高分子聚合物混凝土鋼橋面鋪裝材料技術(shù)進(jìn)展

李書飛，胡超峰，胡倫福，李俊忠，段文志，徐世法

1. 北京建筑大學(xué) 北京市城市交通基礎(chǔ)設(shè)施工程技術(shù)中心，北京 100044 2. 河南中原高速公路股份有限公司，河南 鄭州 450000 3. 北京市政路橋管理養(yǎng)護(hù)集團(tuán)有限公司，北京 100011 4. 北京市城市道路養(yǎng)護(hù)管理中心，北京 100069 5. 北京建筑大學(xué) 未來(lái)城市設(shè)計(jì)高精尖創(chuàng)新中心，北京 100044

0 引言

隨著中國(guó)交通運(yùn)輸事業(yè)的發(fā)展，作為公路交通紐帶的大跨徑鋼橋越來(lái)越多。鋼橋面鋪裝層是橋梁的重要部分，其主要功能為抗磨耗、抗滑和防水防腐，具有保護(hù)鋼橋面的作用。目前的鋼橋面鋪裝材料基本上都是以瀝青基材料為結(jié)合料，主要包括瀝青瑪蹄脂碎石、澆注式瀝青混凝土和環(huán)氧瀝青混凝土等。這些鋪裝材料有的溫度敏感性強(qiáng)、抗老化能力弱，有的抗裂能力差、與鋼橋面黏結(jié)能力弱，容易出現(xiàn)車轍、推移、開裂等早期病害，使用壽命最多十余年，有的僅僅為幾年甚至只有幾個(gè)月，而鋼橋的使用壽命一般為100年以上。因此，在鋼橋使用期間，鋪裝層要進(jìn)行多次銑刨維修，嚴(yán)重影響正常交通和鋼橋結(jié)構(gòu)的安全，經(jīng)濟(jì)損失巨大。因此，在中國(guó)鋼產(chǎn)能過(guò)剩且國(guó)家鼓勵(lì)建設(shè)鋼橋的背景下，研發(fā)長(zhǎng)壽命非瀝青基高分子鋪裝材料已經(jīng)成為當(dāng)務(wù)之急。

1 瀝青瑪蹄脂碎石鋪裝材料

瀝青瑪蹄脂碎石（SMA）是由較高比例的粗集料、礦粉和瀝青組成的一種骨架密實(shí)型瀝青混合料。該混合料廣泛應(yīng)用于鋼橋面，主要是利用高含量瀝青和纖維穩(wěn)定劑將骨架膠結(jié)一起，并填充骨架空隙，使混合料具有較好的柔性，從而較好地適應(yīng)鋼橋面的變形。

20世紀(jì)60年代中期，SMA最初在德國(guó)出現(xiàn)，改善其路用性能的方法主要是增加礦粉比例、采用木質(zhì)纖維以及瀝青改性技術(shù)等。1990年，美國(guó)開始對(duì)SMA進(jìn)行研究并鋪筑大量SMA路段，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期觀察檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，SMA在抗車轍、開裂以及水損害方面都具有優(yōu)良的表現(xiàn)[1-3]。

20世紀(jì)90年代初，SMA進(jìn)入中國(guó)，開始時(shí)由于沒(méi)有充分考慮國(guó)內(nèi)氣候交通條件而完全照搬國(guó)外的技術(shù)，導(dǎo)致許多試驗(yàn)路都產(chǎn)生了車轍等早期病害。20世紀(jì)90年代末，中國(guó)為了使SMA技術(shù)能夠更好地適應(yīng)中國(guó)氣候和交通環(huán)境，對(duì)SMA的設(shè)計(jì)方法、原材料要求等方面進(jìn)行了系統(tǒng)研究[4-5]。

目前，中國(guó)SMA技術(shù)成熟，采用調(diào)整級(jí)配、提高對(duì)原材料要求、使用改性瀝青以及添加木質(zhì)纖維或礦物纖維等手段，使SMA路用性能全面提高，尤其是高溫抗車轍、低溫抗開裂性能以及耐久性。但是，從實(shí)際鋼橋鋪裝工程來(lái)看，還是會(huì)出現(xiàn)很多病害，例如虎門大橋的SMA鋪裝層出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的早期病害，包括推移、車轍等。研究分析認(rèn)為，SMA鋪裝層病害產(chǎn)生的原因包括兩方面：一是SMA與鋼面板的黏結(jié)性能較差；二是相對(duì)于橋面鋪裝層惡劣的工作環(huán)境來(lái)說(shuō)，SMA的熱穩(wěn)定性能不足。SMA壽命使用最長(zhǎng)為10年左右，但相比于鋼橋面的使用壽命還是非常短，遠(yuǎn)不能滿足人們對(duì)長(zhǎng)壽命鋪裝層的預(yù)期。

2 環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝材料

環(huán)氧瀝青是一種由環(huán)氧樹脂、固化劑與基質(zhì)瀝青經(jīng)復(fù)雜的化學(xué)改性所得的混合物，與基質(zhì)瀝青有著完全不同的物理性質(zhì)和力學(xué)性能。環(huán)氧瀝青混凝土與普通的瀝青混凝土最大的不同在于它的生產(chǎn)是一種不可逆的固化反應(yīng)過(guò)程，其主要優(yōu)點(diǎn)為強(qiáng)度與剛度較高、耐腐蝕性強(qiáng)。

20世紀(jì)50年代末，殼牌石油公司開始采用環(huán)氧樹脂對(duì)石油瀝青進(jìn)行改性，得到Shell Epoxy Asphalt等強(qiáng)熱固性環(huán)氧瀝青材料。1967年美國(guó)的San Mateo-Hayward大橋首次采用環(huán)氧瀝青混凝土作為鋼橋面的鋪裝層材料，并取得非常好的使用效果。之后美國(guó)廣泛采用環(huán)氧瀝青混凝土進(jìn)行鋼橋面鋪裝，對(duì)于防止橋面鋪裝病害有一套較為成熟的設(shè)計(jì)與施工體系。

2001年，中國(guó)首次使用環(huán)氧瀝青鋪裝鋼橋面。試驗(yàn)研究與應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，環(huán)氧瀝青混凝土橋面鋪裝在高溫季節(jié)表現(xiàn)良好，較少出現(xiàn)車轍與推擠病害，而且具有很強(qiáng)的抗侵蝕能力[6]。

總之，環(huán)氧瀝青混凝土具有很多優(yōu)異的性能，但也存在以下缺陷：固化后脆性太大，容易開裂；層間黏結(jié)易失效，導(dǎo)致鋪裝層出現(xiàn)推移等早期病害；強(qiáng)度形成受固化劑和溫度的影響較大，導(dǎo)致施工難度大，對(duì)施工設(shè)備要求高；養(yǎng)護(hù)時(shí)間較長(zhǎng)，養(yǎng)護(hù)維修困難，影響交通開放；使用壽命較短，一般不超過(guò)15年。

3 澆注式瀝青混凝土鋪裝材料

澆注式瀝青混凝土（Guss asphalt）是一種能夠依靠混合料自身的流動(dòng)性攤鋪成型無(wú)須碾壓的一種空隙率小于1%的瀝青與礦料混和物，拌合溫度在220 ℃~260 ℃，具有高瀝青含量與高礦粉含量的特點(diǎn)[7]。由于空隙率很小，澆注式瀝青混凝土內(nèi)部的空隙基本不連通，所以作為鋪裝材料具有密水性好的優(yōu)點(diǎn)；較高的瀝青含量使得該鋪裝材料具有較好的柔韌性，變形追隨能力強(qiáng)。

1917年，德國(guó)開始研究開發(fā)澆注式瀝青混凝土，并于19世紀(jì)30年代年首先應(yīng)用于漢堡的橋面鋪裝工程。1950年日本開始研究鋼橋面鋪裝并廣泛應(yīng)用，1956年日本根據(jù)本國(guó)的特點(diǎn)，改變了德國(guó)澆注式瀝青混凝土相關(guān)技術(shù)指標(biāo)和材料組成等，形成了具有日本特色的設(shè)計(jì)與施工技術(shù)。該技術(shù)充分地利用了該材料的防水性能和變形追隨性能，但對(duì)抗滑能力不足的問(wèn)題考慮欠佳[8-10]。

20世紀(jì)90年代，中國(guó)引進(jìn)了澆注式瀝青混凝土技術(shù)，1999年9月采用澆注式瀝青混凝土鋪裝的江陰長(zhǎng)江公路大橋建成通車，但開放交通不久便出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的車轍、推移等病害，其外因?yàn)楦邷嘏c重載交通，內(nèi)因?yàn)殇摌蛎姘搴穸容^薄以及澆注式瀝青混凝土的高溫穩(wěn)定性差。后來(lái)，在許多工程中將澆注式瀝青混凝土作為防水黏結(jié)層用于橋面鋪裝的下面層[11]。

澆注式瀝青混凝土作為橋面鋪裝材料既有優(yōu)勢(shì)又有不足，具體表現(xiàn)為：變形追隨性較好，防水、防腐效果突出，在國(guó)外得到了廣泛的應(yīng)用且效果很好，但受中國(guó)特殊使用條件（夏季炎熱、重載）的影響，其高溫性能較差，易出現(xiàn)車轍等病害；由于采用高瀝青含量、高礦粉含量，其抗滑性能不足；施工溫度高，材料老化嚴(yán)重；由于空隙率很小，在攤鋪施工中對(duì)水汽敏感，容易產(chǎn)生鼓包；鋪裝需要特殊的施工設(shè)備，施工難度大。

4 高分子聚合物混凝土鋪裝材料

高分子聚合物是指由鍵重復(fù)連接而成的高分子量化合物，高分子聚合物混凝土是由高分子聚合物和具有一定級(jí)配的礦料拌合而成的混合物。20世紀(jì)70年代，高分子聚合物混凝土因其強(qiáng)度受溫度影響較小、防水性能及抗腐蝕性能優(yōu)越而在國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用于道路結(jié)構(gòu)物的快速修補(bǔ)，如通過(guò)注漿技術(shù)、冷補(bǔ)料修補(bǔ)技術(shù)進(jìn)行道路裂縫病害的維修。此外，因其具有保溫、隔熱、隔音等功能且黏附性優(yōu)良，被作為墻體防火保溫材料廣泛應(yīng)用于建筑領(lǐng)域[12]，而將高分子聚合物混凝土作為大跨徑鋼橋面鋪裝材料的研究很少，主要原因在于其剛性有余而脆性不足。

中國(guó)的氣候特點(diǎn)是，夏季炎熱，高溫持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，冬季嚴(yán)寒，大風(fēng)降溫速率快；而瀝青類鋪裝材料溫度敏感性強(qiáng)，高溫易產(chǎn)生車轍，低溫易開裂，難以滿足要求。通過(guò)對(duì)鋼橋面鋪裝工程的調(diào)查來(lái)看，將以瀝青作為膠結(jié)材料的瀝青混凝土結(jié)構(gòu)作為大跨徑鋼橋面的鋪裝材料，會(huì)因其溫度敏感性強(qiáng)、層間黏附性弱、抗水損壞性差的技術(shù)缺陷而出現(xiàn)很多弊端。因此，開發(fā)溫度敏感性低、耐水耐腐蝕性強(qiáng)的長(zhǎng)壽命高分子聚合物混凝土橋面鋪裝材料已迫在眉睫。

攤鋪過(guò)程

碾壓過(guò)程

四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)試件

低溫小梁試驗(yàn)

北京建筑大學(xué)課題組為解決鋼橋面鋪裝層早期病害嚴(yán)重、使用壽命短的問(wèn)題，以高分子聚合物為突破點(diǎn)，開發(fā)了非瀝青材料的高分子聚合物混凝土，并對(duì)其性能通過(guò)室內(nèi)研究及試驗(yàn)段鋪設(shè)進(jìn)行了評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：在高溫性能方面，該材料的動(dòng)穩(wěn)定度能達(dá)到環(huán)氧瀝青混凝土的5倍以上；低溫性能方面，該材料10 ℃的最大彎拉應(yīng)變是澆注式瀝青混凝土的6倍以上，且對(duì)鋼橋面板的變形協(xié)調(diào)性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于澆注式瀝青混凝土；疲勞壽命方面，該材料的抗疲勞性能至少能達(dá)到環(huán)氧瀝青混凝土的10倍以上；水穩(wěn)定性方面，該材料在第1次凍融循環(huán)之后殘留劈裂強(qiáng)度比基本穩(wěn)定，而環(huán)氧瀝青混凝土經(jīng)過(guò)多次凍融循環(huán)作用，其殘留劈裂抗拉強(qiáng)度下降幅度仍然較大[12]。

高分子聚合物混凝土鋪裝材料采用傳統(tǒng)設(shè)備生產(chǎn)施工，不需要加熱，在常溫下拌合、攤鋪、碾壓，所需要的鋪裝厚度通常為4 cm。

通過(guò)與瀝青瑪蹄脂碎石、澆注式瀝青混凝土和環(huán)氧瀝青混凝土3種典型鋼橋面鋪裝材料進(jìn)行技術(shù)性能及經(jīng)濟(jì)性對(duì)比可知：該高分子聚合物混凝土性能優(yōu)越；價(jià)格比環(huán)氧瀝青混合料低；常溫拌合，傳統(tǒng)設(shè)備即可施工；強(qiáng)度形成時(shí)間可靈活調(diào)整；鋪裝層厚度小，僅為4 cm，不僅節(jié)省材料，而且減輕恒載，作為新一代長(zhǎng)壽命鋪裝材料，應(yīng)用前景廣闊。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）中國(guó)對(duì)橋面鋪裝的研究起步較晚，目前在結(jié)構(gòu)形式、鋪裝材料和施工技術(shù)上主要是借鑒國(guó)外技術(shù)，如熱拌式瀝青瑪蹄脂碎石、澆注式混凝土、環(huán)氧瀝青混凝土橋面鋪裝技術(shù)等，但國(guó)內(nèi)和國(guó)外的氣候及交通條件相差很大，這些以瀝青作為膠結(jié)材料的混合料不能很好地適應(yīng)國(guó)內(nèi)的氣候交通條件，導(dǎo)致橋面鋪裝層的壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)短于橋梁結(jié)構(gòu)的使用壽命。因此，研發(fā)溫度敏感性低、耐水耐腐蝕性強(qiáng)的長(zhǎng)壽命高分子聚合物混凝土橋面鋪裝材料具有重要的理論意義及工程價(jià)值。

（2）近幾年中國(guó)研發(fā)出來(lái)的高分子聚合物混凝土橋面鋪裝材料是一種新型的高性能耐久鋪裝材料。與傳統(tǒng)的瀝青類橋面鋪裝材料相比，其高低溫穩(wěn)定性、抗水損害及抗疲勞性能等均有明顯提升；所需要的設(shè)計(jì)厚度小，使用壽命長(zhǎng)；施工工藝簡(jiǎn)便，施工設(shè)備沒(méi)有特殊要求；生產(chǎn)為常溫拌合，節(jié)能環(huán)保。該材料代表著行業(yè)鋪裝技術(shù)發(fā)展的方向，將引起橋面鋪裝材料的重大變革。