西堠门大桥钢桥面铺装层病害发展规律与处置对策

陈永伟,徐洪科,黄舒文

（1.浙江舟山跨海大桥有限公司,浙江 舟山 316000; 2.南京道润交通科技有限公司,江苏 南京 210000）

0 引言

大跨径钢桥面铺装一直以来是道路工程界的技术难点，由于多采用正交异性钢桥面板，在荷载作用下应力状态复杂，变形大柔度大，环境温度较为严苛，因此对铺装层的工作性能提出了苛刻的要求。常见的钢桥面铺装层应用的技术有双层浇筑式沥青混合料（南京长江四桥、南京长江大桥改造）、环氧沥青混凝土（润扬大桥、苏通大桥、金塘大桥、南京长江三桥等）、冷拌树脂类混凝土（明州大桥）、高黏SMA（桃夭门大桥、虎门大桥）以及上述技术的组合使用的方式，如EA-10+SMA-10、GA-10+EA-10、GA-10+SMA-10等，但诸多技术各有优势，也都存在一定的局限性，特定的病害仍然会较快出现（如虎门大桥，采用了双层SMA结构，1997年5月通车运行，2003年9月即进行了全面的大修[1]），不能很好地解决钢桥面铺装层的使用耐久性问题。

1 工程概况

西堠门大桥是G9211甬舟高速主线的主要组成部分，于2009年投入运行，是舟山连岛工程一座非对称式双塔双索面悬索桥，连接舟山册子岛与金塘岛，其跨径为578 m+1 650 m+485 m。其中，578 m的北边跨和1 650 m的中跨为钢箱梁结构，主跨跨径1 650 m，是世界上第一座分离式双钢箱梁悬索桥，主梁为正交异性钢桥面板。如图1所示。

大桥连接了舟山市定海区的册子岛与金塘岛，跨越西堠门水道，长期处于海洋环境中，该地区降雨高峰与高温天气同期，年气温平均在3～32 ℃之间，极端高温超过40 ℃，年降水量超1 200 mm，且台风频发，冬季多大风天气，因此服役环境较为苛刻。西堠门大桥为正交异性板钢箱梁结构，钢桥面铺装在对国内外铺装层典型结构形式、技术性能、施工工艺及方法、使用状况充分调研的基础上，并结合大桥所处环境条件、荷载条件和结构支撑条件，设计方案采用了双层环氧铺装的结构方案，具体为：下面层2.5 cm环氧沥青混凝土+环氧沥青黏结层+上面层3 cm环氧沥青混凝土。

自通车以来，西堠门大桥主桥服役状态良好，但随着时间的增长，交通量呈不断增大趋势，近年来，钢桥面铺装层陆续出现了一定程度的病害，并且呈不断演化、不断加剧的趋势，影响了行车安全和舒适性，对跨海大桥主桥主体结构的耐久性带来了较大影响。同时，由于西堠门大桥是舟山群岛与宁波陆上的唯一通道，交通管制的要求极为严格，对养护的效率、技术成熟度、对环境的适应性、容错性的要求极高，因此对养护施工组织水平的要求很高。

2 环氧沥青混凝土特性

2.1 材料组成与特点

西堠门大桥主桥钢桥面铺装层结构层为双层环氧沥青混凝土，如表1所示。

表1 西堠门大桥钢桥面铺装层结构

环氧沥青混凝土是由环氧树脂按照一定的比例添加进入沥青中形成一种特种沥青材料，并与石料拌和形成的混合料。其具有强度高、高温稳定性好、密实阻水、与钢板黏结牢固、耐腐蚀等特点，因此广泛用于钢桥面铺装层中[2]。环氧树脂通常由A、B两种组分构成，混合均匀后发生固化反应，从而形成较高的强度。该材料性能对各组分的配比用量以及生产温度较为敏感，生产要求高，且强度形成较快，与水不相容，必须在干燥环境下生产和摊铺施工，因此对施工工艺和应用环境的要求较为严苛[3-4]。

2.2 材料性能

环氧沥青混凝土级配类型为悬浮密实型级配，空隙率小，结构致密，不透水，成型后强度、模量均较高，有一定的抗裂性能。为对其高温稳定性和低温抗裂性进行评价，拟分别采用车辙试验和小梁弯曲试验[5]。

2.2.1 高温稳定性

首先采用车辙试验对环氧沥青混合料进行评价，根据试验轮加载45 min及60 min时的车辙变形值d1及d2，可以确定试件的动稳定度，如式（1）所示。

式中，DS——动稳定度（次/mm）；

d1——t1时间的变形量（mm）；

d2——t2时间的变形量（mm）；

N——试验机往返碾压次数，通常为42次/min

车辙试验过程，试验温度70 ℃，材料的动稳定度如表2所示。

表2 车辙试验结果

2.2.2 低温抗裂性

试验采取小梁弯曲试验进行评价，试块加工成长250 mm，宽30 mm，高25 mm的长方体，在两端设置支点，在中部加载。计算公式如式（2）、（3）、（4）所示：

式中，RB——试件破坏时的抗弯拉强度（MPa）；

εB——试件破坏时的最大弯拉应变（με）；

SB——试件破坏时的弯曲劲度模量（MPa）；

b——试件的宽度（跨中）（mm）；

h——试件的高度（跨中）（mm）；

L——试件的跨径（mm）；

PB——试件破坏时的最大荷载（N）；

d——试件破坏时的跨中挠度（mm）。

实验结果如表3所示。

表3 弯曲小梁试验结果

综合上述实验结果，环氧沥青混凝土具有极好的高温稳定性，在70 ℃下，动稳定度超过10 000次/mm，远远大于一般路面沥青混凝土的技术要求；低温性能方面，-10 ℃下弯拉应变超过3 000 με，具备一定的柔韧性和追从性，能够满足钢桥面铺装的使用要求。

3 环氧沥青钢桥面铺装层病害特征及其发展规律

3.1 病害类型

西堠门大桥通车运行多年以来一致较为平稳，自2017年以来，陆续出现一些病害，并逐步发展。病害主要类型包括：线性裂缝、网状裂缝、放射状裂缝、松散、坑槽、块状修补等。如图2所示。

图2 典型病害形式

3.2 病害发展规律

环氧铺装层的病害特征较为明显，基本为线性状的细微裂缝出现，并逐步发展、劣化为网裂、松散、坑槽等病害。病害由表层向下层逐步发展，最终到达钢板表面，引起该区域的彻底损坏，并造成雨水下渗，钢板锈蚀[6]。其发展过程如下所示：

细微线性裂缝→横向或纵向裂缝→放射状裂缝→网状裂缝→松散、坑槽。

造成该类病害的原因较为复杂，影响因素较多，主要包括：材料性能衰减、车辆荷载加大、施工期间材料的不均匀性、钢桥面大柔度大变形特点、顶板纵横隔板U型肋应力集中等。其中，材料自身性能的衰减是最主要的影响因素。环氧沥青材料在成型早期具备较好的高温稳定性和抗裂性能，但随着时间增长，其抗裂性能不断衰减，裂缝不断出现和积累且不可逆转，使环氧沥青混凝土逐步向脆性材料的方向发展，因此由裂缝引发的铺装层损坏失效是环氧沥青铺装层的典型病害特征。

4 养护处置对策

4.1 日常养护

日常养护主要包括裂缝封闭和坑槽修补，应加强病害的巡查，及早发现裂缝。对于一般细微裂缝，可采用高渗透性环氧树脂直接灌缝。如裂缝开展明显，深度较大，或者出现放射状裂缝的，可进行开槽扩缝，采用环氧树脂拌制的砂浆进行灌缝。出现坑槽后，应及时进行修补，可采用冷拌高韧性树脂混凝土或热拌高黏沥青混凝土进行修补[7]。

4.2 预防性养护

预防性养护作为道路养护计划中最有影响的组成部分，其理念在钢桥面铺装的养护中尚未受到足够重视。在钢桥面铺装产生病害后，其结构强度仍然较好，表面存在磨光、渗水等轻微问题时，应考虑采取预防性养护措施对其进行保护，封闭表面裂缝，这样可有效提高路表抗滑水平，延长铺装层的使用寿命。预防性养护施工前，首先将裂缝、坑槽修补完毕，清理路表杂物后。预防性养护手段可采用复合型树脂碎石超薄磨耗层或超薄耐久性抗滑磨耗层（TFC-Ⅱ），上述两种技术经历了一年以上的检验，使用效果较好。施工后对路表的保护、抗滑水平的提升、美观度的提升均有明显的作用[8]。

4.3 结构性养护

当铺装层病害较为严重时，应考虑进行结构性养护。首先应根据病害情况，结合现场得出的材料的试验结果，判断其下面层的残余寿命。如仍有较好的残余性能，可考虑保留下面层，仅维修上面层。可采取铣刨原上面层3 cm，修补下面层病害后重铺上面层，材料可选择高黏高弹SMA或HSAC高性能沥青混合料。

如下面层性能较差，应考虑整体铣刨，清理后重新施工铺装层。技术选择上，下面层应采用与原桥面铺装层接近的环氧沥青混凝土，上面层可采用高黏高弹SMA或HSAC高性能沥青混合料。

5 结论

（1）环氧沥青混凝土在西堠门大桥上的应用效果较好，服役时间长，高温稳定性和低温抗裂性较好，根据70 ℃车辙实验结果，其动稳定度可达10 000次/mm以上，具备较好的在高温下抵抗重载车辆荷载的能力；根据-10 ℃小梁弯曲试验结果，弯拉应变可达3 000 με以上，具备一定的柔韧性和变形追从性，可以满足大跨径钢箱梁桥桥面大变形大柔度的特点，能够适应大跨径钢箱梁桥重载车道的使用环境。

（2）环氧沥青混凝土铺装层的病害发展规律较为明显，主要的病害类型为由于裂缝发展而逐渐引发的连锁的破坏形式。病害原因是材料性能衰减，导致裂缝逐渐出现，且该类型的裂缝不可逆转。裂缝由上而下逐步发展，宽度加大、深度加深，逐渐由线性裂缝转变为放射状裂缝、网裂、松散、坑槽等病害，最终贯穿整个铺装层，导致该区域整体失效。

（3）钢桥面铺装层对养护要求较高，应加强巡查力度，充分结合日常养护、预防性养护、结构性养护手段。对养护时机与手段的选择进行充分合理的评估，判断需要采取的养护手段强度，在合适的养护时机介入，选择针对性强、可靠性强的技术方案，尽可能延长铺装层的使用寿命。