大跨径悬索桥钢桥面沥青铺装技术

1、第11卷第3期1998年7月中国公路学报Vol111No13July1998大跨径悬索桥钢桥面沥青铺装技术余叔藩陈仕周交通部重庆公路科学研究所,400067广东省长大公路工程有限公司陈献南摘要:介绍了应用改性沥青SMA铺筑大跨径悬索桥钢桥面铺装的新技术,并采用大型环道模拟试验进行验证。关键词:桥面铺装,改性沥青SMA,浇注式沥青混合料,环道试验系统,抗疲劳开裂能力,防水性中图分类号:U448125TheTechnologyofAsphaltPavementLaidonSteelPlateofLongSpanSuspensionBridgeYuShufanChenShizhouChenXiann

2、anAbstract:ThispaperintroducesanewtechnologyofusingmodifiedbitumenSMA(StoneMasticAsphaltMixtures)formakingpavementlaidonsteelplateoflongspansuspensionbridge,andthisisexaminedthroughsimulationoflargecirculartracktest.Keywords:Bridgepaving,ModifiedbitumenSMA,Gussasphalt,Circulartracktestingsystem,Resi

3、stancetofatiguecracking,Resistancetowater在大跨径悬索桥钢桥面板上进行沥青铺装,是修建广东虎门大桥跨度888m悬索桥需要解决的关键技术之一。对此中国尚无成功的经验。由于大跨径悬索桥桥面系在行车荷载作用下局部应力的复杂性及大变形的特点,加上温度及湿度等气候因素的影响,因而钢桥面铺装的工作状况同道路路面,机场道面有较大差异,对其技术要求苛刻得多。钢桥面铺装技术在国际上也处在发展中状况。解决这个问题,当初存在两种办法:一是全套引进国外浇注式沥青铺装技术及设备;二是自主研究开发钢桥面沥青铺装技术。浇注式沥青铺装属国外现成技术,其防裂和防水性能均很好,适用于钢桥面

4、铺装。但施工工艺复杂,需引进湖沥青掺配设备、大功率沥青泵及专用运输车及摊铺机,仅设备费就要花数千万元,推广价值很小,显然收稿日期:1997209210余叔藩,男,1936年6月出生,教授级高级工程师© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.第3期余叔藩等:大跨径悬索桥钢桥面沥青铺装技术33是不可行的,所以决定走自主研究开发的道路。在认真调查研究国内已有正交异性钢桥面板上沥青铺装的使用情况及仔细收集分析日本、德国有关技术资料和经验的基础上,选择了改性沥青SMA混合料作为桥面铺装的主攻

5、方向。SMA具有优良的物理力学性能,使用高性能改性沥青取代普通沥青后,其性能将得到进一步提高,而且施工简便,完全可以利用现有沥青混合料拌和与摊铺机具进行施工,因而有可能经济合理地解决大桥钢桥面铺装的问题。一年多来,对高性能改性沥青进行了研制开发,对沥青混合料和结合料的性能进行了系统室内试验,通过大型环道模拟试验,对不同桥面铺装方案进行优选,并对不同铺装结构的疲劳寿命进行分析,最终确定了桥面铺装的工程实施方案;接着又通过铺筑试验工程对施工工艺进行研究与确认,在此基础上提出了钢桥面铺装工程施工技术指南。1997年1月开始钢桥桥面铺装的实桥施工,于1997年4月完成桥面铺装全部工程。1钢桥面沥青铺装

6、的材料与结构111功能要求由于钢桥面铺装使用条件的特殊性,在技术上比高等级公路路面在许多方面有更高的要求,因此,钢桥面铺装必须具备以下功能:(1)优良的抗裂性和适应变形的能力在车轮荷载作用下,正交异性板上的钢桥面铺装位于网格状的肋条部位,将形成较大拉应力的反复作用,容易导致铺装的疲劳开裂;加之大跨径悬索桥桥面大变形的特性,要求桥面铺装具有优良的柔韧性和适应变形的能力,以避免铺装早期疲劳开裂和在较低温度时的收缩开裂。(2)优良的热稳性钢桥面板传热很快,在夏季高温季节,沥青铺装从上到下温度都非常高,加上广东地区高温季节持续时间长,铺装必须具有优良的高温抗蠕变及抗剪切性能,才能把车辙限定到容许范围。

7、(3)优良的抗老化能力为保证铺装的耐久性,铺装必须具备优良的抗热老化和抗气候老化的性能。(4)优良的防水性保护钢桥面不被腐蚀,是保证钢结构桥梁功能的首要问题,因此不仅要求沥青铺装混合料具有高度的密水性和抗水损能力,而且要求桥面铺装结构具有完善的防水体系。(5)优良的层间结合在钢板与防水胶层之间、防水胶层与沥青铺装主层之间都必须具有良好的粘结力,使各层能够形成牢固的整体,才能保证在荷载作用或温度变化时共同作用。(6)优良的表面特性要求铺装表面具有良好的平整性和粗糙性,以减少车辆的冲击和提高铺装的抗滑能力。112采用的铺装结构根据上述对钢桥铺装技术功能的要求,按照大桥设计单位对铺装厚度的最终确定,

8、通过对铺装材料和结构系统的试验研究,拟定的大桥钢桥面铺装结构如图1所示。© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.34中国公路学报1998年图1钢桥面铺装结构由钢桥面板上的富锌底漆、防水胶层和粘结层组成防水层;防水层同密水性良好的铺装主层及边缘接缝的防水处理一起形成优良的防水系统,保证了桥面钢板不被锈蚀。铺装主层采用性能优良的SMA结构,厚度5515cm,集料最大粒径1312mm。SMA(StoneMasticAsphalt)译为碎石沥青玛蹄脂混合料,实际上是一种骨架型断级配密实沥

9、青混合料。由碎石骨架嵌挤作用形成的高内摩阻力,使铺装具有较强的抗车辙能力;其结合料用量较传统密级配混合料相对加大,使铺装的抗裂性能同时得到提高。由粘结剂与撒布其上的预拌小碎石构成的粘结层,同防水胶层及铺装主层之间均具有良好的粘结力,保证了铺装主层与钢板间的共同作用。整个桥面铺装施工工艺较简单,适应于中国现有施工设备,施工质量容易控制。中央分隔带铺装不承受荷载,只对钢桥面板起防护(水)作用,采用细密的SMA混合料、骨料最大粒径5mm,适当加大沥青用量,以类似于浇注式沥青混凝土的方法铺筑成型。113材料性能钢桥面铺装材料及混合料的技术要求和技术条件,是参考德国和日本有关的技术规范和标准,其中多项技

10、术要求还有较大程度的提高。例如,动稳定度一般规定在温度60试验,考虑到广东地区热季较长,而将试验温度提高到70。虎门大桥钢桥面铺装工程所采用的材料,除Eliminator防水胶,铺装主层SMA中的木质素纤维,以及基质沥青新加坡壳牌沥青70󰃗60为引进外,其余均采用国产材料。铺装主层用的改性沥青、粘结剂及填缝料均由交通部重庆公路科学研究所负责研制与加工。11311铺装主层材料(1)结合料在一般情况下,沥青混合料的高温稳定性与低温抗裂性是相互矛盾的,片面提高某一方面的性能,就可能对另一方面性能造成损害。全面提高结合料的性能,才能同时改善混合料的热稳性和抗裂性,以满足钢桥面铺装的需要

11、。通过用多种改性剂对沥青进行复合改性的探索,采用的改性剂主要有提高沥青柔韧性和弹性的SBS,还有提高沥青抗水损性能和抗老化性能的改性剂,研制成功用于铺装主层的结合料,是一种适应钢桥面结构特性和气候条件的高性能改性沥青,其性能指标如表1。© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.第3期余叔藩等:大跨径悬索桥钢桥面沥青铺装技术35表1指标针入度(25,100g,5s)(0.1mm)软化点(环球法)()延度(10,5cm󰃗min)(cm)粘度60(Pas)200(Cst)

12、实测值要求3060>70>30>3000<300>80<-20>230>2.0<110>65>60试验方法JTJ05293ASTMD2171ASTMD2170JISK2207TLPMBTeilJTJ05293JTJ052-93JTJ05293JTJ05293回弹率(25,20cm,30min)(%)费拉斯脆点()闪点()针入度指数薄膜烘箱180,215h重量损失(%)针入度比(%)回弹率(%)TLPMBTeil1这种改性沥青的粘弹性范围(软化点与脆点之差)达到100以上,其温度敏感性较基质沥青明显降低,结合料的优良性能也是已有改

13、性沥青难以达到的。(2)集料铺装用集料采自虎门大桥附近太平镇新石场的硬质花岗岩,用反击式破碎机轧制,所得集料的形状基本为立方体,针片状集料少于10%,经测试检验,其压碎值、磨光值均满足有关规范要求。(3)矿粉和纤维铺装主层混合料采用矿粉为石灰石粉,其中小于01075mm含量大于75%。纤维采用进口的木质素纤维与沥青混合(纤维占三分之二)的粒状产品。11312粘结剂粘结剂同防水胶层及铺装主层均具有高的粘结力,并具有优良的高温抗剪切推移的能力和低温适应变形的能力,还能进一步加强铺装的防水性能。所研制的粘结剂实际上是一种比铺装主层结合料更为粘稠的高性能改性沥青。其性能如表2所示。表2指标软化点(环球

14、法)()针入度(25,100g,5s)(0.1mm)延度(10,5cm󰃗min)(cm)回弹率(25,20cm,30min)(%)与防水胶粘附力(MPa)-20弯曲90度实测值要求>85>30>30>80>0.5不断裂不断裂11313填缝料填缝料用于钢桥面铺装与边旁构造物之间接缝的填充,以防止表面水沿接缝渗入铺装© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.36中国公路学报1998年底层、对钢桥面板造成腐蚀。此处采用的填缝料系重庆公路科学研

15、究所研制的用于水泥混凝土路面接缝的灌缝料,是另一种改性沥青,具有很好的弹性和粘结性。114铺装主层混合料性能铺装主层是桥面铺装的主体,直接承受车轮荷载和气候因素的复合作用,必须满足111节所述各项功能要求,这要由主层混合料优良的物理力学性能来保证。铺装主层混合料采用SMA13,其级配及组成如表3。表3筛孔(mm)通过率要求范围设计161312915417521361118016013011501074纤维用量沥青用量(%)013015015(%)618810710100100901003475234118301524132211171015913921054193517251520161815

16、151814111210(%)按表3组成制成的试样,其空隙率可达1%3%,说明SMA13经压实后具有良好的密水性,试验结果表明,其渗水系数为3193×10-7cm󰃗s,比密级配沥青混凝土AC13的215×10-4cm󰃗s小得多,实际上可认为不渗水。改性沥青SMA13的高温及低温的力学性能如表4所示。我们用特立尼达湖沥青拌制的浇注式混合料和密级配沥青混凝土做了对比试验,湖沥青与70#沥青掺配比例为31156815,浇注式混合料的沥青用量达10%,密级配AC13沥青量为515%,其相应的性能如表5。表4指标空隙率(%)轮辙试验动稳定度(70,0.

17、7MPa)(次󰃗mm)弯曲试验极限应变(-10,50mm󰃗分)(×10-3)实测值1192573913要求13>1500>8试验方法JTJ05293JTJ05293(试验温度改变)日本本州四国基准试验结果表明,改性沥青SMA混合料具有优良的高温稳定性,在试验温度提高到70的情况下,其动稳定度仍有2573次󰃗mm,完全满足功能要求。而在规定温度60试验,浇注式混合料动稳定度仅为461次󰃗mm,远远低于>1500次󰃗mm的要求。可以认为浇注式沥青混合料的热稳性是不合格的。而密级配沥青混凝土的

18、热稳性也是好的。表5指标轮辙试验稳定度(60,017MPa)(次󰃗mm)弯曲试验极限应变(-10,50mm󰃗分)(×10-3)浇注式混合料461810密级配混合料3030610就低温抗裂性而言,根据在-10下的弯曲试验的极限应变的试验结果,仍以改性沥青-3SMA13的性能最佳,极限应变达913×10,其次为浇注式混合料,尚能满足要求,低温性能最差的是密级配沥青混凝土。根据以上对比试验结果可以看出,改性沥青SMA具有优良的高温稳定性、低温抗裂© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,

19、 Ltd. All rights reserved.第3期余叔藩等:大跨径悬索桥钢桥面沥青铺装技术37性,以及优良的抗渗性,较好地满足了桥面铺装的各项功能要求。浇注式沥青混合料高温稳定性明显偏低,而密级配沥青混合料不能满足抗裂性要求。115铺装结构性能大型环道试验结果经过专门试验设计的钢桥面铺装的环道试验,实质上是模拟虎门大桥桥面铺装边界条件的足尺试验。试验的主要目的在于比较各种铺装方案的疲劳性能与抗车辙性能。为了缩短试验周期,尽快得出试验结果,而有意减小桥面板刚度。大桥的正交异性钢桥面板,是由桥面顶板与其下的纵向加劲肋与横梁构成的正交网格状结构。其上铺装层开裂的危险部位,表现为轮迹附近纵向加

20、劲肋顶面的纵向裂缝及横梁顶面的横向裂缝。重庆公路科学研究所大型环道直径为10m,环形路面试槽的宽度和深度均为2m,长度为3114m;加载试验机为双臂机,臂端轮载均为50kN,与100kN标准轴载相当,试验时轮载运行的线速度为30km󰃗h左右,为缩短试验时间,使轮载沿同一轨迹行驶,在试验设计时以如下方式模拟大桥的边界条件;以两段四跨(跨径3m)的钢板连续弯梁替代大桥的正交异性板结构,各跨的支承则相当于桥面系横梁的作用。在桥面顶板下的两道U形加劲肋间(间距为1106m)设置三道开口肋替代闭口肋,以降低桥面板刚度,以期在钢板表示(U形肋内侧顶部)产生高于实桥的横向弯拉应变。采用有限元

21、法分析了大桥桥面板局部变形及内力的分布情况,在100kN轴载的作用下,钢板表面产生的最大拉应变为127136×10-6,肋间最大相对挠度为0134mm。环道试验设计的钢板表面最大拉应变为388×10-6,为实桥的3倍,U形加劲肋间钢板相对挠度为310mm,开口肋间相对挠度为1115mm。环道试验共进行四种不同防水层、五种不同铺装结构共七种方案的比较,在两段四跨的连续环形弯梁的每一跨上设置一种铺装方案。沥青混合料类型包括改性沥青SMA13,SMA915,改性沥青密级配AC13,改性沥青浇注式,湖沥青浇注式,湖沥青密级配AC13等。为了更全面地考察不同类型不同组合的桥面沥青铺装

22、的性状,环道试验采用了不同组合的双层式铺装,下层厚度4cm,上层3cm。方案布设见图2。环道试验工程施工完毕后,从1996年4月初至6月20日完成了第一阶段试验,共加载3315万次,在加载过程中进行了裂缝观察,进行了钢板和铺装表面的应变及跨中加劲肋处挠度的静动态测试,还采用光纤传感技术进行动态响应监测的尝试,取得大量数据,整理分析尚图2环道实施布设方案需时间。以下仅对铺装裂缝观察情况进行分析。环道不同类型铺装方案及裂缝观察结果如表6所示。从环道钢桥面板的结构设计可知,连续梁边跨钢板表面拉应变和跨中挠度都比中跨大。© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optica

23、l Disc Co., Ltd. All rights reserved.38中国公路学报1998年对比在铺装结构完全相同的情况下,例如第󰂪段和第󰂫段均为3cm改性沥青SMA915+4cm改性沥青SMA13,在加载次数3315万次时,第󰂪段(边跨)裂逢长度为109cm,而第󰂫段(中跨)裂缝长度仅为20cm,从而证实边跨受力情况较中跨不利;第󰂪、󰂫、和第󰂱段均在加载3315万次时才发现开裂,且这三段裂缝长度也是八段中最少的,表明改性沥青SMA桥面铺装的疲劳寿命最长,抗疲劳特性最佳。表6

24、编号位置改性沥青SMA915,712%󰂪段边跨改性沥青SMA1312,719%高帮防水胶+粘结层改性沥青SMA915,712%󰂫段中跨改性沥青SMA1312,719%高帮防水胶+粘结层湖沥青AC13,515%󰂬段中跨湖沥青浇注式,10%高帮防水胶+粘结层湖沥青SMA915,715%󰂭段边跨湖沥青浇注式,10%高帮防水胶+粘结层改性沥青SMA915,712%󰂮段边跨改性沥青SMA13,818%ELiminator防水胶10万次16165万次2119万次27万次3315万次无无无无裂缝总长109cm无无无无裂缝总长20

25、cm裂缝总长380cm裂缝总长700cm裂缝总长992cm裂缝总长992cm裂缝总长1065cm裂缝总长80cm裂缝总长270cm裂缝总长779cm裂缝总长902cm裂缝总长932cm无无裂缝总长83cm裂缝总长455cm裂缝总长490cm改性沥青AC13,513%󰂯段中跨改性沥青浇注式,813%ELiminator防水胶裂缝总长100cm裂缝总长250cm裂缝总长361cm裂缝总长645cm裂缝总长655cm改性沥青SMA915,712%󰂰段中跨改性沥青SMA1312,719%汇奇防水纤维板改性沥青SMA915,712%󰂱段边跨改性沥青SMA1

26、312,719%国产防水胶+粘结层无无无无无无裂缝总长330cm裂缝总长370cm无裂缝总长280cm第󰂬、第󰂭段均为湖沥青铺装,在加载10万次时均产生裂缝,是产生裂缝最早的路段,说明湖沥青混合料抗裂性并不好;处于边跨的第󰂭段的裂缝长度(80cm)反比处于中跨的第󰂬段(380cm)小得多,表明SMA的抗裂性能比密级配AC优越。第󰂬段与第󰂯段比较,下层均为浇注式,上层均为密级配AC13,不同之处前者为湖沥青,后者为改性沥青,两段均在加载10万次时发生裂缝,但无论从裂缝长度或发展速度看,第𘀑

27、5;段都比第󰂬段小,表明改性沥青比湖沥青(掺配直馏沥青)具有更好的抗裂性。第󰂪段与第󰂮段比较,铺装混合料完全相同,只是在第󰂮段下层改性沥青SMA13施工© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.第3期余叔藩等:大跨径悬索桥钢桥面沥青铺装技术39时将沥青用量从719%增加至818%,增加近1%,沥青用量的增加不仅没有增强铺装的抗裂性,反而因下层的变软导致严重的车辙,在加载到2119万次时,在车辙突起部位发现纵向裂缝,这种

28、裂缝也同上、下层动稳定度相差过大有关。即使如此,第󰂮段的疲劳寿命虽因施工原因比其它段改性沥青疲劳寿命有所缩短,但比第󰂭段湖沥青浇注式结构延长一倍以上。第󰂪段与同为边跨第󰂭段比较,第󰂫段与同为中跨的第󰂬段比较,表明改性沥青SMA铺装结构湖沥青浇注式较湖沥青SMA(或AC)的疲劳寿命延长二倍以上。除因湖沥青材料本身比较硬脆之外,铺装上层硬而下层软,也是导致湖沥青铺装开裂的主要原因。第󰂰段改性沥青SMA铺装同󰂪、󰂫、󰂱段完全相同,后三段均在加

29、载3315万次才发现裂缝,而第󰂰段提前在2715万次开裂,其原因很可能是受纤维防水板拼接部分的影响。从各段疲劳开裂的观察结果,还不能明显看出防水材料的影响差异。从铺装的环道疲劳试验结果证实:(1)铺装上、下层的模量或动稳定度不能有大的差别,如形成上硬下软的情况,容易导致铺装开裂;(2)SMA混合料较密级配混合料具有较好的抗裂性能;(3)复合改性沥青较湖沥青(掺配直馏沥青)抗裂性更优;(4)改性沥青SMA铺装较湖沥青浇注式铺装(面层为AC13或SMA915)的抗疲劳性能优越得多,前者的疲劳寿命是后者3倍以上。因此,通过环道试验,决定选用改性沥青SMA作为大桥桥面铺装;(5)由环道

30、试验所得铺装疲劳寿命推算实桥情况下铺装的疲劳寿命。根据大量室内间接拉应力疲劳试验结果得出的沥青混凝土疲劳方程为4Nf=280-4.5式中:Nf为达到开裂的重复加载次数;为重复加载拉应力值。Nf1由上式可得=Nf214.5按环道试验设计,钢板表面最大拉应变(或拉应力)是实桥的3倍,由于桥面钢板与沥青铺装的共同作用,可以近似地将环道沥青铺装的拉应力视为实桥铺装的3倍,因此改性沥青4SMA铺装在实桥情况下的累计疲劳寿命可估算为:Nf=503617×10(次),即改性沥青这样SMA桥面铺装予估的使用寿命为累计100kN标准轴载503617万次(在同一轨迹上)。高水平的使用寿命,应该能够满足大

31、桥繁重交通的需要。2钢桥面沥青铺装施工工艺211防水胶层防水胶采用进口的Eliminator甲基丙烯酸类现场反应性聚合物材料,层厚2153mm,用喷涂法施工。在防水胶层施工前,要求钢桥面板清洁无油污、无红锈白锈、干燥无灰、以保证防水胶层与钢板的紧密结合。为此,对钢板富锌漆表面进行清洗,并采用水喷砂工艺进行第二次清洗。防水胶层施工采用多组分无气喷涂设备的喷涂方法,分底漆、防水胶底层、防水胶面层和面漆四道喷涂工艺。防水胶层施工完毕至少一小时后可在其上洒布粘结剂。© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.40中国公路学报1998年212粘结层粘结剂为一种稠度较高的复合改性沥青。采用沥青洒布车在190210温度范围内在2防水胶层上洒布粘结剂,洒布量为1152kg󰃗