鋼橋面鋪裝組合結(jié)構(gòu)的路用性能研究

劉 攀,2， 盛興躍，李 璐，劉譽(yù)貴

(1.重慶市智翔鋪道技術(shù)工程有限公司，重慶 401336；2.重慶交通大學(xué)，重慶 400074)

0 引言

鋼橋面鋪裝成為橋梁建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)之一，直接關(guān)系到橋梁耐久性、行車(chē)安全、舒適度以及經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益[1]。經(jīng)過(guò)10余年研究及應(yīng)用，國(guó)內(nèi)鋼橋面鋪裝形成了3種體系：澆注式瀝青混凝土鋪裝體系、環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝體系和SMA鋪裝體系[2-6]。但橋面變形大、鋪裝層薄、剪應(yīng)力大所帶來(lái)的鋪裝技術(shù)問(wèn)題一直依然是一個(gè)世界性難題，如低溫開(kāi)裂、疲勞開(kāi)裂、防水粘結(jié)層失效和層間推移等[7-8]。

為了解決鋼橋面鋪裝技術(shù)難題，重慶市智翔鋪道技術(shù)工程有限公司成功開(kāi)發(fā)出了熱拌高韌性環(huán)氧瀝青及二階環(huán)氧樹(shù)脂防水粘結(jié)劑，經(jīng)過(guò)持續(xù)改進(jìn)，綜合性能已能和國(guó)外同類(lèi)型產(chǎn)品相當(dāng)。基于此，本文對(duì)雙層高韌性環(huán)氧瀝青混凝土，以及新型鋪裝組合結(jié)構(gòu)“下面層澆注式瀝青混凝土GA+上面層高韌性環(huán)氧瀝青混凝土EA”和“下面層高韌性環(huán)氧瀝青混凝土EA+上面層改性瀝青SMA”的性能進(jìn)行研究，并與“下面層澆注式瀝青混凝土GA+上面層改性瀝青SMA”和雙層改性瀝青SMA的性能進(jìn)行對(duì)比，同時(shí)研究二階環(huán)氧樹(shù)脂防水粘結(jié)劑與上述5種鋪裝組合結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性，研究結(jié)果以期為鋼橋面鋪裝提供一定的依據(jù)和指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 鋼橋面鋪裝組合結(jié)構(gòu)

本文選擇5種鋼橋面鋪裝組合結(jié)構(gòu)，即EA-10+EA-10、EA-10+SMA-10、GA-10+EA-10、GA-10+SMA-10和SMA-10+SMA-10。

1.2 試驗(yàn)原材料

基質(zhì)瀝青采用SK70#進(jìn)口瀝青；GA-10所用瀝青為聚合物復(fù)合改性瀝青，SMA-10所用瀝青為高彈改性瀝青，EA-10所用瀝青為高韌性環(huán)氧瀝青，其基本技術(shù)指標(biāo)如表1所示。二階環(huán)氧樹(shù)脂防水粘結(jié)劑，其拉伸強(qiáng)度大于5 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率大于100%。集料為堅(jiān)硬耐磨的玄武巖，礦粉為磨細(xì)石灰石，其性能指標(biāo)均滿足相關(guān)規(guī)范要求。級(jí)配曲線如圖1所示，其中，GA-10的油石比為7.7%；SMA-10的油石為6.0%；EA-10的油石比為6.7%。

1.3 試驗(yàn)方法

鋪裝組合結(jié)構(gòu)試件按“鋪裝下面層-二階環(huán)氧樹(shù)脂防水粘結(jié)層-鋪裝上面層”的順序成型。GA-10由于其油石比高，可自流平成型，而EA-10和SMA-10則采用輪碾成型。需要注意的是，高韌性環(huán)氧瀝青混合料制備工藝須嚴(yán)格控制溫度和拌合順序，成型后放入烘箱中養(yǎng)護(hù)，直至其固化完全。

表1 瀝青的技術(shù)指標(biāo)Table 1 Properties of asphalt瀝青種類(lèi)針入度(25 ℃)/0.1mm延度/cm軟化點(diǎn)(環(huán)球法)/ ℃SK70#道路瀝青64.654.2(10 ℃)47.8聚合物復(fù)合改性瀝青35.018.1(5 ℃)116.3高彈改性瀝青74.357.6(5 ℃)93.2高韌性環(huán)氧瀝青16.8—>200

圖1 瀝青混合料級(jí)配組成設(shè)計(jì)Figure 1 Gradaton of aggregate

按照相關(guān)規(guī)范要求，評(píng)價(jià)上述5種鋪裝組合結(jié)構(gòu)的高溫性能、界面粘結(jié)性能、疲勞性能、抗滑性能及防水性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 鋪裝組合結(jié)構(gòu)的高溫性能研究

高溫車(chē)轍會(huì)使瀝青路面使用性能大大降低，嚴(yán)重影響路面的使用質(zhì)量和服務(wù)壽命，危及行車(chē)安全[9]。對(duì)于鋼橋面鋪裝來(lái)說(shuō)，鋪裝層的夏季使用溫度比普通路面更高(極限溫度可達(dá)70 ℃以上)，且鋪裝層厚度偏小，因此，鋼橋面鋪裝層對(duì)混合料的高溫穩(wěn)定性要求更高[10]。按照規(guī)范要求，進(jìn)行鋪裝組合結(jié)構(gòu)的60 ℃和70 ℃車(chē)轍試驗(yàn)，以動(dòng)穩(wěn)定度與車(chē)轍深度兩項(xiàng)指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)組合結(jié)構(gòu)的高溫穩(wěn)定性。

2.1.1鋪裝組合結(jié)構(gòu)類(lèi)型

評(píng)價(jià)不同鋪裝組合結(jié)構(gòu)的高溫穩(wěn)定性，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 鋪裝組合結(jié)構(gòu)車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Rutting test results of pavement composite structures鋪裝組合結(jié)構(gòu)類(lèi)型動(dòng)穩(wěn)定度/(次·mm-1)車(chē)轍深度/mm60 ℃70 ℃60 ℃70 ℃35 mm GA-10+35 mm SMA-105 2503 1001.732.2135 mm SMA-10+35 mm SMA-107 3004 2001.521.7030 mm EA-10+30 mm EA-1063 00063 0000.270.2930 mm GA-10+30 mm EA-1031 50021 0000.490.5130 mm EA-10+30 mm SMA-109 7506 0130.991.26

環(huán)氧瀝青混合料由于其熱固性特點(diǎn)，使其具有優(yōu)異的高溫性能，這也是該材料非常突出的優(yōu)勢(shì)所在，而澆注式瀝青混合料的高瀝青含量導(dǎo)致其高溫性能較差，高彈改性瀝青SMA由于其骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)使其具有較為良好的高溫性能。結(jié)合表2的數(shù)據(jù)可以看出，EA-10+EA-10的高溫穩(wěn)定性最為優(yōu)異，而后依次是GA-10+EA-10、EA-10+SMA-10、GA-10+SMA-10和GA-10+SMA-10。GA-10+EA-10在60 ℃和70 ℃下的動(dòng)穩(wěn)定度均較高，車(chē)轍深度也較小，這是因?yàn)镋A-10在上面層限制了下面層GA-10的變形，使其表現(xiàn)出優(yōu)良的高溫性能。下面層采用EA-10的組合結(jié)構(gòu)也具有較為良好的高溫性能，說(shuō)明采用高韌性環(huán)氧瀝青混凝土均能提高組合結(jié)構(gòu)的高溫性能，對(duì)于高溫重載地區(qū)，該結(jié)構(gòu)具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，尤其是EA-10+EA-10和GA-10+EA-10。

2.1.2鋪裝組合結(jié)構(gòu)厚度

近年來(lái)，經(jīng)過(guò)大量實(shí)體工程應(yīng)用，“上面層澆注式瀝青混凝土GA+下面層改性瀝青SMA”已成為國(guó)內(nèi)鋼橋面主流鋪裝方案，應(yīng)用面積占整個(gè)鋼橋面鋪裝面積的一半以上。在此，進(jìn)一步評(píng)價(jià)GA-10+SMA-10不同組合結(jié)構(gòu)厚度的高溫穩(wěn)定性(鋪裝層厚度70 mm)，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 GA-10+SMA-10組合結(jié)構(gòu)厚度車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Rutting test results of GA-10+SMA-10鋪裝組合結(jié)構(gòu)厚度動(dòng)穩(wěn)定度/(次·mm-1)車(chē)轍深度/mm60 ℃70 ℃60 ℃70 ℃25 mm GA-10+45 mm SMA-106 3003 8001.672.2330 mm GA-10+40 mm SMA-105 2503 0002.002.6835 mm GA-10+35 mm SMA-105 2503 1001.732.2140 mm GA-10+30 mm SMA-104 8463 0002.153.0945 mm GA-10+25 mm SMA-103 9372 6002.643.53

由表3可以看出，組合結(jié)構(gòu)厚度對(duì)GA-10+SMA-10的高溫穩(wěn)定性有一定影響。具體表現(xiàn)為GA-10厚度越小，SMA-10厚度越大，組合結(jié)構(gòu)的動(dòng)穩(wěn)定度越大，車(chē)轍深度越小。僅針對(duì)高溫性能而言，GA-10的厚度較小為佳，這是因?yàn)闈沧⑹綖r青混合料的高溫性能本就弱于高彈改性瀝青SMA。本文僅僅探討了組合結(jié)構(gòu)厚度對(duì)GA-10+SMA-10高溫性能的影響，至于對(duì)鋪裝結(jié)構(gòu)其他性能的影響有待后續(xù)的研究進(jìn)一步揭示。

2.2 鋪裝組合結(jié)構(gòu)的界面粘結(jié)性能研究

鋼橋面鋪裝層結(jié)構(gòu)的界面結(jié)合強(qiáng)度直接反映了鋪裝體系整體的抗剪強(qiáng)度和鋪裝層抗推移能力[11]。待二階環(huán)氧樹(shù)脂防水粘結(jié)劑形成最終強(qiáng)度后，按照規(guī)范要求，進(jìn)行鋪裝材料與鋼板的拉拔剪切試驗(yàn)以及鋪裝組合結(jié)構(gòu)的層間拉拔剪切試驗(yàn)，以拉拔強(qiáng)度與剪切強(qiáng)度兩項(xiàng)指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)組合結(jié)構(gòu)的界面粘結(jié)性能。其中，拉拔強(qiáng)度主要表征垂直方向上的粘結(jié)性能，剪切強(qiáng)度主要表征水平方向上的抗剪性能。

2.2.1下面層鋪裝材料與鋼板的粘結(jié)強(qiáng)度

在噴砂除銹的鋼板上均勻涂布一層環(huán)氧富鋅漆，再涂布一層二階環(huán)氧樹(shù)脂防水粘結(jié)劑，隨后輪碾法加鋪不同的混合料。評(píng)價(jià)下面層鋪裝材料與鋼板的界面粘結(jié)性能，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 下面層鋪裝材料與鋼板的粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Table 4 The results of bond strength between paving ma-terials and steel plate下面層鋪裝材料拉拔強(qiáng)度/MPa剪切強(qiáng)度/MPa25 ℃60 ℃25 ℃60 ℃GA-102.850.304.050.76SMA-102.760.303.880.71EA-103.891.205.721.63

由表4可以看出，EA-10與鋼板具有最優(yōu)的界面粘結(jié)性能，SMA-10和GA-10相差不大。EA-10屬于反應(yīng)型材料，其表面的高韌性環(huán)氧瀝青和二階環(huán)氧樹(shù)脂防水粘結(jié)劑能形成更強(qiáng)的化學(xué)結(jié)合力，因此與鋼板有著更為優(yōu)異的粘結(jié)力。由于二階環(huán)氧樹(shù)脂防水粘結(jié)劑優(yōu)異的粘結(jié)性能，SMA-10和GA-10與鋼板也有較大的粘結(jié)力。另一方面，溫度越高，鋪裝材料與鋼板的拉拔強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度則越小。在25 ℃下，不同鋪裝材料的拉拔強(qiáng)度均大于2.5 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)規(guī)范要求；即使在60 ℃下，SMA-10和GA-10與鋼板的拉拔強(qiáng)度也有0.3 MPa。上述結(jié)果表明，采用自制二階環(huán)氧樹(shù)脂防水粘結(jié)劑，上述3種鋪裝材料均能很好地與鋼板粘結(jié)。

2.2.2鋪裝組合結(jié)構(gòu)的層間粘結(jié)強(qiáng)度

評(píng)價(jià)不同鋪裝組合結(jié)構(gòu)層間的界面粘結(jié)性能，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 鋪裝組合結(jié)構(gòu)的層間粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Table 5 The results of bond strength of pavement com-posite structures鋪裝組合結(jié)構(gòu)類(lèi)型拉拔強(qiáng)度/MPa剪切強(qiáng)度/MPa25 ℃60 ℃25 ℃60 ℃GA-10+SMA-102.650.253.120.90SMA-10+SMA-102.610.232.850.76EA-10+EA-103.531.076.612.30GA-10+EA-103.300.425.071.82EA-10+SMA-103.120.385.031.71

從上述結(jié)果可以看出，EA-10+EA-10具有最優(yōu)的層間粘結(jié)性能，而后依次是GA-10+EA-10、EA-10+SMA-10、GA-10+SMA-10，而SMA-10+SMA-10的粘結(jié)性能相對(duì)較差。同樣地，隨著溫度的升高，鋪裝組合結(jié)構(gòu)的層間拉拔強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度逐漸降低。采用自制二階環(huán)氧樹(shù)脂防水粘結(jié)劑，上述5種鋪裝組合結(jié)構(gòu)均表現(xiàn)出優(yōu)異的界面粘結(jié)性能。結(jié)合2.2.1的結(jié)論可以發(fā)現(xiàn)，二階環(huán)氧樹(shù)脂防水粘結(jié)劑能很好地適應(yīng)鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)。

2.3 鋪裝組合結(jié)構(gòu)的疲勞耐久性

由于正交異性板的特性，加之橋梁跨徑越來(lái)越大，導(dǎo)致鋼橋面鋪裝層變形大，這就要求鋪裝層具有優(yōu)良的柔韌性和適應(yīng)變形的能力，以避免早期疲勞開(kāi)裂[12]。進(jìn)行鋪裝組合結(jié)構(gòu)的五點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)，以疲勞壽命評(píng)價(jià)其抗疲勞耐久性。采用正弦函數(shù)加載，加載頻率10 Hz，試驗(yàn)溫度20 ℃，最大荷載為28 kN，最小荷載為4.2 kN，試驗(yàn)過(guò)程中每隔0.5 h檢查一次結(jié)構(gòu)層出現(xiàn)的裂縫、鋪裝層與試驗(yàn)板的分離情況或其他損壞，在防水粘結(jié)層與鋪裝層出現(xiàn)的裂縫長(zhǎng)度達(dá)到試件總周長(zhǎng)的一半時(shí)，認(rèn)為試件徹底破壞，停止試驗(yàn)并記錄循環(huán)荷載次數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 鋪裝組合結(jié)構(gòu)的五點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)結(jié)果Table 6 Five-point bending fatigue test results of pave-ment composite structures鋪裝組合結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破壞時(shí)的循環(huán)荷載次數(shù)/萬(wàn)次疲勞壽命/萬(wàn)次測(cè)試值平均值GA-10+SMA-1091.6130.6127.087.3123.3SMA-10+SMA-1062.195.792.158.688.5EA-10+EA-10101.4177.5165.0109.7152.5GA-10+EA-10121.3177.6172.5117.6167.3EA-10+SMA-1090.7138.2132.586.3126.7

由表6可知，除SMA-10+SMA-10的疲勞壽命僅為92.1萬(wàn)次，其他組合結(jié)構(gòu)的疲勞壽命均超過(guò)100萬(wàn)次。具體地，5種組合結(jié)構(gòu)疲勞壽命的大小順序依次為GA-10+EA-10>EA-10+EA-10>EA-10+SMA-10>GA-10+SMA-10>SMA-10+SMA-10。采用EA-10的鋪裝組合結(jié)構(gòu)具有較大的疲勞壽命，其疲勞性能更為優(yōu)異。然而，由于高韌性環(huán)氧混凝土的剛性較大，對(duì)于柔性鋼橋面，其適用性是很不確定的，這有待實(shí)際工程的檢驗(yàn)[13]。

2.4 鋪裝組合結(jié)構(gòu)的抗滑性能

鋪裝組合結(jié)構(gòu)的抗滑性能主要取決于上面層混合料的抗滑性能，因此，只需測(cè)試上面層混合料的擺值與構(gòu)造深度即可綜合評(píng)價(jià)組合結(jié)構(gòu)的抗滑性能。5種鋪裝組合結(jié)構(gòu)的上面層為SMA-10或EA-10，在此筆者分別測(cè)試了GA-10+SMA-10，SMA-10+SMA-10和EA-10+SMA-10的擺值和構(gòu)造深度，取其平均值，同理取EA-10+EA-10和GA-10+EA-10擺值和構(gòu)造深度的平均值，試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

表7 鋪裝組合結(jié)構(gòu)的抗滑性能試驗(yàn)結(jié)果Table 7 Anti-sliding performance test results of pave-ment composite structures鋪裝組合結(jié)構(gòu)類(lèi)型擺值BPN構(gòu)造深度TD/mm測(cè)試值平均值測(cè)試值平均值861.02GA-10+SMA-10(SMA-10+SMA-10或EA-10+SMA-10)8485.30.971.00861.00EA-10+EA-10(GA-10+EA-10)7675.00.830.81740.78

由表7可知，相比于EA-10，SMA-10擺值和構(gòu)造深度更大，這是由于SMA-10屬于間斷級(jí)配，表面孔隙大，而EA-10屬于懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)。兩種混合料的擺值均大于70，滿足規(guī)范要求(>45)，說(shuō)明EA-10和SMA-10均具有良好的抗滑性能。若對(duì)鋪裝層抗滑性能要求較高，上面層可優(yōu)先考慮SMA-10。

2.5 鋪裝組合結(jié)構(gòu)的防水性能

鋼橋面鋪裝層應(yīng)具有良好的防水性能，以避免水分剝離鋪裝層，損傷鋼板。試驗(yàn)表明，GA-10空隙率幾乎為零，具有優(yōu)異的抗?jié)B水性能，而EA-10和SMA-10有一定的空隙率(1%～4%)，水分可能滲透。因此，采用GA-10作為鋪裝下面層的組合結(jié)構(gòu)(GA-10+SMA-10和GA-10+EA-10)具有良好的防水性能，而其他3種結(jié)構(gòu)的防水性能則有待進(jìn)一步提高。

3 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)5種鋼橋面鋪裝組合結(jié)構(gòu)的高溫性能、界面粘結(jié)性能、疲勞性能、抗滑性能、防水性能、經(jīng)濟(jì)成本及施工工藝進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

從技術(shù)性能角度考慮，5種鋪裝組合結(jié)構(gòu)的路用性能均滿足規(guī)范要求，同時(shí)二階環(huán)氧樹(shù)脂防水粘結(jié)劑能很好地適用于各種鋪裝組合結(jié)構(gòu)。高韌性環(huán)氧瀝青混凝土EA-10的高溫穩(wěn)定性十分優(yōu)異，聚合物復(fù)合改性瀝青澆注式瀝青混凝土GA-10的防水性能優(yōu)越，高彈改性瀝青SMA-10的抗滑性能更為突出。其中，EA-10+EA-10具有更優(yōu)的高溫性能、疲勞性能和界面粘結(jié)性能，其次依次為GA-10+EA-10、EA-10+SMA-10、GA-10+SMA-10和SMA-10+SMA-10。從經(jīng)濟(jì)成本角度考慮，高韌性環(huán)氧瀝青價(jià)格比聚合物復(fù)合改性瀝青及高彈改性瀝青高，導(dǎo)致EA-10+EA-10的成本最高，GA-10+EA-10和EA-10+SMA-10次之，而GA-10+SMA-10和SMA-10+SMA-10的成本較低。從施工工藝角度考慮，EA-10施工條件苛刻、施工工藝復(fù)雜，鋪裝完畢后還需養(yǎng)護(hù)一段時(shí)間方能開(kāi)放交通，GA-10和SMA-10無(wú)需養(yǎng)護(hù)，施工完畢即可開(kāi)放交通。這說(shuō)明SMA-10+SMA-10和GA-10+SMA-10施工工藝較為簡(jiǎn)單，GA-10+EA-10和EA-10+SMA-10較復(fù)雜，而EA+EA最為復(fù)雜。因此在實(shí)際工程應(yīng)用中，應(yīng)綜合考慮鋪裝組合結(jié)構(gòu)的技術(shù)性能、經(jīng)濟(jì)成本及施工工藝等因素，從而確定鋪裝技術(shù)方案。

表8 鋪裝組合結(jié)構(gòu)綜合技術(shù)性能對(duì)比結(jié)果Table 8 Comprehensive technical performance comparison results of pavement composite structures鋪裝組合結(jié)構(gòu)高溫性能疲勞性能界面粘結(jié)性能抗滑性能防水性能經(jīng)濟(jì)成本施工工藝GA-10+SMA-10良較優(yōu)良優(yōu)優(yōu)低易SMA-10+SMA-10良良良優(yōu)良低易EA-10+EA-10優(yōu)優(yōu)優(yōu)良良高難GA-10+EA-10優(yōu)優(yōu)較優(yōu)良優(yōu)較高較難EA-10+SMA-10較優(yōu)較優(yōu)較優(yōu)優(yōu)良較高較難