钢-超高性能混凝土组合桥面铺装现状

肖 丽，常 城，王 滔，贾兴文

(1.重庆市智翔铺道技术工程有限公司，重庆 400060；2.重庆大学 材料科学与工程学院，重庆 400044)

正交异性钢桥面板以自重轻、承载能力强和整体性好等优点在国内外大跨度桥梁中得到广泛应用。但正交异性钢桥面板由于构造复杂、焊缝多、焊接残余应力大等原因，在车轮荷载反复作用下易出现疲劳破坏[1-2]。同时正交异性板易致使局部竖向刚度不均匀，使钢桥面铺装承受较大的表面拉应力和层底剪应力，极易损坏[3-4]。

正交异性钢桥面板疲劳开裂和铺装层频繁破坏会造成桥面系使用性能和耐久性能显著下降，危及桥梁安全。为解决上述问题，国内外研究者提出了多种解决方案，其中增加桥面系刚度是最直接的解决方法[5-6]。超高性能混凝土(UHPC)铺装通过提高铺装材料模量及与桥面板之间的粘结性能，达到提高桥面系刚度的目的，并通过提高铺装材料抗弯拉强度和柔韧性以增强其抗裂能力，目前不仅用于钢桥面铺装补强工程，也用于新建工程[7-8]。

超高性能混凝土是指由水泥、矿物掺合料、骨料、纤维、外加剂和水等原材料制成的具有超高力学性能、超高抗渗性能的高韧性水泥基复合材料，其抗压强度一般在150 MPa以上[9-10]。荷兰和日本将超高性能混凝土用于正交异性板刚度不足时的桥面维修和补强，但其应用并不广泛[11]。近几年超高性能混凝土在我国钢桥面铺装中得到较快的发展，不仅应用于跨径较小的桥梁上，少数跨径较大的桥梁也使用了钢-超高性能混凝土组合桥面[12]。

正交异性钢桥面铺装是钢桥关键技术之一，目前主要采用柔性铺装[13-14]。近年来国内研究者提出了钢-超高性能混凝土组合桥面结构[15]，再在上面铺设磨耗层，即钢桥面板+UHPC+磨耗层。2011年在广东省马房大桥铺设了试验段，随后在广东佛陈大桥、北京通惠河大桥、天津海河大桥、汕头礐石大桥等进行了钢桥面补强应用，也在湖南洞庭湖大桥、沪通长江大桥铁路桥、公安长江大桥铁路桥等新建工程中应用。

UHPC铺装模量高、强度高，能增加桥面系刚度，保护正交异性板，减少焊缝疲劳开裂，同时可改善正交异性板局部刚度不均匀的受力状况，降低钢顶板和U肋应力幅，从而改善沥青磨耗层的基面状况。但这种铺装结构磨耗层薄，层间剪应力大，易出现磨耗层推移等病害。本文对国内外钢桥面UHPC技术进行调研，特别对9座已通车的UHPC组合桥面铺装进行实地调查，总结了目前钢桥面UHPC铺装的服役现状。

1 国内外钢桥面UHPC铺装技术现状

1.1 荷兰钢桥面UHPC铺装技术

UHPC铺装起源于荷兰，也是使用UHPC铺装技术较多的国家。荷兰新建钢桥的桥面铺装一般采用浇注式沥青混凝土，但随着经济发展，交通日益繁重，一些早期修建的钢桥由于桥面系刚度过低而在桥面系焊接部位出现了疲劳裂缝，桥面铺装损坏严重。如Caland Bridge和Moerdijk Bridge等桥，桥面板出现疲劳裂缝后，均采用了UHPC替换原浇注式沥青混凝土的维修方案。荷兰典型的UHPC铺装结构粘结层采用双组份环氧树脂，环氧树脂未固化前撒布铝土岩集料，以形成剪力键，增加铺装层与桥面钢板之间的抗剪性能和抗拉拔性能。由于荷兰的浇注式沥青混凝土铺装厚度一般为5.0 cm～6.0 cm，因此用于维修的UHPC铺装厚度也采用5.0 cm～6.0 cm，其上不设置沥青混凝土磨耗层，典型铺装结构见图1。

图1 荷兰UHPC铺装典型结构Fig.1 Typical structure of UHPC pavement in Holland

荷兰的UHPC通过加入超增塑剂和微硅粉等改性剂，改变水泥浆中孔隙的数量、大小以及在水泥混凝土中的分布，从而使微观结构变得更为致密，使水泥混凝土抗压强度从约30 MPa提高至300 MPa以上，而通过加热和加压等措施可进一步提高强度至600 MPa，形成超高性能水泥混凝土。

荷兰的UHPC虽然具有很高的抗压强度，但抗拉强度却较小。通过提高集料用量、添加大量纤维和钢筋等加强措施，能极大提高其韧性，形成密筋水泥混凝土(CRC)。在CRC和UHPC的基础上，通过进一步降低水泥用量、增加集料用量、增加水灰比至0.28～0.32和使用添加剂，可形成工作性和强度更好的密筋高性能水泥混凝土(HRUHPC)。由于习惯性因素，用于钢桥面铺装的超高性能水泥混凝土一般统称为UHPC。

1.2 日本钢桥面UHPC铺装技术

日本的钢桥面铺装大多采用下层浇注式沥青混合料、上层密级配沥青混合料的典型结构，随着日本社会经济发展完善，中、东部多数钢桥交通量呈饱和状态，一些早期修建的钢桥也出现了疲劳裂缝现象，如Yokohama Bay Bridge(2004年)和Shonan Ohashi Bridge(2005年)等，对这些钢桥面铺装的维修，采用了UHPC铺装替换原沥青混凝土铺装的方案。

日本UHPC铺装一般采用钢纤维水泥混凝土(SFRC)，铺装维修方案中铺装层厚度与原方案相同，一般为7.0 cm～7.5 cm。铺装层与桥面钢板之间采用双组份环氧树脂进行粘结，但环氧树脂粘结层上未撒布粗集料。日本Metropolitan Expressway公司在一些工程中采用了5.0 cm厚度的SFRC，并采用3.0 cm多孔沥青混凝土作为磨耗层，2层之间设置溶剂型防水膜，典型铺装结构见图2。

图2 日本SFRC铺装结构Fig.2 SFRC pavement structure in Japan

与荷兰UHPC铺装不同的是，日本SFRC铺装结构除采用SFRC结构层和开级配磨耗层外，在桥面铺装每个行车道的两侧还设置一排剪力钉，主要用于防止温度应力造成的层间滑动。而荷兰学者则认为，未配置钢筋的SFRC在车辆荷载的高应力作用下，性能衰减很快；铺装层与桥面钢板之间采用剪力钉时，局部会形成应力峰值。

日本SFRC铺装材料由超快硬性水泥、钢纤维和碳纤维增强复合材料(CFRP)组成。与荷兰UHPC不同的是，SFRC采用CFRP网代替钢筋网，CFRP由碳纤维和聚合物构成，常被用作增强材料。相比钢材，CFRP具有很多优点：比钢材轻5倍，但强度是钢材的10倍，且防腐性强。CFRP以类似土工格栅的形式用于SFRC铺装层的中间，FRRP网格的纵向和横向尺寸为50 cm×50 cm，抗拉强度为1 400 N/m，抗拉弹性模量为100 kN/mm2。

1.3 我国钢桥面UHPC铺装技术

我国在广东马房大桥等组合桥面铺装工程中采用了主材为活性粉末混凝土的高韧性混凝土(STC)铺装，本质上也属于UHPC。我国UHPC铺装结构与荷兰和日本的最大不同之处在于，UHPC层与钢桥面板之间布置了密集剪力钉，在每个纵向加劲肋中间线沿纵向设置1排，纵向间距为40 cm～50 cm，相邻2排之间呈梅花状布置，剪力钉尺寸和日本的相同。按结构层设计，STC层厚一般为45 mm～60 mm，剪力钉布置间距一般为150 mm，且剪力钉位置应错开U肋腹板和横隔板腹板位置，钢筋直径一般为10 mm，布置间距一般为37.5 mm，典型铺装结构见图3。

图3 中国STC铺装结构Fig.3 STC pavement structure in China

我国STC铺装技术与日本SFRC和荷兰UHPC均有所差异，主要体现在铺装结构和材料上，见表1。STC材料由超细活性粉末、水泥、优质细骨料、高强度纤维等组分，通过特定工艺制备而成，具有高抗弯强度、高韧性、高耐久性。STC铺装结构未使用环氧树脂作为粘结层，也未撒布粗集料以增加层间抗剪性能和抗拉拔性能，而是依赖于剪力钉实现铺装层与桥面钢板之间的连接。

表1 各国UHPC铺装技术差别Table 1 Differences of UHPC paving technology in different countries

2 我国钢桥面UHPC铺装应用情况

2.1 使用条件

使用条件直接影响钢桥面铺装使用寿命和使用质量，对UHPC组合桥面铺装的初始设计具有重要的参考意义，使用条件参数包括气候、交通和桥梁结构等。为了使调研具有针对性，选择了具有区域代表性的9座不同结构钢桥，对我国钢-UHPC组合桥面铺装的应用情况进行了调研，其中包括华南地区3座、华北地区2座、华中地区3座、西南地区1座，见表2。

表2 调研桥梁Table 2 Investigated bridges

2.2 使用情况

对9座钢-UHPC组合桥面铺装的病害情况进行了实地调查，其中A桥沥青混合料出现了磨损；B桥、F桥和H桥局部沥青混合料出现了离析；C桥跨中位置出现了纵向开裂，桥塔钢混结合段出现了横向裂缝，主跨伸缩缝位置出现了推移；D桥出现推移和车辙；其余桥梁铺装使用状况良好。

从9座钢桥实地调研情况来看，UHPC铺装结构主要存在开裂、车辙、推移、伸缩缝拉裂等病害，部分桥面存在沥青混合料离析、纵向施工缝处理欠妥等施工缺陷，具体见表3。

表3 9座钢桥UHPC铺装病害情况Table 3 Diseases of UHPC pavement of the 9 steel bridges

3 结束语

1) UHPC铺装强度高、刚度大，能较好地保护钢桥面正交异性板，并给沥青磨耗层提供良好的受力基面，可改善因正交异性板局部刚度差异导致的铺装表面拉应力过大等状况。

2) 目前我国钢-UHPC组合桥面与荷兰和日本均有所差异，主要是UHPC层与钢桥面板之间布置了密集剪力钉。

3) 从9座实桥调研结果看，目前我国UHPC铺装主要存在混合料离析，铺装开裂、车辙和推移，以及伸缩缝拉裂等病害，后续研究应重点关注UHPC与磨耗层间有效粘结、沥青磨耗层抗车辙、抗裂等问题，同时注意沥青混合料摊铺碾压工艺控制，减少混合料离析。