钢桥面铺装组合结构的路用性能研究

刘 攀,2， 盛兴跃，李 璐，刘誉贵

(1.重庆市智翔铺道技术工程有限公司，重庆 401336；2.重庆交通大学，重庆 400074)

0 引言

钢桥面铺装成为桥梁建设的关键技术之一，直接关系到桥梁耐久性、行车安全、舒适度以及经济效益和社会效益[1]。经过10余年研究及应用，国内钢桥面铺装形成了3种体系：浇注式沥青混凝土铺装体系、环氧沥青混凝土铺装体系和SMA铺装体系[2-6]。但桥面变形大、铺装层薄、剪应力大所带来的铺装技术问题一直依然是一个世界性难题，如低温开裂、疲劳开裂、防水粘结层失效和层间推移等[7-8]。

为了解决钢桥面铺装技术难题，重庆市智翔铺道技术工程有限公司成功开发出了热拌高韧性环氧沥青及二阶环氧树脂防水粘结剂，经过持续改进，综合性能已能和国外同类型产品相当。基于此，本文对双层高韧性环氧沥青混凝土，以及新型铺装组合结构“下面层浇注式沥青混凝土GA+上面层高韧性环氧沥青混凝土EA”和“下面层高韧性环氧沥青混凝土EA+上面层改性沥青SMA”的性能进行研究，并与“下面层浇注式沥青混凝土GA+上面层改性沥青SMA”和双层改性沥青SMA的性能进行对比，同时研究二阶环氧树脂防水粘结剂与上述5种铺装组合结构的适应性，研究结果以期为钢桥面铺装提供一定的依据和指导。

1 实验部分

1.1 钢桥面铺装组合结构

本文选择5种钢桥面铺装组合结构，即EA-10+EA-10、EA-10+SMA-10、GA-10+EA-10、GA-10+SMA-10和SMA-10+SMA-10。

1.2 试验原材料

基质沥青采用SK70#进口沥青；GA-10所用沥青为聚合物复合改性沥青，SMA-10所用沥青为高弹改性沥青，EA-10所用沥青为高韧性环氧沥青，其基本技术指标如表1所示。二阶环氧树脂防水粘结剂，其拉伸强度大于5 MPa，断裂伸长率大于100%。集料为坚硬耐磨的玄武岩，矿粉为磨细石灰石，其性能指标均满足相关规范要求。级配曲线如图1所示，其中，GA-10的油石比为7.7%；SMA-10的油石为6.0%；EA-10的油石比为6.7%。

1.3 试验方法

铺装组合结构试件按“铺装下面层-二阶环氧树脂防水粘结层-铺装上面层”的顺序成型。GA-10由于其油石比高，可自流平成型，而EA-10和SMA-10则采用轮碾成型。需要注意的是，高韧性环氧沥青混合料制备工艺须严格控制温度和拌合顺序，成型后放入烘箱中养护，直至其固化完全。

表1 沥青的技术指标Table 1 Properties of asphalt沥青种类针入度(25 ℃)/0.1mm延度/cm软化点(环球法)/ ℃SK70#道路沥青64.654.2(10 ℃)47.8聚合物复合改性沥青35.018.1(5 ℃)116.3高弹改性沥青74.357.6(5 ℃)93.2高韧性环氧沥青16.8—>200

图1 沥青混合料级配组成设计Figure 1 Gradaton of aggregate

按照相关规范要求，评价上述5种铺装组合结构的高温性能、界面粘结性能、疲劳性能、抗滑性能及防水性能。

2 结果与讨论

2.1 铺装组合结构的高温性能研究

高温车辙会使沥青路面使用性能大大降低，严重影响路面的使用质量和服务寿命，危及行车安全[9]。对于钢桥面铺装来说，铺装层的夏季使用温度比普通路面更高(极限温度可达70 ℃以上)，且铺装层厚度偏小，因此，钢桥面铺装层对混合料的高温稳定性要求更高[10]。按照规范要求，进行铺装组合结构的60 ℃和70 ℃车辙试验，以动稳定度与车辙深度两项指标综合评价组合结构的高温稳定性。

2.1.1铺装组合结构类型

评价不同铺装组合结构的高温稳定性，试验结果如表2所示。

表2 铺装组合结构车辙试验结果Table 2 Rutting test results of pavement composite structures铺装组合结构类型动稳定度/(次·mm-1)车辙深度/mm60 ℃70 ℃60 ℃70 ℃35 mm GA-10+35 mm SMA-105 2503 1001.732.2135 mm SMA-10+35 mm SMA-107 3004 2001.521.7030 mm EA-10+30 mm EA-1063 00063 0000.270.2930 mm GA-10+30 mm EA-1031 50021 0000.490.5130 mm EA-10+30 mm SMA-109 7506 0130.991.26

环氧沥青混合料由于其热固性特点，使其具有优异的高温性能，这也是该材料非常突出的优势所在，而浇注式沥青混合料的高沥青含量导致其高温性能较差，高弹改性沥青SMA由于其骨架密实结构使其具有较为良好的高温性能。结合表2的数据可以看出，EA-10+EA-10的高温稳定性最为优异，而后依次是GA-10+EA-10、EA-10+SMA-10、GA-10+SMA-10和GA-10+SMA-10。GA-10+EA-10在60 ℃和70 ℃下的动稳定度均较高，车辙深度也较小，这是因为EA-10在上面层限制了下面层GA-10的变形，使其表现出优良的高温性能。下面层采用EA-10的组合结构也具有较为良好的高温性能，说明采用高韧性环氧沥青混凝土均能提高组合结构的高温性能，对于高温重载地区，该结构具有明显的技术优势，尤其是EA-10+EA-10和GA-10+EA-10。

2.1.2铺装组合结构厚度

近年来，经过大量实体工程应用，“上面层浇注式沥青混凝土GA+下面层改性沥青SMA”已成为国内钢桥面主流铺装方案，应用面积占整个钢桥面铺装面积的一半以上。在此，进一步评价GA-10+SMA-10不同组合结构厚度的高温稳定性(铺装层厚度70 mm)，试验结果如表3所示。

表3 GA-10+SMA-10组合结构厚度车辙试验结果Table 3 Rutting test results of GA-10+SMA-10铺装组合结构厚度动稳定度/(次·mm-1)车辙深度/mm60 ℃70 ℃60 ℃70 ℃25 mm GA-10+45 mm SMA-106 3003 8001.672.2330 mm GA-10+40 mm SMA-105 2503 0002.002.6835 mm GA-10+35 mm SMA-105 2503 1001.732.2140 mm GA-10+30 mm SMA-104 8463 0002.153.0945 mm GA-10+25 mm SMA-103 9372 6002.643.53

由表3可以看出，组合结构厚度对GA-10+SMA-10的高温稳定性有一定影响。具体表现为GA-10厚度越小，SMA-10厚度越大，组合结构的动稳定度越大，车辙深度越小。仅针对高温性能而言，GA-10的厚度较小为佳，这是因为浇注式沥青混合料的高温性能本就弱于高弹改性沥青SMA。本文仅仅探讨了组合结构厚度对GA-10+SMA-10高温性能的影响，至于对铺装结构其他性能的影响有待后续的研究进一步揭示。

2.2 铺装组合结构的界面粘结性能研究

钢桥面铺装层结构的界面结合强度直接反映了铺装体系整体的抗剪强度和铺装层抗推移能力[11]。待二阶环氧树脂防水粘结剂形成最终强度后，按照规范要求，进行铺装材料与钢板的拉拔剪切试验以及铺装组合结构的层间拉拔剪切试验，以拉拔强度与剪切强度两项指标综合评价组合结构的界面粘结性能。其中，拉拔强度主要表征垂直方向上的粘结性能，剪切强度主要表征水平方向上的抗剪性能。

2.2.1下面层铺装材料与钢板的粘结强度

在喷砂除锈的钢板上均匀涂布一层环氧富锌漆，再涂布一层二阶环氧树脂防水粘结剂，随后轮碾法加铺不同的混合料。评价下面层铺装材料与钢板的界面粘结性能，试验结果如表4所示。

表4 下面层铺装材料与钢板的粘结强度试验结果Table 4 The results of bond strength between paving ma-terials and steel plate下面层铺装材料拉拔强度/MPa剪切强度/MPa25 ℃60 ℃25 ℃60 ℃GA-102.850.304.050.76SMA-102.760.303.880.71EA-103.891.205.721.63

由表4可以看出，EA-10与钢板具有最优的界面粘结性能，SMA-10和GA-10相差不大。EA-10属于反应型材料，其表面的高韧性环氧沥青和二阶环氧树脂防水粘结剂能形成更强的化学结合力，因此与钢板有着更为优异的粘结力。由于二阶环氧树脂防水粘结剂优异的粘结性能，SMA-10和GA-10与钢板也有较大的粘结力。另一方面，温度越高，铺装材料与钢板的拉拔强度和剪切强度则越小。在25 ℃下，不同铺装材料的拉拔强度均大于2.5 MPa，远远超过规范要求；即使在60 ℃下，SMA-10和GA-10与钢板的拉拔强度也有0.3 MPa。上述结果表明，采用自制二阶环氧树脂防水粘结剂，上述3种铺装材料均能很好地与钢板粘结。

2.2.2铺装组合结构的层间粘结强度

评价不同铺装组合结构层间的界面粘结性能，试验结果如表5所示。

表5 铺装组合结构的层间粘结强度试验结果Table 5 The results of bond strength of pavement com-posite structures铺装组合结构类型拉拔强度/MPa剪切强度/MPa25 ℃60 ℃25 ℃60 ℃GA-10+SMA-102.650.253.120.90SMA-10+SMA-102.610.232.850.76EA-10+EA-103.531.076.612.30GA-10+EA-103.300.425.071.82EA-10+SMA-103.120.385.031.71

从上述结果可以看出，EA-10+EA-10具有最优的层间粘结性能，而后依次是GA-10+EA-10、EA-10+SMA-10、GA-10+SMA-10，而SMA-10+SMA-10的粘结性能相对较差。同样地，随着温度的升高，铺装组合结构的层间拉拔强度和剪切强度逐渐降低。采用自制二阶环氧树脂防水粘结剂，上述5种铺装组合结构均表现出优异的界面粘结性能。结合2.2.1的结论可以发现，二阶环氧树脂防水粘结剂能很好地适应钢桥面铺装结构。

2.3 铺装组合结构的疲劳耐久性

由于正交异性板的特性，加之桥梁跨径越来越大，导致钢桥面铺装层变形大，这就要求铺装层具有优良的柔韧性和适应变形的能力，以避免早期疲劳开裂[12]。进行铺装组合结构的五点弯曲疲劳试验，以疲劳寿命评价其抗疲劳耐久性。采用正弦函数加载，加载频率10 Hz，试验温度20 ℃，最大荷载为28 kN，最小荷载为4.2 kN，试验过程中每隔0.5 h检查一次结构层出现的裂缝、铺装层与试验板的分离情况或其他损坏，在防水粘结层与铺装层出现的裂缝长度达到试件总周长的一半时，认为试件彻底破坏，停止试验并记录循环荷载次数，试验结果如表6所示。

表6 铺装组合结构的五点弯曲疲劳试验结果Table 6 Five-point bending fatigue test results of pave-ment composite structures铺装组合结构出现破坏时的循环荷载次数/万次疲劳寿命/万次测试值平均值GA-10+SMA-1091.6130.6127.087.3123.3SMA-10+SMA-1062.195.792.158.688.5EA-10+EA-10101.4177.5165.0109.7152.5GA-10+EA-10121.3177.6172.5117.6167.3EA-10+SMA-1090.7138.2132.586.3126.7

由表6可知，除SMA-10+SMA-10的疲劳寿命仅为92.1万次，其他组合结构的疲劳寿命均超过100万次。具体地，5种组合结构疲劳寿命的大小顺序依次为GA-10+EA-10>EA-10+EA-10>EA-10+SMA-10>GA-10+SMA-10>SMA-10+SMA-10。采用EA-10的铺装组合结构具有较大的疲劳寿命，其疲劳性能更为优异。然而，由于高韧性环氧混凝土的刚性较大，对于柔性钢桥面，其适用性是很不确定的，这有待实际工程的检验[13]。

2.4 铺装组合结构的抗滑性能

铺装组合结构的抗滑性能主要取决于上面层混合料的抗滑性能，因此，只需测试上面层混合料的摆值与构造深度即可综合评价组合结构的抗滑性能。5种铺装组合结构的上面层为SMA-10或EA-10，在此笔者分别测试了GA-10+SMA-10，SMA-10+SMA-10和EA-10+SMA-10的摆值和构造深度，取其平均值，同理取EA-10+EA-10和GA-10+EA-10摆值和构造深度的平均值，试验结果如表7所示。

表7 铺装组合结构的抗滑性能试验结果Table 7 Anti-sliding performance test results of pave-ment composite structures铺装组合结构类型摆值BPN构造深度TD/mm测试值平均值测试值平均值861.02GA-10+SMA-10(SMA-10+SMA-10或EA-10+SMA-10)8485.30.971.00861.00EA-10+EA-10(GA-10+EA-10)7675.00.830.81740.78

由表7可知，相比于EA-10，SMA-10摆值和构造深度更大，这是由于SMA-10属于间断级配，表面孔隙大，而EA-10属于悬浮密实结构。两种混合料的摆值均大于70，满足规范要求(>45)，说明EA-10和SMA-10均具有良好的抗滑性能。若对铺装层抗滑性能要求较高，上面层可优先考虑SMA-10。

2.5 铺装组合结构的防水性能

钢桥面铺装层应具有良好的防水性能，以避免水分剥离铺装层，损伤钢板。试验表明，GA-10空隙率几乎为零，具有优异的抗渗水性能，而EA-10和SMA-10有一定的空隙率(1%～4%)，水分可能渗透。因此，采用GA-10作为铺装下面层的组合结构(GA-10+SMA-10和GA-10+EA-10)具有良好的防水性能，而其他3种结构的防水性能则有待进一步提高。

3 结语

本文对5种钢桥面铺装组合结构的高温性能、界面粘结性能、疲劳性能、抗滑性能、防水性能、经济成本及施工工艺进行对比分析，结果汇总如表8所示。

从技术性能角度考虑，5种铺装组合结构的路用性能均满足规范要求，同时二阶环氧树脂防水粘结剂能很好地适用于各种铺装组合结构。高韧性环氧沥青混凝土EA-10的高温稳定性十分优异，聚合物复合改性沥青浇注式沥青混凝土GA-10的防水性能优越，高弹改性沥青SMA-10的抗滑性能更为突出。其中，EA-10+EA-10具有更优的高温性能、疲劳性能和界面粘结性能，其次依次为GA-10+EA-10、EA-10+SMA-10、GA-10+SMA-10和SMA-10+SMA-10。从经济成本角度考虑，高韧性环氧沥青价格比聚合物复合改性沥青及高弹改性沥青高，导致EA-10+EA-10的成本最高，GA-10+EA-10和EA-10+SMA-10次之，而GA-10+SMA-10和SMA-10+SMA-10的成本较低。从施工工艺角度考虑，EA-10施工条件苛刻、施工工艺复杂，铺装完毕后还需养护一段时间方能开放交通，GA-10和SMA-10无需养护，施工完毕即可开放交通。这说明SMA-10+SMA-10和GA-10+SMA-10施工工艺较为简单，GA-10+EA-10和EA-10+SMA-10较复杂，而EA+EA最为复杂。因此在实际工程应用中，应综合考虑铺装组合结构的技术性能、经济成本及施工工艺等因素，从而确定铺装技术方案。

表8 铺装组合结构综合技术性能对比结果Table 8 Comprehensive technical performance comparison results of pavement composite structures铺装组合结构高温性能疲劳性能界面粘结性能抗滑性能防水性能经济成本施工工艺GA-10+SMA-10良较优良优优低易SMA-10+SMA-10良良良优良低易EA-10+EA-10优优优良良高难GA-10+EA-10优优较优良优较高较难EA-10+SMA-10较优较优较优优良较高较难