无车辙高级路面的研究与思考无车辙高级路面的研究与思考 宁波天意钢桥面铺装技术有限公司 张志宏
摘要：沥青路面因沥青材料在高温和重载条件下的流变特性不能完全避免车辙现象的出现。由于树脂沥青和柔性水泥混凝土材料技术的进步，采用新型材料可创新出树脂沥青混凝土铺装ER和柔性水泥混凝土组合铺装ECR两种新型的无车辙高级路面铺装结构，ER和ECR技术可以满足钢桥面铺装、重载专用通道以及钢桥面维修和加固桥面钢板等多种工程需要。 关键词：车辙 树脂沥青 柔性水泥混凝土 ER铺装 ECR铺装 1、研究背景 沥青路面经过一定时间的运行后在车轮轮迹带位置产生不可恢复的下凹变形被称之为“车辙”。在重载车较多的炎热地区，路面车辙现象较为普遍。当车辙较深时，因路面平整度丧失，车辆在该路面行驶的舒适性变差，表面粗糙抗滑的特性减弱，行车安全性也降低了。同时，路面铺装的实际厚度变小，铺装层受力状态变得更加不利，其它路面病害也接踵而来，路面使用寿命随之大幅缩短。 研究路面沥青混合料的抗车辙特性是沥青路面重要的研究内容之一，通过调整沥青混合料的级配和最佳沥青用量或添加抗车辙外加剂等手段提高沥青混合料的耐高温和承重能力，推迟车辙发生的时间，延长路面的使用寿命。 沥青路面出现车辙的根本原因是沥青混合料中沥青的流变特性决定的，随着使用温度的提高和荷载的加重，沥青的流变特性愈加明显。所谓改性沥青多是通过在基质沥青中添加橡胶或塑料等高分子聚合物来改变沥青的流变性或粘度，进而改变沥青混合料的耐高温重载能力，然而这种改性仅仅是相对于基质沥青而言性能的提高，但从本质上改性沥青路面仍属沥青混合料，其高温重载下的流变特性并未根本改变。当前，我国道路运输成本高昂，运输管理比较困难，超载运输的现象较为普遍，有些车辆的轴重甚至超过了25吨，对沥青混凝土路面构成了重大威胁。不少的沥青路面使用仅一两年时间即出现了严重的车辙问题，不得不进行多次的翻新罩面，不仅道路的维护费用高昂而且浪费了宝贵资源。有些路面铺装，例如钢箱梁桥上的桥面铺装和重载疏港专用通道等，其使用温度和货载条件更为恶劣，一旦发生较大的铺装车辙和推移变形，则导致整个路面铺装层迅速崩溃。这些路面对车辙的容忍度是很低的。因此，我们需要研究无车辙高级路面的铺装技术，满足这方面的工程需要。 2、无车辙路面简述 所谓无车辙路面实际上是采用特殊的铺装材料从根本上改变沥青材料的高温流变性而生成的路面。传统的水泥混凝土路面和特殊的树脂混凝土路面等都属于为无车辙路面，因其没有沥青类流变性材料的直接使用而规避了车辙问题。传统的水泥混凝土路面虽然规避了车辙问题，但却产生了路面断裂和舒适性降低等其它问题；特殊的树脂混凝土路面虽性能可能比较优良，但造价十分昂贵，难以推广应用。 随着钢桥面铺装技术的进步，树脂沥青胶结材料及柔性水泥混凝土技术取得了重大技术突破，使得新型材料铺筑的道路路面的抗车辙能力得以数十倍的提高，工程技术人员期待的无车辙高级路面有望得以实现。由美国引进的双层环氧沥青混凝土钢桥面铺装技术既是一种优良的无车辙路面，在钢桥面铺装得以成功应用。仅仅因为其采用了中高温固化反应体系，因而施工比较困难，对环境和施工条件要求较高，有些项目因多种原因导致使用效果不尽如人意。 本文提出的无车辙路面共两种，即冷拌施工的树脂沥青混凝土路面ER结构和柔性水泥+树脂沥青混凝土组合铺装结构ECR。 3、ER铺装的原理、结构、和特点 ER铺装的典型结构如下图；
图1. ER钢桥面铺装典型结构 其中EBCL（Epoxy Bonding Chips Layer）是防水抗滑粘结层，由树脂沥青胶结料粘结单粒径碎石构成。目的是牢固粘结铺装基底、防水、和约束上层铺装不发生剪切推移滑动。RA铺装层是由树脂沥青作为胶结料混合级配的矿料铺筑而成的无车辙路面结构。 其关键材料树脂沥青由环氧树脂、石油沥青、和固化剂组成，分A、B两个组份。树脂沥青无毒、无味、无溶剂，可在常温下发生化学反应，对环境相对友好。在施工现场将AB两组份混合树脂沥青内部即开始发生化学的交联固化反应，生成特殊的树脂沥青胶结料。当铺筑施工完成后最终固化后形成各项性能均十分优良的无车辙路面。 ER铺筑结构有如下明显有点： 1） 利用树脂沥青+抗剪碎石形成一层新的完整的防水抗滑粘结层EBCL，实现铺装层对钢板的牢固粘结，同时防水防腐且约束铺装层的滑动； 2） 采用冷拌树脂沥青混合料（RA）铺装的桥面具有强度高、可变形、耐气候变化、表面粗糙抗滑等特点； 3） ER结构可在常温下施工，固化期较短，施工相对简单，可较快开放交通，工程造价相对低廉； ER铺筑结构各层技术指标如下表； 表1-1 EBCL胶料技术指标要求
表1-2 RA拌合用胶结料主要性能
表1-3 RA13树脂沥青混凝土性能要求
*对比沥青混凝土的部颁规范要求可明显看出ER铺装的性能差异。
ER铺筑结构不仅适用于新建桥梁的桥面铺装，由于其可常温施工和固化快的特点也十分适宜用来旧桥面铺装的维修。2011年江苏润扬大桥钢桥面铺装维修采用了ER铺装技术，取得了良好的维修效果。 4、柔性水泥+树脂沥青混凝土组合铺装结构ECR ECR（EBCL+Flexible Concrete+ResinAsphalt）组合铺装结构研发的初衷不仅是为了提供一种相对廉价的重载无车辙路面。针对某些钢箱梁桥梁经过多年的重载使用桥面钢板已发生贯穿裂缝问题，ECR铺装还寄望于提供一种更大刚度的铺装结构，更多地分散较重的车轮荷载，减少原桥面钢板裂缝处的应力幅，延长桥面钢板的疲劳使用寿命。因此，ECR铺装比ER铺装要厚一些，因减少了比较昂贵的树脂沥青的用量，ECR铺装并不比ER结构造价增加很多。 ERC铺装的主要结构为三层。底层是防水抗滑粘结层EBCL，中间承力层是柔性水泥混凝土，上面层是冷拌施工的树脂沥青混凝土。其底层和上面层与上述ER铺装是一样的，仅仅是在中间插入了一层柔性水泥混凝土结构。 ECR铺装典型结构如下图；
图2、 ECR组合铺装典型结构图 ECR钢桥面铺装组合技术的主要特点有： 1）EBCL环氧粘结碎石层可有效解决桥面铺装界面的抗剪问题，防水防腐问题，且施工简便。 2）柔性水泥混凝土下承层可在常温下施工，它比沥青混凝土强度高、比普通水泥混凝土极限变形率大、而且耐高温、耐水损，工程造价相对经济。 3）树脂沥青混凝土RA上面层可有效提高铺装层抗高温车辙的能力，延长桥面铺装的使用寿命。 4）ECR技术属国内自主创新技术，材料供应可靠，综合造价经济。ECR组合铺装技术可在常温下施工，无需大型沥青拌合站。ECR对施工环境条件的要求不高，不需要特殊的施工机具和苛刻的工艺要求。 显然，对于不是高温特重载型的桥梁，我们可以用SMA替代RA上面层，从而显著降低工程造价。ECR铺装结构中的柔性水泥混凝土是ECR结构的技术关键。水泥混凝土是一种常规的廉价材料。其常规的力学特性为抗压强度高，模量值较大，一般为20-30GPa，但极限应变值较小，一般仅100-200个微应变左右，通俗地说即水泥混凝土强度高但比较脆。水泥混凝土路面是成熟的路面技术，有广泛的成功实例。普通水泥混凝土之所以不能被直接应用于钢桥面铺装并非是因为强度不足，而是因为其变形能力不够。在钢桥面铺装层厚度较薄的限制条件下，水泥混凝土自身的收缩开裂难以避免，在钢桥面钢板柔性支撑的条件下车辆荷载反复作用，这种开裂会更加严重，由开裂渗水导致的钢板锈蚀及铺装层脱落都是桥面铺装不能容忍的。 如果我们对传统的水泥混凝土进行柔化改造，减小混凝土的弹性模量，适当降低其多余的强度，增加水泥混凝土的可变形性，我们即可得到我们期望的可以用于钢桥面铺装的柔性水泥混凝土。 初步的研究成果表明，水泥柔化在技术上是可行的。以有限元的力学分析方法对假定模量的柔性水泥+树脂沥青混合料的铺装结构进行力学分析，其结论是此铺装结构的桥面刚度明显提高，桥面钢板处的疲劳应力幅可相应减少约70%。重新焊接好的原桥面钢板的疲劳寿命因此可以延长100年。 研究表明，柔性水泥混凝土的基本特性可如下表； 表4-1 柔性水泥混凝土力学特性技术要求
对比普通水泥混凝土和沥青混凝土材料的基本特性我们很容易发现，柔性水泥混凝土是介于两者之间的一种特殊材料。以柔性水泥混凝土作为钢桥面铺装的下层结构应该可以满足无车辙路面的使用需要。 5、结论 ER和ECR无车辙高级路面初步的关键材料试验研究表明，ER和ECR铺装有明显的抗车辙能力，而且施工全程无需大型热拌沥青拌合站，施工十分简便。通过进一步深入研究其相关的设计技术指标和施工工艺工法，必将使之成为我国自主创新的一种实用钢桥面铺装技术，满足我国桥梁工程界特殊的工程需要。
4.4 模量差异原因的分析 从静态弯压模量试验的结果可知，RA混合料比SMA混合料模量大很多，造成这种差异巨大最主要的原因是RA混合料采用树脂沥青（环氧沥青）作为胶结材料，当环氧树脂与固化剂连同石油沥青一起发生交联固化化学反应后，胶结料中的大分子以共价键的方式织连成空间网络结构，其固化物呈不可逆转的固体胶结料状态，其断裂强度、耐高温能力和韧性与普通石油沥青相比已发生了根本性的改变。所以，RA混合料比SMA混合料具有更高的模量和更好的耐高温能力。在小梁弯拉状态下，混合料的模量是依据荷载和测量挠度的规范公式计算的。当温度较高时，SMA混合料小梁甚至无需加载，在自身重量下也会持续发生弯曲，表明基于弹性理论的小梁弯曲计算公式已经不能适用，所测得的挠度已经失真，计算所得的弯模量也失去了应有的真实。在同样状态下，RA混合料明显优于SMA混合料。 当动态模量试验时，在低温及高频荷载状态下，SMA混合料受力变形的滞后效应来不及充分表达，骨料间断级配造成的骨架支撑作用使其弹性特征表现充分，因此，SMA混合料与RA混合料的模量差异并不明显，两者相差仅约一倍左右。但当温度升高且荷载频率降低时，沥青材料的蠕变特性则表达的相对充分，因RA混合料没有这一明显的温度蠕变特性，故两者的模量差异也越发明显。极端情况下，两者的模量差异也接近80倍，这与小梁弯曲的试验结果是近似的。
5、依据模量差异计算钢板的疲劳应力幅 基于车辆荷载运行时车轮对铺装层加载的瞬时性，采用动态弹性模量计算组合结构的内力相对合理。出于计算简捷和计算结果偏安全的考虑，我们可以忽略冬季低温时RA与SMA的模量差异，关注的重点可集中于春秋和夏季的气候条件。依据长江中下游广大地区春秋季节和夏季高温季节黑色沥青路面的地表温度实测情况，可选取15℃和55℃作为春秋常温和夏季高温的代表温度，选取10hz频率下的模量作为计算模量值。可以假定，春夏季节占一年的一半，夏季高温占一年的四分之一，据此将不同温度下模量差异导致的钢板疲劳寿命差异折算成自然年。 在15℃常温时，RA混合料的动态模量约为24000 MPa， SMA混合料相应的动态模量约为11153 MPa，两者相差约2.1倍。在55℃高温时，RA混合料的动态模量3680 MPa，SMA混合料相应的模量为412 MPa，两者相差约8.9倍。 用RA混合料替代原SMA混合料更换钢桥面铺装，维持70mm铺装总厚度不变，公规院的林道锦博士用有限元方法计算的钢板与U肋相接处的疲劳应力幅减少了？%。长沙理工大学的赵峰军教授用叠层梁简化公式计算的疲劳应力幅减少了？%。两者相差并无本质差别。依据钢材的应力幅与疲劳寿命关系公式计算，钢箱梁顶板的疲劳断裂寿命可因此延长？年。需要指出，在高温重载慢速条件下，SMA混合料的蠕变特性更加明显，两者的模量差异更大，计算结果更有利于ERE铺装。
6、结论 用ERE铺装替换沥青类的铺装可以有效地提高铺装层的模量，降低钢板与U肋处的疲劳应力幅，延长钢板疲劳开裂的使用寿命。在满足结构使用需求的前提下，钢桥面铺装及相应的维修技术还应重点兼顾工程造价、施工便捷和后期的养护维修方便等方面的需要，可常温施工并较快固化的树脂沥青混合料材料值得重点关注。
参考文献 1） 动态模量试验结果由江苏交科院李宁博士提供。 2） 静态弯压试验模量试验由宁波天意钢桥面铺装技术公司南海军工程师提供。
算例图
斜拉桥钢箱梁顶板厚12mm、U肋厚6mm，横隔板厚8mm。全桥共设四条纵腹板，横隔板标准间距为3米，钢箱梁总长为962m，净宽33.5m，总宽38.8m。铺装厚度70mm。
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