钢桥面铺装技术的研究现状及展望

刘世康

关键词 钢桥面铺装;浇筑式沥青混凝土;环氧沥青混凝土;防水粘结体系

中图分类号 U445 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）04-0108-03

0 引言

改革开放以来，国内的交通建设蓬勃发展，桥梁建设技术水平逐年提高，目前已经承建了许多世界级的大跨径桥梁工程。其中，钢桥面铺装技术是桥梁建设项目中的重点，受到国内研究学者的广泛关注。国外在大跨径桥梁的建设相较于国内起步较早，特别是在钢桥面铺装技术方面，积累了大量先进经验[1]，德国、日本等国家制定了钢桥面铺装规范。

如今的钢结构桥梁以结构复杂的正交异性桥面板结构居多，其受力和变形特点远比一般公路和混凝土桥梁的铺装复杂[2]。钢桥面铺装结构不仅能够将车辆荷载传递到钢桥受力层，同时防止钢桥面腐蚀的保护层，为行车提供舒适度的服务层。钢桥面铺装质量直接影响到行车的安全性、舒适性、桥梁结构的耐久性，以及投资效益和社会效益[3]。经过各学者30余年的不懈努力，使钢桥面铺装结构和体系逐渐完善和成熟。该文主要针对钢桥面铺装材料与结构、防水材料与防水粘结体系两个方面对国内外研究现状进行分析。

1 钢桥面铺装材料与结构

目前，沥青混合料体系仍是钢桥面铺装结构的主要体系。随着科研人员的不懈努力，研发出不同类型的改性沥青，包括浇筑式沥青混凝土GA、环氧树脂沥青混凝土、沥青混凝土MA以及改性沥青SMA等不同性能的铺装材料。依据不同的铺装材料组合形式，国内外大跨径钢桥面常用的铺装结构主要包括：浇筑式混凝土类、环氧沥青混凝土类、组合铺装结构类[4]。

1.1 浇筑式沥青混凝土

浇筑式沥青混凝土属于悬浮密实结构，拥有较小的孔隙率，在较高的施工温度下保持较好的流动性。浇筑式沥青混凝土在成型后具备较好的抗老化性能以及变形能力，能够在低温环境下保持整体性能，很少出现低温开裂等病害。此外，浇筑式沥青混凝土与钢板之间能够保持较好的粘结性，能够提升铺装路面的使用耐久性[5]。

浇筑式沥青混凝土按照生产工艺可分为GA和MA两种。主要区别在于沥青胶结料的配比设计，MA使用的胶结料属硬质沥青，是由高含量湖沥青和少量普通沥青混合配比而成;GA使用的胶结料配比主要分为3类，在湖沥青的基础上，配比定量的基质沥青、改性沥青或者聚合物改性沥青[6]。国内比较经典的浇筑式桥面铺装结构是在铺装面层设计SMA型路面结构，此种骨架结构的路用性能较好，在公路沥青路面设计中使用广泛，能够为行驶车辆提供较好的抗滑力，保障行车安全[7]。浇筑式桥面铺装结构造价相对经济，在20世紀引入国内，相关技术人员对浇筑式铺装技术进行了大量的研究，并在较多的桥梁建设项目工程中使用，其中的代表桥梁有重庆菜园坝长江大桥、深圳湾公路大桥等，表现出较好的使用效果。国家交通运输部在2006年制定的钢桥面铺装设计规范中，对不同工程状况下的浇筑式沥青混凝土铺装结构性能与施工标准进行了详细的介绍。而且，浇筑式沥青混凝土技术还在不断发展，最近几年修建的大跨径钢桥中也有较多使用浇筑式铺装结构，在后续的浇筑式沥青混凝土运用中，不断总结与改进浇筑式铺装工程技术，使浇筑式沥青混凝土技术逐渐完善[8]。

1.2 环氧式沥青混凝土

环氧沥青混凝土EAC是在沥青中添加环氧树脂和固化剂。环氧树脂作为新兴路面材料，近些年在公路工程中广泛应用，在添加路面基本铺筑材料，并经过一段时间的养护之后，树脂胶浆中会出现一些细小的孔洞结构，而且强度较高，适合作为混合料胶结材料。环氧沥青混凝土作为一种优良的热固性铺面材料，在建设完成后具备较高的强度和耐久性，能够承受行车荷载施加的疲劳荷载。环氧沥青混凝土类典型铺装结构一般采用双层环氧沥青混凝土，其中，某些大跨径桥梁也有采用在环氧沥青混凝土上层加铺改性沥青混凝土的结构形式。这两种结构在国内桥梁建设中均得到了成功应用，武汉兴州长江大桥、天津国泰大桥设计使用的环氧沥青混凝土铺装结构运营多年，仅进行了少量修补，可见环氧式沥青混凝土类型的可靠性[9]。

目前，依据施工时桥面摊铺温度的不同，环氧式沥青混凝土主要可以分为冷拌、温拌，以及热拌3种类型。其中，环氧式沥青混凝土常用冷拌类型铺装结构，根据各功能层具体作用分层设计，各层功能明确，在铺装完工之后具有较好的使用性能，特别是在交通量较大的桥梁使用过程中，环氧沥青混凝土能够较好地抵抗车辆荷载的剪切作用，减少路面裂缝的产生，提升铺装层的使用寿命，因此得到了国内外许多桥梁设计人员的认可[10]。此外，环氧式桥面铺装结构施工便捷，对于桥梁所处的气候环境具备较高的适应阈值，后期维修较为方便。

1.3 组合铺装结构

组合铺装结构在前两种结构形式基础上发展而来，充分考虑结构层材料特点进行桥面铺装，一般为两种以上不同材料进行组合铺装，组合设计形式多样，能够在最大程度上提升桥面铺装的设计使用年限。组合铺装在国内外均有大范围推广应用，其中国外钢桥梁设计中多在不同材料粘结层之间添加强度较大的钢板，同时在铺装材料中添加石英矿粉等材料，提升材料的整体刚度，与钢板紧密结合共同形成桥面铺装体系，不过此种方法造价昂贵，在铺装设计过程中应根据桥梁所在地区的环境气候，选择合适的粘结剂，避免结构层出现空隙，影响铺装层的性能，使其服务寿命大打折扣[11]。组合铺装结构在国内钢桥梁铺装设计中的应用近年来逐渐增多，国内科研人员考虑使用有机纤维代替石英矿粉等材料，提升铺装材料的粘结强度，降低造价的同时能够减小桥面的重量，增加桥梁的稳定性[12]。目前沥青路面裂缝自愈合研究火热，添加不同性质的纤维材料，在桥面铺装中使用自愈合技术，当铺装层在行车荷载反复磨耗之下出现微小的裂缝时，桥面沥青路面裂缝能够自主修复，减轻桥梁的养护工作强度，在国内非常具有推广价值。

2 防水粘结材料与体系

由于世界各国的气候以及桥梁发展水平存在较大差异，所以世界各地的大跨径钢桥使用的防水粘结材料与体系不尽相同。世界各国的桥梁建设者依据建造桥梁的使用条件以及国家经济水平，发展出了不同类型的防水粘结材料。目前，主要有热熔型、溶剂型，以及热固型材料三种防水材料应用于正交异性钢桥面铺装[13]。

2.1 防水粘结材料的种类及特点

2.1.1 热熔型材料

热熔型粘结材料由沥青掺加树脂（如松香）和各种聚合物组成。这种材料在常温下能够承受行车荷载造成的疲劳破坏，保持自身的稳定性，同时也具备较好的水稳性，抵抗雨水侵蚀。但是，此种材料在高温环境下容易变软，导致铺装结构层间粘结性变差。目前，国内的钢桥面铺装多采用热熔型材料作为铺装下层的粘结材料。

热熔型粘结材料在施工过程中的处理步骤较为复杂繁琐，需要在施工前长时间加热，做到充分的融化;在达到施工规范要求的温度后，需要将防水材料搅拌均匀;随后利用专业施工设备将材料均匀撒布到钢桥表面。由于热熔型材料具有较高的粘弹性，所以当加热温度较低时，防水材料处于粘稠状态，会影响撒布效果，增加施工难度与施工操作时间。当施工温度过高时，热熔型材料的性质会发生变化，材料会损失一定的粘弹性，影响材料的防水效果。

2.1.2 溶剂型材料

溶剂型粘结材料一般多指乳化沥青和可溶性橡胶沥青。可溶性材料在国外使用的较多，比如日本的交通行业规范中对于钢桥面铺装防水材料要求，多推荐使用溶剂型防水粘结材料。日本著名的明石海峡大桥的防水材料使用的就是沥青橡胶系列的溶剂型防水材料，取得了良好的防水效果。国内桥梁初期使用的溶剂型材料较少，香港青馬大桥以及湖北省宜昌市的西陵长江大桥采用了改性乳化沥青作为桥面的防水粘结材料，随着国内桥梁建设数量的逐步增多，越来越多的大跨径钢桥梁使用改性乳化沥青作为桥面铺装的封层材料，但是，改性乳化沥青材料在高温下的稳定性较差，在施工过程中材料的内部的热敏物质会释放气体，影响摊铺的效果。

2.1.3 热固性材料

热固性粘结材料指环氧沥青，它通过往沥青中掺入一定比例的环氧树脂及固化剂与催化剂后在加热条件下发生复杂物理化学反应而得到。它将环氧树脂加入沥青中，经与固化剂发生固化反应，形成不可逆的固化物。热固性材料的性质与普通沥青材料有较大的不同，与热熔型材料与溶剂型材料相比具备优良的物理力学性能。具备较好的水稳定性与热稳定性，能够承受更多复杂的交通荷载作用，钢桥面铺装结构采用热固性材料能够减少高温环境中路面的车辙与推移病害。南京长江二桥使用的就是这种材料，在桥梁建成通车之后，使用性能良好，在国内得到了成功运用。但是，环氧沥青在实际施工时，对施工条件、组织和机械要求较高，由于环氧沥青是热固性材料，尤其对温度和时间很敏感，极大地增加了施工难度，且低温劲度大，易开裂，施工复杂，不易控制。

2.2 防水粘结体系

在钢桥面铺装体系中，通常将铺装上层以下的铺装结构层统称为防水体系，实现桥面防水和传递汽车荷载的作用，是钢桥面铺装的核心结构层次。世界各国的工程师依据使用经验和国内气候特点，研发出了不同的防水体系。目前，防水粘结体系依据防水粘结材料的不同，主要可以分为卷材类、反应树脂类、沥青类等，不同类型的材料具备不同的功能，各类材料组合发挥防水粘结作用。其中，Eliminator防水粘结体系与MMA防水粘结体系的应用较为成熟，以下对这两种防水体系进行简单的介绍：

Eliminator防水粘结体系由英国首先在桥梁建设过程中使用，取得较好的防水效果，随后在世界范围内得到了大量的应用，其中，欧洲各国建设的钢桥和混凝土桥梁采用该防水体系，使用寿命超过了50年。Eliminator防水粘结体系在国内也有广泛的应用，比如江阴长江大桥使用Eliminator防水粘结体系，与上层聚合物改性沥青混凝土结合，结构性能优良，通车多年未出现路面常见病害，适合在国内的桥面铺装中大范围推广应用。

MMA反应型防水卷材发展得较为完善，在世界范围内的大跨径桥梁均有使用。该防水体系以MMA防水卷材为基础，增加防腐层与粘结剂，与钢桥面铺装上层的沥青混凝土具备较好的粘结性。铺装成型之后具备优良的稳定性，承受不同类型的车辆荷载的反复作用保持原有形状，拥有较高的抗剪强度，不会出现坑槽或推移等病害[14]。

3 结论与展望

通过对钢桥面铺装材料与结构、防水粘结材料与防水体系的研究进行分析，结果表明：钢桥面铺装是一个多因素影响的复杂系统问题，钢桥面铺装方案选择和设计时，应对钢桥面结构、交通荷载、气候环境进行系统分析，根据钢桥面铺装技术指标要求，进行钢桥面铺装一体化设计研究，确定合理可行的铺装方案和施工方案，实现钢桥面铺装长寿命和耐久性目标。

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