大型钢桥桥面铺装新型材料的研发与应用

1、、项目概要及研究目的、意义随着我国经济的快速增长，作为基础工业之一的交通运输业有了重大的发展，桥梁的建设也取得了长足的进步。近十几年来，我国建设了许多大跨径桥梁。其中大型钢桥结构以其轻量化和经济性得到了广泛的应用，在公路交通中起着越来越重要的枢纽的作用。同时，随着交通量和重型车的迅速增加，特别是近年来超载现象严重，使桥面铺装的破坏情况越来越严重，有为数不少的桥梁通车后不久，桥面铺装就不同程度的出现了裂缝、拥抱、车辙、破碎、脱落等病害。因此，桥面铺装成为制约大跨径钢桥建设和发展的一项关键技术。对于交通量大的大跨径桥梁的桥面铺装，维护较困难，一旦破坏，就必须进行维修，导致交通阻塞，因而造成不可估量

2、的经济效益和社会效益的损失。所以开展大型钢桥桥面铺装新型材料的研发与应用具有十分重要的意义。桥面铺装是桥梁结构中复杂又重要的组成部分，其质量的好坏对于桥梁在建成营运期间的行车安全性、舒适性以及美观性等方面都起着至关重要的作用。桥面铺装的主要功能有以下几个方面:一是可以分散荷载并参与桥面结构的共同受力;二是联络各主梁使其协同作用三是作为保护层防止桥面结构部分磨损或受到雨水侵袭。鉴于此，桥面铺装应具有足够的强度和良好的整体性，并且具有足够的抗车辙、抗裂、抗疲劳、抗冲击和耐磨性能。钢桥面铺装是铺设在正交异性钢桥面板上，保护钢板并提供良好行驶性能的薄形构筑物。通常采用热塑性或热固性沥青混凝土作为铺装材

3、料，铺装层通过防水粘结层与钢板紧密连接，共同承受车辆荷载、温度及风载等引起的应力和变形。由于车辆荷载及温度等自然因素的影响，特别是超载现象的出现，加速了桥面铺装的破坏。沥青混凝土桥面铺装与正常路面和水泥混凝土桥面铺装相比，损坏形式有所不同，首先，沥青混凝土桥面铺装层内部产生较大的剪应力，引起不确定破坏面的剪切变形，或者由于铺装层与桥面板层间结合面粘结力差，抗水平剪切能力较弱，在水平方向上产生相对位移发生剪切破坏，产生推移、拥包等病害；其次，因温度变化并伴随桥面板或梁结构的大挠度而产生的裂隙，在车辆荷载及渗入的水的作用下产生面层松散和坑梢等破坏。由于钢桥桥面板的刚度较小、变形复杂、局部变形大以及

4、受自然气候影响大等因素，更要求桥面沥青铺装具有良好的变形随从性。所以，研究开发一种能够解决大型钢桥桥面铺装的坑梢、裂缝、表面松散、车辙、推移、拥包等病害的新型材料及桥面铺装结构具有十分重要的理论与现实意义。为了克服沥青混凝土桥面铺装结构由于剪切及温度等因素所引起的桥面铺装的各种病害，国内外学者做了大量的研究工作。提出了采用高粘性沥青来克服在重载作用下铺装层与桥面板之间的界面剪应力较大，铺装层容易发生推移及由于温度差所引起的铺装层开裂等病害。与普通改性沥青相比，高粘性沥青具有更高的粘度、弹性和韧性等特点，能够较好的粘结桥面板与沥青铺装层。同时，高粘性沥青应对集料有耐久的包裹力和高粘附性，而且还具

5、有较强的抗剥离性、防水性等普通改性沥青所不具有的特性。因此，通过研发高粘性沥青及沥青混凝土材料作为大型钢桥的铺装层结构，可以有效减少桥面铺装病害的出现，减少桥面维修给交通带来的不便，从而节省维修费用。这对我国桥梁的发展，特别是大型钢桥的发展具有重大使用价值和经济效益。二、国内外研究概况国外对大跨径钢桥面铺装技术的研究有将近60年的历史，积累了相对丰富的经验。对于钢桥面铺装基本上都采用沥青混凝土体系。它具有良好的行驶性能，重量轻，适合于发展大跨径桥梁。目前，大跨径钢桥面铺装材料主要采用浇注式沥青混凝土、环氧沥青混凝土和沥青玛蹄脂碎石(SMA)。浇筑式沥青混凝土起源于德国，并在英国、瑞典、丹麦、日

6、本等国家得到较广泛的应用。它是一种岩沥青或湖沥青与道路沥青复合的沥青，或者采用高粘度的聚合物改性沥青，添加高剂量矿粉，与集料在220以上的高温下经过长时间的拌和，配制而成。摊铺时高温的沥青混合料仍然具有流动性，采用特殊的滑板摊铺或者像水泥混凝土那样人工摊铺，不需要碾压。灌注式沥青混凝土的优点是孔隙率很小，接近零，防水性良好，具有良好的抗老化性能，不需要防水层，抗裂性能强，对钢板的追从性、与钢板间的粘结性能相对于一般沥青混凝土要好；摊铺采用浇筑的方式，摊铺时浇筑式沥青混凝土材料具有一定的流动性，不必进行碾压，能够自由流动密实成型。但是，灌注式沥青混凝土的高温稳定性较差，易形成车辙。环氧沥青混凝土

7、源于二十世纪六十年代的美国和加拿大，它是将环氧树脂加入沥青，然后添加固化剂发生硬化反应，形成不可逆的固化物，使沥青的性质由热塑性转化为热固性，从而物理力学性能得到提高。环氧沥青混凝土具有较好的粘结能力，不因温度变化和交通荷载的作用而脱落；较高的强度和较强的高温抗塑流性和低温抗裂性；有较高的疲劳强度，正常设计施工环境下可以达到使用寿命。但是，环氧沥青混凝土材料费用较高，配制工艺的技术资料在国外多属专利产品。施工的要求极为严格，而且混凝土初期强度低，养护时间长，易出现早期开裂等缺点。沥青玛蹄脂碎石（SMA为德国和日本近年来广泛使用的桥面铺装层材料，沥青玛蹄脂碎石采用改性沥青并掺入纤维，是一种典型的

8、骨架密实型结构。SMAI有抗松散、柔韧性和抗裂能力强，具有良好的热稳定性、防水性能和耐久性；较强的抗永久变形的能力和抗塑流性能；具有良好的防滑性能，施工要求低，施工期短，费用较低。但是，SMAJ殳使铺装层较厚（一般大于60mm）混合料的级配范围很窄，对拌合厂的生产要求交高。我国钢桥面铺装的尝试研究则从20世纪80年代开始。最早是使用普通密级配沥青混凝土，粘层也多采用乳化沥青。使用后发现，一般使用寿命只有几个月甚至数十天。此后，逐步开始采用改性沥青，粘结剂也曾经尝试过改性沥青乳化剂、环氧煤焦油等。1989年，由同济大学与广东省肇庆市公路局联合对马坊北江桥钢桥面铺装进行了防治研究，1991年采用P

9、E+废橡胶粉改性沥青，粘结剂采用同样的材料，铺筑了厚度5cmLH20I及2cmLH10混合料两层式铺装，无损使用时间达到两年，但是两年过后即产生了严重推移、车辙及开裂等病害，并于1997年进行了重新铺装。近年来开始应用浇注式沥青混凝土及环氧沥青铺装材料，2004年安庆长江大桥使用浇注式沥青混凝土上加铺SMA铺装方案。环氧沥青混凝土在我国的研究是从20世纪90年代开始的，1994年在上海龙吴路石龙路口进行了试验路的铺筑。2000年9月，南京长江二桥首次使用环氧沥青混合料进行桥面铺装。2004年9月，润扬大桥的行车道铺装也采用了双层环氧沥青。环氧沥青铺装目前使用情况相对乐观，但是由于环氧沥青对施工

10、条件要求比较苛刻，一般单位很难达到其施工要求，所以推广普及有很大困难。目前大跨径钢桥桥面铺装结构主要可分为三类，即同质单层、同质双层、异质双层结构，世界上各个国家采用的结构形式也有所不同。其主要结构形式为：(1)德国：常采用底涂层+防水层+粘结层+铺装层；(2)丹麦：底涂层+防水层+保护层+联结层+铺装上层；(3)法国：粘结层+防水层+保护层+铺装层；(4)印度：铺装层+磨耗层；(5)日本：粘结层+防水层+铺装层。我国钢桥桥面铺装的结构出现过单层、双层至多层等形式，比如，将双层改性沥青SMA应用广东虎门大桥、厦门海沧大桥，江阴大桥在重铺过程中在曾经破坏最严重的梁段修筑了“双层环氧沥青混凝土”和

11、“下层浇注式沥青混凝土、上层环氧沥青混凝土”的钢桥面铺装试验段。三、研究主要内容、技术路线、拟解决的问题通过对大型钢结构桥梁桥面铺装病害及国内外桥面铺装材料的分析，开展桥面铺装新型材料即高粘性沥青及沥青混合料的研发与应用。作为桥面铺装中的新型材料，高粘性沥青是经过特殊改性处理的具有极强的粘附力及抗剪切能力。作为桥面铺装材料，经过特殊改性的高粘性沥青与特殊级配的混合料相结合具有很好的高低温性能及抵抗水损害的能力。主要从高粘性沥青改性配方的研究、混合料级配研究、桥面铺装层结构的选择和力学分析等方面开展研究。1、主要研究内容高粘性改性沥青研究化学分析研发高粘性改性沥青改性剂；室内制备高粘改性沥青；进

12、行高粘改性沥青的离析试验及离析后荧光显微镜观测，分析高粘改性沥青稳定性；针入度分级下高粘性改性沥青技术性能评价；SuperPave沥青胶结料分级下高粘性改性沥青技术性能评价。桥面铺装高粘粘结层沥青洒布量的确定将研发的高粘改性沥青作为桥面铺装粘粘结层，并进行黏附性能、抗拉强度、抗剪强度等技术性能研究；高粘粘结层沥青最佳洒布用量的确定。适用于钢桥桥面铺装层高粘性沥青混合料级配研究；适用于钢桥桥面铺装层高粘性沥青混合料配合比设计；钢桥面铺装层高粘性沥青混合料路用性能及力学性能试验研究；（ 1） 室内试验测定高粘改性沥青混合料路用性能。通过室内汉堡车辙试验、低温弯曲试验、四点弯曲梁疲劳试验、残留稳定度

13、和冻融劈裂强度比试验等等分析高粘改性沥青混合料的路用性能。（ 2） 进行高粘改性沥青混合料不同加载温度和不同加载频率下的动态模量、相位角等力学性能试验。（ 3） 轴贯入法测定高粘沥青混合料抗剪强度。桥面铺装层结构组合设计研究钢桥桥面铺装层结构层力学分析（ 4） 桥桥面铺装结构层结构组合设计（ 5） 用试验参数进行钢桥桥面铺装结构层结构组合的有限元分析优选钢桥面铺装层结构。试验段铺筑与跟踪观测1.5.1 试验段铺筑；1.5.2 施工技术总结。2、拟解决的关键问题高粘性改性沥青的研发；高粘性改性沥青钢桥桥面粘结层材料的研发与设计；高粘性改性沥青钢桥桥面铺装层及材料的研发与设计。3、拟采取的技术路线

14、高粘性改性沥青研究化学分析研发高粘沥青改性剂，制成具有较高的粘性，粘韧性和粘韧性的沥青材料。通过离析试验及离析后荧光显微镜观测，分析高粘改性沥青稳定性。进行针入度分级和Superpave沥青胶结料分级试验，提出适于大型钢桥桥面铺装的高粘性改性沥青的技术指标。高粘性改性沥青钢桥面铺装粘结层的研究室内模拟粘结层在钢桥面板与桥面铺装层中间制成试验试件，通过拉拔试验，抗剪切试验等研究粘结层的抗拉拔、抗剪切变形的能力，室内进一步调整研究适宜的粘结层高粘改性沥青及洒布量。高粘性改性沥青钢桥面铺装层材料研究以高粘性改性沥青作为胶结料，进行适用于钢桥桥面铺装层高粘性沥青混合料级配研究并进行桥面铺装层高粘改性沥青混合料的配合比设计，测定高粘性沥青混合料路用性能及力学性能：（ 1）室内试验测定高粘改性沥青混合料路用性能。通过室内汉堡车辙试验、低温弯曲试验、四点弯曲梁疲劳试验、残留稳定度和冻融劈裂强度比试验等等分析高粘改性沥青混合料的路用性能。（ 2）进行高粘改性沥青混合料不同加载温度和不同加载频率下的动态模量、相位角等力学性能试验。（ 3）单轴贯入