大型鋼橋橋面鋪裝新型材料的研發(fā)與應(yīng)用

1、、項(xiàng)目概要及研究目的、意義隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，作為基礎(chǔ)工業(yè)之一的交通運(yùn)輸業(yè)有了重大的發(fā)展，橋梁的建設(shè)也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。近十幾年來(lái)，我國(guó)建設(shè)了許多大跨徑橋梁。其中大型鋼橋結(jié)構(gòu)以其輕量化和經(jīng)濟(jì)性得到了廣泛的應(yīng)用，在公路交通中起著越來(lái)越重要的樞紐的作用。同時(shí)，隨著交通量和重型車的迅速增加，特別是近年來(lái)超載現(xiàn)象嚴(yán)重，使橋面鋪裝的破壞情況越來(lái)越嚴(yán)重，有為數(shù)不少的橋梁通車后不久，橋面鋪裝就不同程度的出現(xiàn)了裂縫、擁抱、車轍、破碎、脫落等病害。因此，橋面鋪裝成為制約大跨徑鋼橋建設(shè)和發(fā)展的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。對(duì)于交通量大的大跨徑橋梁的橋面鋪裝，維護(hù)較困難，一旦破壞，就必須進(jìn)行維修，導(dǎo)致交通阻塞，因而造成不可估量

2、的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的損失。所以開展大型鋼橋橋面鋪裝新型材料的研發(fā)與應(yīng)用具有十分重要的意義。橋面鋪裝是橋梁結(jié)構(gòu)中復(fù)雜又重要的組成部分，其質(zhì)量的好壞對(duì)于橋梁在建成營(yíng)運(yùn)期間的行車安全性、舒適性以及美觀性等方面都起著至關(guān)重要的作用。橋面鋪裝的主要功能有以下幾個(gè)方面:一是可以分散荷載并參與橋面結(jié)構(gòu)的共同受力;二是聯(lián)絡(luò)各主梁使其協(xié)同作用三是作為保護(hù)層防止橋面結(jié)構(gòu)部分磨損或受到雨水侵襲。鑒于此，橋面鋪裝應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和良好的整體性，并且具有足夠的抗車轍、抗裂、抗疲勞、抗沖擊和耐磨性能。鋼橋面鋪裝是鋪設(shè)在正交異性鋼橋面板上，保護(hù)鋼板并提供良好行駛性能的薄形構(gòu)筑物。通常采用熱塑性或熱固性瀝青混凝土作為鋪裝材

3、料，鋪裝層通過(guò)防水粘結(jié)層與鋼板緊密連接，共同承受車輛荷載、溫度及風(fēng)載等引起的應(yīng)力和變形。由于車輛荷載及溫度等自然因素的影響，特別是超載現(xiàn)象的出現(xiàn)，加速了橋面鋪裝的破壞。瀝青混凝土橋面鋪裝與正常路面和水泥混凝土橋面鋪裝相比，損壞形式有所不同，首先，瀝青混凝土橋面鋪裝層內(nèi)部產(chǎn)生較大的剪應(yīng)力，引起不確定破壞面的剪切變形，或者由于鋪裝層與橋面板層間結(jié)合面粘結(jié)力差，抗水平剪切能力較弱，在水平方向上產(chǎn)生相對(duì)位移發(fā)生剪切破壞，產(chǎn)生推移、擁包等病害；其次，因溫度變化并伴隨橋面板或梁結(jié)構(gòu)的大撓度而產(chǎn)生的裂隙，在車輛荷載及滲入的水的作用下產(chǎn)生面層松散和坑梢等破壞。由于鋼橋橋面板的剛度較小、變形復(fù)雜、局部變形大以及

4、受自然氣候影響大等因素，更要求橋面瀝青鋪裝具有良好的變形隨從性。所以，研究開發(fā)一種能夠解決大型鋼橋橋面鋪裝的坑梢、裂縫、表面松散、車轍、推移、擁包等病害的新型材料及橋面鋪裝結(jié)構(gòu)具有十分重要的理論與現(xiàn)實(shí)意義。為了克服瀝青混凝土橋面鋪裝結(jié)構(gòu)由于剪切及溫度等因素所引起的橋面鋪裝的各種病害，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究工作。提出了采用高粘性瀝青來(lái)克服在重載作用下鋪裝層與橋面板之間的界面剪應(yīng)力較大，鋪裝層容易發(fā)生推移及由于溫度差所引起的鋪裝層開裂等病害。與普通改性瀝青相比，高粘性瀝青具有更高的粘度、彈性和韌性等特點(diǎn)，能夠較好的粘結(jié)橋面板與瀝青鋪裝層。同時(shí)，高粘性瀝青應(yīng)對(duì)集料有耐久的包裹力和高粘附性，而且還具

5、有較強(qiáng)的抗剝離性、防水性等普通改性瀝青所不具有的特性。因此，通過(guò)研發(fā)高粘性瀝青及瀝青混凝土材料作為大型鋼橋的鋪裝層結(jié)構(gòu)，可以有效減少橋面鋪裝病害的出現(xiàn)，減少橋面維修給交通帶來(lái)的不便，從而節(jié)省維修費(fèi)用。這對(duì)我國(guó)橋梁的發(fā)展，特別是大型鋼橋的發(fā)展具有重大使用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益。二、國(guó)內(nèi)外研究概況國(guó)外對(duì)大跨徑鋼橋面鋪裝技術(shù)的研究有將近60年的歷史，積累了相對(duì)豐富的經(jīng)驗(yàn)。對(duì)于鋼橋面鋪裝基本上都采用瀝青混凝土體系。它具有良好的行駛性能，重量輕，適合于發(fā)展大跨徑橋梁。目前，大跨徑鋼橋面鋪裝材料主要采用澆注式瀝青混凝土、環(huán)氧瀝青混凝土和瀝青瑪蹄脂碎石(SMA)。澆筑式瀝青混凝土起源于德國(guó)，并在英國(guó)、瑞典、丹麥、日

6、本等國(guó)家得到較廣泛的應(yīng)用。它是一種巖瀝青或湖瀝青與道路瀝青復(fù)合的瀝青，或者采用高粘度的聚合物改性瀝青，添加高劑量礦粉，與集料在220以上的高溫下經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的拌和，配制而成。攤鋪時(shí)高溫的瀝青混合料仍然具有流動(dòng)性，采用特殊的滑板攤鋪或者像水泥混凝土那樣人工攤鋪，不需要碾壓。灌注式瀝青混凝土的優(yōu)點(diǎn)是孔隙率很小，接近零，防水性良好，具有良好的抗老化性能，不需要防水層，抗裂性能強(qiáng)，對(duì)鋼板的追從性、與鋼板間的粘結(jié)性能相對(duì)于一般瀝青混凝土要好；攤鋪采用澆筑的方式，攤鋪時(shí)澆筑式瀝青混凝土材料具有一定的流動(dòng)性，不必進(jìn)行碾壓，能夠自由流動(dòng)密實(shí)成型。但是，灌注式瀝青混凝土的高溫穩(wěn)定性較差，易形成車轍。環(huán)氧瀝青混凝土

7、源于二十世紀(jì)六十年代的美國(guó)和加拿大，它是將環(huán)氧樹脂加入瀝青，然后添加固化劑發(fā)生硬化反應(yīng)，形成不可逆的固化物，使瀝青的性質(zhì)由熱塑性轉(zhuǎn)化為熱固性，從而物理力學(xué)性能得到提高。環(huán)氧瀝青混凝土具有較好的粘結(jié)能力，不因溫度變化和交通荷載的作用而脫落；較高的強(qiáng)度和較強(qiáng)的高溫抗塑流性和低溫抗裂性；有較高的疲勞強(qiáng)度，正常設(shè)計(jì)施工環(huán)境下可以達(dá)到使用壽命。但是，環(huán)氧瀝青混凝土材料費(fèi)用較高，配制工藝的技術(shù)資料在國(guó)外多屬專利產(chǎn)品。施工的要求極為嚴(yán)格，而且混凝土初期強(qiáng)度低，養(yǎng)護(hù)時(shí)間長(zhǎng)，易出現(xiàn)早期開裂等缺點(diǎn)。瀝青瑪蹄脂碎石（SMA為德國(guó)和日本近年來(lái)廣泛使用的橋面鋪裝層材料，瀝青瑪蹄脂碎石采用改性瀝青并摻入纖維，是一種典型的

8、骨架密實(shí)型結(jié)構(gòu)。SMAI有抗松散、柔韌性和抗裂能力強(qiáng)，具有良好的熱穩(wěn)定性、防水性能和耐久性；較強(qiáng)的抗永久變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，費(fèi)用較低。但是，SMAJ殳使鋪裝層較厚（一般大于60mm）混合料的級(jí)配范圍很窄，對(duì)拌合廠的生產(chǎn)要求交高。我國(guó)鋼橋面鋪裝的嘗試研究則從20世紀(jì)80年代開始。最早是使用普通密級(jí)配瀝青混凝土，粘層也多采用乳化瀝青。使用后發(fā)現(xiàn)，一般使用壽命只有幾個(gè)月甚至數(shù)十天。此后，逐步開始采用改性瀝青，粘結(jié)劑也曾經(jīng)嘗試過(guò)改性瀝青乳化劑、環(huán)氧煤焦油等。1989年，由同濟(jì)大學(xué)與廣東省肇慶市公路局聯(lián)合對(duì)馬坊北江橋鋼橋面鋪裝進(jìn)行了防治研究，1991年采用P

9、E+廢橡膠粉改性瀝青，粘結(jié)劑采用同樣的材料，鋪筑了厚度5cmLH20I及2cmLH10混合料兩層式鋪裝，無(wú)損使用時(shí)間達(dá)到兩年，但是兩年過(guò)后即產(chǎn)生了嚴(yán)重推移、車轍及開裂等病害，并于1997年進(jìn)行了重新鋪裝。近年來(lái)開始應(yīng)用澆注式瀝青混凝土及環(huán)氧瀝青鋪裝材料，2004年安慶長(zhǎng)江大橋使用澆注式瀝青混凝土上加鋪SMA鋪裝方案。環(huán)氧瀝青混凝土在我國(guó)的研究是從20世紀(jì)90年代開始的，1994年在上海龍吳路石龍路口進(jìn)行了試驗(yàn)路的鋪筑。2000年9月，南京長(zhǎng)江二橋首次使用環(huán)氧瀝青混合料進(jìn)行橋面鋪裝。2004年9月，潤(rùn)揚(yáng)大橋的行車道鋪裝也采用了雙層環(huán)氧瀝青。環(huán)氧瀝青鋪裝目前使用情況相對(duì)樂(lè)觀，但是由于環(huán)氧瀝青對(duì)施工

10、條件要求比較苛刻，一般單位很難達(dá)到其施工要求，所以推廣普及有很大困難。目前大跨徑鋼橋橋面鋪裝結(jié)構(gòu)主要可分為三類，即同質(zhì)單層、同質(zhì)雙層、異質(zhì)雙層結(jié)構(gòu)，世界上各個(gè)國(guó)家采用的結(jié)構(gòu)形式也有所不同。其主要結(jié)構(gòu)形式為：(1)德國(guó)：常采用底涂層+防水層+粘結(jié)層+鋪裝層；(2)丹麥：底涂層+防水層+保護(hù)層+聯(lián)結(jié)層+鋪裝上層；(3)法國(guó)：粘結(jié)層+防水層+保護(hù)層+鋪裝層；(4)印度：鋪裝層+磨耗層；(5)日本：粘結(jié)層+防水層+鋪裝層。我國(guó)鋼橋橋面鋪裝的結(jié)構(gòu)出現(xiàn)過(guò)單層、雙層至多層等形式，比如，將雙層改性瀝青SMA應(yīng)用廣東虎門大橋、廈門海滄大橋，江陰大橋在重鋪過(guò)程中在曾經(jīng)破壞最嚴(yán)重的梁段修筑了“雙層環(huán)氧瀝青混凝土”和

11、“下層澆注式瀝青混凝土、上層環(huán)氧瀝青混凝土”的鋼橋面鋪裝試驗(yàn)段。三、研究主要內(nèi)容、技術(shù)路線、擬解決的問(wèn)題通過(guò)對(duì)大型鋼結(jié)構(gòu)橋梁橋面鋪裝病害及國(guó)內(nèi)外橋面鋪裝材料的分析，開展橋面鋪裝新型材料即高粘性瀝青及瀝青混合料的研發(fā)與應(yīng)用。作為橋面鋪裝中的新型材料，高粘性瀝青是經(jīng)過(guò)特殊改性處理的具有極強(qiáng)的粘附力及抗剪切能力。作為橋面鋪裝材料，經(jīng)過(guò)特殊改性的高粘性瀝青與特殊級(jí)配的混合料相結(jié)合具有很好的高低溫性能及抵抗水損害的能力。主要從高粘性瀝青改性配方的研究、混合料級(jí)配研究、橋面鋪裝層結(jié)構(gòu)的選擇和力學(xué)分析等方面開展研究。1、主要研究?jī)?nèi)容高粘性改性瀝青研究化學(xué)分析研發(fā)高粘性改性瀝青改性劑；室內(nèi)制備高粘改性瀝青；進(jìn)

12、行高粘改性瀝青的離析試驗(yàn)及離析后熒光顯微鏡觀測(cè)，分析高粘改性瀝青穩(wěn)定性；針入度分級(jí)下高粘性改性瀝青技術(shù)性能評(píng)價(jià)；SuperPave瀝青膠結(jié)料分級(jí)下高粘性改性瀝青技術(shù)性能評(píng)價(jià)。橋面鋪裝高粘粘結(jié)層瀝青灑布量的確定將研發(fā)的高粘改性瀝青作為橋面鋪裝粘粘結(jié)層，并進(jìn)行黏附性能、抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度等技術(shù)性能研究；高粘粘結(jié)層瀝青最佳灑布用量的確定。適用于鋼橋橋面鋪裝層高粘性瀝青混合料級(jí)配研究；適用于鋼橋橋面鋪裝層高粘性瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)；鋼橋面鋪裝層高粘性瀝青混合料路用性能及力學(xué)性能試驗(yàn)研究；（ 1） 室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)定高粘改性瀝青混合料路用性能。通過(guò)室內(nèi)漢堡車轍試驗(yàn)、低溫彎曲試驗(yàn)、四點(diǎn)彎曲梁疲勞試驗(yàn)、殘留穩(wěn)定度

13、和凍融劈裂強(qiáng)度比試驗(yàn)等等分析高粘改性瀝青混合料的路用性能。（ 2） 進(jìn)行高粘改性瀝青混合料不同加載溫度和不同加載頻率下的動(dòng)態(tài)模量、相位角等力學(xué)性能試驗(yàn)。（ 3） 軸貫入法測(cè)定高粘瀝青混合料抗剪強(qiáng)度。橋面鋪裝層結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)研究鋼橋橋面鋪裝層結(jié)構(gòu)層力學(xué)分析（ 4） 橋橋面鋪裝結(jié)構(gòu)層結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)（ 5） 用試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行鋼橋橋面鋪裝結(jié)構(gòu)層結(jié)構(gòu)組合的有限元分析優(yōu)選鋼橋面鋪裝層結(jié)構(gòu)。試驗(yàn)段鋪筑與跟蹤觀測(cè)1.5.1 試驗(yàn)段鋪筑；1.5.2 施工技術(shù)總結(jié)。2、擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題高粘性改性瀝青的研發(fā)；高粘性改性瀝青鋼橋橋面粘結(jié)層材料的研發(fā)與設(shè)計(jì)；高粘性改性瀝青鋼橋橋面鋪裝層及材料的研發(fā)與設(shè)計(jì)。3、擬采取的技術(shù)路線

14、高粘性改性瀝青研究化學(xué)分析研發(fā)高粘瀝青改性劑，制成具有較高的粘性，粘韌性和粘韌性的瀝青材料。通過(guò)離析試驗(yàn)及離析后熒光顯微鏡觀測(cè)，分析高粘改性瀝青穩(wěn)定性。進(jìn)行針入度分級(jí)和Superpave瀝青膠結(jié)料分級(jí)試驗(yàn)，提出適于大型鋼橋橋面鋪裝的高粘性改性瀝青的技術(shù)指標(biāo)。高粘性改性瀝青鋼橋面鋪裝粘結(jié)層的研究室內(nèi)模擬粘結(jié)層在鋼橋面板與橋面鋪裝層中間制成試驗(yàn)試件，通過(guò)拉拔試驗(yàn)，抗剪切試驗(yàn)等研究粘結(jié)層的抗拉拔、抗剪切變形的能力，室內(nèi)進(jìn)一步調(diào)整研究適宜的粘結(jié)層高粘改性瀝青及灑布量。高粘性改性瀝青鋼橋面鋪裝層材料研究以高粘性改性瀝青作為膠結(jié)料，進(jìn)行適用于鋼橋橋面鋪裝層高粘性瀝青混合料級(jí)配研究并進(jìn)行橋面鋪裝層高粘改性瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)，測(cè)定高粘性瀝青混合料路用性能及力學(xué)性能：（ 1）室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)定高粘改性瀝青混合料路用性能。通過(guò)室內(nèi)漢堡車轍試驗(yàn)、低溫彎曲試驗(yàn)、四點(diǎn)彎曲梁疲勞試驗(yàn)、殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比試驗(yàn)等等分析高粘改性瀝青混合料的路用性能。（ 2）進(jìn)行高粘改性瀝青混合料不同加載溫度和不同加載頻率下的動(dòng)態(tài)模量、相位角等力學(xué)性能試驗(yàn)。（ 3）單軸貫入