鋼橋面鋪裝技術(shù)的研究現(xiàn)狀及展望

劉世康

關(guān)鍵詞 鋼橋面鋪裝;澆筑式瀝青混凝土;環(huán)氧瀝青混凝土;防水粘結(jié)體系

中圖分類號 U445 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）04-0108-03

0 引言

改革開放以來，國內(nèi)的交通建設(shè)蓬勃發(fā)展，橋梁建設(shè)技術(shù)水平逐年提高，目前已經(jīng)承建了許多世界級的大跨徑橋梁工程。其中，鋼橋面鋪裝技術(shù)是橋梁建設(shè)項(xiàng)目中的重點(diǎn)，受到國內(nèi)研究學(xué)者的廣泛關(guān)注。國外在大跨徑橋梁的建設(shè)相較于國內(nèi)起步較早，特別是在鋼橋面鋪裝技術(shù)方面，積累了大量先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)[1]，德國、日本等國家制定了鋼橋面鋪裝規(guī)范。

如今的鋼結(jié)構(gòu)橋梁以結(jié)構(gòu)復(fù)雜的正交異性橋面板結(jié)構(gòu)居多，其受力和變形特點(diǎn)遠(yuǎn)比一般公路和混凝土橋梁的鋪裝復(fù)雜[2]。鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)不僅能夠?qū)④囕v荷載傳遞到鋼橋受力層，同時(shí)防止鋼橋面腐蝕的保護(hù)層，為行車提供舒適度的服務(wù)層。鋼橋面鋪裝質(zhì)量直接影響到行車的安全性、舒適性、橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性，以及投資效益和社會(huì)效益[3]。經(jīng)過各學(xué)者30余年的不懈努力，使鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)和體系逐漸完善和成熟。該文主要針對鋼橋面鋪裝材料與結(jié)構(gòu)、防水材料與防水粘結(jié)體系兩個(gè)方面對國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析。

1 鋼橋面鋪裝材料與結(jié)構(gòu)

目前，瀝青混合料體系仍是鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)的主要體系。隨著科研人員的不懈努力，研發(fā)出不同類型的改性瀝青，包括澆筑式瀝青混凝土GA、環(huán)氧樹脂瀝青混凝土、瀝青混凝土MA以及改性瀝青SMA等不同性能的鋪裝材料。依據(jù)不同的鋪裝材料組合形式，國內(nèi)外大跨徑鋼橋面常用的鋪裝結(jié)構(gòu)主要包括：澆筑式混凝土類、環(huán)氧瀝青混凝土類、組合鋪裝結(jié)構(gòu)類[4]。

1.1 澆筑式瀝青混凝土

澆筑式瀝青混凝土屬于懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)，擁有較小的孔隙率，在較高的施工溫度下保持較好的流動(dòng)性。澆筑式瀝青混凝土在成型后具備較好的抗老化性能以及變形能力，能夠在低溫環(huán)境下保持整體性能，很少出現(xiàn)低溫開裂等病害。此外，澆筑式瀝青混凝土與鋼板之間能夠保持較好的粘結(jié)性，能夠提升鋪裝路面的使用耐久性[5]。

澆筑式瀝青混凝土按照生產(chǎn)工藝可分為GA和MA兩種。主要區(qū)別在于瀝青膠結(jié)料的配比設(shè)計(jì)，MA使用的膠結(jié)料屬硬質(zhì)瀝青，是由高含量湖瀝青和少量普通瀝青混合配比而成;GA使用的膠結(jié)料配比主要分為3類，在湖瀝青的基礎(chǔ)上，配比定量的基質(zhì)瀝青、改性瀝青或者聚合物改性瀝青[6]。國內(nèi)比較經(jīng)典的澆筑式橋面鋪裝結(jié)構(gòu)是在鋪裝面層設(shè)計(jì)SMA型路面結(jié)構(gòu)，此種骨架結(jié)構(gòu)的路用性能較好，在公路瀝青路面設(shè)計(jì)中使用廣泛，能夠?yàn)樾旭傑囕v提供較好的抗滑力，保障行車安全[7]。澆筑式橋面鋪裝結(jié)構(gòu)造價(jià)相對經(jīng)濟(jì)，在20世紀(jì)引入國內(nèi)，相關(guān)技術(shù)人員對澆筑式鋪裝技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，并在較多的橋梁建設(shè)項(xiàng)目工程中使用，其中的代表橋梁有重慶菜園壩長江大橋、深圳灣公路大橋等，表現(xiàn)出較好的使用效果。國家交通運(yùn)輸部在2006年制定的鋼橋面鋪裝設(shè)計(jì)規(guī)范中，對不同工程狀況下的澆筑式瀝青混凝土鋪裝結(jié)構(gòu)性能與施工標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。而且，澆筑式瀝青混凝土技術(shù)還在不斷發(fā)展，最近幾年修建的大跨徑鋼橋中也有較多使用澆筑式鋪裝結(jié)構(gòu)，在后續(xù)的澆筑式瀝青混凝土運(yùn)用中，不斷總結(jié)與改進(jìn)澆筑式鋪裝工程技術(shù)，使?jié)仓綖r青混凝土技術(shù)逐漸完善[8]。

1.2 環(huán)氧式瀝青混凝土

環(huán)氧瀝青混凝土EAC是在瀝青中添加環(huán)氧樹脂和固化劑。環(huán)氧樹脂作為新興路面材料，近些年在公路工程中廣泛應(yīng)用，在添加路面基本鋪筑材料，并經(jīng)過一段時(shí)間的養(yǎng)護(hù)之后，樹脂膠漿中會(huì)出現(xiàn)一些細(xì)小的孔洞結(jié)構(gòu)，而且強(qiáng)度較高，適合作為混合料膠結(jié)材料。環(huán)氧瀝青混凝土作為一種優(yōu)良的熱固性鋪面材料，在建設(shè)完成后具備較高的強(qiáng)度和耐久性，能夠承受行車荷載施加的疲勞荷載。環(huán)氧瀝青混凝土類典型鋪裝結(jié)構(gòu)一般采用雙層環(huán)氧瀝青混凝土，其中，某些大跨徑橋梁也有采用在環(huán)氧瀝青混凝土上層加鋪改性瀝青混凝土的結(jié)構(gòu)形式。這兩種結(jié)構(gòu)在國內(nèi)橋梁建設(shè)中均得到了成功應(yīng)用，武漢興州長江大橋、天津國泰大橋設(shè)計(jì)使用的環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝結(jié)構(gòu)運(yùn)營多年，僅進(jìn)行了少量修補(bǔ)，可見環(huán)氧式瀝青混凝土類型的可靠性[9]。

目前，依據(jù)施工時(shí)橋面攤鋪溫度的不同，環(huán)氧式瀝青混凝土主要可以分為冷拌、溫拌，以及熱拌3種類型。其中，環(huán)氧式瀝青混凝土常用冷拌類型鋪裝結(jié)構(gòu)，根據(jù)各功能層具體作用分層設(shè)計(jì)，各層功能明確，在鋪裝完工之后具有較好的使用性能，特別是在交通量較大的橋梁使用過程中，環(huán)氧瀝青混凝土能夠較好地抵抗車輛荷載的剪切作用，減少路面裂縫的產(chǎn)生，提升鋪裝層的使用壽命，因此得到了國內(nèi)外許多橋梁設(shè)計(jì)人員的認(rèn)可[10]。此外，環(huán)氧式橋面鋪裝結(jié)構(gòu)施工便捷，對于橋梁所處的氣候環(huán)境具備較高的適應(yīng)閾值，后期維修較為方便。

1.3 組合鋪裝結(jié)構(gòu)

組合鋪裝結(jié)構(gòu)在前兩種結(jié)構(gòu)形式基礎(chǔ)上發(fā)展而來，充分考慮結(jié)構(gòu)層材料特點(diǎn)進(jìn)行橋面鋪裝，一般為兩種以上不同材料進(jìn)行組合鋪裝，組合設(shè)計(jì)形式多樣，能夠在最大程度上提升橋面鋪裝的設(shè)計(jì)使用年限。組合鋪裝在國內(nèi)外均有大范圍推廣應(yīng)用，其中國外鋼橋梁設(shè)計(jì)中多在不同材料粘結(jié)層之間添加強(qiáng)度較大的鋼板，同時(shí)在鋪裝材料中添加石英礦粉等材料，提升材料的整體剛度，與鋼板緊密結(jié)合共同形成橋面鋪裝體系，不過此種方法造價(jià)昂貴，在鋪裝設(shè)計(jì)過程中應(yīng)根據(jù)橋梁所在地區(qū)的環(huán)境氣候，選擇合適的粘結(jié)劑，避免結(jié)構(gòu)層出現(xiàn)空隙，影響鋪裝層的性能，使其服務(wù)壽命大打折扣[11]。組合鋪裝結(jié)構(gòu)在國內(nèi)鋼橋梁鋪裝設(shè)計(jì)中的應(yīng)用近年來逐漸增多，國內(nèi)科研人員考慮使用有機(jī)纖維代替石英礦粉等材料，提升鋪裝材料的粘結(jié)強(qiáng)度，降低造價(jià)的同時(shí)能夠減小橋面的重量，增加橋梁的穩(wěn)定性[12]。目前瀝青路面裂縫自愈合研究火熱，添加不同性質(zhì)的纖維材料，在橋面鋪裝中使用自愈合技術(shù)，當(dāng)鋪裝層在行車荷載反復(fù)磨耗之下出現(xiàn)微小的裂縫時(shí)，橋面瀝青路面裂縫能夠自主修復(fù)，減輕橋梁的養(yǎng)護(hù)工作強(qiáng)度，在國內(nèi)非常具有推廣價(jià)值。

2 防水粘結(jié)材料與體系

由于世界各國的氣候以及橋梁發(fā)展水平存在較大差異，所以世界各地的大跨徑鋼橋使用的防水粘結(jié)材料與體系不盡相同。世界各國的橋梁建設(shè)者依據(jù)建造橋梁的使用條件以及國家經(jīng)濟(jì)水平，發(fā)展出了不同類型的防水粘結(jié)材料。目前，主要有熱熔型、溶劑型，以及熱固型材料三種防水材料應(yīng)用于正交異性鋼橋面鋪裝[13]。

2.1 防水粘結(jié)材料的種類及特點(diǎn)

2.1.1 熱熔型材料

熱熔型粘結(jié)材料由瀝青摻加樹脂（如松香）和各種聚合物組成。這種材料在常溫下能夠承受行車荷載造成的疲勞破壞，保持自身的穩(wěn)定性，同時(shí)也具備較好的水穩(wěn)性，抵抗雨水侵蝕。但是，此種材料在高溫環(huán)境下容易變軟，導(dǎo)致鋪裝結(jié)構(gòu)層間粘結(jié)性變差。目前，國內(nèi)的鋼橋面鋪裝多采用熱熔型材料作為鋪裝下層的粘結(jié)材料。

熱熔型粘結(jié)材料在施工過程中的處理步驟較為復(fù)雜繁瑣，需要在施工前長時(shí)間加熱，做到充分的融化;在達(dá)到施工規(guī)范要求的溫度后，需要將防水材料攪拌均勻;隨后利用專業(yè)施工設(shè)備將材料均勻撒布到鋼橋表面。由于熱熔型材料具有較高的粘彈性，所以當(dāng)加熱溫度較低時(shí)，防水材料處于粘稠狀態(tài)，會(huì)影響撒布效果，增加施工難度與施工操作時(shí)間。當(dāng)施工溫度過高時(shí)，熱熔型材料的性質(zhì)會(huì)發(fā)生變化，材料會(huì)損失一定的粘彈性，影響材料的防水效果。

2.1.2 溶劑型材料

溶劑型粘結(jié)材料一般多指乳化瀝青和可溶性橡膠瀝青?？扇苄圆牧显趪馐褂玫妮^多，比如日本的交通行業(yè)規(guī)范中對于鋼橋面鋪裝防水材料要求，多推薦使用溶劑型防水粘結(jié)材料。日本著名的明石海峽大橋的防水材料使用的就是瀝青橡膠系列的溶劑型防水材料，取得了良好的防水效果。國內(nèi)橋梁初期使用的溶劑型材料較少，香港青馬大橋以及湖北省宜昌市的西陵長江大橋采用了改性乳化瀝青作為橋面的防水粘結(jié)材料，隨著國內(nèi)橋梁建設(shè)數(shù)量的逐步增多，越來越多的大跨徑鋼橋梁使用改性乳化瀝青作為橋面鋪裝的封層材料，但是，改性乳化瀝青材料在高溫下的穩(wěn)定性較差，在施工過程中材料的內(nèi)部的熱敏物質(zhì)會(huì)釋放氣體，影響攤鋪的效果。

2.1.3 熱固性材料

熱固性粘結(jié)材料指環(huán)氧瀝青，它通過往瀝青中摻入一定比例的環(huán)氧樹脂及固化劑與催化劑后在加熱條件下發(fā)生復(fù)雜物理化學(xué)反應(yīng)而得到。它將環(huán)氧樹脂加入瀝青中，經(jīng)與固化劑發(fā)生固化反應(yīng)，形成不可逆的固化物。熱固性材料的性質(zhì)與普通瀝青材料有較大的不同，與熱熔型材料與溶劑型材料相比具備優(yōu)良的物理力學(xué)性能。具備較好的水穩(wěn)定性與熱穩(wěn)定性，能夠承受更多復(fù)雜的交通荷載作用，鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)采用熱固性材料能夠減少高溫環(huán)境中路面的車轍與推移病害。南京長江二橋使用的就是這種材料，在橋梁建成通車之后，使用性能良好，在國內(nèi)得到了成功運(yùn)用。但是，環(huán)氧瀝青在實(shí)際施工時(shí)，對施工條件、組織和機(jī)械要求較高，由于環(huán)氧瀝青是熱固性材料，尤其對溫度和時(shí)間很敏感，極大地增加了施工難度，且低溫勁度大，易開裂，施工復(fù)雜，不易控制。

2.2 防水粘結(jié)體系

在鋼橋面鋪裝體系中，通常將鋪裝上層以下的鋪裝結(jié)構(gòu)層統(tǒng)稱為防水體系，實(shí)現(xiàn)橋面防水和傳遞汽車荷載的作用，是鋼橋面鋪裝的核心結(jié)構(gòu)層次。世界各國的工程師依據(jù)使用經(jīng)驗(yàn)和國內(nèi)氣候特點(diǎn)，研發(fā)出了不同的防水體系。目前，防水粘結(jié)體系依據(jù)防水粘結(jié)材料的不同，主要可以分為卷材類、反應(yīng)樹脂類、瀝青類等，不同類型的材料具備不同的功能，各類材料組合發(fā)揮防水粘結(jié)作用。其中，Eliminator防水粘結(jié)體系與MMA防水粘結(jié)體系的應(yīng)用較為成熟，以下對這兩種防水體系進(jìn)行簡單的介紹：

Eliminator防水粘結(jié)體系由英國首先在橋梁建設(shè)過程中使用，取得較好的防水效果，隨后在世界范圍內(nèi)得到了大量的應(yīng)用，其中，歐洲各國建設(shè)的鋼橋和混凝土橋梁采用該防水體系，使用壽命超過了50年。Eliminator防水粘結(jié)體系在國內(nèi)也有廣泛的應(yīng)用，比如江陰長江大橋使用Eliminator防水粘結(jié)體系，與上層聚合物改性瀝青混凝土結(jié)合，結(jié)構(gòu)性能優(yōu)良，通車多年未出現(xiàn)路面常見病害，適合在國內(nèi)的橋面鋪裝中大范圍推廣應(yīng)用。

MMA反應(yīng)型防水卷材發(fā)展得較為完善，在世界范圍內(nèi)的大跨徑橋梁均有使用。該防水體系以MMA防水卷材為基礎(chǔ)，增加防腐層與粘結(jié)劑，與鋼橋面鋪裝上層的瀝青混凝土具備較好的粘結(jié)性。鋪裝成型之后具備優(yōu)良的穩(wěn)定性，承受不同類型的車輛荷載的反復(fù)作用保持原有形狀，擁有較高的抗剪強(qiáng)度，不會(huì)出現(xiàn)坑槽或推移等病害[14]。

3 結(jié)論與展望

通過對鋼橋面鋪裝材料與結(jié)構(gòu)、防水粘結(jié)材料與防水體系的研究進(jìn)行分析，結(jié)果表明：鋼橋面鋪裝是一個(gè)多因素影響的復(fù)雜系統(tǒng)問題，鋼橋面鋪裝方案選擇和設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)對鋼橋面結(jié)構(gòu)、交通荷載、氣候環(huán)境進(jìn)行系統(tǒng)分析，根據(jù)鋼橋面鋪裝技術(shù)指標(biāo)要求，進(jìn)行鋼橋面鋪裝一體化設(shè)計(jì)研究，確定合理可行的鋪裝方案和施工方案，實(shí)現(xiàn)鋼橋面鋪裝長壽命和耐久性目標(biāo)。

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