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[原创] 创新与优化——一种新型钢桥面铺装结构的施工与养护技术 [复制链接]

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yaqin 发表于 2018-5-7 11:08:11 |显示全部楼层 |          |
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近二十年来,我国建成许多大跨度缆索承重结构桥梁,其主梁结构基本上采用正交异性钢桥面板加薄层沥青混凝土铺装,构成桥梁行车系结构。正交异性钢桥面结构由横向横隔梁、纵向加劲肋及其共同支撑的桥面板组成,桥面结构横纵两个方向弹性性能不同,同一方向不同位置桥面刚度也存在差异,这些因素形成了正交异性钢桥面板刚度及变形的不均匀性,另外,由于铺装所处的特殊位置直接承受车辆荷载、温度变化、雨水等因素共同作用,这对桥面铺装性能提出了更高的要求。

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钢桥面铺装的认识

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(1)在设计上,满足行车荷载、风载、温度变化及钢桥面局部变形等因素影响的强度、力学、变形特性等特殊要求。

(2)在使用上,满足铺装重量轻、不透水、粘结性、温度稳定性、疲劳耐久性好等特殊要求。

目前,国内外大跨径钢桥面铺装形成了以高温拌和浇筑式沥青混凝土、改性沥青 SMA 和环氧沥青混凝土三大铺装材料。在我国,由于使用条件不当或设计、施工等问题,造成钢桥面铺装在服务期内出现裂缝、泛油、拥包、车辙、松散、推移、脱层等破坏,直接影响到行车的安全性、舒适性和桥梁结构耐久性。因此,钢桥面铺装技术至今仍是我国大跨度钢桥建设的一项关键技术。


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钢桥面铺装的设计

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设计理念和设计理论

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钢桥面铺装的设计理念,技术较为先进的美国、德国、日本已形成了特色鲜明的体系。其中美国的钢桥面铺装基本采用环氧沥青混凝土,德国采用全浇筑式沥青混凝土,而日本则采用下层浇筑式沥青混凝土+ 上层SMA,上述方案在我国大跨径桥梁的建设中都有应用。尽管国内的一些研究机构、专家学者一直在努力,并在上述体系之外提出了STC( 超高韧性钢纤维混凝土)、ERS( 树脂沥青组合体系) 等铺装形式,但由于应用范围、理论支撑、时间所限,尚需时日检验。

在我国,由于正交异性钢桥面铺装体系的力学分析、计算理论及方法的不一致性,铺装使用混合料的材料特性差异,荷载、施工及环境条件的综合影响,导致设计理论的不完善。与此相应的是,至今我国都没有相应的钢桥面铺装设计规范,往往针对一座桥要开展相关的研究工作来指导专项设计。


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协同创新与应用

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在钢桥面铺装体系的研究上,国内众多高校、科研机构在具有丰富技术资源和实践资源等有利条件的情况下,由于缺乏有效领导和协调创新,造成各自为战,业界缺标准、无权威,不能立足国情深入研究,盲目地迷信国外产品,以拿来主义自居。设计理论通常局限于试验数据和计算理论,设计方法中对环境因素、施工条件考虑不够,对于运营现场的病害认识不清。因此,这种缺乏病理特征研究的设计理论,设计就无法做到对症下药,也无法取得核心技术的突破。

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钢桥面铺装的施工


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材料问题


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常用的铺装材料主要有四种AC(密级配沥青混凝土)、SMA(沥青玛蹄脂碎石混凝土)、GA(浇注式沥青混凝土)、EA(环氧沥青混凝土)。国内现阶段多采用环氧沥青混凝土,用于防水黏结层及面层混合料所需的环氧沥青黏结剂、结合料主要从美国、日本进口,其稳定性难以掌握和判定。


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工艺问题


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环氧沥青钢桥面铺装的主要工艺流程是钢桥面板的喷砂除锈、涂刷环氧富锌漆、洒布防水黏结层、生产、运输、摊铺环氧沥青混凝土(锯缝)、养生等。大跨径钢桥的防水黏结层施工通常规模较大,一般都在上万平米以上,为提高生产效率,施工单位会改装或加工专用喷洒机具。环氧沥青黏结剂通常是双组分的,需要一定的反应时间,采用机械化的喷洒工艺因材料仅在空中短暂接触可能会造成反应不充分,降低黏结效果;另外这些洒布装置未经严格的标定,缺乏精准的计量控制,也会造成超、漏或缺洒的情况。对于采用美国环氧结合料拌制的环氧沥青混凝土而言,出料温度要求较为苛刻,在110 ~ 120℃之间,保持拌和温度、出料温度的稳定是一个难题,控制水平的高低对施工质量会有一定影响。环氧沥青钢桥面铺装根据现场情况通常会采取分块、分层铺筑,施工接缝的锯缝方式、位置选取,因为日后开通运营后在重载及大交通量的条件下,车轮的局部冲击作用会导致这些薄弱区域发生破坏。


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管理问题


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钢桥面铺装施工是一项多工种、多工序协同的人员密集性作业,施工环境及作业条件要求甚为严格。环氧沥青钢桥面铺装施工过程最怕的就是水,所以通常作业前都会作详尽的教育。尽管施工人员的认识加强了,但是很难避免汗水带入或是机具上带水,此外经常会忽视周边结构物上的冷凝水。环氧沥青混凝土出料后到开始摊铺的时间间隔很短,美国环氧在30min 左右,日本环氧在1h 左右,因此施工时要有紧密的施工组织,有时会出现料温下降产生死料而又继续使用的情况,这也给桥面铺装的总体质量带来了隐患。

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钢桥面铺装的养护

& v2 v4 Q$ B1 I6 b# F' D

(1)养护队伍和养护研发技术能力不足,无法做到在合适时间用正确的技术和方法处理病害,直接造成病害的迅速扩展甚至造成新病害。

(2)高温、多雨、冰冻、污染等不良环境和超重、超载运行条件加速病害的发展。


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优化环氧沥青组合结构设计原理


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设计考虑不全、施工管理不当、运营环境不良是钢桥面铺装病害产生的主要原因,针对具体问题优化了铺装层的结构设计,即在钢桥面钢板上依次铺设超强性能改性环氧树脂碎石组合式连结层、超高粘改性沥青玛蹄脂碎石结构层,见图1。


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优化环氧沥青组合结构设计

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表1 改性环氧树脂主要性能指标


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表2 改性环氧树脂与钢板拉拔试验结果

" {3 u- E1 M2 }

改性环氧树脂碎石组合式连结层

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钢桥面体系变形大、桥面钢板粘附能力低,铺装层破坏多来自沥青混凝土面层对桥面板变形的随从性不够,层间黏结耐久性差,进而造成铺装层与桥面钢板之间脱层与滑移而遭到破坏。在水存在的情况下,会腐蚀钢板,对桥梁耐久性和安全性极为不利。长期实践证明,桥面铺装层与桥面钢板间黏结和防护问题,对于整个钢桥面铺装的成功与否起着至关重要的作用。因此,与桥面钢板接触的黏结层材料的选择必须考虑不透水性、耐低温韧性、抗剪强度、黏结强度、施工可操作性等基本性能。改性环氧树脂材料是一种以环氧树脂和聚氨酯为主要结合材料的特殊三相混合的聚合物系统,其主要成分为二元杂化高分子树脂,配方中不含任何填料及挥发性溶剂,该杂化高分子系统能够提供优越的耐高温稳定性、低温柔韧性以及极好的耐久性。主要性能及指标见表1。

研究和实践证明, 这种聚合物对钢结构的黏结力尤为突出,同时在低温下也能保持良好的柔韧性,改性环氧树脂与3-6mm 碎石形成厚1cm、表面裸露骨料大于3mm 的改性环氧树脂碎石组合式连结层,可以防水、防锈,该薄层具有对钢结构的黏结力强、变形空间大、强度高、抗剪能力强的优良特点,有效吸收铺装层和桥面板之间的相对位移,起到应力吸收层的作用,从而实现了钢桥面铺装层与桥面钢板之间良好的随从性,有效解决了大跨度钢结构桥梁大变形和黏结层与上结构层黏结的问题, 同时对钢板的整体刚度起到很好的加强作用。试验结果见表2。

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超高粘改性沥青玛蹄脂碎石(SMA) 结构层

4 ]" G" I5 b# u; E+ n; V

表3 超高粘改性沥青技术指标


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表4 超高粘改性SMA混合料


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表5 不同黏结材料的拉拔试验结果


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钢桥面铺装层在夏季炎热环境下内部温度较高,一般可以达到60℃~ 70℃,这对钢桥面铺装层的高温稳定性是非常不利的,高温耐久性能差、材料性能老化失效是铺装结构层破坏的主要原因。因此,桥面钢铺装主结构层材料必须考虑耐高温稳定性、耐低温韧性、耐久性及良好路用力学性能和施工可操作性等基本性能,超高粘改性沥青具有粘度大的特点,60℃动力粘度大于200000Pa·s,同时沥青使用性能分级达到PG82-22 等级,能够充分发挥沥青玛蹄脂碎石混合料优良的路用性能,见表3。

研究和实践证明超高粘改性沥青玛蹄脂碎石(SMA)混合料具有较好的高温性能、低温性能、抗水损害及抗疲劳性能,且表面粗糙、抗滑性能好,见表4。

另外,为做好连结层与上结构层黏结,在改性环氧树脂碎石组合式连结层与超高粘改性沥青玛蹄脂碎石(SMA)结构层之间还铺设了黏结材料层,该黏结材料为改性乳化沥青或高粘改性沥青粘层油或活性环氧树脂,涂布改性乳化沥青或高粘改性沥青粘层油时紧接着铺筑SMA 结构层,而活性环氧树脂在沥青混合料高温作用下溶解、温度下降后能够二次固化使上下层能够充分黏结,见表5。

$ J, u8 `, W& x) o, r: ~! F8 ?" z

优化环氧沥青组合结构施工方法

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组合式连结层施工


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表6 反应液与集料撒布的间隔建议时间/min

* I! m6 F& A" E' H3 I

组合式连结层由改性环氧树脂与3 ~ 6mm 碎石组成,按施工顺序为两层树脂两层碎石的组合式结构。

(1)钢桥面钢板表面喷砂抛丸至Sa2.5、除灰尘、干燥、无污染,在钢板处理后0.5h 内施工组合式连结层。

(2)第一改性环氧树脂碎石层施工时,按规定的比例量取改性环氧树的A、B 组分倒入清洁容器中,搅拌至液体混合至均匀状态,搅拌时间应不低于3min,将按比例混合的改性环氧树脂按设定用量1.0 ~ 1.5kg/m2 均匀的涂抹在钢板表面,如果施工面积大,使用规定的机械进行量取、搅拌和泼洒,工程车应装备有液压控制的带容积流量计的容积泵,随后在树脂层表面撒布3 ~ 6mm 碎石(时间间隔见表6),碎石应过量撒布,覆盖所有液态树脂直至表面看不到树脂液体,撒好碎石的黏结层体系固化过程中,需注意防止水或其他污染物接触到黏结层,固化时间约2h,形成第一改性环氧树脂碎石层,待固化后将第一改性环氧树脂碎石层上过量撒布的表面集料先扫开后用真空吸除或高压空气将黏结不牢的集料去除。

(3) 按比例混合的改性环氧树脂按设定用量4.0 ~ 5.0kg/m2 均匀的涂抹在第一层,然后再立刻过量撒布3 ~ 6mm 碎石,按同样方法去除多余集料,形成第二改性环氧树脂碎石层。

(4)在第二改性环氧树脂碎石层上涂抹或洒布作为黏结上下层结构的黏结材料(高粘改性沥青粘层油或活性环氧树脂),黏结材料层所使用的高粘改性沥青粘层油的用量为2.0-3.0kg/m2。

(5)当环境温度低于10℃或钢桥面板上有可见的水或水汽、预报在施工后的8h 内要下雨时不能施工。3 ~ 6mm碎石需要水洗并烘干,所有的碎石应储存在一个干燥无尘的环境里,不受施工现场的污染,亦不受雨雪湿气的影响。

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超高粘改性沥青玛蹄脂碎石结构层施工


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超高粘改性沥青玛蹄脂碎石采用一次摊铺施工,工艺与普通沥青玛蹄脂碎石混合料相同,但原材料控制方面,必须保证超高粘改性沥青使用性能分级达到PG82-22,此外超高粘改性沥青的60℃动力粘度也需要达到200000Pa·S 的要求。同时注意:

(1)由于超高粘改性沥青的粘度较大,因此在拌和及摊铺时可以适当提高施工温度,混合料的拌和温度应控制在170 ~ 185℃之间,混合料出场温度不能低于170℃ , 混合料运到现场的温度不应低于160℃,并严格做到高温紧跟摊铺、低幅高频碾压,保证混合料的生产、摊铺、碾压各个环节的质量,同时尽量降低振动碾压对钢结构的影响。

(2)当气温低于 10℃及遇到大风、雨天不得铺筑混合料,如在0 ~ 10℃气温下进行其他工序施工时,必须采取确保施工质量的有效措施。只要桥面板温度和露点之间相差3℃以上, 雾和高湿度不会影响施工和改性环氧树脂碎石组合式联结层的性能。

(3)超高粘改性沥青玛蹄脂宜随拌随用,若因生产或其他原因需要短时间贮存时,贮存时间不宜超过24h,贮存期间温降不应超过10℃,且不得发生结合料老化、滴漏以及粗集料颗粒离析。

% N) m8 t! G2 }$ I% k+ U

精细抗滑保护层预防性养护技术

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预防性养护层设计

7 b) A* l. r" x) d6 [. B

表7 主结构层高浓改性乳化沥青技术指标


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表8 稳固层高浓改性乳化沥青技术指标

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为确保钢桥面铺装耐久性,桥面铺装完成后,在结构层上同步铺设高浓改性乳化沥青碎石精细抗滑保护层的预防性养护措施,可以有效强化对主体铺装结构的保护,并达到延长使用寿命的目的。见图2。

基于钢桥面铺装损坏机理分析及耐久性和试验实际效果的比较,为了预防水分渗透SMA 结构层,有效减少钢桥面铺装裂缝、鼓包等早期病害,提高钢桥面结构抗滑及耐磨耗性能,起到保护桥面和提高耐久性的作用,在SMA结构层上铺设防水抗滑抗老化保护层,简称精细抗滑保护层。研究和实践证明,采用高浓度改性乳化沥青与单一粒径碎石形成5-10mm 的复合结构精细抗滑保护层,与下面层具有良好的黏结力和防水、抗滑、抗磨耗性能及行车舒适性,同时能保持良好的低温柔韧性和高温稳定性。精细抗滑保护层分主结构层和稳固层两阶段施工,选用高浓改性乳化沥青应满足相应技术要求,表7、表8。


8 @, ^/ H$ n6 L0 S! d

优化环氧沥青组合结构的优点

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1. 根据钢桥面破坏的病理特征,选用了改性环氧树脂与超高粘改性沥青和高浓改性乳化沥青作为结构层材料。改性环氧树脂与钢桥的黏结力强、抗变形能力强、抗剪能力强,作为防水黏结层材料能够有效保护钢桥面,同时将3 ~ 6mm 碎石与桥面钢板紧密黏结。超高粘改性沥青能保证沥青玛蹄脂碎石混合料优良的高温性能、路用性能得到充分发挥。精细高浓改性乳化沥青碎石保护层具有良好的防水、抗滑、抗磨耗性能。

2. 使用了改性环氧树脂碎石组合式联结层,第一碎石层中的碎石表面100% 被改性环氧树脂裹覆,碎石在树脂中分布均匀、镶嵌牢固,并与钢板紧密黏结,克服现有单层碎石结构中,碎石表面未能被树脂完全覆盖,而产生的稳固性与黏结力不足的缺点。

3. 改性环氧树脂碎石组合式联结层粗糙的上表面( 构造深度达3.0mm 以上) 与超高粘改性沥青玛蹄脂碎石(SMA) 结构层的组合,能够有效抵抗车辆运行时产生的水平剪应力,防止结构层之间的滑移,保证了结构的稳定性。

4. 精细抗滑预防性养护保护层的高浓改性乳化沥青对SMA 结构层表面1 ~ 2cm 的空隙具有优秀的密封效果,能有效预防水分渗透SMA 结构层。另外,精细抗滑保护层具有优秀的抗滑、抗变形能力,也能直接抵抗高温及紫外线的影响,对主体结构耐久性起到很好的作用。

5. 优化环氧沥青组合结构与传统的环氧沥青混凝土桥面铺装层相比,不仅具有明确的结构特点,而且造价低,不需要专用设备,有利于施工组织,并且施工速度较快,对于交通压力大的路段有明显优势, 见表9。

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表9 优化环氧沥青组合结构


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2011 年初,我们通过开展现场病理原因的调查、试验和分析,针对性提出钢桥面铺装新型结构及其预防性养护技术。2012 年秋,在南方某跨径超千米大断面悬索桥荷载最不利位置进行组合结构试验段和全桥精细罩面施工, 两年后,均未发现表面病害,现场抽芯和拉拔试验均达到设计指标要求,证明结构力学性能稳定。2014 年秋末,经总结论证遂确定采用优化环氧沥青组合结构进行大修,3 年保质、5 年保养、10 年保用和细致入微、质量第一为大修工程根本导向。对比原设计的环氧沥青混凝土方案,本期大修工程节省直接工程费用超过4000 万元。良好的性能、明确的优点决定优化环氧沥青组合,是一种符合我国国情并具有良好应用前景的新型钢桥面铺装结构。


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