钢箱梁桥桥面展装新型混杂料指南.docx

钢箱梁桥桥面铺装新型混合料
性能与工艺研究报告

研究单位：上海市市政工程建设处
同济大学道路与交通工程研究所
上海城基市政道路材料有限公司

二○○二年 五月

钢箱梁桥桥面铺装新型混合料
性能与工艺研究报告

主要研究人员

目 录

第一章 总论
1.1 立题意义和研究依据
1.1.1 立题意义
1.1.2 研究依据
1.2 国内外钢桥桥面铺装的研究与应用
1.2.1 钢桥桥面铺装概况
1.2.2 钢桥桥面铺装的特点和技术要求
1.2.3 国内外钢桥桥面铺装实例
第二章 武宁路桥桥面铺装技术方案
2.1 武宁路桥改建工程背景
2.2 钢桥桥面沥青铺装层的技术特点与技术方案
2.2.1 SMA沥青铺装层的技术特点
2.2.2 SMA沥青铺装层的技术方案
2.3 研究对策及主要研究内容
2.3.1 研究对策
2.3.2 研究内容
2.3.3 工程实施的技术保证措施
第三章 钢桥桥面SMA铺装层性能研究
3.1混合料配制目标
3.2 混合料试验的基本内容
3.3 材料
3.3.1 改性沥青
3.3.2 粗集料
3.3.2 粗集料
3.3.4矿粉
3.3.5稳定剂
3.4 混合料级配设计
3.5 混合料组配试验
3.6 混合料马歇尔试验
3.7 混合料补充试验
3.8 沥青对混合料性状的影响
3.8.1改性沥青材料
3.8.2混合料马氏稳定度试验
第四章 钢桥桥面SMA铺装层施工技术要点
4.1 桥面板变形钢筋
4.2 沥青粘层
4.3 SMA沥青混合料的生产、运输、摊铺及辗压
4.3.1 SMA混合料的生产
4.3.2 SMA混合料的运输
4.3.3 SMA混合料的摊铺
4.3.4 SMA混合料的碾压
4.3.5 现场取样复验
4.4 施工注意事项
4.4.1施工顺序方案
4.4.2施工前准备
4.5 小结
第五章 武宁路钢桥桥面铺装检测
5.1 检测点位与内容
5.2 春季使用状况检测
5.2.1 现场检测结果
5.2.2 初期使用状况分析
5.3 夏春季使用状况检测
5.3.1 现场检测结果
5.3.2 中期使用状况分析
第六章 研究结论

第一章 总论

1.1 立题意义和研究依据
1.1.1 立题意义
桥面铺装材料是整座桥面最为外露，并直接接触和承受行车作用以及气候温度、湿度变化的影响，它的质量和路用性能直接明显地表现为该桥梁的服务能力和使用寿命。过早损坏是目前桥面铺装普遍存在的问题，它还影响到桥梁主体构件的损伤和衰变。
根据国内外的研究和实践经验表明，在正常的设计和施工条件下，若未遭受严重的自然灾害，桥梁在设计寿命期内一般不会出现结构的整体破坏。而桥面铺装的病害却是常见的，尤其对于钢桥面铺装，这一直是国际上研究的热点和难点。由于钢桥结构与桥面铺装性质相差悬殊，相互作用比较复杂，许多桥梁在通车后仅几个月桥面铺装便出现不同程度的损坏。桥面铺装的损坏不仅影响了车辆的快速安全行驶，而且要付出大量的维护费用。尤其是随着大跨径桥梁的推广和应用，以及交通量和交通荷载的增大，桥面铺装来自外界和本身的冲击和潜在的危害越来越大，其使用性能和使用寿命的长短直接影响到地区的经济和社会效益。
桥面铺装材料和技术研究是一项意义深远的项目，其将对整个地区和国家带来巨大的经济和社会效益。
首先，新型桥面铺装材料的应用，可以改善桥面的服务水平，为车辆安全、舒适、快速行驶提供了保障，从而提高运输效率，促进地区之间的交流和运输事业的发展。性能优良的铺装材料可以延长桥面的使用寿命，减少维修费用，缩短投资回收期。
其次，结合我国气候和环境特点，对桥面铺装材料和技术进行系统的研究，将提高我国桥面铺装的设计水平，也为其推广应用提供了可靠的依据。近年来，国内一些科研单位和施工单位采用了比较先进的桥面铺装材料和技术，但大多数为引进的国外技术。虽取得了比较好的使用效果，但其造价也相当昂贵。另外也有一些不成功的例子，原因在于盲目照搬国外经验，而忽视了我国跟国外气候和环境的差异，未对材料设计参数和材料性能进行合理的预估和分析评价，从而造成了巨大的损失。
第三，本项目对桥面铺装材料和技术的研究，将结合桥梁结构和桥面铺装构造特点，提出最佳的结构组合，使其更经济、更安全、 寿命更长，并且施工工艺简单方便，具有较好的可行性，从而便于该技术的推广应用。
武宁路桥改建工程是本市2001年市府重大市政工程项目之一，位于市区中心部位。作为市级景观，道路有着重要和特殊的意义，工期紧，难度大，改建后的交通量也十分繁重，行车密度大，车辆拥挤，重载车辆和出入境客货运车辆繁多，路面特别容易发生破损，影响车辆顺利行驶，甚至进而造成交通阻塞和交通安全。因此武宁路桥桥面保持良好，使用品质和较长的使用寿命，可以产生十分明显的社会经济效益。
1.1.2 研究依据
上海市沥青路面拌和和摊铺工艺比较正规，质量管理也很重视。对原材料的选择和控制都有一套成熟的经验，加上已有一套应用进口沥青的使用经验，同时又有成套高精度沥青路面施工机械设备和一支工程技术人员队伍。所以总体上具备把沥青面层质量提高一步，把钢桥桥面沥青铺装层的品质和工艺技术向国际水准靠拢。这既是大大地改善目前钢桥桥面铺装的使用品质，同时又是为全国同类气候条件的地区，提供一项先进的实用技术。
上海市市政工程建设处和同济大学等大专院校十多年来结合重大市政工程，进行了多项沥青路面结构理论、材料、工艺的实用性研究，已经总结了许多有关桥面沥青铺装成熟经验。近几年一直关注国内外关于桥面铺装的技术进步，特别是改性SMA的开发应用，为桥面铺装沥青混合料的开发，提供了品质优良的增强增韧沥青混合料。加上品类齐全的试验仪器设备，为探研桥面铺装沥青混合料的物理力学性质提供了试验条件。
此外，国内外对桥面铺装沥青混合料的应用开发，尽管各国各地区气候条件不同，集料和结合料的材质和规格也有差异，但他们的实践经验也可以成为本项目开展过程的宝贵支持和技术借鉴。

1.2 国内外钢桥桥面铺装的研究与应用
1.2.1 钢桥桥面铺装概况
桥面铺装层应具备三方面功能，首先是自身受力功能，包括行车荷载和气候温度变化等综合重复作用。既要承受车轮运行时的垂直力和水平力的反复作用，同时铺装层内又会产生压缩、剪切、振动等复杂应力应变行为。而且由于桥面在大气环境内，将发生温湿循环变化，并受到日照光老化的作用，特别是沥青类桥面结构，十分容易发生过早的衰变和损坏。其次是它所起的保护功能，即它应能保护其下部的主梁及行车道板不受行车轮胎的直接作用而发生磨耗和冲击，防止表面水对它们的侵蚀。第三是它与桥梁主体的整体受力功能，也就是说桥梁所发生的胀缩变形、震动、挠曲行为都将在桥面铺装内发生。这些行为的程度都远远超过一般道路工程中的路面结构。
对于钢桥结构来说，其热容能力和结构振动程度更甚于其他桥梁。因此钢桥面沥青铺装层的抗疲劳开裂和抗永久变形是它的两项主要性能。国际上许多国家的钢桥面沥青铺装层均选择高性能型的摊铺沥青混凝土和带有改性粘接料的沥青混凝土。
十七届世界道路会议道路桥梁技术委员会认为，摊铺沥青混凝土有助于整体防水，可能更适用于钢桥面。可是它的蠕变趋势表明它只能用于合成坡度在一定限值之内的桥面。虽然它也和任何含有沥青的铺装那样具有疲劳开裂危险性，但是它的整体性状却很好：含有改性粘结料的沥青混凝土就抗疲劳开裂和抗永久变形这两个方面性能来说都是比较好的。只是这种混凝土的铺装显然比普通沥青混凝土难一些，必须仔细控制拌和温度、铺筑时的气候条件影响。
桥面(或者桥面防水层)以上的沥青铺装层总厚度变化于35mm(英国)和110mm(比利时)之间。各国钢桥沥青铺筑层大多数分为表面磨耗层和中间承重层。其中表面磨耗层所用的沥青混合料有层厚30mm的沥青混凝土(类似我国的砂粒式或细粒式沥青混凝土)，或者30—40mm厚的摊铺沥青混凝土(类似我国的细粒式和含有改性粘结料的沥青混凝土)以及25—45mm厚的环氧地沥青混合料。
从铺装材料和施工方法角度来分，目前世界上主要采用的桥面铺装材料有四类：
(1) 德国、日本的高温拌和浇注式沥青混凝土（Gussasphalt）, 在德国广泛用作公路路面。为了适应钢桥面铺装的需要，以日本本四连络桥为代表，作了种种改进，结合料采用20/40石油沥青和(25％—30％)的特立尼达湖沥青(TLA)，混合料空隙率接近0。
国外较多使用的浇注式沥青混凝土下面层，具有钢桥面铺装所必须的与钢板变形的随从性好，抗裂性能强，耐久性好，致密不透水，无需防水层等等许多优点，因而为本四连络桥等世界上有名的大跨径钢桥所采用。但是浇注式沥青混凝土下面层需要一系列的专用施工设备。包括矿粉加热用的热鼓风机，沥青混合料高温混炼的运拌车，浇注式沥青混凝土专用的摊铺机，预拌碎石撤布机等等。另外，我国的夏季气候比日本、欧洲更为酷热，浇注式沥青混凝土能否承受有待研究。
(2) 英国的沥青玛蹄脂混凝土（Mastic Asphalt）, 香港青马桥采用此结构，结合料采用掺加TLA的石油沥青。
以上两种方法的共同特点是两阶段高温拌和，拌制的混合料具有一定流动性，浇注式摊铺，不需要碾压。一般使用天然硬质沥青（德国已开始使用聚合物改性沥青），混合料组成相近，混合料结构强度形成原理一致，但拌制工艺和铺装厚度上略有区别。
(3) 德国和日本近期采用的改性沥青SMA方案（Stone Mastic Asphalt）,在德国，SMA即可用于铺装下层，也可用于铺装面层。在日本，SMA的铺装实例主要用于铺装下层，面层则用改性沥青密级配沥青混凝土。
(4)环氧树脂沥青（Epoxy Asphalt）由壳牌石油公司最初开发用于机场道面以抵抗飞机燃油和喷气的侵害。1967年首次用于美国San Mateo Hayward大桥正交异性钢桥面的铺装层。它是通过在沥青中添加热固性环氧树脂和固化剂，经固化反应而形成的一种强度高、韧性好的沥青混凝土。主要有美国、日本、加拿大荷兰和澳大利亚将其用作钢桥面铺装，其中美国运用最广泛。美国和日本还编写了环氧沥青桥面铺装规范。但它们都面临老化和维修养护方面的问题。
对于浇注式沥青混凝土来说，为适应某些气候、荷载条件的要求，除调整湖沥青与直溜沥青的比例外，掺入适宜的聚合物或直接使用聚合物改性沥青，可以有效提高浇注式混凝土的性能。
对于沥青混凝土（SMA、AC）铺装来说，通过提高材料总体性能来提高铺装层的使用性能；而环氧树脂有适当的柔韧性以提高其适应钢板变形的能力。
总之，沥青铺装层的使用价值应从耐流动性和抗裂性两方面进行研究。铺装厚度上层为30mm，下层为35mm。当厚度达到60mm时桥面可达到预期良好的平坦度。因而在不损害耐久性的范围内，建议薄层的下限为65mm。
不管采用什么样的桥面铺装结构形式，每一种钢桥面铺装方案均应是一个协调统一的铺装系统，并且均必须满足钢桥面铺装的使用性能要求，包括抗裂、抗永久变形积累、层间结合良好、平整、抗滑和完善的防水系统。

1.2.2 钢桥桥面铺装的特点和技术要求
(1)钢箱梁桥面铺装的特点和技术要求
钢箱梁桥面铺装直接承受着交通荷载的反复作用，而且桥面铺装处于较为不利的工作环境之中，它具有一般沥青路面或水泥混凝土桥面铺装所没有的特点。
①它不具备水泥混凝土桥面包括钢箱梁水泥混凝土组合式桥面那样的刚性底板支撑，也不具备道路那样坚强的路基与基层结构的文撑。桥面铺装处于随时都会变形的钢桥主梁之上。
②由于各种原因产生的振动作用，钢桥本身的变形、位移、振动都将直接影响铺装层的工作状态，这在一般的路面上是遭遇不到的。
③除正常铺装层自身温度变化的影响外，钢材的导热系数要比其他材料大得多，钢箱梁桥跨结构的季节性温度变化影响铺装层的变形。沥青铺筑层在全年极端高温与低温环境下将受到同一地区沥青路面所不可能有的强烈的不利影响，更易受大气温度的影响。
④桥面铺装一旦发生破损，对交通的影响要比公路路面破损的影响和危害大，维修更困难。
⑤钢材的最大的弱点是会生锈，它比其他公路材料更怕水。
(2)钢箱梁桥面铺装的技术要求
桥面铺装层对材料、结构的要求要比通常的路用材料要求更高。一般认为必须与钢板粘结性好，高温稳定，低温抗裂，耐疲劳，不透水，耐久，表面抗滑，便于施工，易于维修等基本的技术要求；
①桥面铺装必须能与桥面板紧密结合成为整体。桥面铺装必须能与桥面板的任何变形协调一致，即具有钢板变形的随从性。
②桥面铺装必须能严密的保护好桥面板，能防水，并设有有效的排水系统，以防止钢桥面生锈。
③钢桥面铺装使用的沥青材料必须有较小的温度敏感性和温度收缩系数。夏天能耐高温，有较好的高温稳定性和抗流动变形能力，不致产生车辙、推拥、流动变形；冬天能耐低温，有良好的应力松弛性能和低温抗裂性能。
④有良好的耐久性。包括沥青材料的抗老化性能、水稳定性、抗疲劳性能。疲劳荷载包括汽车反复作用和温度反复变化的影响。
⑤铺装层表面功能好，包括良好的抗滑性能、不产生水雾，以确保交通安全。

1.2.3 国内外钢桥桥面铺装应用状况
钢桥面铺装层的强度与稳定性一直是国内外工程界关注的重要课题，针对钢桥沥青面层受力特点，各国都特别注重沥青材料的选择和使用。例如，荷兰选用质地优良的特立尼达沥青，澳大利亚选用了环氧沥青(它的夏季气温达45℃)，法国和日本则选用含有改性粘接料的沥青。
各国经过数十年的研究与实践，逐步形成了适合于本国实际的一整套方法。按选用材料来分，有德国、日本使用的高温拌和浇注式沥青混合料，英国使用的碾压式沥青混合料，以及改性沥青密级配沥青混凝土等多种类型。高温浇注式混合料和碾压式沥青混合料铺装层最大的优点是混合料的零空隙率，防水效果良好。而最明显的缺点是高温稳定性差，易形成车辙，因此它只适用于夏季温度不太高的国家和地区。为了改进温度敏感性而发展起来的改性沥青为使用密级配沥青混凝土提供了条件，它的最大特点是高低温稳定性能优良，而在防水性能方面不及浇注式铺装层效果好。
法国钢桥大多数采用正交异性板桥，由于桥面上有较多的拼装接缝。表面平整度变化较大。所以大部分采用5—7cm厚型桥面铺装。其中结合料采用掺加聚合物的改质沥青。为适应支承钢板的变形，要求表面层应具有很高的强度，很好的粘附性，同时还要保持其表面粗糙特性和抗车辙能力。法国的实践表明：
① 厚度相同，以合成橡胶或合成树脂沥青为基料的表面铺装的使用寿命至少要比纯沥青为基料的表面铺装的使用寿命长三倍；
② 配比相同的表面层，65mm厚比40mm的使用寿命长五至六倍；
③ 防水层可根据其材料的成分，不同温度下的针入度及其环球法测定出的软化点进行选择；
④ 表面层可根据其材料的成分，诸如单纯施加压力、车辙、密实度、直接拉伸、弹性模量及疲劳强度试验所确定的物理特性等进行选择；
⑤ 整个复合层可根据负弯矩弯曲特性进行选择。
日本道路交通中车辆处于高速行驶状态，所以加荷时间短。路面的最高温度在60℃左右，比上海低5~10℃。冬季温度为-10℃，沥青混凝土的劲度可达20，000—50，000kgf/cm2。现存的钢桥面板铺装部分修补时间在通车后4—9年之后。
日本从1973年起经过了十几年的研究，取得了一系列成功的经验，提出了《本州四国连络桥桥面铺装基准》，对粘结层、防水层、主铺装层、钢板表面处理、接缝等都作了明确的规定。以后在关西国际机场海上连络桥建设时，又进行了5年的调查研究，有了新的发展。为了满足载重车的需要，在浇注式沥青混凝土中，特立尼达多巴哥湖沥青(TLA)的掺量增加到30％，表面嵌压预拌碎石，现在这些桥梁都在完好的使用中。
我国气候条件与国外有很大差异。日本属东亚季风气候，受海洋和海潮的影响，具有海洋性特征，形成较为温和和湿润的海洋性气候，即冬无严寒，夏无酷暑。欧洲的气候条件就更好。例如在建设厦门海沧大桥时曾经对中日两国的气候作了比较，本四桥所在地的纬度相当于连云港，夏天比厦门要凉快得多，一年中铺装层温度超过60℃的时间约为30h。而厦门位于北纬24.5度，接美国SHRP方法计算，路表温度Tsurf＝Tair十26.3，当气温达33.7℃时，路表温度达60℃，厦门极端最高气温37.1℃时，路表温度达63.4℃。厦门有6~9月连续4个月月最高温度超过33．7℃，估计厦门路表温度在60℃以上时间可能超过300h，为本四桥的10倍，这样大的气候上的差异是必须考虑的。江阴大桥、南京长江二桥、宜昌桥等气候条件比厦门更加苛刻。在交通组成中，厦门海沧大桥大型车混入率16％，大货车、拖挂车、集装箱占到9．9％，按桥面保质年限15年计算，日交通量超过45000辆。其他几个桥有过之无不及。对疲劳裂缝、车辙、开裂都要考虑到我国在气候和交通条件方面的特殊性。香港，于1997年建成的青马大桥采用了英国的碾压式沥青混凝土方案，但由于气候条件与英国相差甚远，结果第二年便出现了大量鼓包(有许多是工人滴下的汗水所引起的)。青马大桥的教训是我们应引以为戒的。
由于我国缺乏钢箱梁桥面铺装的成功经验，一些已建桥梁的使用情况都不太好。早期的北京大北窑桥、广东省马坊桥，破损比较严重。东营黄河大桥钢箱梁斜拉桥桥面也进行了几次维修。尤其是近几年开始建设更大跨径的钢箱梁桥后，情况更为严重，1996年建成不久的三峡西陵长江大桥1997年进行翻修，翻修不久，1998年又坏了。1997年7月建成的虎门大桥由于种种原因，通车不到两个月就出现了较严重的车辙、推挤等流动变形损坏，不能令人满意，第二年便进行了全面部修。现在正在建设的一部分工程想借助于国外的技术，由国外承包，还有一些正在努力进行研究，以图解决钢桥面铺装建设的困难。如南京长江二桥全盘采用美国环氧树脂沥青技术；江苏江阴大桥采用英国沥青玛蹄脂混凝土技术，但并未完全达到预期效果。

第二章 武宁路桥桥面铺装技术方案

2.1 武宁路桥改建工程背景
钢桥是桥跨结构采用钢材构件组合而成的桥梁，它能充分发挥钢材强度和其他物理力学性能，承载能力大，结构轻巧，施工便捷，已经在我国市政道路工程和高等级道路中越来越多的使用。作为钢桥的最表面铺装层大都采用沥青面层。这些面层受到行车荷载和气候环境因素的综合、重复作用，易于过早发生损坏和破坏，影响到该钢桥的整体受力功能和交通运输的正常运行。
武宁路桥改建工程为上海市2001年市府重大市政工程项目之一，作为市级景观，道路有着重要和特殊的意义。该桥梁改建工程工期紧，难度大,因此应当借鉴本市现有钢桥沥青铺装层建造中成功和先进的经验，在现有科技成果和机械化施工工艺可行基础上，完成这一市府重大工程中的桥面铺装分项工程。
上海市市政工程建设处、同济大学道路与交通工程研究所、诚基市政道路材料公司等三单位与上海市城建设计院配合，进行前期科研和实验，并向市政工程局科技处申报了“钢箱梁桥桥面沥青铺装新型混合料”科技项目，在保证工期和质量前提下，以国内沥青技术进步为基础，采用桥面功能与沥青混合料品质综合平衡的技术路线，即沥青混合料既要有较优秀的品质，又要在施工生产工艺上经过努力可以达到，同时能满足本项目依托工程的大交通通行要求，配制出技术先进的、工艺成熟的改性增强沥青混合料，完成钢桥面沥青铺装层铺筑任务。
本次课题采用室内试验和生产施工相结合的方法，以已取得的科研成果为基础，保证SMA新型混合料有足够的强度和结构稳定性，同时考虑钢桥振动大，振幅大，钢材温度胀缩性大，选择低温柔韧性、弹性恢复性大的SBS改性沥青，第三是考虑上海现时市区高热持续期长，对典型的SMA组成进行改进。试验其主要性状和特殊性状，并配合和指导现场施工，以全面实施实体工程中沥青面层工作内容。
具体科研流程示意图如图2.1。
确定研究方案
前期调研、工可研究
材料选择、室内试验、配制技术
系统试验比选
新型混合料、组配设计和性能实验
生产、施工点拟定
桥面铺装、分阶段铺筑
现场观测、补充室内试验
总结、编写报告

图2.1 具体科研流程示意图

2.2 钢桥桥面沥青铺装层的技术特点与技术方案
2.2.1 SMA沥青铺装层的技术特点
制备良好的SMA沥青混合料使其具有足够的强度和稳定度，达到JTJ014-94《公路沥青路面设计规范》的技术指标要求。在钢桥面层中使用，最大的期望是提高其高温抗车辙变形的能力。若以60℃，0.7MPa轮压条件进行的车辙试验获得的动稳定度可以达到或超过1500次/mm，为规范要求的1倍以上。使用改性沥青的SMA沥青混合料的低温抗裂性能也有明显的提高。使用了改性沥青，特别是SBS、SBR等热塑性合成橡胶类改性沥青，其低温抗裂性能效果更明显，其低温劈裂强度提高，而低温劈裂模量则很少变化或有所下降，显示其强度增长而韧性不降低，有利于桥面在低温条件下抵抗震动、冲击的能力。
武宁路桥系钢桥结构，承受繁重交通荷载和环境气候条件变化时由于钢桥的热容能力和结构振动程度远大于其他桥梁，所以选择沥青铺装层材料时，不仅要考虑其强度和密实度，还要考虑其抗变形能力，特别是低温条件下抗开裂、收缩的性能。上部的沥青铺装层有与一般沥青面层相同之处，但也更有自身的特点，经过认真研讨后，提出采用改性沥青的SMA沥青混合料配方。
SMA是一种密实式粗集料嵌挤型间断级配沥青混合料，粗集料多，细集料少，矿粉和沥青的用量也比通常的沥青混合料多。其目的是粗集料形成结构层的骨架，沥青矿粉和细集料（形成玛蹄脂材料）填充空隙，从而形成骨架密实型结构。它具有抗车辙、抗开裂、抗滑和耐久的使用特点。
由于SMA的抗高温车辙变形性能、低温抗裂性能、抗疲劳性能、表面功能及粘结性、耐久性、防水性、变形能力等等都比普通的密级配沥青混凝土好得多，空隙率也很小，只要认真地进行配合比设计，铺筑的是真正的SMA，而不是名义上的SMA(实际上并不是)，将能够充分发挥出SMA的优良性能，适应桥面铺装的需要。
应当指出，SMA在欧美、日本等国家大量使用，但是应当十分认真地注重我国实际情况，其主要原因是气候条件有很大的区别，此外交通条件、材料、施工技术和经济支撑都需要合理研究，才能形成上海地区先进、合理、耐用的新型SMA沥青面层材料。
试验研究的关键技术有：
① SMA沥青混合料的组配设计和性状试验；
② 新型改性增强沥青结合料的选择（SBS、SBR）；
③ 纤维稳定剂的掺配；
④ 整套施工技术和工艺要点。

2.2.2 SMA沥青铺装层的技术方案
SMA由于按德国气候特点设计，与上海地区气候不尽相同，易造成路面泛油，形成车辙等现象，所以需从新调整配合比和结构层。
桥面铺装层的上部分为表面层，它受到轮载垂直力和水平力的直接作用，除了坚实、耐久以外，还要充分考虑它的耐磨、防滑功能；桥面铺装层的下部分为底面层，它的功能应着重考虑结构层密实稳定、高温稳定性好,减轻车辙、增强整个面层的抗裂性能。
桥面铺装的铺装层下层，对泌水性要求更高，而且必须与桥面板完全结合良好，以达到真正与钢桥面板协同变形，不脱开，不透水。但是，一般公路上使用的SMA和改性沥青材料将不一定能符合要求。其主要原因是路面SMA的表面要求较大的空隙，形成较大的构造深度。但这样在与钢桥面板接触的底面，也势必形成较大的空隙，而不一定能与铜板完全密贴，粘结得是否良好就没有充分的保证。为了解决这个疑虑，必须对普通的SMA作种种改进认真调整SMA的级配，在0．6nm以上的部分适当向密级配沥青混凝土方向靠，减少粗集料用量，以减小成型后表面构造深度(上面及下面)，使其与钢板有良好的接触。同时按照SAtJL的原理，保证足够的矿粉数量，0。075mm通过率与SMA接近，掺加纤维以增加沥青用量，提高混合料的柔韧性，使其具有良好的变形随从性、抗裂性能、耐久性、防水性。这样的级配在高温稳定性方面是个薄弱环节，要采用聚合物、天然沥青、纤维复合的改性沥青。
这样调整后的级配，粗集料比例与日本改性沥青混凝土接近，但增加了矿粉部分，且使用纤维和复合改性沥青。它将能避免普通SMA与钢板接触不良的问题，与下层形成全面的接触，同时又避免对日本挠注式及英国碾压式沥青混合料抗高温流动变形性能不足的担心，以适应我国夏季高温酷暑气候对高温稳定性的需求。此级配细料部分较多，必须通过高剂量的聚合物(例如SBS)、天然沥青(特立尼达湖沥青或岩石沥青)改性沥青，同时使用比一般SMA多的纤维，以提高其使用性能，适应我国严酷气候条件下钢桥面铺装的需要。这一层混合料的空隙率接近于0，能起到防水层的作用。
对于桥面铺装层的上面层，由于SMA的抗高温车辙变形性能、低温抗裂性能、抗疲劳性能、表面功能及粘结性、耐久性、防水性、变形能力等等都比普通的密级配沥青混凝土好得多，空隙率也很小，对表面层采用改性沥青SE6JL结构，应该是没有问题的。只要认真地进行配合比设计，铺筑的是真正的SMA，将能够充分发挥出SMA的优良性能，适应桥面铺装的需要。
因此，武宁路钢桥桥面可使用二层施工，沥青铺装层总厚度为6cm，这样既可减薄整层厚度，又可减少造价。其中下面层为SMA—13Ⅰ型沥青混合料，厚度为3cm；上面层为SMA—13Ⅱ型沥青混合料，厚度为3cm。其中Ⅰ型趋于密实，可以防止水分下渗，减少钢桥面板因水分渗入而引起锈蚀；Ⅱ型趋于耐磨防滑，可以增加沥青表面的安全行驶程度。
桥面铺装结构组合如图2.2。

图2.2 桥面铺装结构组合图

2.3 研究对策及主要研究内容
2.3.1 研究对策
要解决铺装技术问题，必须综合考虑铺装层与钢板之间的粘结及各铺装层之间的粘结、铺装层的防水、铺装各层的抗高温车辙和推移、抗疲劳开裂性能及铺装层低温下对钢板的变形随从性等问题。因此，钢桥面铺装技术必须与钢桥的桥梁结构相结合，并将桥面铺装技术当成一个有机的整体。
①考虑梁的型式对铺装的影响
采用水泥混凝土桥面板时，桥面铺装问题相对容易解决，主要是板与板的连接部位以及伸缩缝部位的跳车。而钢箱梁桥由于是密闭的，夏季桥面温度很高，可高达65—70oC，因而钢箱梁桥面铺装技术问题更难以解决。
②考虑桥的型式对铺装的影响
充分考虑柔性大的桥梁行车振动对铺装带来的危害，以及由于桥梁伸缩缝跳车引起的铺装损害。
③建立成套的铺装体系
许多铺装的破坏，往往与铺装体系不成套有关。层间粘结、热稳性、疲劳开裂须综合考虑，而且特别要解决防排水问题。总之，桥面铺装是一个有机的整体，必须建立成套的铺装体系。
④铺装的施工控制技术
桥面铺装的施工与一般的沥青路面施工有很大区别，各铺装层都有非常严格的施工技术要求，必须严格控制工序、精心组织施工，才能确保铺装工程质量。
钢桥桥面必需保持干燥、清洁。在任何情况下，对钢桥要采用喷砂或其他净化措施，并立即加上保护层。所有各类防水层铺筑时，应先洒布液态沥青作底层，以保证其粘结于钢面板。沥青铺装层的铺设应着重注意以下几点：
a. 无论何种工艺，防水层和面层之间应采用粘性涂层；
b. 至少其中的一层沥青混合料应采用密级配，空隙率要低；
c. 限制夯锤和振揭器的重量，禁用履带式设备施工；
d. 关注防水层的质量以及施工过程可能产生的损坏。因为面层沥青层的损坏主要是局部性的，而损坏涉及到防水层时，就必须重新建造整个防水层一面层结构，即必须清除损坏结构、重新施加粘结涂层、铺设防水层、中间承重层及表面磨耗层。
总之，钢桥桥面铺装需综合考虑铺装与钢板之间的粘结及各铺装层之间的粘结、铺装层的防水、铺装各层的抗高温车辙和推移、抗疲劳开裂性能及铺装层低温下对钢板的变形追从性等问题，而不是单独的头疼医头、脚疼医脚的方法，而是系统地、综合地、整体地解决桥面铺装问题，虽然这将增加方案的技术难度，但其成套的成果必将很好地服务于工程。

2.3.2 研究内容
具体研究内容为：
① 钢桥沥青铺装性状和工程可行性研究；
② SBS改性增强沥青结合料性状试验；
③ 集料、纤维材性选择；
④ SMA改性沥青混合料性能设计和组配选择；
⑤ SMA混合料性能试验研究；
⑥ 新型混合料生产技术和施工工艺要点；
⑦ 现场铺筑和性状观测评价；
⑧ SMA新型桥面混合料综合评价。

2.3.3 工程实施的技术保证措施
①按期完成室内材料试验和混合料组配设计
SMA作为沥青混合料的一个品种，其生产拌制工艺和现场施工操作，和一般城市主干道路和桥面沥青铺装有相同之处。因此，可以尽可能地发挥现有沥青拌和、运输、摊铺设备。但改性增强SMA沥青混合料的材性有其特殊之处，特别是针对钢箱梁桥的刚度比一般钢筋混凝土桥小，易产生振动，加上不同施工季节温度不同，因此在完成室内试验，制订出混合料参数后，结合本座桥梁特点，及早提出原材料技术要求和工程实需数量，以便材料公司及早选购合格材料和进行试验室重现试验，适时进行修改和调整。
②制订施工技术要点，落实关键工序质量控制措施
为确保钢箱梁桥面改性增强SMA沥青铺装面层按期按质铺筑成功。沥青混合料拌和生产是一个重要环节，但现场施工也是一个重要环节。同时应与设计院和钢桥施工单位相配合，拟定可以实施和监理的工艺要点。其中需要工程指挥部协调施工、供料、监理、设计等部门，特别是钢桥施工后期出现局部更改时，如何保证这种新型铺面材料的成功铺筑。
③拟定切实可行的项目进度安排
本工程工期十分紧张，应及时组织人力和设备，进行前期性状实验和技术工艺要点编制工作，同时提前进行后期（施工阶段）工作的筹划，材料公司应在七月份左右，进行改性增强SMA沥青混合料的生产设备调试、试运行，有条件时可在相关路段或其他桥位进行试铺，取得现场第一手资料和参数，平衡SMA混合料强度等性能要求和施工可达性，确定实际施工配合比。
④配合施工监理，做好对钢箱梁表面品质的核查和评定工作
钢箱梁施工和SMA改性沥青面层施工都是新技术、新工艺，不是每一个监理部门和人员所精通的。例如搞结构的人员，不一定精通上部沥青面层对其下部钢箱表面的技术要求。因为这二者今后需要共同受力和受荷载作用，它们之间的脱离和不协调，必将引起沥青面层的过早损坏或破坏。因此需要根据以往的经验，在桥面防水、防锈、钢桥与沥青面层的粘结等方面，配合监理，做好施工前的上一道工序的核查和评定工作。

第三章 钢桥桥面SMA铺装层性能研究

3.1混合料配制目标
上海市武宁路是本市南北主干道之一，承受繁重交通，根据《城市道路设计规范（CJJ31—90）》，面层设计应达到“技术先进、经济合理、安全适用、保证质量”的要求。它的设计按规定，需满足设计年限内设计车道标准轴载累计数N大于2×106次。
本项目中研制的桥面铺装沥青混合料，首先是混合料类型选择，既能适应繁重交通行驶，又能适应钢箱梁桥结构受力特征的沥青混合料。SMA混合料中集料碎石嵌挤骨架由沥青玛蹄脂填充空隙，交通荷载由粗集料骨架承受，形成良好的抗变形能力；其次是选用SBS改性沥青材料，利用其低温抗裂性好，弹性恢复性大，可以适应钢桥面层振幅大，温度胀缩性大的客观要求。第三考虑到上海地区湿热多雨，夏季市区高温散失慢（热岛效应），在SMA组配时进行适应性修改。
沥青混凝土混合料组配设计时表面层混合料主要应达到防滑耐磨、致密美观；下面层混合料则主要应充分考虑超厚层沥青混凝土高温季节车辙变形，达到强度高、耐久和稳定。
本次试验研究的目的是为上海市武宁路桥改建工程钢桥面改性沥青混合料确定最佳材料配合比与最佳沥青用量。实验内容包括原材料的材料性状，和集料颗粒粒径筛分并参照SMA混合料的级配曲线，确定本试验的材料组成比例。考虑到上海地区夏季炎热以及钢桥面热容量大的特点，对马歇尔试验结果进行了适当调整，即：适当降低矿粉和沥青用量，另进行了两组补充试验。

3.2 混合料试验的基本内容
沥青混合料配合比设计流程图如图3.1,流程图中可选择的材料还包括纤维稳定剂和抗剥落剂。其中抗剥落剂是在采用硬质砂岩碎石时，提高其与沥青的粘附性时掺用。目前国外在沥青混合料中往往掺加一定数量的纤维稳定剂，以提高其强度和稳定性，使沥青混合料中的沥青用量稍为增加，但其并不泛油或形成车辙，而有利于其低温防开裂。本试验中也要进行一些测试比较。
材料选择

基准沥青

No
Yes
No
Yes
No
Yes
重新计算
及验算
分成五组
确定生产用配合比、最佳沥青用量
检验性测试
分析试验结果，确定最佳沥青用量
混合料性能试验
确定沥青用量
计算集料级配
材料试验
纤维稳定剂
抗剥落剂
矿粉
集料

图 3.1 沥青混合料配合比设计流程

3.3 材料
3.3.1 改性沥青
考虑到本项目的研究目标的特殊性能和上海地区气候要求，铺装桥面时采用的沥青其基值质沥青应选择上海市城市主干道中常用的道路石油沥青，并在此基础上进行改性。参照《公路改性沥青路面施工技术规范（JTJ036—98）》表5.2.1聚合物改性沥青的技术要求和改性剂料源状况，选定基质沥青为70号重交通道路石油沥青，改性剂选定为SBS，其性质指标应达到表3.1中技术要求。SBS是一种热塑性弹性体，外观质轻多孔。其在低于聚苯乙烯组分的玻璃化转变温度时是强韧的高弹性材料，而在较高温度下，又成为接近线性聚合物的流体状态。所以它既有橡胶弹性性质，又有树脂的热塑性性质。通过掺加不同品种的SBS，期望其改性后使沥青结合料的高温稳定性、低温柔韧性、温度敏感性以及耐老化性获得明显改善。
本次研究初步选定兴能SBS改性沥青（以下简称CN-2001-7）和壳牌SBS改性沥青（以下简称KP-2001-E），本次试验采用CN-2001-7SBS改性沥青。
试 验 项 目
同济大学试验值
兴能厂试验值
SBS改性沥青技术指标
实验方法
针入度（100g，5s）
（0.1mm）
25℃
75
70
≥60
T 0604-2000
15℃
26

30℃
102

针入度指数 PI
-0.08
0.0646
≥-0.2
延度（5℃，5cm/min）（cm）
35
45
≥30
T 0605-1993
软化点（环球法） （℃）
76
76.2
≥55
T 0606-2000
运动粘度（135℃）（Pa·s）
0.6

≤3
T 0619-1993
闪点（开口式） （℃）
251

≥230
T 0611-1993
溶解度 （%）
99.8

≥ 99
T 0607-1993
弹性恢复（25℃） （%）
75
84
≥ 65
T 0662-2000
离析（软化点差） （℃）
2.0

≤2.5
T 0661-2000
RTFOT后残留物
质量损失 （%）
0.08
0.18
≤1.0
T 0610 1993
针入度比（25℃）（%）
78
78
≥60
延度（5℃5cm/min）（cm）
23
27
≥20
表3.1 试验用改性沥青各项性能指标

3.3.2 粗集料
桥面沥青混合料中的粗集料宜采用碎石或破碎砾石材料，粗集料必须具有足够的强度和硬度，并且应有良好的颗粒形状。同时应洁净、干燥、无风化、无有害杂质。用于桥面铺装表面层的粗集料更应