钢桥面环氧沥青铺装用冷拌浇注式混合料修复应用研究

彭祝涛，王 滔，王 杰，尚 飞

(1.重庆市智翔铺道技术工程有限公司，重庆 400060； 2.招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆 400067)

大跨径桥梁大多采用钢箱梁结构，而正交异性钢桥面板是其重要组成部分，因自重轻，经济效益良好以及跨越能力超强等特点，得到了广泛的应用。但正交异性面板具有结构刚度不均匀，加劲肋顶部存在负弯矩，以及柔性支撑等问题，导致已建成的大跨径钢桥的桥面铺装在服务期限内或多或少出现各类铺装病害[1-2]。

目前常见的钢桥面铺装典型结构有双层SMA、浇注式GA+SMA及双层环氧沥青混凝土3种结构，双层环氧沥青混凝土以其高强度、高刚度、优良的耐疲劳性能以及良好的粘结性能等在大量的实体工程中得以应用[3]。由于环氧沥青混合料材质的特殊性，普通的沥青类材料无法与其有效结合，维修时往往采用与之性能相近的树脂类材料[4]。

国外对钢桥面环氧铺装维修方面的研究报道甚少，国内针对环氧沥青铺装的修复材料主要有冷拌环氧沥青砂浆、冷拌环氧树脂混凝土、ERE树脂沥青及EC0改性聚氨酯混凝土等。如贺晓川[5]采用了RA05的级配生产出冷拌环氧沥青砂浆，并将该材料用于白沙洲大桥坑槽修补，并形成了养护成果；徐磊[6]开发了名为修补I型的环氧树脂混凝土，并对该材料的环氧胶黏剂自身性能、树脂混凝土级配、疲劳性能及施工工艺进行了研究，并用于佛山平胜大桥的桥面养护维修工程中，取得了较好的维修效果。国内某公司采用ERE树脂沥青体系(EBCL+RA13+EBCL)对鄂东长江大桥进行了约141 m2的坑槽修补及205 m2的试验段病害修补。以上案例均为环氧沥青铺装结构病害的修复提供了解决方案，并验证了树脂类材料在修复钢桥面环氧沥青铺装的可行性。

浇注式沥青混合料由于其材料的自流平特性，在坑槽修复中避免了机械碾压，人工简单整平即可[7-9]，在快速养护方面具备明显优势，但无法与旧环氧铺装有效结合，并在材料冷却后不可避免地留下施工接缝。基于以上情况，结合环氧沥青铺装结构对修复材料的需求，利用浇注式沥青在病害修复中的优势，项目组开发了冷拌浇注式混合料(EGA)，并自制了具备知识产权的环氧胶结料。该材料兼备浇注式沥青混合料自流平特性和冷拌环氧材料在环氧铺装修补上的优点，修补后材料和原环氧沥青铺装之间无施工裂缝且形成一个整体板块，在钢桥面环氧铺装的养护工程中具备快速修补、施工便捷及节能环保等优势。同时项目组对环氧胶结料自身性能、混合料的路面性能及施工可行性等进行了研究。

1 环氧胶结料

冷拌浇注式环氧胶结料为热固性材料，为环氧树脂和固化剂按照特定比例混合均匀制得。冷拌浇注式混合料(EGA)微观上为环氧树脂形成的空间网络结构，其中环氧胶结料为环氧混合料的强度主体[10-11]。为研究冷拌浇注式环氧胶结料的材料性能，分别对材料的粘结强度、延展性、抗紫外老化性、耐酸性等方面进行了试验研究。

1.1 粘结性能与抗剪性能

良好的粘结性能和抗剪性能，可使桥面钢板和环氧混合料这2种不同性质的材料能较好地粘结成一个整体，以保证在车辆荷载的水平作用下不至于层间推移，防止在铺装层间产生脱层、推移等病害。

环氧胶结料在不同的养护温度下，其强度呈现较大差异。为了模拟钢桥面铺装在不同温度下的粘结和抗剪情况，选取了25 ℃、40 ℃和60 ℃三个温度进行试验，结果见表1。

表1 粘结与抗剪强度试验结果

由表1可知，在25 ℃时，环氧粘结剂的粘结性能、抗剪性能超过5 MPa；随着温度增加，粘结、抗剪强度随之降低，但在60 ℃等极端高温情况下，粘结强度和抗剪强度分别能达到2.27 MPa和1.62 MPa，说明该环氧粘结剂即使在高温不利情况下仍有较强的抵抗能力。

1.2 延展性

试验设备采用电子万能试验机，参照《硫化橡胶或热塑性橡胶-拉伸应力应变性能的测定》试验规程，进行环氧胶结料的延展试验。

本次试样共3组，选用哑铃状试样。试验前，将试样置于60 ℃恒温环境中养护24 h，确保环氧胶结料交联反应充分完成。试验时，试样温度保持在室温(25 ℃)环境下进行试验数据采集，结果见表2。

表2 延展试验测试结果

由表2可知，在室温(25 ℃)环境下，环氧胶结料的拉伸强度平均值约为4 MPa，远超试验技术指标要求。同时，断裂伸长率基本保持在60%左右，高于技术指标20%。说明环氧胶结料的延展性能良好，均可满足技术指标要求。

1.3 抗紫外老化试验

在自然环境下，紫外老化的周期较长，一般需要2～3年才会呈现出老化现象。为了在短时间内证明材料的抗紫外老化性能，试验采用了氙灯耐气候试验箱来模拟环氧胶结料在室外环境下受紫外影响的老化情况。

测试经紫外老化试验试件与未经过老化试件的延展性能并进行对比分析，用以评价自制环氧胶结料的抗紫外老化性能，试验结果见表3。试件在模拟试验箱内经7 h的紫外照射后，发现拉伸试件未有明显的发黄、粉化现象。

表3 紫外老化测试结果

由表3可见，经紫外老化试验后，环氧胶结料的拉伸强度和断裂伸长率分别下降了15%、20%，其中拉伸强度仍符合技术指标要求，而断裂伸长率略低于技术指标要求，但均能保持良好的状况。

1.4 耐酸性

在使用过程中，钢桥面铺装极易受到酸雨、残留化学品、车辆油斑等外界腐蚀物的影响而出现老化。经过10 d的环氧酸雾试验，并对酸雾试验老化后的试件进行性能测试，研究环氧胶结料的拉拔强度的变化情况来验证环氧胶结料的耐酸腐蚀性能，试验结果见表4。

表4 耐酸雾试验后拉拔强度试验结果

由表4可知，随着酸雾试验时间的延长，其拉拔强度有一定的衰减。以最长10 d的酸雾时间结果来看，与未经酸雾老化的拉拔强度相比，衰减了仅约13%，影响较小，说明环氧胶结料有较强的耐酸腐蚀的性能。

1.5 胶凝时间

环氧胶结料在拌和及养生过程中，在固化剂的官能团作用下，环氧树脂发生了开环反应，并逐渐形成空间网络体系。经过环氧聚合交联反应，逐渐聚合成不均匀的微凝胶体，随着环氧固化的进行，这种胶体不断增长，直至聚合成大的凝胶体，最终形成网状立体聚合物[12]。这种行为在宏观上，则表现为粘度的不断增大至胶结料的凝固、硬化并形成强度的过程。

室温(25 ℃)环境下，在不同时间节点下，环氧胶结料在宏观表现的流动性能及聚合情况观测结果见表5。

表5 流动性能及聚合情况

由表5可知，混合均匀后的环氧胶结料在常温(25 ℃)情况下，在第3小时出现拉丝现象，说明该时间段已开始形成微凝胶体，随着胶体的不断增长，在第4小时开始初凝现象，该阶段持续约1 h后，环氧胶结料发生完全固化。

2 冷拌浇注式混合料

2.1 级配设计

冷拌浇注式混合料(EGA)每档矿料的通过率，参照JTG/T 3364-02—2019《公路钢桥面铺装设计与施工规范》中浇注式沥青混合料(GA10)级配范围要求进行设计。冷拌浇注式混合料(EGA)中外加剂掺量为石料的0.5%，该部分计入矿粉的用量。环氧胶结料占总石料的比例，即胶石比为12%，设计级配范围见表6。

表6 冷拌浇注式混合料(EGA)级配范围

2.2 路用性能

对冷拌浇注式混合料(EGA)进行刘埃尔流动度、马歇尔稳定度、流值及低温弯拉性能研究，并与浇注式沥青混合料(GA)、环氧沥青混合料(EA)的路用性能进行对比分析。

2.2.1 流动度

刘埃尔流动度指标主要用于评价浇注式沥青混合料的施工和易性，在JTG/T 3364-02—2019《公路钢桥面铺装设计与施工规范》中，对室内目标配合比刘埃尔流动性作了规定，要求指标处于5 s～20 s之间，且为防止浇注式沥青混合料离析，要求下限值≥5 s。而浇注式沥青混合料运至现场时，流动性只要满足良好和易性即可进行施工，试验设备见图1。

(a) 料桶(b) 支架(c) 落锤

冷拌浇注式混合料(EGA)与浇注式沥青混合料(GA)具备相同的流淌特性，则该试验方法依旧适用于冷拌浇注式混合料(EGA)。

室温(25 ℃)环境下，在混合料生产过程中，对冷拌浇注式混合料(EGA)进行刘埃尔流动度测试，结果见表7。

表7 冷拌浇注式混合料(EGA)流动度测试结果

由表7可知，冷拌浇注式混合料(EGA)在拌和后1 h以内，能保持较好的流动度状况。随着时间增长，拌和1.5 h后，流动性出现急剧下降，施工和易性较差，但仍能进行施工。在拌和2 h后，混合料失去了流动性，此时已无法施工。

冷拌浇注式混合料(EGA)的现场施工工艺较为简单，只需将矿料和胶结料按比例混合搅拌均匀，直接人工摊铺，简单整平即可。冷拌浇注式混合料(EGA)的容留时间在1.5 h以上，完全可满足现场施工时间需求。

2.2.2 马歇尔稳定度

对马歇尔试件在恒定的温度及加载速率条件施加压力，可测定试件的稳定度和流值指标。虽然马歇尔稳定度并不能直接反映混合料的路用性能，但可间接反映混合料的强度、力学性能及承受荷载的能力[13]。

试验选用了3种材料进行马歇尔稳定度试验，分别为冷拌浇注式混合料(EGA)、日本热拌环氧沥青混合料(EA)和浇注式沥青混合料(GA)，结果见表8。

表8 马歇尔稳定度试验结果

由表8可知，冷拌浇注式混合料(EGA)的马歇尔稳定度试验测试结果均符合技术指标要求，其中冷拌浇注式混合料(EGA)的马歇尔稳定度比环氧沥青混凝土(EA)高约30%，说明冷拌浇注式混合料(EGA)的强度优于环氧沥青混凝土(EA)，但冷拌浇注式混合料(EGA)的流值比环氧沥青混凝土(EA)高约60%，说明承受变形能力较环氧沥青混凝土(EA)差。

2.2.3 低温弯拉性能

低温弯拉试验是为了测试混合料的抗弯拉和抗变形能力，用于评价混合料的变形性能及弯拉模量等，可间接反映混合料抗疲劳特性及模量情况等[14]。

本次试验采用小梁试件，试验温度为-10 ℃，试验结果见表9。

表9 几种混合料低温小梁弯拉结果

由表9可知，3种材料均满足设计规范中技术指标要求，冷拌浇注式混合料(EGA)与环氧沥青混合料(EA)的低温变形性能基本接近，但和浇注式沥青混合料(GA)相比，低温弯曲应变、劲度模量、弯拉强度远高于浇注式沥青混合料(GA)，说明环氧类混合料(EGA、EA)具备更高的刚度，且低温变形能力优于浇注式沥青混合料(GA)。

3 实体工程应用

本文所研制的钢桥面环氧沥青铺装用冷拌浇注式混合料修复材料已成功应用于宁波某斜拉桥。该斜拉桥位于繁忙的港口码头必经咽喉要道，钢桥面铺装层常年处于交通超载、重载等超负荷的不良状况。目前，在日常养护工程中，冷拌浇注式混合料在该桥已大面积推广使用，修补的桥面铺装运营情况良好，未发现二次破损、开裂情况，说明自制的冷拌浇注式混合料具有良好的力学性能和修补特性，能够满足实体工程的需要。具体实施效果见图2。

(a) 刚修补后的冷拌浇注式混合料 (b) 修补半年后使用情况

4 结论

针对钢桥面环氧铺装的养护需求，开发了冷拌浇注式混合料(EGA)修补材料，通过对该材料的环氧粘结料和混合料的力学性能、路用性能等进行试验研究，得到以下结论：

1) 冷拌浇注式环氧胶结料具有优异的力学性能，其粘结强度、抗剪强度、延展性能指标(断裂伸长率、拉伸强度)均满足技术指标要求。

2) 紫外老化和耐酸腐蚀后，环氧胶结料的力学性能均出现衰减，且衰减后的各项指标仍处于较好的状态，说明环氧胶结料具有良好的抗紫外老化性能和耐酸腐蚀性能。

3) 冷拌浇注式混合料(EGA)的马歇尔稳定度和流值满足技术指标要求，其马歇尔稳定度比环氧沥青混凝土(EA)高约30%，说明强度优于环氧沥青混凝土(EA)，但承受变形能力较环氧沥青混凝土(EA)差。

4) 冷拌浇注式混合料(EGA)与环氧沥青混合料(EA)的低温变形性能基本接近，但较浇注式沥青混合料(GA)的低温弯曲应变低，而劲度模量高。

5) 相比于环氧沥青混凝土，冷拌浇注式混合料价格上更具优势，未来有很大的应用推广前景。

6) 冷拌浇注式混合料具备良好的力学性能、施工和易性，能够满足实体工程的需要，目前已在实体养护工程中进行了大面积应用，且应用情况良好。