中国的钢桥面铺装不应再是桥梁工程界的技术难题

中国的钢桥面铺装不应再是桥梁工程界的技术难题

张志宏  宁波天意钢桥面铺装技术有限公司

0 引言

钢桥面沥青混合料桥面铺装因其特殊的使用条件不容易获得预期的使用效果，有不少的桥面铺装刚刚投入运行不久即出现车辙、开裂、渗水等病害，影响了桥梁的正常使用，故被国内外桥梁工程界视为一项亟待解决的技术难题。在我国国内这个问题尤为突出。相比而言，我国政府主导的基础设施建设在经济快速增长中扮演了十分重要的角色，钢箱梁结构被各种大跨径桥梁广泛采用，钢箱梁沥青混合料桥面铺装应用的面积甚至超过了世界上其它国家应用的总和。相对于发达的欧美国家，我国的经济发达地区在地理纬度上偏南，气候偏热，桥面铺装处于高温状态运行的天数较多，另外，我国的交通运输结构不尽合理，超载运输现象远远超过欧美国家，因此，我国钢桥面铺装的使用状态比欧美国家更为严酷。若不能很好地解决钢桥面铺装的技术难题势必对我国的桥梁建设和经济运行带来诸多不利的影响。

1 钢桥面铺装的困难所在

钢桥面铺装之所以成为铺装难题不外乎基于以下几个方面的原因：

1） 钢桥面铺装既要承担沉重的车轮荷载保持路面的平整不变形，同时又要求铺装层作为桥梁结构的一部分具有追随钢桥一起变形的能力，防止因变形能力不足发生开裂；这种相矛盾的使用要求使铺装层设计和材料选择变得异常困难。

2） 钢板表面非常光滑，夏天高温季节钢板表面的温度可接近70℃，沥青类铺装材料在此高温条件下容易变软，沥青材料的这种特性使得桥面铺装层在光滑的钢板上不出现剪切推移变得比较困难，出现车辙变形的几率大大增加。

3） 钢桥面铺装受桥梁恒重的限制，厚度一般仅为6-175px，同时还要保证钢桥面铺装具有及防水防腐等综合功能，可采取的技术手段较少。再把工程造价和施工方便等因素考虑进去，钢桥面铺装则变的比一般道路的路面铺装困难多了。

2 当前钢桥面铺装的主要技术流派

针对钢桥面铺装这种特殊的使用需求，国内的科研人员经过多年的研究探索，逐渐形成了当前国内钢桥面铺装的几个主要技术流派。

1） 浇筑式沥青铺装

浇筑式沥青混凝土最早起源于德国，其德语原文Guβ原是“河流”之意，引申为“浇注流淌”。浇筑式沥青混凝土用于钢桥面铺装英国人和日本人做了很多的工作，其基本观点是，导致桥面铺装破坏的主要原因是水和变形的问题。当混合料渗水或变形能力不足时，铺装层开裂，地表水的侵入导致钢桥面铺装发生严重的破坏。因此，浇筑式钢桥面铺装的观点是，寻找一种近乎零空隙的铺装混合料，使其即能变形又能防水，以此来综合解决钢桥面铺装荷载、变形、和防水的问题。

1997年香港青马大桥的钢桥面铺装采用了英国的浇筑式，取得了比较好的应用效果。该铺装结构于2000年前后被首次引进到国内的江阴大桥铺装。然而，我国长江中下游地区的气候条件和中国的交通重载情况与发明此项技术的英国和日本有很大差异，在高温重载使用条件下的浇筑式铺装暴露出的主要缺陷是高温稳定性不足，即容易导致车辙流变。江阴桥的铺装仅一年多时间即发生了严重的推移、开裂、剥落等严重病害。经对病害进行分析，浇筑式的研究人员已意识到这一弱点，并对原英国的浇筑式铺装结构进行了改造，其改造的主要技术手段是在铺装界面上采用甲基聚丙烯酸脂类的eliminator界面用于增强粘结和防水的可靠性，在浇筑式沥青胶结料中添加更多的硬质沥青或聚合物材料来改变浇筑式沥青的耐高温能力，同时将铺装的上面层改进为SMA混合料。如图2.1。

近年来浇筑式+SMA的一些铺装实例证实，改造后的铺装结构比最初的引进结构在使用效果上有显著的改进。但我们应清醒的意识到，这种改进仍然是物理的对沥青胶结料的改性，并未从根本上改变沥青混合料在高温重载下容易流变的基本属性。因此，浇筑式+SMA铺装在重载交通较多的炎热地区仍有高温稳定性不足之虞。对比性的车辙动稳定度试验很容易证实这一点。

表2.1 各种铺装材料车辙动稳定度对比表（60℃）

2）双层环氧沥青混凝土铺装

以美国的双层环氧沥青桥面铺装为代表的观点则认为，沥青混凝土因沥青材料随温度升高而流变的特性，不可能解决钢桥面铺装既要小空隙防水又要在高温重载条件下保持铺装结构的稳定问题。它倾向于是寻找一种有别于一般沥青混凝土的新材料，使其混合料即能耐高温抗车辙又能防水。环氧沥青混凝土完全不同于我们一般概念下的改性沥青混凝土。环氧沥青靠A、B两组份发生化学反应，生成不可逆转的环氧沥青化合物，以此作为胶结材料将级配石料等固化粘结在一起形成特殊的铺装路面。它具有强度高、耐化学腐蚀、耐高温、耐疲劳等诸多优点。其混合料可以做到很小空隙而又无需担心混合料的高温流变问题。

表2.2 混合料技术性能对比

2001年由美国引进的环氧沥青铺装首次应用于南京二桥的钢桥面铺装，相比同期的厦门海沧大桥的双层SMA技术和江阴大桥的浇筑式沥青混凝土技术在实际应用中出现的明显缺陷，美国双层环氧技术在南京二桥的铺装取得了空前的成功。随后双层环氧沥青的钢桥面铺装方式在国内开始大面积推广。

在古老的沥青体系中引入环氧树脂以化学反应的方法制取高品质沥青胶结材料，为我们改进沥青混合料的品性打开了巨大的想象空间。当材料的本性发生了根本性变化后，构成钢桥面铺装工程技术难题的主要困难变得比较容易得到解决。这是通过向沥青中添加聚合物材料等物理改性手段不可能得到的。环氧沥青混合料和改性沥青混合料在性能上的差异在下表中很容易辨识。

双层环氧沥青铺装的典型结构如图2.2。

但随着双层环氧铺装工程实例的增多，该引进铺装结构也暴露出一些问题。主要表现为：

① 铺装层开裂和脱层破坏

双层环氧沥青铺装常见的破坏是不明原因的鼓包和开裂。当裂缝出现后，地表水侵入铺装层，导致界面无机富锌漆锈蚀，进而导致铺装层与钢板发生脱层现象，造成桥面铺装剥落损坏。

② 施工条件比较苛刻，固化期较长。

相比其它的铺装结构，美国双层环氧沥青铺装对施工条件要求较苛刻，环氧铺装从完成施工到开放交通需养护的时间也比较长。另外，工程造价也相对较高。

3）ERS组合铺装结构

ERS钢桥面铺装结构是在分析原双层SMA铺装破坏原因基础上派生出的一种全新的铺装技术。它更关注钢桥面铺装界面在高温状态下的受力和防水，也兼顾铺装混合料的高温稳定，同时尽量考虑施工的方便和造价经济。

ERS铺装技术在逻辑上的立足点是，水泥混凝土桥面上铺装SMA已被证明了是成熟可靠的技术，如果我们将一个光滑导热的桥面钢板首先改造成类似于混凝土的桥面然后在铺装高品质SMA混合料应当是可以成功的。

ERS钢桥面铺装典型结构由EBCL＋RA05＋SMA三层组成。EBCL作为防水抗滑的界面粘结层；铺装下层RA05作为铺装整体化层和刚度过渡层；高粘改性沥青SMA混合料作为表面功能层，各层分工明确，如图2.5所示。

ERS钢桥面铺装技术的原理和主要特点：

① EBCL结构由涂布于钢板表面的树脂沥青和撒布的粘结碎石固化后形成。它可有效解决桥面铺装界面的防水问题和剪切滑移问题。其特点是铺装完成后，EBCL防水抗滑界面仍可有型的独立存在于铺装结构中，并不混同于其它铺装层。

② RA05是一种冷拌树脂沥青混合料，不仅强度高，孔隙率小，而且耐高温、耐水损、耐疲劳，以RA05作为铺装下层相当于把一个光滑导热的钢桥面板改造成了一个水泥混凝土桥面，使SMA铺装变得安全可靠。

③ ERS铺装中的E和R是在常温状态下施工，对施工环境条件的要求不高，也不需要特殊的施工机具，因而施工简便。

④ ERS技术施工及养护时间短，后期维护方便，综合造价经济。表面的SMA层是行车功能层，一定使用时间过后可简单铣刨后重置，因而具有长寿路面的概念。

ERS铺装关键材料主要技术指标见表2.3和表2.4。

表2.3 EBCL胶料技术指标要求

表2.4 树脂沥青混凝土RA性能要求

当前，ERS铺装结构已在国内铺筑了十几座大型桥梁，取得了很好的使用效果。但由于其表面层仍采用SMA混合料，对于炎热地区特重型荷载的桥梁来说，SMA仍有高温抗车辙能力不足的担忧。另外，在RA05和SMA层厚的组合设置方面还有许多工作需要进一步深入研究。

3 钢桥面铺装技术的发展趋势

综合我国现有的钢桥面铺装技术来看，我们已经取得了重大的技术进步。特别是引进环氧沥青技术的国产化和国内冷拌树脂沥青技术的开发成功使得我们有了更多的想象空间和解决钢桥面铺装工程难题的手段。钢桥面铺装也越来越倾向于按使用功能的不同进行设计，即当桥梁的交通荷载主要是轻载时，我们可以设计成浇筑式+SMA或新开发的结构，一般普通交通荷载时，我们可以设计成ERS结构，重载交通时，我们可以设计成热固性环氧沥青或冷拌树脂沥青混合料铺装。使得不同特点的工程材料和结构物尽其用，避免浪费。同样的原理，我们还可以利用新型的材料演化派生出一些新的铺装结构。例如ES结构，如图3.1所示。

铺装结构采用EBCL+SMA10；总厚度6-175px，SMA10分两层铺装。相比于ERS铺装结构ES结构中的SMA混合料会直接接触EBCL防水界面，需要EBCL具有一定的耐高温能力。因此，SMA10铺装下层通常采用普通改性沥青，为的是降低混合料的施工温度，避免因SMA高温摊铺碾压施工对界面造成破坏。上面层则采用现有的高粘改性沥青SMA13混合料技术进行铺筑，目的是提高铺装层的使用寿命。

相比而言，ES铺装技术省掉了昂贵的冷拌树脂沥青混合料RA05，因而工程造价可大幅降低。这种ES铺装结构在承担高温和重载的能力方面也会相应降低，但对于城市中轻载交通为主的市政工程桥梁来说，已经可以满足使用要求。又例如ER结构，如图3.2所示。

ER钢桥面铺装结构类似于美国的环氧沥青混凝土，均属于桥面薄层无车辙铺装结构。与引进的热固性环氧沥青混凝土不同的是，树脂沥青混凝土RA13可在常温下发生化学胶联固化反应，因而，铺装桥面可在常温条件下施工，不需要大型的热拌沥青混凝土拌和站，施工及后期维护十分简便。该结构不仅适用于新建钢桥的桥面铺装，还可以用来对破损的旧桥面铺装进行维修更换。

树脂沥青胶结料无毒无味，不含甲苯或二甲苯等有害溶剂，对环境友好。由于树脂沥青是环氧树脂、沥青和改性胺固化剂等大分子间发生化学的胶联固化反应形成的胶结材料，所以树脂沥青比普通改性沥青具有明显的粘结强度和耐温度能力。用树脂沥青混合料铺筑的路面可以增加沥青用量，减小沥青混合料中的空隙，使铺筑的路面完全防水，而无需顾忌普通沥青路面因沥青用量多而出现的路面泛油问题。2011年江苏润扬大桥采用ER技术对发生破坏的环氧沥青铺装进行维修取得了良好的应用效果。

甚至可以合理的想象，如果当把EBCL结构引入浇筑式沥青铺装界面，不仅可以节省掉昂贵的进口的Eliminator界面材料，还会使浇筑式铺装变得更加可靠。

4 结论

纵观我国现有的钢桥面铺装技术，我们已经在界面技术和材料研究、环氧沥青和树脂沥青混合料研究，以及高粘度改性沥青混合料技术等多方面取得了重大的技术进步。我们对钢桥面铺装的破坏现象有了深刻的认识，初步具备了解决钢桥面铺装难题所需的知识和关键材料的研发能力，中国的钢桥面铺装已不再是一项工程难题。即便是炎热地区特重型荷载的钢桥面铺装，只要我们合理的构建铺装结构，精心施工，仍然可以获得比较理想的铺装效果。

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。

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。