双层SMA 钢桥面铺装病害及翻修施工措施

刘婷婷

（大成工程建设集团有限公司，福建 厦门 361000）

海沧大桥主桥为三跨连续全漂浮结构钢箱梁悬索桥，桥面为12mm 厚正交异性钢板。1999 年通车后，经过多年超载、重载、交通流量的快速增长、温湿度环境和沥青材料的疲劳老化作用，钢桥面铺装出现多种病害，至今已经过3 次全桥翻修。翻修后钢桥面铺装结构为环氧富锌底漆+双层环氧粘结层（撒碎石）+橡胶沥青砂胶+35mm 改性沥青SMA+ 玻纤格栅+35mm 改性沥青SMA。2017 年钢桥面重车道铺装的车辙、推移及坑槽情况比较严重，影响了桥面铺装的使用行性能，重车道采取局部翻修处理。文章针对2017 年海沧大桥钢桥面铺装病害及翻修施工措施进行简要的分析，以供参考。

1 双层SMA 钢桥面铺装病害及成因

1.1 钢桥面铺装病害

海沧大桥东航道桥进岛方向1K5+500 ～1K5+950段、出岛方向1K5+150 ～1K5+850 段外侧重车道，均出现了不同程度的车辙、推移、纵向裂缝和坑槽病害。出岛方向位于西索塔附近重车道约150m 存在较明显的“W”形车辙，车辙深1 ～2cm，宽约40cm，中间形成了较明显的凹槽，两侧边缘有明显的隆起，且在隆起部位分布多条与凹槽平行的纵向裂缝，多呈连续发育。在重车道上的推移破拥包破坏其纵向变形影响10 ～40cm，产生推移之前周边往往已出现横向裂缝或斜向裂缝发展，横向裂缝长达2 ～25cm。坑槽在重车道上多处分布，其大小深度不一，多数存在坑槽内松散的残存集料裸露，集料沥青膜剥落，有的在面层深度范围内的集料已全部流失，出露钢桥面板。其中部分较严重的病害已经局部挖除沥青面层修补，修补段每20 ～30m 出现一处，平均每处约6m2，呈现一定的规律分布。最大修补段落长约35m，宽约2m，修补部位仍出现裂缝、车辙、推移等二次病害。

根据现场调查，各种病害形式在海沧大桥主桥钢箱梁桥面除纵向裂缝在主车道有零星分布外，其余均分布在重车道位置，且靠近紧急停车带一侧。

1.2 病害成因

（1）车辙。海沧大桥钢桥面铺装的“W”形车辙属于典型的失稳型车辙，主要由以下原因造成：①交通流量的大幅上涨，实际交通量15.3 万辆/d，已达设计交通量的3 倍，单位时间内轴载作用次数增加，加快了沥青混凝土铺装层永久竖向变形的产生。②夏季极端气温较高，当地7 月历年最高气温39.2℃，且有逐年提高的趋势，在太阳强辐射的影响下，普通道路沥青混凝土上面层最高温度可达55 ～63℃。由于密闭钢箱梁的储热作用，钢桥面沥青铺装层的温度更高达65 ～70℃。在高温下，沥青混合料中的沥青黏度降低，对集料的胶质黏结作用减小，混合料的劲度模量降低，沥青混合料在车轮荷载剪切应力产生剪切形变的反复作用下，逐渐横向流动，被挤压至轮迹的两侧，形成两侧隆起的失稳变形。③许多重载、超载汽车车速较低，由于海沧大桥通行时段控制，重车短时段内集中通行，也造成一定的拥堵。在重车道上的渠化交通条件下，低车速和重轴载的叠加，超出了沥青混合料所能抵抗的反复行车荷载产生的剪应力，失稳性车辙迅速产生。

（2）推移。高温、重载条件下，弯拉应力与横向剪应力共同作用，超过了粘层的抗剪强度，产生破坏，造成沥青混凝土铺装与钢桥面板脱空。脱空后的铺装结构层在行车荷载水平分力的反复作用下，特别是重载、超载车辆紧急制动冲击力作用下，出现沥青混合料纵向嵌挤、推移，这种推移伴随着周边横向裂缝及斜向裂缝的发展，一旦出现裂缝，推移破坏迅速发展，就会快速产生了隆起、拥包。

（3）坑槽。坑槽多发生在推移拥包以及裂缝发育严重的位置。当地春夏多雨，雨季时间长，存在台风暴雨等恶劣气候。推移拥包以及车辙隆起部位负弯矩区的裂缝等病害使得沥青混合料空隙率增大，自由水在雨季得以自上而下并长期贮留在沥青混合料孔隙中，在行车荷载作用下，形成动水反复冲刷，沥青膜与集料的黏附性降低，逐渐脱落，混合料变得松散，逐渐被行车荷载带离，飞散以致形成坑槽。

2 双层SMA 钢桥面铺装翻修方案

根据设计及现场调查，钢桥面原双层SMA 铺装病害及局部修补主要存在于重车道上，其余车道仅有轻微的纵向裂缝。由于双层SMA 铺装工艺成熟、进度快、成本较低，因此局部翻修方案仍然采用挖除病害段落，重铺高弹改性双层SMA10 沥青混凝土铺装层。钢桥面铺装翻修结构如图1 所示。

图1 钢桥面铺装翻修结构图

3 翻修施工措施要点

3.1 环氧树脂粘层涂布

有研究表明，在设计行车荷载下钢桥面与粘层间剪应力不超过2MPa，而二阶环氧树脂粘层与钢板的设计黏结强度大于3MPa，因此，粘层的破坏脱空有很大可能是重载、超载破坏作用或是施工不当，粘层的黏结强度未能有效增长至设计强度。病害区域的粘层、防腐底漆以加装刮板的挖掘机刮除，人工清除干净后，必须采用手动喷砂进行除锈与粗糙化处理。为保证粘层与钢桥面间有良好的附着黏结力，钢桥面的清洁度达到St2 级，喷砂粗糙度达到50 ～100um，才能进行粘层涂布。环氧树脂黏结剂主剂和固化剂混合后，固化时间和可使用时间随着温度的升高而迅速降低，因此涂布环氧树脂黏结剂时应保持20 ～30℃的适当温度。喷涂结束应养生至微固化指干状态，防止因推移和粘轮破坏粘层。环氧树脂黏结剂可使用时间如表1 所示。

表1 封环氧树脂黏结剂可使用时间

3.2 混合料生产

从导致钢桥面铺装产生病害的主要因素如高温、多雨、重载方面来说，钢桥面铺装必须具有抗高温变形、抗渗水及车辙动稳定度高的性能。高弹SMA 混合料是最适合的材料，而高弹改性沥青、粗集料等材料性能和配合比的准确性是钢桥面翻修SMA 混合料生产的控制要点。

（1）高弹改性沥青应先试加工，并经性能检测应合格方可使用，过程中应严格控制温度：加工温度控制在175 ～180℃，出料温度180 ～190℃，贮存温度不超过190℃。其技术要求如表2 所示。

表2 SMA-10 高弹改性沥青技术指标

（2）SMA 混合料的粗集料要求采用碱性石料，常用玄武岩和辉绿岩。玄武岩存在微孔，表面较为粗糙，吸水率略大，与沥青的黏附性有所增强，未掺加剥落剂条件下，相较辉绿岩水稳定性略好。根据相关研究，行车荷载在沥青混合料中最大的剪应力在距顶部约4cm处，即保护层顶部区域内。在重载条件下，保护层混合料作为主要承重结构的粗集料有更高的抗压强度要求。由于当地使用的玄武岩密度大，相对辉绿岩压碎值小，抗压强度高，可以提高保护层混合料的抗变形和车辙能力，因此从提高磨耗层的抗渗水和保护层的抗变形及车辙能力方面，粗集料应优先选用玄武岩。粗集料应采用坚硬、耐磨的岩石轧制，颗粒形状应近似立方体且需洁净、干燥、无杂质,拌和时加热至200 ～240℃。其技术要求如表3 所示。

表3 粗集料技术性能指标

（3）沥青混合料在生产前应进行目标配合比设计和生产配合比设计，并对级配、油石比以及混合料性能进行检验，各项性能均需满足设计及规范要求。当地夏季炎热，钢桥面铺装受极端高温及昼夜温差大的不利影响，尤应验证混合料在70℃高温时，抗车辙试验动稳定度不小于3000 次/mm。

3.3 混合料压实

局部压实度不足是钢桥面铺装产生早期明显车辙和坑槽的重要原因。钢桥面板厚度薄，在碾压荷载下变形较大。复压阶段，若采用双钢轮振动压路，可能与钢桥面板形成共振，造成混合料局部压实不足，过大的激振力也可能造成混合料松散破坏。水平振荡碾压时，在压路机垂直静压力与碾压轮接触面水平振荡力的复合作用下，混合料揉压密实，而垂直方向复合压力基本与静压力相等，可以有效避免垂直方向的共振，碾压效果均匀，不会造成钢桥损坏。因此，复压阶段应优先采用水平振荡压路机碾压，为确保复压质量，控制振荡碾压4 遍，复碾完成时铺装温度应大于130℃。

4 结束语

双层SMA 桥面铺装病害主要是由于钢桥面板薄、变形大的特性与高温多雨气候以及重载行车的不利因素叠加造成。双层SMA 沥青混合料翻修施工需要加强几个易产生病害的关键工序——粘层涂布、混合料生产、压实的工艺控制，包括相关的材料选择及性能检验、配合比级配计量准确、施工温度控制、压实方式等，避免施工不当造成的沥青混合料的早期病害。海沧大桥重车道局部双层SMA 钢桥面铺装翻修两年后，路面性能良好，没有出现明显病害。从海沧大桥钢桥面铺装病害主要出现在局部重车道上，而其他行车道没有明显病害来看，重载超载是其中最主要的病害诱因，即便采用双层SMA 翻修，在交通流量远超设计的情况下，也需要较高频次翻修（以海沧大桥为例，平均5 年翻修一次）。今后类似项目可以考虑以下措施：（1）限制超载行车，分流重载行车。（2）采用抗压强度高的铺装结构如环氧沥青混合料+改性沥青SMA 或环氧沥青混合料+环氧沥青混合料。