徐 偉,周嘉博,莊國(guó)藝

華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院,廣東 廣州 510640

0 引言

隨著中國(guó)公路大跨徑鋼橋建設(shè)的發(fā)展,鋼橋面鋪裝技術(shù)也得到了快速進(jìn)步,高性能改性瀝青混合料、澆注式瀝青混合料、環(huán)氧瀝青混合料、高強(qiáng)水泥混凝土等材料被廣泛應(yīng)用于鋼橋面鋪裝工程[1-3].各種鋼橋面鋪裝材料具有不同的特點(diǎn)和適應(yīng)性,鋼橋面鋪裝的使用性能因鋪裝材料性能、鋼橋面板剛度、施工質(zhì)量、氣候環(huán)境、交通荷載等因素的影響表現(xiàn)出較大的差異[4-7].

中國(guó)多數(shù)大跨徑鋼橋面臨高溫多雨、重載、大交通量等惡劣環(huán)境條件的挑戰(zhàn),而環(huán)氧瀝青鋪裝具有較好的高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性、層間黏結(jié)性和抗疲勞耐久性等[8].自2000年以來(lái),環(huán)氧瀝青在中國(guó)鋼橋面鋪裝工程中逐漸得到了廣泛應(yīng)用[9].由于環(huán)氧瀝青的基本性能與普通瀝青具有顯著差異,環(huán)氧瀝青鋪裝的性能表現(xiàn)、病害特點(diǎn)和維修養(yǎng)護(hù)方式與普通瀝青路面也有較大不同[10].雖然環(huán)氧瀝青鋼橋面鋪裝具有較好的性能表現(xiàn),但也會(huì)因施工質(zhì)量控制、重載超載、鋼橋面板較薄等因素出現(xiàn)早期病害問題[11].本文分別針對(duì)施工質(zhì)量良好但存在一定施工質(zhì)量缺陷的2種環(huán)氧瀝青鋪裝工程,開展鋪裝使用周期的調(diào)查,分析環(huán)氧瀝青鋪裝從施工階段、運(yùn)行初期、運(yùn)行中期、運(yùn)行后期及大修各階段的性能表現(xiàn)規(guī)律、病害特點(diǎn)和維修養(yǎng)護(hù)方式,為環(huán)氧瀝青鋼橋面鋪裝的設(shè)計(jì)、施工控制及養(yǎng)護(hù)維修提供參考.

1 環(huán)氧瀝青鋪裝施工質(zhì)量良好情況下的性能表現(xiàn)及養(yǎng)護(hù)措施

環(huán)氧瀝青混凝土屬于熱固性材料,水穩(wěn)定性、抗老化性和耐油污性能優(yōu)良,具有良好的韌性和抗疲勞性能,15 ℃小梁彎曲強(qiáng)度可達(dá)15~20 MPa.正常情況下環(huán)氧瀝青鋼橋面鋪裝不會(huì)出現(xiàn)車轍、水損害、坑槽等病害.當(dāng)鋪裝層彎拉應(yīng)變低于一定應(yīng)變水平時(shí)(如400 με),環(huán)氧瀝青鋪裝表現(xiàn)出長(zhǎng)壽命狀態(tài);當(dāng)鋪裝層彎拉應(yīng)變超過(guò)一定應(yīng)變水平時(shí)(如1 000 με),環(huán)氧瀝青鋪裝會(huì)出現(xiàn)早期疲勞開裂.

1967年美國(guó)San Mateo-Hayward大橋首次采用環(huán)氧瀝青鋼橋面鋪裝,經(jīng)過(guò)近35年使用后2002年開始出現(xiàn)開裂,使用40年后的2008年鋪裝表面狀況見圖1.2015年SanMateo-Hayward大橋日均交通量達(dá)10.3萬(wàn)輛,2015年5月進(jìn)行了環(huán)氧瀝青鋪裝整體大修,該橋環(huán)氧瀝青鋪裝使用壽命最終達(dá)48年.

1986年金門大橋的混凝土橋面板更換為正交異性鋼橋面板,鋼橋面鋪裝采用溫拌型環(huán)氧瀝青混凝土; 2008年金門大橋鋼橋面鋪裝已有較多開裂,局部嚴(yán)重網(wǎng)裂,但仍能保持正常通行(圖(2a)、(b));2012年金門大橋鋼橋面鋪裝開裂病害進(jìn)一步發(fā)展,維護(hù)人員對(duì)部分較嚴(yán)重的裂縫進(jìn)行了灌縫處理,見圖2(c);2018年金門大橋鋼橋面鋪裝狀況見圖2(d).截至2018年金門大橋鋼橋面鋪裝已運(yùn)行32年,日均交通量約10萬(wàn)輛.

圖1 San Mateo-Hayward大橋鋼橋面鋪裝狀況(2008年)

施工質(zhì)量?jī)?yōu)良的環(huán)氧瀝青鋪裝在正常的交通荷載條件下可具有15~40年甚至更長(zhǎng)的使用壽命,環(huán)氧瀝青鋪裝使用后期主要出現(xiàn)的病害是疲勞開裂,開裂會(huì)加速鋪裝病害的進(jìn)一步發(fā)展.

圖2 金門大橋鋼橋面鋪裝狀況

環(huán)氧瀝青屬于熱固型材料,環(huán)氧瀝青混合料在使用過(guò)程中不會(huì)被壓密,其鋪裝表面構(gòu)造發(fā)展變化趨勢(shì)與普通瀝青路面也不同.環(huán)氧瀝青鋪裝表面細(xì)集料磨耗脫落后會(huì)形成主要由剩余粗集料組成的較粗糙表面構(gòu)造,金門大橋通車22年及佛山平勝大橋通車10年鋪裝表面變化情況分別見圖3、4.與普通瀝青路面抗滑性發(fā)展趨勢(shì)不同,環(huán)氧瀝青鋪裝表面抗滑性能隨著使用時(shí)間延長(zhǎng)而逐漸增強(qiáng),其鋪裝表面實(shí)際狀況與所用集料的耐磨性、混合料級(jí)配、交通量及車輛組成相關(guān).

圖3 金門大橋鋼橋面鋪裝表面構(gòu)造狀況

圖4 平勝大橋環(huán)氧瀝青鋪裝表面構(gòu)造狀況

2 環(huán)氧瀝青鋪裝存在施工缺陷情況下的性能表現(xiàn)及維修措施

環(huán)氧瀝青施工質(zhì)量控制要求較高,如果環(huán)氧瀝青混合料、黏結(jié)防水層等關(guān)鍵環(huán)節(jié)的施工質(zhì)量沒有達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)和技術(shù)要求,鋪裝整體性能也會(huì)受到顯著影響,出現(xiàn)早期病害問題,顯著降低鋪裝的使用壽命.另一方面,超載及較薄鋼橋面板也會(huì)引起環(huán)氧瀝青鋪裝早期的疲勞開裂.

以下基于2006年建成的一項(xiàng)鋼橋面鋪裝工程,對(duì)環(huán)氧瀝青鋪裝使用周期內(nèi)的病害特點(diǎn)和維修養(yǎng)護(hù)措施進(jìn)行調(diào)查分析.

2.1 環(huán)氧瀝青混合料施工期的問題與處置

環(huán)氧瀝青混合料鋪裝的空隙率基本低于3%,處于不透水、不透氣的狀態(tài),在攤鋪過(guò)程中如果環(huán)氧瀝青混合料內(nèi)混入一定數(shù)量的水或油,環(huán)氧瀝青鋪裝會(huì)在壓密后因液體高溫下體積膨脹而引起鼓包,同時(shí)水分也會(huì)與固化劑發(fā)生反應(yīng),影響?zhàn)そY(jié)強(qiáng)度[12-13].對(duì)于較小的鼓包(直徑小于150 mm),一般可采用刺破放氣、重新壓實(shí)的方式處理,見圖5;對(duì)于較大的鼓包(直徑大于150 mm),重新壓實(shí)可能難以保證有效黏結(jié),一般采用及時(shí)挖除鼓包、補(bǔ)回環(huán)氧瀝青混合料的方式處理,見圖6.

圖5 鼓包刺破

圖6 鼓包挖除

2.2 環(huán)氧瀝青鋪裝使用初期的性能表現(xiàn)與維養(yǎng)措施

部分環(huán)氧瀝青鋪裝鼓包并沒有在施工過(guò)程出現(xiàn),尤其是溫拌環(huán)氧瀝青和冷拌環(huán)氧瀝青鋪裝,但可能在通車后1~2年的夏季高溫期出現(xiàn)[14].該橋環(huán)氧瀝青鋪裝2008年出現(xiàn)的鼓包情況見圖7.實(shí)際維修應(yīng)用效果證明鉆孔注膠處理鼓包方式不理想,一方面注膠難以與脫層界面有效黏結(jié),另一方面注膠過(guò)多形成鋪裝突起影響路面平整度.一般環(huán)氧瀝青混凝土具有較強(qiáng)的韌性,出現(xiàn)局部裂縫后仍可使用較長(zhǎng)時(shí)間,對(duì)于鼓包開裂情況可先采用改性瀝青灌縫的方式處理,見圖8.跟蹤觀察后發(fā)現(xiàn),鼓包開裂后5年內(nèi)的狀態(tài)沒有顯著變化,表現(xiàn)出環(huán)氧瀝青混凝土具有較好的韌性.

2.3 環(huán)氧瀝青鋪裝使用中期的性能表現(xiàn)與維養(yǎng)措施

圖7 通車后鼓包開裂

圖8 鼓包灌縫封閉

2009年該項(xiàng)目環(huán)氧瀝青鋪裝表面出現(xiàn)激漿,且發(fā)生縱向開裂,見圖9、10.一般環(huán)氧瀝青鋪裝通車2~4年后,鼓包、開裂可能發(fā)展至激漿,這種情況說(shuō)明鋪裝層已發(fā)生層間脫離,因混合料與鋼板摩擦產(chǎn)生粉料,在雨水和輪載作用下出現(xiàn)激漿.出現(xiàn)激漿后,病害位置鋪裝層需要及時(shí)維修(圖11),以減少病害擴(kuò)展和對(duì)鋼橋面板的腐蝕,一般可采用灌縫方式進(jìn)行封閉,見圖12.灌縫料采用改性瀝青效果較好,因?yàn)楦男詾r青具有較好的黏附、熱熔和變形性能,而環(huán)氧瀝青或環(huán)氧樹脂灌縫易再次產(chǎn)生開裂.如果局部開裂嚴(yán)重或出現(xiàn)坑槽(圖13),可采用冷拌型環(huán)氧瀝青混合料進(jìn)行挖補(bǔ)維修,修補(bǔ)材料應(yīng)具有較好耐久性和與原鋪裝的相容性,見圖14.

2.4 環(huán)氧瀝青鋪裝使用后期的性能表現(xiàn)與維養(yǎng)措施

圖9 鼓包開裂激漿

圖10 鋪裝縱向開裂

圖11 鋪裝推移開裂

圖12 開裂灌縫養(yǎng)護(hù)

圖13 鋪裝坑槽破壞

隨著鋪裝運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng),2010年該項(xiàng)目4個(gè)車道環(huán)氧瀝青鋪裝出現(xiàn)脫層、開裂病害,鋪裝層產(chǎn)生較大面的推移、脫落和坑槽(圖15),局部出現(xiàn)鋼橋面板外露情況,已嚴(yán)重影響鋪裝的行駛功能和安全性,也會(huì)對(duì)鋼橋面板造成較嚴(yán)重的腐蝕,需要及時(shí)進(jìn)行病害嚴(yán)重路段的車道鋪裝維修,需鏟除(圖16)鋼橋面板局部已經(jīng)被嚴(yán)重銹蝕.

圖14 鋪裝坑槽挖補(bǔ)

圖15 較大面鋪裝縱向推移開裂

圖16 脫層鋪裝鏟除

對(duì)一個(gè)段落的車道鋪裝進(jìn)行維修工程量較大,需要采用機(jī)械施工,一般采用性能相似的環(huán)氧瀝青混合料進(jìn)行維修.首先銑刨病害區(qū)域的鋪裝層,銑刨深度控制在鋼橋面板上方約20 mm,以避免損傷鋼板,然后采用小型機(jī)械及人工清理殘留的鋪裝層(圖17).鋪裝病害位置在下面層、上面層的情況均有.最后涂布黏結(jié)層并鋪筑環(huán)氧瀝青混合料,如工程量較大需要采用拌合樓生產(chǎn)環(huán)氧瀝青混合料,也可以考慮采用移動(dòng)式拌合設(shè)備進(jìn)行較小范圍的混合料拌合生產(chǎn),之后采用壓路機(jī)進(jìn)行壓實(shí),養(yǎng)生結(jié)束后方可開放交通,見圖18.為減少維修對(duì)交通的影響,宜選用快速養(yǎng)生環(huán)氧瀝青材料,并選擇氣溫較高的天氣進(jìn)行鋪裝維修.

圖17 輪跡帶病害鋪裝清除

圖18 輪跡帶鋪裝修復(fù)

3 環(huán)氧瀝青鋪裝大修清除工藝

2017年金門大橋環(huán)氧瀝青鋪裝使用后期的整體病害較嚴(yán)重(圖19),路用性能顯著降低,通過(guò)一般養(yǎng)護(hù)措施難以長(zhǎng)期有效恢復(fù)鋪裝使用功能,需要進(jìn)行整體鋪裝大修.

環(huán)氧瀝青鋪裝未發(fā)生病害的區(qū)域與鋼橋面板仍然具有較強(qiáng)的黏結(jié)性,清除有一定難度,一般是先采用銑刨方式清除鋪裝至鋼橋面板上方約20 mm的深度(圖20),以免破壞鋼橋面板;然后采用機(jī)械鏟除殘余鋪裝,并配合人工清除粘結(jié)層(圖21).

脫層病害位置鋪裝黏結(jié)層界面狀態(tài)見圖22,黏結(jié)層材料處于松軟狀態(tài),與完全固化狀態(tài)不同.通車11年后黏結(jié)層存在這種狀態(tài)是不正常的,這也反映出黏結(jié)層強(qiáng)度失效是產(chǎn)生鋪裝脫層病害的主要原因.

最后采用機(jī)械噴砂方式清潔鋼橋面板,達(dá)到清潔度和粗糙度的設(shè)計(jì)要求(圖23),并按照維修設(shè)計(jì)方案完成鋪裝施工.為了保證交通通行、施工安全和維修施工效率,該項(xiàng)目采用了一幅雙向車輛通行、一幅進(jìn)行鋪裝維修的施工組織方式,交替完成整橋鋪裝大修工程,見圖24.

圖19 鋪裝整體出現(xiàn)開裂、推移、坑槽

圖20 鋪裝整體銑刨

圖21 鋪裝機(jī)械挖除

圖22 鋪裝病害位置的黏結(jié)層界面

圖23 鋼橋面重新噴砂除銹

圖24 單幅封閉鋪裝維修與交通通行

環(huán)氧瀝青鋪裝按照施工拌合溫度可分為熱拌、溫拌和冷拌3種類型,按組成也可分為不同類型的環(huán)氧瀝青產(chǎn)品,實(shí)際工程應(yīng)用中因環(huán)氧瀝青材料、施工質(zhì)量、運(yùn)行環(huán)境、交通荷載等的差異,其性能表現(xiàn)也會(huì)有較大差異.對(duì)具有較長(zhǎng)使用壽命的環(huán)氧瀝青鋪裝和有早期損害環(huán)氧瀝青鋪裝在使用周期的性能表現(xiàn)和維修養(yǎng)護(hù)進(jìn)行了調(diào)查分析,具體比較分析見表1.

4 結(jié) 語(yǔ)

為了保證環(huán)氧瀝青鋼橋面鋪裝的可靠性、耐久性,以下幾方面問題需要重點(diǎn)考慮.

表1 環(huán)氧瀝青鋼橋面鋪裝使用周期性能表現(xiàn)及維修比較分析

(1)環(huán)氧瀝青材料必須性能穩(wěn)定、技術(shù)指標(biāo)明確,環(huán)氧瀝青混合料應(yīng)具有良好的韌性和抗疲勞性能,鋪裝層、黏結(jié)層與鋼橋面板能夠形成具有可靠黏結(jié)強(qiáng)度的鋪裝復(fù)合體系,相關(guān)鋪裝材料、鋪裝方案應(yīng)具有良好的應(yīng)用工程案例.

(2)環(huán)氧瀝青鋪裝施工工藝、技術(shù)要求和控制體系應(yīng)全面、具體,并從環(huán)氧瀝青材料角度,為環(huán)氧瀝青鋪裝的施工便利性、可控性提供基礎(chǔ),尤其重視環(huán)氧瀝青的混合、投入、涂布等機(jī)械裝置的可靠性和穩(wěn)定性,實(shí)地調(diào)查顯示,較多的環(huán)氧瀝青鋪裝早期病害與施工管理、機(jī)械設(shè)備控制有關(guān).

(3)及時(shí)采用可行方案對(duì)環(huán)氧瀝青鋪裝病害進(jìn)行維修養(yǎng)護(hù),一方面可以有效延長(zhǎng)環(huán)氧瀝青鋪裝使用壽命,保證鋼橋面鋪裝的交通功能,另一方面也可以保護(hù)鋼橋面板,減少或避免因鋪裝破損而造成的鋼橋面板磨損和腐蝕.