钢桥面沥青铺装简介.doc

钢桥面沥青铺装简介李宇峙教授、博导长沙理工大学2005年6月一、 钢桥面沥青铺装发展概况现代建筑结构在高度与跨度上不断取得突破，桥梁结构跨径的不断增大充分展示了工程技术人员的聪明才智。钢桥面板有利于减轻恒载和发挥空间结构的特性，是大跨径桥梁首选的结构形式。但同时，钢桥面板光滑、柔韧、局部变形大、动力特性复杂、热容小等特点也对桥面铺装提出了严格的要求。沥青铺装较水泥混凝土铺装具有轻、柔、防水、易修复等特性，是钢桥面，特别是大跨径钢桥桥面铺装的首选材料，在国内外得到广泛应用。在材料上，沥青铺装也从传统密级配混凝土向改性沥青SMA、浇注式沥青混凝土、环氧沥青混凝土、橡胶沥青混凝土等多方向快速发展。国外钢桥面铺装方面的研究起步较早，取得了一些适合各自具体国情的铺装结构与材料，国内一方面引进国外的先进经验，一方面深入研究复合我国国情的铺装结构并自主开发研制相关的铺装关键材料。二、 钢桥面沥青铺装的特点1.桥梁恒载的限制，铺装层不宜超过7cm2.铺装体系处于随时都在变形的基础上3.钢桥变形直接影响铺装体系的工作状态4.铺装体系更容易受环境温度的影响5.铺装层表面局部承受较大的拉应变6.铺装层内部及层间承受较大的剪应力7.钢板表面光滑，需要特殊的界面材料保证层间连续三、 钢桥面沥青铺装基本要求1.应具备良好的疲劳抗开裂性能以承受反复的复杂变形2.应具备优良的高温稳定性能，以满足高达70左右的高温使用条件要求3.具有完善的防排水体系。以保证钢板不被侵蚀4.具备良好的层间结合，保证铺装与桥面板的协同作用5.对钢板变形具备良好的追从性，以适应钢板变形6.良好的平整度与抗滑性能四、 国内钢桥面铺装使用现状国内钢桥面铺装的尝试研究从上世纪80年代开始。最早是使用普通密级配沥青混凝土，粘层也多用乳化沥青。使用后发现，一般使用寿命只有数十天或几个月。此后，逐步开始采用改性沥青，粘接剂也曾尝试过改性乳化沥青、环氧煤焦油等,因过去钢桥跨径较小，钢桥面铺装未引起足够重视。1989年，由同济大学与广东省肇庆市公路局联合研究对马房北江桥钢桥面铺装进行处治，于1991年采用PE+废橡胶粉改性沥青，粘接剂也采用同样材料，铺筑了厚度5cm的LH-20-I及2cm的LH-10混合料两层式铺装。无损使用时间达两年，后来虽产生了严重推拥、车辙及开裂等病害，也一直使用至1997年才进行再次铺装。汕头海湾大桥桥面采用60毫米厚的金属扩张网钢纤维混凝土铺装。1995年底通车，不久即产生严重龟裂，于1997年11月桥面全面翻修。香港青马大桥铺装40毫米厚的沥青混凝土（一次性湖沥青浇筑式沥青混凝土）。该桥由英国人建造，用英国的铺装材料，1997年通车，通车后不到两年就出现高温稳定性不够的问题。由铁道部大桥局承建的西陵长江大桥，采用改性乳化沥青粘接层、两层PE+SBR的密级配沥青混凝土。1998年进行了约1/3面积翻修，截止去年重新铺装前，出现的病害主要有坑槽、横向开裂、斜向推移、纵向开裂、车辙和推挤。图1 西陵长江大桥钢桥面铺装破损实照1图2 西陵长江大桥钢桥面铺装破损实照2图3 西陵长江大桥钢桥面铺装破损实照31999年完工的厦门海沧大桥钢结构桥梁桥面铺装采用双层改性沥青SMA方案，上层采用SMA13、下层采用SMA10。从目前的使用情况分析，存在不少问题。1999年完工的江阴长江公路大桥桥面铺装采用的浇筑沥青混凝土，从使用效果性来看主要存在的问题还是高温稳定性不够。2000年9月8日建成通车的武汉白沙洲大桥，2003年9月出现局部推移与开裂现象，桥面上出现滑移的沥青混凝土分布在桥面各路段，总计约有600m2，防水粘结层发生破坏，在行车荷载的水平力作用下，铺装层出现明显的滑动与推移现象，影响了交通安全。图4 白沙洲大桥铺装典型裂缝远照图5 白沙洲大桥铺装典型裂缝图6 白沙洲大桥铺装典型裂缝1996年虎门大桥桥面铺装产生了横向推移病害，1998年进行了处治(铣刨一层后，加铺一层SMA10)，使用效果也不理想。图7 广东虎门大桥图8 广东虎门大桥推移病害由此可见，我国已建大跨径钢桥的桥面沥青铺装使用情况不太理想，国内还缺乏钢桥面铺装的成功经验。长沙理工大学公路工程学院钢桥面铺装课题组是国内较早开展钢桥面铺装研究的单位之一，结合实桥工程进行了大量的室内大型直道足尺疲劳试验与高温浸水试验，取得了丰富的研究成果。国内重庆公路科研所也较早对此开展过研究，其研究成果己应用于虎门大桥、海沧大桥等钢桥面沥青铺装。这些研究为我国钢桥面铺装技术发展提供了宝贵的经验。但从实际大桥铺装使用效果来看，也出现了一些问题，突出的表现的实桥铺装的无损使用寿命不长，有些问题还有待进一步研究解决。五、 钢桥面铺装材料的主要型式*传统密级配沥青混凝土*浇筑式沥青混凝土*环氧沥青砼*改性沥青SMA铺装5.1浇注式沥青混凝土浇注式沥青混凝土指在高温状态下(约220 260)进行拌合，混合料摊铺时流动性大，依靠自身的流动性摊铺成型，无须碾压，沥青、矿粉含量较大。浇注式沥青混凝土具有优良的防水、抗老化性能，对钢板的追从性、与钢板间的粘结性能与一般沥青混凝土相比具有很大的优势。但高温稳定性差是其难以克服的缺点。因此，浇注式沥青混凝土铺装更适合于夏无酷暑，冬无严寒的欧洲国家，在国内尚无成功应用的实例。香港青马大桥以及江苏江阴长江大桥均采用英国设计，但在较英国严酷的气候条件下，这两座桥的浇注式沥青混凝土桥面铺装均有较为严重的高温稳定性不足产生的早期病害。5.2传统密级配沥青混凝土国内外在钢桥面沥青铺装的早期应用，均采用了产统密级配的沥青混凝土，这是因为当时的工程技术人员还没有充分的了解钢桥面铺装所独有的力学特性与材料要求，为对铺装进行针对性设计，而是沿用接线路面结构与材料，工程实践证明，这样做的结果很难达到工程要求。5.3环氧沥青混凝土环氧沥青是将环氧树脂加入沥青中，经过与固化剂发生不可逆的化学反应，形成固化物，使沥青性质由热塑性转化成热固性，从而赋予沥青以优良的物理、力学性能。美国采用环氧沥青混凝土铺装较多，一般分两层铺筑，厚度为50，环氧沥青固化后实际为半刚半柔材料，表现了较高的物理力学性能。 但环氧沥青混凝土铺装的抗滑性能较SMA等差，而且造价高昂也使其难以大规模推广使用。目前，环氧沥青混凝土在国内还没有广泛应用，实桥工程也没有经过长期的使用检验，已经得到的应用情况表明，环氧沥青混凝土的抗滑能力较SMA面层差，这在南京长江二桥的实照可见一斑。图8南京二桥环氧沥青铺装5.4改性沥青SMA沥青玛蹄脂碎石混合料(SMA)是一种密实式粗集料嵌挤型断级配沥青混凝土，其粗集料多、矿粉多、沥青多、细集料少并掺加纤维增强剂，具有良好的抵抗永久变形能力、耐久性、抗滑性和较低的交通噪声等特性，是一种有发展前途的钢桥面铺装材料。德国对于采用改性沥青SMA混凝土钢桥面铺装的研究起步较早，结合多种形式防水粘结层进行钢桥面铺装。丹麦所采用的钢桥面铺装结构与德国相类似，主要差别在于防水粘结层类型。长沙理工大学公路工程学院钢桥面铺装课题组简介早在90年代初，长沙交通学院李宇峙教授、邵腊庚等就已经开始着手钢桥面铺装课题的初步研究，并在直线式加速加载试验系统建成之初，结合厦门海沧大桥钢桥面铺装工程，成立钢桥面铺装课题组，完成了钢桥面铺装多种方案的足尺直线式加速加载疲劳试验与高温车辙试验，取得了系统的试验数据资料。1999年，课题组为进一步试验研究钢桥面铺装的工程特性，结合宜昌长江公路大桥钢桥面铺装工程，长沙交通学院以李宇峙教授为首的钢桥面铺装课题组对该桥铺装结构进行了直道足尺疲劳试验，利用试验结果优选了铺装结构方案，优化了设计，完成了大跨径悬索桥正交异性钢桥面沥青铺装的直道试验，对一些新研发的钢桥面铺装专用材料进行了系统的试验研究，形成了交通部“大跨径钢桥面沥青铺装设计”课题项目的“钢桥面沥青铺装层直道试验研究”子题的研究报告。2004年，课题组与中国路桥集团（总）公司经营一部合作，完成了三峡坝区交通枢纽西陵长江大桥的钢桥面铺装设计与施工，并结合工程实际，重点进行了重载交通下钢桥面铺装防水粘结层的材料、结构与施工工艺研究，研发了新型的防水粘结层材料以及与材料特性相匹配的施工工艺，制定了相关的试验检测标准。在课题研究的基础上，李宇峙教授自主开发了具有独立知识产权的钢桥面铺装专用防水粘结材料，并申请了专利保护。课题组研究概况1经过多年对钢桥面铺装深入系统的研究，通过大量的实桥调查与直道足尺试验，课题组对钢桥面铺装破坏问题有了深刻的认识与深入的研究，并已经初步形成了解决钢桥面铺装问题的方案。钢桥面铺装产生破坏的形式是多样的，课题组深入系统的研究发现，其原因主要有两个，首先就是防水粘结层在极端温度下的强度问题以及在常温下的疲劳问题，其次就是混合料的高温稳定性问题。关于混合料的高温稳定性问题，课题组有着非常丰富的研究经验，许多研究成果获得了国家级、省部级的奖项，李宇峙教授2003年完成的“南方湿热地区高速公路典型路面结构与材料研究”课题，鉴定结论为达到国际先进水平。因此在解决钢桥面铺装混合料高温稳定性问题方面具有很高的研究水平。课题组研究概况2课题组研究国内钢桥面铺装的破损问题，并在直道足尺试验中观察、采集以及分析计算铺装产生的破坏，发现钢桥面铺装破坏的实质是防水粘结层与铺装层的相对强弱问题，在铺装结构与材料得到广泛研究与改进的时候，课题组敏锐的认识到，铺装与钢板的界面问题，即防水粘结层的问题成为解决钢桥面铺装问题的关键。防水粘结层材料一方面与钢板直接接触，钢板的导热性能好，在各种荷载作用下产生弹性变形，粘结材料要求有非常好的柔韧性与抗疲劳特性，同时，要求粘结材料在高温下强度不明显降低，低温下不易脆化，而且不会由于防水粘结层发生剪切强度不足导致铺装结构出现脱层，不会在高温下粘结材料因软化而丧失抗剪强度。课题组研究概况3国外钢桥面铺装的使用条件与国内钢桥面铺装的使用条件有较大不同，主要体现在气候条件与荷载条件两个方面，因此在引进国外成功的铺装方案时，更应注意因地制宜。防水粘结层目前作为我国钢桥面铺装的一个主要环节，受气候条件、荷载条件和施工水平等的影响非常大，国内早期修建的钢桥面铺装产生诸多问题的主要原因也正在于此。这就更要求在引进国外成功应用的铺装方案时，加强防水粘结层材料的选择与研发、方案的选择与设计、施工的工艺与要求。课题组研究概况4课题组重点研究与解决了过去防水粘结层设计中存在的不足，并研发了新型防水粘结层材料，并申请了专利。课题组研发的新型钢桥面铺装防水粘结层结构与材料，是针对国内钢桥面铺装使用的具体条件设计的，符合我国国情，充分考虑了重载、超载以及交通量大，混合交通严重的问题，全面分析了钢桥面铺装使用的温度、湿度等条件，系统研究了新材料、新结构的施工条件、施工工艺、施工操作注意事项等问题。以李宇峙教授为首的钢桥面铺装课题组所研发的新型钢桥面铺装防水粘结层结构与材料在国内还属首例，并且已经在实桥工程中得到了应用，新型防水粘结层结构与材料经过了实桥的验证与改进，取得了较好的效果。课题组研发新材料简介1 试验器具的开发 拉拔试模 拉剪试模 拉剪之前 拉剪之后 拉拔前 拉拔后课题组研发新材料简介1部分对比试验结果（弯曲变形能力） 课题组开发材料+2.364.75mm单粒径碎石 折弯后的新材料试件 课题组开发材料+2.364.75mm单粒径碎石 折弯后的新材料试件2 部分对比试验结果（复合界面剪切） 钢板界面材料碎石SMA-10 剪切试件的制作图 课题组开发材料界面剪切破坏试件 改性沥青界面剪切破坏试件钢桥面铺装主要验收指标根据钢桥面沥青铺装特点，选择合适的铺装材料，设计合理的铺装结构，制定有针对性的铺装施工规范，这是解决钢桥面铺装的三个关键问题。选择合适的铺装材料，就要求针对具体材料提出相应的技术指标要求。设计合理的铺装结构就要求提出设计关键控制指标。沥青路面设计采用设计弯沉作为设计控制指标，层底容许弯拉应力作为验算指标，日本采用最不利荷载布置情况下的钢板表面最小曲率半径作为钢桥面铺装的应用条件，钢桥面铺装设计控制指标是设计合理铺装结构的关键。针对钢桥面铺装所引进或开发的铺装材料较多，解决办法是进行大型室内足尺试验，真实再现施工工艺，研究不同施工工艺与相应技术要求对钢桥面铺装使用性能的影响，系统测试、采集、整理、分析施工数据，包括压路机振动频率、胶轮压路机与钢轮压路机压实次数、碾压温度、压路机行走速度、防水粘结层施工工艺、粘结层养生是否需要养生以及养生时间、钢板表面处理程度或等级等施工过程控制数据与参数，根据材料性质不同进行分类，按照类别制定不同的施工技术要求与原材料检测指标要求。钢桥面铺装质量主要验收标准工程分项检测指标要求合格判定检测频率喷砂除锈清洁度不小于Sa2.5级全部达到要求每施工段3点或每箱梁节段3点粗糙度50100m（最大100m）每施工段平均环氧粘结材料厚度0.50.7mm（最大0.8mm）每施工段平均每施工段5点或每施工段5试件粘结强度不小于4Mpa每施工段平均铺装现场检测总厚度-5mm代表值满足要求极值满足要求每60m3点，并按总混合料用量计算检验上面层厚度-10mm代表值满足要求极值满足要求平整度5mm每车道一个纵断面，100m连续测量10尺构造深度0.8mm5点平均每施工段5点或每施工段5试件