基于网格化评估的九江二桥环氧沥青钢桥面铺装病害养护技术

卢普南

(江西九江长江公路大桥有限公司,江西 九江 332000)

九江长江公路大桥(以下简称九江二桥)线路全长17 km,全桥长8 462 m,为福州-银川高速公路重要组成部分之一。钢桥面铺装部分长1 141 m,钢桥面系宽度约为39 m,面积为36 500 m2,采用双层环氧沥青铺装方案,总铺装厚度为5.5 cm。分上、下两层施工,下面层分6幅摊铺、上面层分4幅摊铺,于2013年8月15日完成铺筑,养生2～3个月后,于10月28日正式建成通车。九江二桥至今已通车运营第9年,接近15年设计使用期中后期,长期的饱和交通量使铺装承受着巨大压力,桥面铺装病害发展迅速。对此,江西九江长江公路大桥有限公司于2022年5月组织调研检测组对九江二桥进行桥面铺装调研,检测组分别对九江二桥九江方向和湖北方向桥面铺装病害展开检测工作,并用网格化评估方法对环氧沥青钢桥面铺装病害进行评估。

1 检测及评估方法

1.1 人工巡查

九江长江公路大桥钢桥面铺装部分长1 141 m,桥面铺装病害分布相对一般沥青路面较为集中,存在一定的规律性。因此,目前人工巡查仍然是大跨径钢桥面铺装病害检查较为有效的方式,可以对铺装整体技术状况、病害程度及分布整体把握。人工巡查的主要记录内容有铺装病害的类型、位置、面积以及处理方案等。根据人工巡查的结果确定铺装的性能状态,并建立病害长期观测数据库,及时制定铺装养护方案,特别是针对突发性病害制定应急养护措施。

1.2 铺装强度检测

本研究依据行业标准《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》,采用回弹仪检测钢桥面铺装环氧沥青混凝土的质量和强度,并进行了一些室内外研究应用的探索。回弹强度测试仪主要用于测试混凝土的抗压强度,是一种现场检测常用的无损检测仪器,可以快速、简单、经济地获得混凝土的抗压强度。

1.3 脱空检查

红外热成像脱空识别技术是一种新型无损检测技术。其主要是利用红外热成像设备探测目标物体表面红外辐射能量,利用转换装置以电信号的形式体现出来,并最终以彩色图或灰度图形式显示于显示器中,根据成像的特征来判断检测目标表面或内部是否存在脱空现象。在实际的检测现场还要参考回弹仪数值和人工敲击听声音的方法进一步验证红外热成像脱空识别检测的结果。

1.4 钢桥面铺装使用性能网格化评估

为了量化九江二桥环氧沥青钢桥面铺装技术状况,主要利用钢桥面铺装破损状况指数(SDPCI)(Steel Deck Pavement Condition Index)进行桥面使用性能评价[1]。SDPCI值计算公式如下

SDPCI=100-a0DRa1

(1)

(2)

式中:a0为15.00;a1为0.412;DR为钢桥面铺装破损率,不同病害类型导致钢桥面损坏面积总和与调查范围钢桥面铺装面积的百分比,%;Ai为第i类桥面破损面积,m2;A为调查范围内的钢桥面铺装面积(为调查的长度与有效铺装宽度的乘积),m2;wi为不同铺装病害类型导致破损的权重系数。

具体不同铺装病害类型导致破损的权重系数如表1所示。

表1 环氧沥青混凝土铺装病害权重系数

铺装技术状况指数SDPCI的数值范围为0～100,其数值越大,代表桥面状况越好。依据SDPCI的数值进行破损状况评级,具体分级如表2所示。

表2 破损状况评级表

通过对九江二桥铺装层病害跟踪调研及红外热成像脱空识别检测,将桥面病害数据进行计算与评估分析,主要采用钢桥面铺装破损状况指数(SDPCI)、层间状况指数(PDR)、以及裂缝状况指数(PCR)从铺装整体到细部进行全方位、多层次的评估,量化桥面使用性能指数,为养护方案决策提供支撑。

网格化评估可以将钢桥面铺装使用性能更为准确、精细地反映出来。横向按照桥面分车道、轮迹带以及纵肋进行划分,纵向按照上、下坡段,缆索分区以及单块正交异性板横隔板间距等进行划分。通过网格化桥面性能评估,不仅可以反映桥面病害分布,还可以反映桥面与钢箱梁结构的病害对应关系。

2 典型病害处置

本着“预防为主、防治结合”的基本方针,结合九江二桥现状要求,兼顾2021年现场维修情况及对钢桥面环氧沥青铺装的初步调研情况,结合环氧沥青铺装坑槽修补情况,针对九江二桥钢桥面环氧沥青铺装现状,制定日常养护方案。

对于环氧沥青铺装已出现的坑槽破损部位采用高韧冷拌树脂混凝土进行修补,对于环氧沥青铺装表面的裂缝病害采用高渗透树脂灌缝进行处治,对于环氧沥青铺装的鼓包、脱空等隐性病害采用高压注浆的方法进行修复,采取以上措施使九江二桥钢桥面环氧沥青铺装层的使用寿命得以延长。

2.1 坑槽修补

环氧沥青铺装出现坑槽病害应及时进行处治,在温度、湿度、荷载等多种因素的相互影响作用下,如处治不及时将造成防水粘结层被腐蚀、钢板锈蚀、局部性铺装整体崩溃的恶性病害情况。为了减缓坑槽病害大面积扩展的速率,减少非必要的经济消耗,延长环氧沥青铺装层的使用寿命,应及时对坑槽病害进行处治[2]。

针对环氧沥青铺装特点,日常养护主要采用快固型高韧冷拌树脂混凝土坑槽修补技术。高韧冷拌树脂混凝土坑槽修补技术的基本结构为环氧树脂防水黏结层+环氧树脂粘层+55 mm高韧冷拌树脂混凝土铺装层。

2.2 裂缝修补

裂缝是钢桥面铺装最为典型的病害,裂缝如果不及时进行修补,雨水通过裂缝渗入铺装层底部将侵蚀钢板,最终造成铺装层局部崩溃性破损。通过实施裂缝修补达到裂缝封闭防水效果,防止裂缝病害进一步拓展,从而起到延长铺装层使用寿命的作用[3-4]。

依据钢桥面环氧沥青裂缝的宽度,采取不同形式的裂缝处治方式,当裂缝宽度≥5 mm采取V形切槽填缝的方式进行处治,当裂缝宽度<5 mm采取直接灌缝的方式进行处治。

2.3 脱空处治

鼓包、脱空病害是钢桥面铺装较为隐蔽的一种病害,如果不及时进行处治,将成为严重影响铺装面使用性能的一个巨大隐患。高压注浆技术由于其工艺与一般路面压浆技术有一些区别,其在钢桥面铺装当中的应用相对较少。高压注浆技术不仅可以处治明显的鼓包、脱空病害,还对由脱空引起的鸡爪形裂缝、环形裂缝等并发病害处治有较好的效果[5]。

针对钢桥面铺装脱空病害,采用红外热成像脱空识别技术检查出钢桥面鼓包脱空位置并标记,用钻孔注浆方式进行处治,经过处治后的铺装层与钢板粘结层浑然一体,达到协同一体化工作的效果,使铺装层的使用寿命得以延长。

以往对鼓包、脱空病害处治主要采用开挖回填的方式。而高压注浆技术是一种微创性的养护技术,与之相比大大提高了养护的经济效益。高压注浆技术主要通过动压力的作用将高渗透性的环氧树脂粘结剂注入到鼓包、脱空病害位置以及铺装层的裂缝中,以达到对病害位置进行填充、封闭、粘结的修复方式[6-7]。

3 网格化评估

为了使九江二桥钢桥面养护决策有更精确的依据,研究采用网格化评估方法对钢桥面使用状况进行分析,可以更精细化地评估钢桥面的使用性能,可以更直观地看到桥面病害分布特征。基于大跨径桥梁缆索的纵向分布、渠化交通条件下的轮迹带横向分布特点,建立单元段网格化的评价管理方法[8],横向车道分布为重车道、行车道、超车道;纵向分区按照缆索进行分区,相邻两根缆索为一个单元区,一个单元区可看成是一跨,即一个简支梁,节点是缆索连接位置,如S5表示S5～S6之间的网格。

根据每单元区破损病害类型以及对应的权重等级,计算每单元区破损指数SDPCI的分值以及破损状况评价等级,并采用不同颜色网格对应优、良、中、次、差五种评价等级,绘制钢桥面铺装性能网格化坐标评价等级图。将全桥按照吊索把每车道分为79个网格,全桥6车道共计474个网格,以钢桥面环氧沥青铺装破损状况指数SDPCI评估各车道使用性能状况。

4 评估结论及预测

通过分析,九江二桥全桥破损影响面积247.79 m2,见表3。铺装破损为九江二桥最为典型的病害,调研显示,全桥铺装破损共计137处,其中九江方向59处,湖北方向78处。通过红外热成像扫描发现脱空3处,面积约25 m2,鼓包共计24处。

表3 九江二桥钢桥面环氧沥青铺装破损影响面积及破损率

将评级为中、次、差的段落影响面积汇总如表4所示。

表4 中次差段落破损影响面积 单位:m2

统计近5年养护维修面积如表5所示。

表5 近5年养护面积

目前桥面铺装评级为中、次、差的段落破损影响面积为177.89 m2,如表4所示。其在未来1年内面临着维修的需求,考虑到病害发展,按照1.2倍系数考虑,2022年下半年至2023年上半年预估维修量约为213 m2。通过近5年养护工程量情况发现,近五年年平均维修197.47 m2,如表5所示,且通过维修,目前维修量呈暂时下降趋势。同时,通过日常养护对路面及前期维修的坑槽进行注浆、灌缝保养,以延长其使用寿命,从而降低坑槽维修量,预估2023年下半年至2024年上半年维修量按照年平均乘0.9系数折算,预估工程量为178 m2;2024年下半年至2025年上半年预估维修量为160.2 m2。脱空注浆按照每年50处考虑,灌缝按照每年500 m考虑。后期考虑桥面前期坑槽的维修保养以及新增病害,脱空、注浆按照1.1倍系数递增考虑。

综上,对未来三年养护需求量汇总,如表6所示。

表6 九江二桥未来三年养护需求量汇总表

5 结 论

(1)依据现有的桥面典型病害处置技术,结合九江二桥环氧沥青钢桥面铺装自身的特点,主要对坑槽、裂缝、脱空等典型病害类型进行分析,并提出相对应的处置技术。

(2)依据环氧沥青铺装病害检测方法和典型病害类型特点,建立了基于SDPCI的网格化评估方法,绘制出九江二桥桥面性能坐标化网格评级图。

(3)通过网格化评估方法,分析得出目前九江二桥全桥破损影响面积247.79 m2,桥面铺装评级为中、次、差的段落破损影响面积为177.89 m2,并基于近5年的养护平均维修量197.47 m2,按照系数递增推论,预测出了未来3年的养护需求量,对九江二桥环氧沥青钢桥面铺装养护工作具有参考意义。