☉兯?600 με)時,環(huán)氧瀝青混合料表現(xiàn)出不繼續(xù)損傷的耐久性極限特征;而當高于一定應變水平(1 000 με)時,環(huán)氧瀝青混合料模量出現(xiàn)快速衰減,發(fā)生損傷破壞.基于環(huán)氧混凝土非線性疲勞損傷特點,環(huán)氧瀝青鋼橋面鋪裝應用中需要控制嚴重超載的情況[16].

圖2 虎門大橋環(huán)氧瀝青鋪裝表面狀況照片

圖3 虎門大橋環(huán)氧瀝青鋪裝與SMA路面抗滑性能的發(fā)展趨勢

(4)裂縫不能自修復.由于環(huán)氧瀝青的熱固性特點,當環(huán)氧瀝青混合料出現(xiàn)裂縫后,不會出現(xiàn)裂縫自行修復的情況,而普通瀝青混合料在高溫條件下可發(fā)生一定程度的裂縫自修復.環(huán)氧瀝青混合料一般具有較強的韌性,出現(xiàn)裂縫后不會快速出現(xiàn)松散、坑槽,通過灌縫養(yǎng)護處理一般仍可使用3年以上.

圖4 環(huán)氧瀝青混凝土疲勞曲線

3 環(huán)氧瀝青鋪裝的發(fā)展

20世紀50年代末期,殼牌石油公司開始進行采用環(huán)氧樹脂改性石油瀝青的研究,研發(fā)出Shell Epoxy Asphalt等高強熱固性環(huán)氧瀝青材料,在軍用機場、交通土建工程領(lǐng)域中逐漸得到廣泛應用.

為了滿足軍用機場鋪裝高溫沖擊的性能要求,1959年第1次在美軍機場鋪筑了環(huán)氧瀝青鋪裝(圖5),相關(guān)機構(gòu)1963年對殼牌公司3種環(huán)氧瀝青鋪裝在20個機場使用情況進行了調(diào)查分析,得出以下結(jié)果.

(1)環(huán)氧瀝青鋪裝可以抵抗漏油侵蝕和噴氣式飛機沖擊.

(2)薄層環(huán)氧瀝青罩面會出現(xiàn)開裂,但開裂后不易發(fā)展為松散、脫落.

圖5 環(huán)氧瀝青鋪裝在美軍機場應用照片(1959~1963)

(3)氣候?qū)Νh(huán)氧瀝青鋪裝有影響,溫度越低就越易開裂.

1967年美國San Mateo-Hayward大橋首次將環(huán)氧瀝青混凝土用于正交異性鋼橋面的鋪裝層,經(jīng)過近35年使用后,2002年開始出現(xiàn)開裂和推移,使用40年后的2008年鋪裝表面狀況見圖6.2015年San Mateo-Hayward大橋日均交通量達10.3萬輛,2015年5月進行了鋪裝翻修,該橋環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝使用壽命達48年.1967年后,環(huán)氧瀝青混凝土成為美國大跨徑鋼橋面鋪裝的一種主要鋪裝材料.

圖6 San Mateo-Hayward大橋環(huán)氧瀝青鋪裝照片(2008年)

日本在20世紀70年代對環(huán)氧瀝青混合料的配制、模量、應力松弛性能、破壞性能進行了研究.20世紀90年代,環(huán)氧瀝青在日本的橋面鋪裝、隧道鋪裝等方面應用逐漸發(fā)展.

4 環(huán)氧瀝青混合料在中國鋼橋面鋪裝工程的應用

2000年溫拌型環(huán)氧瀝青鋪裝在南京二橋鋪裝工程中首次應用[17],之后該溫拌型環(huán)氧瀝青鋪裝在江蘇潤揚大橋、南京長江第三大橋、杭州灣跨海大橋、蘇通長江大橋、武漢陽邏長江大橋、天興洲公鐵兩用大橋、廣東珠江黃埔大橋等40余座大跨徑鋼橋中被應用.

熱拌型環(huán)氧瀝青自2004年開始應用于江陰大橋鋼橋面鋪裝大修工程,其后在廣東珠江黃埔大橋、虎門大橋、廣州東沙大橋、廣東江順大橋、廣東馬房大橋、大連星海灣跨海大橋、湛江海灣大橋等40余座大跨徑鋼橋應用.

冷拌型環(huán)氧瀝青鋪裝自2004年西陵長江大橋開始應用,其后在杭州市江東大橋(九橋)、寧波慶豐橋、廣州獵德大橋、寧波青林灣大橋、宜昌長江公路大橋、浙江嘉紹大橋等大跨徑鋼橋應用.

中國多數(shù)大跨徑鋼橋處于高溫、多雨、重載交通環(huán)境條件下,普通瀝青鋪裝難以滿足較苛刻的使用條件,目前全球的環(huán)氧瀝青鋪裝施工主要應用在中國,此外在美國、加拿大、韓國等有一定應用.基于較溫和的溫度和輕型交通條件,歐洲、日本多采用"澆注式+改性瀝青混合料"的鋪裝方案,較少采用環(huán)氧瀝青鋪裝.

5 環(huán)氧瀝青鋪裝病害的特點

環(huán)氧瀝青鋼橋面鋪裝病害原因主要包括:鋪裝材料性能達不到技術(shù)要求;鋪裝使用條件過于苛刻,如超載嚴重;施工質(zhì)量控制出現(xiàn)問題.鋼橋面環(huán)氧瀝青鋪裝典型病害可分為3種:鼓包開裂、疲勞開裂、脫層推移.

5.1 鼓包開裂

環(huán)氧瀝青鋪裝空隙率一般低于3%,基本不透氣,施工過程中環(huán)氧瀝青混凝土內(nèi)滯留的水分無法排出,路面有時會在碾壓施工后就出現(xiàn)鼓包,見圖7.如果環(huán)氧瀝青混凝土內(nèi)滯留的水分沒有在施工期間反映出來,那么在運營階段當天氣炎熱時路面會逐漸出現(xiàn)鼓包開裂,見圖8.

圖7 環(huán)氧瀝青鋪裝施工壓實過程鼓包

圖8 環(huán)氧瀝青鋪裝通車后鼓包

5.2 疲勞開裂

環(huán)氧瀝青鋼橋面鋪裝在輪跡帶位置易出現(xiàn)縱向疲勞開裂病害,縱向開裂基本位于加勁肋上緣位置,縱向開裂病害也可能進一步發(fā)展為網(wǎng)裂乃至坑槽,見圖9.出現(xiàn)縱向開裂病害的橋梁一般重載、超載情況較嚴重,縱向開裂病害主要是鋪裝材料結(jié)構(gòu)性強度破壞或疲勞破壞.

5.3 脫層推移

環(huán)氧瀝青鋼橋面鋪裝在輪跡帶位置會出現(xiàn)推移開裂病害,推移開裂是環(huán)氧瀝青鋼橋面鋪裝較嚴重的典型病害,一般病害面積大、維修難度大,見圖10.脫層病害主要是由黏結(jié)層強度不足或黏結(jié)層失效造成,與材料性能或施工質(zhì)量控制有關(guān).

6 結(jié)語

圖9 環(huán)氧瀝青鋪裝縱向開裂

圖10 環(huán)氧瀝青鋪裝推移開裂

環(huán)氧瀝青應用于鋪裝工程已有近60年時間,基于環(huán)氧瀝青混合料熱固性、高強度、高韌性等特點,在機場跑道、鋼橋面鋪裝、隧道鋪裝等特殊路面工程中得到應用.環(huán)氧瀝青材料及其應用技術(shù)近年發(fā)展較快,中國也有多種自主研發(fā)的環(huán)氧瀝青材料得到應用,環(huán)氧瀝青材料在工程應用中仍然有些問題需要解決,材料性能也有進一步提升的需求,具體分析如下.

(1)設(shè)計與試驗評價方法.一般環(huán)氧瀝青材料是具有顯著特性的產(chǎn)品,環(huán)氧瀝青混合料及鋪裝結(jié)構(gòu)設(shè)計與試驗基本參考普通瀝青混合料,目前還缺乏針對環(huán)氧瀝青混合料的試驗方法和技術(shù)規(guī)范.實際上環(huán)氧瀝青混合料屬性和性能與普通瀝青混合料有顯著差異,因此針對環(huán)氧瀝青混合料及鋪裝結(jié)構(gòu)設(shè)計、試驗與評價方法和標準有待進一步發(fā)展完善.

(2)抗疲勞性能.對于中國重載交通條件及早期較薄橋面鋼板的使用條件,以及滿足更高的的耐久性要求,環(huán)氧瀝青混合料的抗疲勞性能也有進一步提高的必要性和應用需求.

(3)黏結(jié)層結(jié)構(gòu)與強度.鋼橋面鋪裝的黏結(jié)層是影響鋪裝結(jié)構(gòu)整體性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié),目前的環(huán)氧瀝青鋪裝黏結(jié)層仍然存在強度不足、施工控制難度大、與鋪裝層相容性差的問題,作為一體化鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)設(shè)計,黏結(jié)層材料仍可從黏結(jié)強度、韌性、相容性、施工控制等方面進一步改進提高.

(4)施工工藝與質(zhì)量控制.調(diào)查情況表明,較多的環(huán)氧瀝青鋪裝病害與施工有關(guān),一方面可以對環(huán)氧瀝青材料的施工便利性、易控性進行改進,另一方面也可以從施工設(shè)備、施工工藝及施工控制管理角度進行提高,從而系統(tǒng)提高環(huán)氧瀝青鋪裝施工質(zhì)量.