钢桥面铺装类型简介

1、.1.1发达国家钢桥面铺装发展简介钢箱梁桥桥面铺装一般由防锈层、粘结层、沥青混合料铺装层构成，直接铺筑于钢箱梁顶板之上，总厚度在3580mm之间。由于钢箱梁桥面铺装的使用条件、施工工艺、质量控制与要求的特殊性，对它的强度、抗疲劳性能、抗车辙性能、抗剪切性能以及变形协调性等均有较高的要求，目前尚未形成普遍有效的钢桥面铺装设计理论与方法。国外大跨径钢梁斜拉桥、悬索桥的建设已有较长的历史，对桥面铺装技术的研究工作开展得较早，大多始于60、70年代，形成了适合各国特点的钢桥面铺装技术。最早开展钢桥面铺装研究的国家是德国，随后法国、日本、美国等国家也相继开展了这方面的工作。当前，钢桥面铺装技术的研究是铺

2、装研究领域的热点和难点，国家在钢桥面铺装研究方面投入了大量的人力和物力。目前国际上较为流行的钢桥面铺装从结构组合来分主要有单层铺装体系与双层铺装体系（包括双层同质和双层异质）两种类型。由于双层铺装体系能够对铺装上下层材料分别进行设计，充分利用和发挥材料特性，最大限度地避免对同种材料矛盾的双向性能（高温稳定性和低温抗裂性）要求，除英国的Mastic铺装体系外，大部分钢桥面铺装趋向于使用双层铺装体系。分析国外主要的钢桥面铺装研究成果，从选用的材料和施工方法角度出发,国外桥面铺装方案主要有以下三大类:1）以德国、日本为代表的高温拌和浇注式沥青混合料（Gussasphalt）方案；以英国为代表的沥青玛

3、蹄脂混合料（Mastic asphalt）方案，也可以归于高温拌和型沥青混凝土；高温拌和浇注式沥青混合料铺装层和沥青玛蹄脂混合料铺装层的主要优点是：空隙率接近零，具有优良的防水、抗老化性能，无需设置防水层；抗裂性能强，对钢板的追从性较好。其主要缺点是：高温稳定性差,易形成车辙；施工需要一系列专用设备，施工组织较为复杂；施工时混合料的温度非常高，达到240以上，对桥梁的影响不容忽视。浇注式钢桥面铺装技术适用于夏季温度不太高的国家和地区,如德国、英国、北欧等一些国家，浇注式钢桥面铺装技术在日本的应用也较为广泛。Mastic也属于高温拌和混合料的一种，与浇注式钢桥面铺装相比，Mastic一般采用单层

4、铺装，铺装层的厚度薄，重量轻；沥青玛蹄脂不但可以现场生产，而且可以加工成固体块状以便储存和运输，到现场后再加热使用。其次与浇注式沥青混合料相比，胶结料中湖沥青的掺量也不同。Mastic中的湖沥青含量一般为6070%，而浇注式沥青中的湖沥青含量一般为2530%。2）以美国为代表的环氧树脂沥青（Epoxy asphalt）铺装方案；环氧树脂沥青混合料铺装层主要优点是：铺装强度高、整体性好、高温时抗塑流和永久变形能力很强，低温抗裂性能很好；具有很好的抗疲劳性能；具有较好的抵抗化学物质侵蚀的能力。主要缺点是：环氧沥青价格较高，关键技术多被国外大企业产品控制；环氧沥青混合料的配制工艺比较复杂；环氧沥青混

5、合料施工中对时间和温度要求十分严格，对施工环境要求苛刻，施工难度大。环氧沥青铺装养护时间长，修复难度大，目前针对环氧沥青出现损坏后的修复方法还没有；环氧沥青铺装工后表面光滑，宏观构造深度小，特别是雨天行车安全性差。3）德国、日本等国近期采用的改性沥青SMA方案（Stone Mastic Asphalt）。 改性沥青SMA 铺装是德国、日本等国针对浇注式沥青混凝土施工难度大和高温性能相对较差的特点，采用的一种改进型结构，目前在钢桥面铺装中应用不是很多。改性沥青SMA混合料的主要优点是：具有良好的耐久性和防水性能；抗塑流和抗永久变形的能力强,不易产生车辙；具有粗糙的表面构造，防滑性能好；没有特殊的

6、施工要求，施工期短，费用较低。单从混合料性能角度分析，改性沥青SMA混合料是一种优良的铺装材料。1.2 浇注式钢桥面铺装技术的原理和设计1.2.1 德国浇注式钢桥面铺装技术注式沥青混凝土的德语原文为Gu，原是“河流”之意，引申为“浇注流淌”。德国于1917 年开始研发浇注式沥青混凝土，并将浇注式沥青混凝土大量应用于建筑物防水层和铺装工程中。浇注式沥青混凝土在概念和历史上可简单解释为“注入式沥青混凝土”。浇注式沥青混凝土在德国其应用范围是相当广的，并非仅限于钢桥面铺装这一个方面。德国的浇注式沥青混凝土级配分为三个等级，细级配多半应用于室内防水层或屋顶防水层，中间级配多应用于屋外停车场等，粗级配则

7、应用于摩擦层或其它表面需求较粗糙的地方，像高速公路路面以及大跨径桥面铺装。德国浇注式沥青混凝土胶结料一般采用针入度为2050（0.1mm）的直馏沥青，其中0/11（S）、0/11等类型的浇注式沥青混凝土通常采用B45级甚至B25级沥青作为其胶结料，掺配1535%的天然沥青TLA。但是最近德国更倾向于采用改性沥青PmB45，PmB25作为浇注式沥青混凝土的胶结料，以获得性能更优越，且施工时更环保安全的混凝土。德国浇注式沥青混凝土的设计主要依据贯入度试验，依据后30min的贯入度增量确定沥青用量，其具体的要求如表1.2-1所示。在设计过程中，未对混合料的流动性做出具体的要求。表1.2-1 德国浇注

8、式沥青混凝土贯入度指标贯入度（40）标准要求前30分钟（mm）后30分钟（mm）0/11 s1.03.50.40/111.05.00.60/81.05.00.60/51.05.00.6注:S表示重交通路面，机制砂与天然砂的比例为1:01.2.2日本浇注式钢桥面铺装技术日本悬索桥的主梁结构多采用高大的桁架式加劲梁，而桥面铺装则采用浇注式沥青混凝土作为双层结构的下层，主要考虑到浇注式沥青混凝土具有良好的密封防水性能以及良好的变形随从性。日本研究认为浇注式沥青混凝土高温性能及抗滑能力不理想，因此双层结构的上层仍采用改性沥青密级配混合料，以确保足够的强度、抗车辙能力和抗滑能力。日本对正交异性钢桥面铺装

9、的研究始于二十世纪50年代初，而其对浇注式沥青混凝土铺装的研究则始于50年代中期，1956年日本自德国引进Gussasphalt，开始研究将其应用于钢桥面铺装工程中。1961年沥青铺装要览将浇注式沥青混合料纳入其中并公布与钢桥面铺装有关的技术规范及准则。该规范指出，正交异性钢桥面板因横向与纵向加劲梁存在，各部分的刚度不同，因而容易产生局部的挠曲变形；钢桥面铺装中所存在的水损害对钢板的腐蚀较大；钢桥面铺装的施工范围较小，难以保证正常施工。 1976年，日本在国道16号千叶县往长浦地（木更津）方向的公路上铺设了钢桥面铺装试验桥长浦地试验桥，试验桥的铺装材料如图1.2-1所示，铺装结构均为双层式设计

10、。长浦地试验桥的观测期自1977年起，至1983年结束，为期6年。观测期内试验桥的累计通过大型车辆数高达1.2×107辆，其中第3工区和第4工区的铺装在通车第二年因严重龟裂而刨除重铺，重铺后依然再度产生严重龟裂，而第1工区的铺装发生龟裂最小，使用效果最好。因此日本的铺装专家认为“下层浇注式沥青混凝土、上层改性密级配沥青混凝土”的铺装结构最好，并且在随后建设的各大桥中基本上都采用了这一结构。图1.2-1 长浦地试验桥铺装结构80年代末日本对国内300多座钢桥桥面铺装的使用状况进行了调查。根据其调查的结果，日本的钢桥面铺装可分为五种结构型式，如表1.2-2所示，其中以下层浇注式沥青混凝土

11、，上层改性密级配混凝土作为桥面铺装的占大多数。表1.2-2 80年代末日本钢桥面铺装设计形式调查结果型式铺装下层材料（厚度）铺装上层材料（厚度）桥梁数（）热拌沥青混凝土（4050mm）热拌沥青混凝土（4050mm）83（27）浇注式沥青混凝土（3040mm）浇注式沥青混凝土（3040mm）71（23）浇注式沥青混凝土（4050mm）改性密级配沥青混凝土（3040mm）123（41）单层热拌沥青混凝土（5070mm）23（8）单层浇注式沥青混凝土（5070mm）3（1）日本钢桥面铺装常用的结构为40mm浇注式沥青混凝土下层，35mm改性沥青密级配上层，总厚度为6580mm，如图1.2-2所示。图

12、1.2-2 日本浇注式铺装结构图日本采用的下层浇注式沥青混凝土材料不同于欧洲的配方。混合沥青中，TLA仅占25，而剩余75采用针入度2040(0.01mm)（25）的直馏石油沥青，混合沥青针入度为1530（0.1mm）（25）。表1.2-3为日本浇注式沥青混凝土的技术指标要求。表1.2-3 日本浇注式沥青混凝土性能控制指标试验项目技术指标技术要求流动性试验流动性（240）/秒20贯入度试验贯入度（40，52.5kgf/5cm2，30分钟）/mm14车辙试验动稳定度（60）/次/mm350弯曲试验极限应变（10，50mm/min）8.0×10-31.2.3英国Mastic钢桥面铺装技术

13、1952年英国道路研究试验室进行了大规模试验后得出结论：为了减轻自重，桥面Mastic沥青混凝土铺装厚度38mm为最佳厚度，英国于1964年建造福斯桥时，即将38mm列入规范。1964年完工的福斯桥于采用了厚度为35mm的浇注式沥青铺装层，混合料中的结合料取TLA与普通石油沥青比例为50:50，细料含量占4045，混合沥青针入度为1015（0.1mm）（25），其中可溶沥青用量为14.5%，沥青混合料硬度1015（35）。1966年建成的塞文桥则采用了较软的沥青材料，混合沥青针入度为2030（0.1mm）（25），沥青混合料硬度数2030（35），可溶沥青用量仍为14.5%。塞文桥通车不久即发

14、现沥青铺装层有流动现象，且表面压入的预拌碎石陷入铺装层内，实践证明，所用的沥青硬度不够。事隔20年后，于1989年塞文桥桥面铺装彻底大修时，又采用了较硬的混合沥青，即针入度为1015（0.1mm）（25），混合料硬度数数1020（35），混合沥青比例取TLA:Bitumen70:30。可溶沥青仍取14.5%，与此同时规范首次规定了混合料应达到的马歇尔稳定度最低值，即流值为5mm时稳定度为4kN，流值为15mm时，稳定度为8kN。1981年建成的汉博尔桥桥面铺装采用38mm厚Mastic，混合沥青中TLA所占比例由50提高为60，混合沥青针入度取1025（0.1mm）（25）混合料硬度数取102

15、0（35），可溶沥青为15。混合料中细料含量为48。英国于1988年对于应用TLA制备沥青混合料铺装层，颁布了英国标准规范BS:1447(1988)。BS:1447中强调指出 浇注式沥青混合料属“H”级，适用于繁重载荷区域。BS1447要点如下：1）适用于H级的混合料，混合沥青为T50型，即TLA占50，针入度为60/70的普通石油沥青占50；2）铺装层厚度为4050mm；3）混合料中粗集料的公称尺寸为10mm（BS63）； 4）粗集料的含量占混合料总重的45±10；5）细集料中活性氧化钙含量不小于80； 6）H级混合料的硬度为13（25）； 7）设计的混合料比例为 混合沥青：10.

16、4% 细集料：44.3% 粗集料：45.3%8）单粒径预拌碎石的粒径为12mm，用量为810kg/m2。1.2.4浇注式钢桥面铺装技术的应用实例 浇注式钢桥面铺装技术在国内外均有非常广泛的应用，其中使用最多的属西北欧等气候较为凉爽的地区，日本钢桥也基本上是采用浇注式钢桥面铺装技术，比如明石海峡大桥、多多罗大桥等世界名桥。我国国内的江阴大桥、安庆大桥、青马大桥等也采用了浇注式钢桥面铺装技术。表1.2-4为浇注式钢桥面铺装应用的主要实例。表1.2-4 注式沥青混凝土桥面铺装应用实例国家桥梁名称铺装类型德国Oberkasseler单层60mm 浇注式沥青混凝土Zoo双层54mm浇注式沥青混凝土日本明

17、石海峡大桥35mm浇注式沥青混凝土30mm改性密级配沥青混凝土多多罗大桥35mm浇注式沥青混凝土30mm改性密级配沥青混凝土本四联络桥下层浇注式沥青混凝土，上层改性密级配混凝土英国福斯桥单层35mm沥青玛蹄脂混合料塞文桥单层38mm沥青玛蹄脂混合料恒伯尔大桥单层38mm沥青玛蹄脂混合料丹麦大贝尔特桥沥青玛蹄脂混合料中国江阴长江大桥单层50mm沥青玛蹄脂混合料香港青马大桥单层40mm沥青玛蹄脂混合料安庆长江大桥35mm浇注式沥青混凝土35mm SMA台湾新东大桥40mm浇注式沥青混凝土40mm改性密级配沥青混凝土台湾高屏溪大桥40mm浇注式沥青混凝土40mm改性密级配沥青混凝土1.3 环氧沥青钢

18、桥面铺装技术的原理和设计环氧沥青混合料是一种热固性混合料。施工过程中将环氧树脂加入沥青中，经与固化剂发生固化反应，形成不可逆的固化物，从根本上改变了沥青的热塑性质。环氧沥青混合料，其路用性能比普通沥青混合料优异得多，是一种超高级路面材料。国外从60年代开始研究并推广使用环氧沥青混合料。日本北海道大学土木工学科的间山正一、营原照雄在70年代就对环氧沥青混合料的配制、模量、应力松弛性能、破坏性能等进行了研究。环氧沥青混合料作为高性能材料，在国外工程中得到了较为广泛的运用。荷兰的壳牌石油公司、日本的Watanabegumi公司、美国的ChemCoSystems公司也都已生产专利的环氧沥青商品出售（如

19、壳牌石油公司的Shellgrip System，Watanabegumi公司的W-Epoxy等）。环氧沥青的优越性能和生产配制技术的复杂性使许多国家对该项技术守口如瓶，大都申请了专利。1967年环氧树脂沥青混合料首次用作美国San Mateo-Hayward大桥正交异性钢板桥面的铺装层。近三十年来使用这种材料进行钢桥面铺装的国家主要有美国、加拿大、荷兰和澳大利亚，其中美国应用最为广泛。 国内道桥行业对环氧沥青的研究起步较晚。最初与环氧沥青相关的也是环氧煤焦油沥青，主要应用于路面裂缝的修补。上海市市政工程管理处和同济大学，1992年至1995年期间研究了环氧沥青混合料的配制原理、配制方法、热拌、

20、冷拌环氧沥青混合料的物理力学性质，对环氧沥青混合料的物理力学性能进行了综合评价，提出了热拌、冷拌环氧沥青混合料路面的设计和施工指南，并在上海龙吴路摊铺了一段200m2的试验路。由于经费原因，这项研究没有延续下去。而其研究成果又因为环氧沥青材料本身较高的成本，也没在国内得到实际工程应用。1997年东南大学引进美国ChemCoSystems环氧沥青技术，全面、系统、深入地研究了大跨径钢箱梁桥面环氧沥青混凝土铺装技术，成功的将该技术应用到南京长江第二大桥钢桥面铺装，掀开了美国环氧沥青在国内钢桥面铺装中大规模应用的序幕。环氧沥青混合料桥面铺装的典型结构如图1.3-1所示，铺装总厚度控制在5055mm。

21、图1.3-1 环氧沥青混合料桥面铺装的典型结构表1.3-1列出了世界上部分采用环氧沥青混合料铺装的正交异性钢板桥。表1.3-1 采用环氧沥青混合料铺装的正交异性钢板桥桥 名地 点建成年份主梁及桥面板类型桥面钢厚度(mm)铺装厚度(cm)San Mateo-Hayward圣马迪亚1967钢箱梁/正交异性145.0San Diego-Coronado圣地亚哥1969钢箱梁/正交异性104.0McKay哈利法克斯1970钢桁梁/正交异性105.0Queensway Long Beach1970不详/正交异性-5.0Fremont波特兰1973钢桁梁/正交异性166.4Costa de Silva里约

22、热内卢1973不详/正交异性106.0Merce蒙特利尔1974不详/正交异性103.8Lions Gate温哥华1975钢桁梁/正交异性123.8Luling新奥尔良1983钢箱梁/正交异性115.0Ben Franklin费城1986钢桁梁/正交异性163.2Golden Gate旧金山1986钢桁梁/正交异性164.0Champlain蒙特利尔1993不详/正交异性104.0Maritime Off-Ramp奥克兰1996钢箱梁/正交异性167.6南京长江二桥南京2000钢箱梁/正交异性145.0润扬大桥试验桥扬州2002钢箱梁/正交异性145.5江阴大桥修复试验段江阴2003钢箱梁/正

23、交异性1256桃夭门大桥舟山2003钢箱梁/正交异性145.0润扬长江公路大桥镇江2004钢箱梁/正交异性145.5天津大沽桥天津2004钢箱梁/正交异性145.0南京长江第三大桥南京2005钢箱梁/正交异性14165.0佛山平胜大桥佛山2006钢箱梁/正交异性145.0天津奉化桥天津2006钢箱梁/正交异性155.0湛江海湾大桥湛江2006钢箱梁/正交异性145.0北京南环大桥北京2006钢箱梁/正交异性145.0苏通长江公路大桥南通2007钢箱梁/正交异性145.5杭州湾跨海大桥宁波2007钢箱梁/正交异性145.0武汉阳逻大桥武汉2007钢箱梁/正交异性145.0西堠门大桥舟山在建钢箱梁

24、/正交异性145.0金塘大桥舟山在建钢箱梁/正交异性145.0环氧沥青是一种性能非常优良的铺装材料，但是从世界上已建环氧沥青混合料钢桥面铺装使用情况来看，成功的例子和失败的例子都有。铺装产生破坏的桥包括：1）美国俄勒冈州的Fremont St.桥，该桥桥面铺装受到缚于车轮上防滑用的铁链的过度磨损而破坏，后来采用普通沥青混合料重新铺装；2）巴西的Rio de Janerio桥，铺筑的环氧沥青混合料桥面使用性能较差。这可能与该桥所处的热带地理环境位置及施工工艺有关。3）台北的Kuan Du桥，由于未对严重的超载现象进行限制而使铺装产生破坏。4）美国路易斯安那州的Luling桥，采用50mm一层摊铺

25、，由于承包商无法实现最佳的压实而不得不增加结合料含量，从而引起了稳定性的问题。5）澳大利亚West gate桥，总体情况较好，主要问题是出现铺装层和钢板之间粘结力丧失现象。在粘结力丧失区的铺装层仍十分完好，但由于脱空的铺装层在行车荷载作用下不断拍打钢板而使钢板发生磨损并使铺装层发生破坏。1992年对大约1200m2的铺装区采用原方案重新进行了摊铺。6）美国路易斯安那州Hale Boggs斜拉桥，该桥在摊铺完成前铺装层中就因包含水气而鼓包。通车1年后开始开裂，3年后开始出现脱层和严重的推挤永久变形。10年后采用科氏（KOCH）公司的Styrelf88聚合物改性沥青和偏细的SMA结构进行了重新铺装

26、。任何桥面铺装方案都有一定的适用性，成功的桥面铺装需要针对每一座桥进行专门的设计和研究，应该考虑当地的气候条件、施工条件、荷载条件等等因素，综合考虑。环氧沥青铺装发生的主要问题在于施工控制，施工控制不严是铺装发生损坏的主要原因。环氧沥青铺装的修复至今没有好的办法，铣刨后重新铺装需要长时间的养生，对交通影响非常大，修复施工往往要屈服于交通的压力，最终影响修复的效果。1.4 ERS钢桥面铺装技术产生和简介既然双层SMA破坏的原因找准了，那有没有较好的解决方法那？能否找到一种简单易行原理清晰，且造价经济的钢桥面铺装方法呢？答案是肯定的，在总结过去及多次反复试验的基础上，2004年底，西陵长江大桥采用

27、ERS的理念进行了桥面铺装的翻修，经历了四个冬夏的气候变化和重车考验，其桥面的SMA铺装至今仍十分完好，证明了先前对SMA破坏原因的分析是正确的，ERS技术应运而生。所谓ERS技术是指树脂沥青组合体系钢桥面铺装技术的缩写。其中“E”（Epoxy bonding chips layer）是环氧粘结碎石抗滑层的英文缩写，“R”（Resin Asphalt）是树脂沥青混凝土的缩写，“S”是SMA铺装层的缩写。ERS钢桥面铺装典型结构是EBCLRA05SMA10。EBCL作为防水抗滑粘结层，RA05作为铺装整体化层、SMA10作为表面功能层，各层分工明确，具体见图1.4-3所示。图1.4-3 ERS钢桥面铺装示意图ERS技术的结果布置和施工说明如下：1、图1.4-4为宁波庆丰桥主桥钢桥面铺装主体设计方案