环氧沥青钢桥面铺装使用周期的性能表现与养护维修

徐 伟,周嘉博,庄国艺

华南理工大学 土木与交通学院,广东 广州 510640

0 引言

随着中国公路大跨径钢桥建设的发展,钢桥面铺装技术也得到了快速进步,高性能改性沥青混合料、浇注式沥青混合料、环氧沥青混合料、高强水泥混凝土等材料被广泛应用于钢桥面铺装工程[1-3].各种钢桥面铺装材料具有不同的特点和适应性,钢桥面铺装的使用性能因铺装材料性能、钢桥面板刚度、施工质量、气候环境、交通荷载等因素的影响表现出较大的差异[4-7].

中国多数大跨径钢桥面临高温多雨、重载、大交通量等恶劣环境条件的挑战,而环氧沥青铺装具有较好的高温稳定性、水稳定性、层间黏结性和抗疲劳耐久性等[8].自2000年以来,环氧沥青在中国钢桥面铺装工程中逐渐得到了广泛应用[9].由于环氧沥青的基本性能与普通沥青具有显著差异,环氧沥青铺装的性能表现、病害特点和维修养护方式与普通沥青路面也有较大不同[10].虽然环氧沥青钢桥面铺装具有较好的性能表现,但也会因施工质量控制、重载超载、钢桥面板较薄等因素出现早期病害问题[11].本文分别针对施工质量良好但存在一定施工质量缺陷的2种环氧沥青铺装工程,开展铺装使用周期的调查,分析环氧沥青铺装从施工阶段、运行初期、运行中期、运行后期及大修各阶段的性能表现规律、病害特点和维修养护方式,为环氧沥青钢桥面铺装的设计、施工控制及养护维修提供参考.

1 环氧沥青铺装施工质量良好情况下的性能表现及养护措施

环氧沥青混凝土属于热固性材料,水稳定性、抗老化性和耐油污性能优良,具有良好的韧性和抗疲劳性能,15 ℃小梁弯曲强度可达15~20 MPa.正常情况下环氧沥青钢桥面铺装不会出现车辙、水损害、坑槽等病害.当铺装层弯拉应变低于一定应变水平时(如400 με),环氧沥青铺装表现出长寿命状态;当铺装层弯拉应变超过一定应变水平时(如1 000 με),环氧沥青铺装会出现早期疲劳开裂.

1967年美国San Mateo-Hayward大桥首次采用环氧沥青钢桥面铺装,经过近35年使用后2002年开始出现开裂,使用40年后的2008年铺装表面状况见图1.2015年SanMateo-Hayward大桥日均交通量达10.3万辆,2015年5月进行了环氧沥青铺装整体大修,该桥环氧沥青铺装使用寿命最终达48年.

1986年金门大桥的混凝土桥面板更换为正交异性钢桥面板,钢桥面铺装采用温拌型环氧沥青混凝土; 2008年金门大桥钢桥面铺装已有较多开裂,局部严重网裂,但仍能保持正常通行(图(2a)、(b));2012年金门大桥钢桥面铺装开裂病害进一步发展,维护人员对部分较严重的裂缝进行了灌缝处理,见图2(c);2018年金门大桥钢桥面铺装状况见图2(d).截至2018年金门大桥钢桥面铺装已运行32年,日均交通量约10万辆.

图1 San Mateo-Hayward大桥钢桥面铺装状况(2008年)

施工质量优良的环氧沥青铺装在正常的交通荷载条件下可具有15~40年甚至更长的使用寿命,环氧沥青铺装使用后期主要出现的病害是疲劳开裂,开裂会加速铺装病害的进一步发展.

图2 金门大桥钢桥面铺装状况

环氧沥青属于热固型材料,环氧沥青混合料在使用过程中不会被压密,其铺装表面构造发展变化趋势与普通沥青路面也不同.环氧沥青铺装表面细集料磨耗脱落后会形成主要由剩余粗集料组成的较粗糙表面构造,金门大桥通车22年及佛山平胜大桥通车10年铺装表面变化情况分别见图3、4.与普通沥青路面抗滑性发展趋势不同,环氧沥青铺装表面抗滑性能随着使用时间延长而逐渐增强,其铺装表面实际状况与所用集料的耐磨性、混合料级配、交通量及车辆组成相关.

图3 金门大桥钢桥面铺装表面构造状况

图4 平胜大桥环氧沥青铺装表面构造状况

2 环氧沥青铺装存在施工缺陷情况下的性能表现及维修措施

环氧沥青施工质量控制要求较高,如果环氧沥青混合料、黏结防水层等关键环节的施工质量没有达到设计目标和技术要求,铺装整体性能也会受到显著影响,出现早期病害问题,显著降低铺装的使用寿命.另一方面,超载及较薄钢桥面板也会引起环氧沥青铺装早期的疲劳开裂.

以下基于2006年建成的一项钢桥面铺装工程,对环氧沥青铺装使用周期内的病害特点和维修养护措施进行调查分析.

2.1 环氧沥青混合料施工期的问题与处置

环氧沥青混合料铺装的空隙率基本低于3%,处于不透水、不透气的状态,在摊铺过程中如果环氧沥青混合料内混入一定数量的水或油,环氧沥青铺装会在压密后因液体高温下体积膨胀而引起鼓包,同时水分也会与固化剂发生反应,影响黏结强度[12-13].对于较小的鼓包(直径小于150 mm),一般可采用刺破放气、重新压实的方式处理,见图5;对于较大的鼓包(直径大于150 mm),重新压实可能难以保证有效黏结,一般采用及时挖除鼓包、补回环氧沥青混合料的方式处理,见图6.

图5 鼓包刺破

图6 鼓包挖除

2.2 环氧沥青铺装使用初期的性能表现与维养措施

部分环氧沥青铺装鼓包并没有在施工过程出现,尤其是温拌环氧沥青和冷拌环氧沥青铺装,但可能在通车后1~2年的夏季高温期出现[14].该桥环氧沥青铺装2008年出现的鼓包情况见图7.实际维修应用效果证明钻孔注胶处理鼓包方式不理想,一方面注胶难以与脱层界面有效黏结,另一方面注胶过多形成铺装突起影响路面平整度.一般环氧沥青混凝土具有较强的韧性,出现局部裂缝后仍可使用较长时间,对于鼓包开裂情况可先采用改性沥青灌缝的方式处理,见图8.跟踪观察后发现,鼓包开裂后5年内的状态没有显著变化,表现出环氧沥青混凝土具有较好的韧性.

2.3 环氧沥青铺装使用中期的性能表现与维养措施

图7 通车后鼓包开裂

图8 鼓包灌缝封闭

2009年该项目环氧沥青铺装表面出现激浆,且发生纵向开裂,见图9、10.一般环氧沥青铺装通车2~4年后,鼓包、开裂可能发展至激浆,这种情况说明铺装层已发生层间脱离,因混合料与钢板摩擦产生粉料,在雨水和轮载作用下出现激浆.出现激浆后,病害位置铺装层需要及时维修(图11),以减少病害扩展和对钢桥面板的腐蚀,一般可采用灌缝方式进行封闭,见图12.灌缝料采用改性沥青效果较好,因为改性沥青具有较好的黏附、热熔和变形性能,而环氧沥青或环氧树脂灌缝易再次产生开裂.如果局部开裂严重或出现坑槽(图13),可采用冷拌型环氧沥青混合料进行挖补维修,修补材料应具有较好耐久性和与原铺装的相容性,见图14.

2.4 环氧沥青铺装使用后期的性能表现与维养措施

图9 鼓包开裂激浆

图10 铺装纵向开裂

图11 铺装推移开裂

图12 开裂灌缝养护

图13 铺装坑槽破坏

随着铺装运行时间的延长,2010年该项目4个车道环氧沥青铺装出现脱层、开裂病害,铺装层产生较大面的推移、脱落和坑槽(图15),局部出现钢桥面板外露情况,已严重影响铺装的行驶功能和安全性,也会对钢桥面板造成较严重的腐蚀,需要及时进行病害严重路段的车道铺装维修,需铲除(图16)钢桥面板局部已经被严重锈蚀.

图14 铺装坑槽挖补

图15 较大面铺装纵向推移开裂

图16 脱层铺装铲除

对一个段落的车道铺装进行维修工程量较大,需要采用机械施工,一般采用性能相似的环氧沥青混合料进行维修.首先铣刨病害区域的铺装层,铣刨深度控制在钢桥面板上方约20 mm,以避免损伤钢板,然后采用小型机械及人工清理残留的铺装层(图17).铺装病害位置在下面层、上面层的情况均有.最后涂布黏结层并铺筑环氧沥青混合料,如工程量较大需要采用拌合楼生产环氧沥青混合料,也可以考虑采用移动式拌合设备进行较小范围的混合料拌合生产,之后采用压路机进行压实,养生结束后方可开放交通,见图18.为减少维修对交通的影响,宜选用快速养生环氧沥青材料,并选择气温较高的天气进行铺装维修.

图17 轮迹带病害铺装清除

图18 轮迹带铺装修复

3 环氧沥青铺装大修清除工艺

2017年金门大桥环氧沥青铺装使用后期的整体病害较严重(图19),路用性能显著降低,通过一般养护措施难以长期有效恢复铺装使用功能,需要进行整体铺装大修.

环氧沥青铺装未发生病害的区域与钢桥面板仍然具有较强的黏结性,清除有一定难度,一般是先采用铣刨方式清除铺装至钢桥面板上方约20 mm的深度(图20),以免破坏钢桥面板;然后采用机械铲除残余铺装,并配合人工清除粘结层(图21).

脱层病害位置铺装黏结层界面状态见图22,黏结层材料处于松软状态,与完全固化状态不同.通车11年后黏结层存在这种状态是不正常的,这也反映出黏结层强度失效是产生铺装脱层病害的主要原因.

最后采用机械喷砂方式清洁钢桥面板,达到清洁度和粗糙度的设计要求(图23),并按照维修设计方案完成铺装施工.为了保证交通通行、施工安全和维修施工效率,该项目采用了一幅双向车辆通行、一幅进行铺装维修的施工组织方式,交替完成整桥铺装大修工程,见图24.

图19 铺装整体出现开裂、推移、坑槽

图20 铺装整体铣刨

图21 铺装机械挖除

图22 铺装病害位置的黏结层界面

图23 钢桥面重新喷砂除锈

图24 单幅封闭铺装维修与交通通行

环氧沥青铺装按照施工拌合温度可分为热拌、温拌和冷拌3种类型,按组成也可分为不同类型的环氧沥青产品,实际工程应用中因环氧沥青材料、施工质量、运行环境、交通荷载等的差异,其性能表现也会有较大差异.对具有较长使用寿命的环氧沥青铺装和有早期损害环氧沥青铺装在使用周期的性能表现和维修养护进行了调查分析,具体比较分析见表1.

4 结 语

为了保证环氧沥青钢桥面铺装的可靠性、耐久性,以下几方面问题需要重点考虑.

表1 环氧沥青钢桥面铺装使用周期性能表现及维修比较分析

(1)环氧沥青材料必须性能稳定、技术指标明确,环氧沥青混合料应具有良好的韧性和抗疲劳性能,铺装层、黏结层与钢桥面板能够形成具有可靠黏结强度的铺装复合体系,相关铺装材料、铺装方案应具有良好的应用工程案例.

(2)环氧沥青铺装施工工艺、技术要求和控制体系应全面、具体,并从环氧沥青材料角度,为环氧沥青铺装的施工便利性、可控性提供基础,尤其重视环氧沥青的混合、投入、涂布等机械装置的可靠性和稳定性,实地调查显示,较多的环氧沥青铺装早期病害与施工管理、机械设备控制有关.

(3)及时采用可行方案对环氧沥青铺装病害进行维修养护,一方面可以有效延长环氧沥青铺装使用寿命,保证钢桥面铺装的交通功能,另一方面也可以保护钢桥面板,减少或避免因铺装破损而造成的钢桥面板磨损和腐蚀.