刚柔复合型铺装坑槽发展规律及处治技术研究

朱瑶之，李 娣

（1.江苏长路交通工程有限公司，江苏 南京 211806；2.江苏中路工程技术研究院有限公司）

1 引言

国外钢桥面铺装技术研究和应用较早，主要形成了以德国、英国和日本为首的浇注式沥青铺装体系，以及以美国为代表的环氧铺装体系，由于国外交通荷载条件和温度条件较好，其采用桁架梁结构，铺装整体使用状况较好，可以达到30年～40年不大修的使用寿命，养护需求较小，故相应的养护技术研究及应用案例也较少。

国内钢桥面铺装技术研究较晚，主要有早期的双层SMA、浇注式、双层环氧以及新型的UHPC 等典型铺装方案。由于高温、多雨、重载的使用条件，铺装使用寿命较国外短很多，早期病害现象突出，一些大桥往往使用了3年～5年就开始出现病害甚至开始大中修。目前国内缺乏有效的养护技术方案，多以经验性养护为主，养护效果参差不齐[1]。

“下层浇注+上层环氧”刚柔复合型铺装方案属国内首创的钢桥面铺装方案，自2002年以来，先后在冻青桥、江阴大桥及泰州大桥建养工程中得到成功应用。冻青桥在省道重载和高温条件耦合作用下，已运营17年，目前整体状况良好，仅在上层环氧轮迹带出现单条纵向裂缝；江阴大桥实现了2000 万次～4000 万次的超寿命服役；泰州大桥通车近8年，总体状况良好，局部铺装表面逐渐出现微裂纹、鼓包等病害，如图1 所示。随着使用年限的推移，刚柔复合型铺装将逐步步入运营管养的关键时期，关乎铺装长期服役性能和使用寿命。

图1 典型病害类型

刚柔复合型铺装结构形式不同于刚性铺装（双层环氧）和柔性铺装（下层浇注+上层改性沥青），其受力及变形性能温度敏感性高，铺装性能衰变规律也不同，但目前针对刚柔复合型铺装性能衰变规律研究甚少，且缺乏相应的养护技术方案。本文重点对刚柔复合型铺装典型病害发展模式进行分析，其中坑槽病害是铺装开裂、鼓包等微损伤在荷载作用下逐步累积，过渡至结构性破损的典型病害。但由于刚柔复合型铺装结构形式的不同，其坑槽发展模式和修补技术也应区别于刚性或柔性铺装。基于原结构恢复和快速养护的理念，根据坑槽病害发展模式，提出分层处治技术和快速修补材料。

2 基于坑槽病害的铺装受力特性分析

刚柔复合型铺装温度敏感性较高，夏季下层浇注明显变软，上层环氧为主要承重层。在高温、多雨及交通荷载耦合条件下，上层环氧易开裂或层间水汽化易产生鼓包等病害。环氧为热固性材料，开裂后裂缝不可自愈合，在雨水侵蚀和行车荷载耦合作用下，裂缝周围铺装将逐渐出现松散，进一步发展为坑槽。此外，层间产生鼓包病害后，铺装表面处于受拉状态，在行车荷载反作用力下，铺装易被压裂、压碎，进而发展为坑槽。可见坑槽是上层环氧出现开裂、鼓包等局部微损伤后，在荷载作用下，病害进一步发展至结构性破环的必经环节。刚柔复合型铺装具有其先天结构优势，下层浇注具有良好的与钢板协同变形性能和高温自愈合性能，因此不易产生开裂、脱层等病害，可以起到良好的防水防锈、保护钢板的作用，显示出一定的长寿命结构特性。因此，本文重点对上层环氧出现坑槽后的受力特性进行模拟分析，为坑槽修补技术和材料研究提供理论支撑。

2.1 基于上层环氧坑槽病害的铺装受力特性

2.1.1 桥面铺装结构模型建立

刚柔复合型钢桥面铺装有限元计算基本假设如下[2-5]：①桥面铺装各结构层为均匀、连续、各向同性的连续弹性体。②各结构层之间完全连续，横隔板底部完全固定。

图2 坑槽病害模拟示意图

铺装层结构由钢板从下至上依次为35mm 浇注式+25mm 环氧。忽略粘结层厚度，采用有限元软件ABAQUS 中的“tie”模块模拟层间粘结关系。桥面铺装结构模型材料参数见表1[6]。边界条件为沿行车方向两端施加横向（X 方向）及纵向（Z 方向）位移约束，横隔板底部完全固定。

表1 有限元模型参数

2.1.2 计算结果分析

高温条件下，上层环氧为主要承重层，相比常温条件下更易产生开裂等病害，进而发展为坑槽，下层浇注式具有良好的高温自愈合性能，因此重点模拟高温季节铺装上层出现坑槽的工况，考虑三种坑槽尺寸0.2m×0.2m、0.5m×0.5m、1.0m×1.0m，坑槽均位于轮载正下方。环氧铺装层高温模量为1000MPa（70℃）、浇注层高温模量为50MPa（70℃），荷载考虑超载50%及50%的水平制动力，并以最大拉应力、最大竖向压应力为力学指标，如图3、图4所示。

图3 坑槽病害时铺装层拉应力分布云图（0.5×0.5m2）

图4 铺装上层出现坑槽后力学响应

计算结果显示：

①铺装层拉应力随坑槽尺寸增大而增大，当坑槽尺寸为0.5×0.5m2时，横向及纵向拉应力分别增大309%、130%。说明铺装层在坑槽附近，易发生受拉开裂，导致坑槽继续扩展，直至完全失去铺装层的功能。

②铺装层竖向压应力随坑槽尺寸增大而增大，当坑槽尺寸为0.5×0.5m2时，铺装上、下层竖向压应力分别增大452%、153%，此时铺装上层环氧易被压碎而坑槽继续扩展，下层浇注式沥青则易产生车辙。

综上所述，当铺装层发生坑槽病害后，若不及时处理，在行车荷载作用下会导致铺装层继续产生一系列病害，最终导致铺装结构性破坏。

2.2 基于不同坑槽材料的铺装受力特性

修补材料的选择直接影响着坑槽修补效果和铺装整体性能恢复状况，重点选取模量为500MPa、1000MPa、1500MPa 和2000MPa 四种材料，对不同强度的修补材料的修复效果进行力学模拟分析，模型参数仍考虑极端高温和极端荷载耦合作用，如图5所示。

图5 坑槽修补后铺装层受力云图（0.5×0.5m2）

计算结果显示：

①总体上，铺装未出现坑槽状况下，上层环氧为主要承重层，下层浇注受力较小；但环氧层出现坑槽且修补后，应力通过坑槽修补边缘传递到下层浇注层，上下层共同受力，出现上层环氧受力变小而下层浇注受力变大现象。②采用不同强度修补材料后，坑槽修补处应力水平随修补材料模量增大而增大，但分散缓解了原铺装应力集中现象。随着修补材料模量由500MPa 增大到2000MPa，原铺装上层环氧应力水平减小15%～25%；下层浇注式应力水平则减小30%左右，如图6所示。

图6 上层环氧开裂前后竖向压应力

因此采用高强度的修补材料，可更好地适应坑槽位置应力集中现象，并有助于保护原铺装受力，可有效保护下层浇注式不产生车辙变形病害。

3 坑槽分层快速修补技术和材料开发

根据力学计算发现，上层环氧一旦出现坑槽，若不及时修补，在轴载作用下，将逐渐扩大，甚至影响到下层浇注式使用性能，导致铺装结构性破损。坑槽修补应满足以下原则：养护材料应与原结构材料相匹配；同时应选择高强修补材料，消除应力集中现象；此外应满足快速修补、快速开放交通的养护要求。

3.1 坑槽修补结构方案

本文基于原结构恢复理念，并以保护下层浇注式结构完整性为原则[7-8]，结合“当天养护、当天开放交通”的养护需求，根据坑槽发展层位，研究了不同的坑槽快速修补方案，如图7所示。

图7 坑槽分级处治方案

①坑槽仅发生于上层环氧层：挖除铺装上层，保护铺装下层完好，做好浇注式混凝土层界面处治，采用高强冷拌环氧沥青混凝土进行坑槽修补。

②坑槽发展到下层浇注层：将破损铺装挖除至钢板，做好浇注式与钢板界面处治，采用“下层浇注式沥青混凝土+上层高强冷拌环氧沥青混凝土”原铺装方案，提高坑槽修补结构与原铺装的整体相容性。

3.2 快速修补材料

3.2.1 预制浇注试块开发

由于浇注式拌合时间长、工艺复杂，为缩短现场养护时间，采用浇注式小球预制重熔技术对浇注层坑槽进行修补，即后场按标准尺寸制备模具，预制浇注一定规格的球型浇注试块，保证现场加热重熔至试块内部变软，具有较好的可塑性，且表面未出现流动状态；现场采用小型移动式加热设备，将浇注试块加热重熔后即可对坑槽进行回填修补；新旧铺装界面刷涂热沥青，并通过人工击实方式保证界面粘结完好，如图8所示。

图8 浇注试块预制工艺

为更好地提高浇注试块与原铺装的相容性，采用与原铺装相同的胶结料和级配，即胶结料由30#硬质直馏沥青和湖沥青（TLA）按7∶3 掺配所得，油石比为10%，级配曲线如图9所示[9，10]。

为适应坑槽修补位置应力集中现象，重点提高浇注试块的高温性能，其60℃动稳定度可达到500 次/mm，相比原铺装具有更好地高温抗车辙性能，流动性、贯入度等指标均满足原铺装技术要求，预制浇注试块混合料性能见表2。

表2 预制浇注试块混合料性能

3.2.2 高强冷拌环氧沥青材料

针对上层环氧坑槽，采用高强冷拌环氧沥青材料进行修补，一方面达到原结构恢复的修补要求，提高坑槽修补与原铺装结构的相容性；另一方面采用提高强度，提高坑槽修补位置抗应力集中能力；同时采用冷拌冷铺工艺，施工便捷，实现“当天养护、当天开放交通”。

冷拌环氧采用与原环氧沥青混凝土一致的级配。油石比相比原铺装的7.0%提高到9.0%，提高施工和易性、疲劳性能和密水性能。

冷拌环氧强度、变形性能、水稳定性、高低温性能等均可达到原铺装性能要求，具体结果见表3。

表3 冷拌环氧沥青混合料试验结果

①60℃马歇尔稳定度达到75kN 左右，与原铺装60℃相比有所提高，可以更好地适应坑槽处应力集中现象。②冷拌环氧温度敏感性不高，60℃动稳定度达到63000 次/mm，与原铺装相当。③冷拌环氧沥青混合料低温极限破坏应变高达5000με 以上，明显高于原铺装低温极限应变，可提高坑槽修补位置的低温变形性能，延长铺装使用寿命。

4 坑槽分层修补工艺

根据坑槽发展层位和原结构恢复理念，采取分层修补工艺，如图9所示。

图9 坑槽修补施工工序流程

4.1 上层环氧坑槽修补

采用切割机、风镐等将破损铺装清除至浇注层顶面，并对暴露出来的浇注层界面进行打磨清理；吹干吹净后，重新涂布原铺装粘结层材料；回填冷拌环氧材料，碾压；常温养生固化后开放交通。开槽时，采用45°斜向切缝方式，使新旧混凝土相互搭接，有助于传递应力，消除应力集中现象，恢复铺装整体受力特性。

4.2 全厚度坑槽修补

采用切割机、风镐等将破损铺装清除至钢板顶面，并对钢板表面进行打磨除锈；吹干吹净后，重新涂布原铺装防水粘结层材料，然后分别采用预制浇注试块和冷拌环氧材料对坑槽进行分层修补，粘结层仍采用原铺装粘结层材料，养生固化后开放交通。

5 结语

本文采用力学分析软件对刚柔复合型铺装出现坑槽状况下的受力特性进行了模拟分析，并开发了针对性的快速修补技术和高强修补材料。主要研究结论包括：

①刚柔复合型铺装下层浇注式具有良好的变形协同性能和自愈合性能，可以保持长久的结构完好性，铺装裂缝、鼓包等病害主要集中于上层环氧。

②上层环氧出现坑槽后，坑槽位置应力应变显著增大到完好状态下的1～3 倍，且坑槽边缘出现应力集中现象，使坑槽进一步发展至铺装整体结构性破损。坑槽修补需提高上下层修补材料的强度，以更好地抵抗应力集中问题。

③基于原结构恢复理念，根据坑槽发展层位提出分层分级处治方案：针对坑槽仅限于上层环氧，采用冷拌环氧材料进行修补；针对坑槽发展至下层浇注，采用“预制浇注+冷拌环氧”原结构方案进行修补。

④为满足“快速养护、快速开放交通”的养护要求，研究了预制浇注试块修补技术，且预制浇注试块高温稳定性提高至500 次/mm；上层采用高强冷拌冷铺环氧沥青材料，养生4h～6h即可开放交通，且强度相比原铺装明显提高。

⑤最后研究关键施工工艺，提出45°角斜向开槽方案，实现新旧铺装之间的搭接和应力传递，使新旧铺装的整体协同受力，缓解边缘应力集中问题，提高铺装整体性。