大纵坡小半径钢桥面沥青铺装设计研究

潘友强，郭忠印

（1.同济大学 交通运输学院，上海201804；2.江苏省交通科学研究院，江苏 南京211112）

钢桥面沥青铺装技术是一项世界性难题，也是当前我国钢桥建设的重点和难点之一，特别是一些特大跨径或者特殊结构的桥梁，对桥面沥青铺装提出了更高要求.

钢桥面沥青铺装是铺设在钢桥面板上，起保护钢板并保证汽车行驶要求的单层或双层构造物.钢桥面沥青铺装的高温稳定性，抗疲劳开裂性，对钢板变形的随从性，层间黏接、防排水性能以及施工的和易性等均有极高的要求［1－2］.

国内钢桥面沥青铺装经过10余年的研究实践，基本上形成了以环氧沥青为代表的热固性钢桥面沥青铺装［3］、以浇注式沥青为代表的高温拌合型钢桥面沥青铺装［4］和以SMA（stone mastic asphalt，沥青玛蹄脂碎石）为代表的常规热拌钢桥面沥青铺装［5］.

杭州湾跨海大桥连接主桥与海中观景平台的钢匝道桥纵坡大，转弯半径小，最大纵坡3.84%，最大横坡7%，最小转弯半径72 m，部分位置复合坡达8%，无论是铺装施工还是后期的使用都对桥面铺装提出了更高的要求.

1 大纵坡小半径钢桥面沥青铺装特点分析

首先，从施工角度考虑，钢匝道桥纵坡大，转弯半径小，桥面铺装施工难度大.目前国内采用的美国环氧沥青铺装方案，在摊铺碾压过程中，环氧沥青黏结层处于凝胶状态，在坡度较大的情况下摊铺机行走在未固化的环氧沥青黏结层表面会发生打滑和粘连现象［6］.在压路机碾压过程中，由于纵坡过大，压路机会在未固化的黏结层界面上施加较大的水平剪力，容易造成黏结层破坏，影响铺装层的施工效果.美国环氧沥青钢桥面沥青铺装方案在大纵坡小半径钢桥面沥青铺装上施工难度比较大.

其次，从受力角度分析，由于匝道桥纵坡大、转弯半径小，铺装层受力非常不利，因此要求铺装层具有更高的高温稳定性和界面安全性，目前国内采用的浇注式沥青钢桥面沥青铺装在高温性能方面存在较大风险.

再次，从使用角度看，大纵坡小半径桥面要求铺装表面粗糙，抗滑系数大，以保证行车的安全性.美国环氧沥青混凝土采用了类似AC10 型级配，细集料含量大，铺装表面宏观构造深度小，抗滑性能较差，特别是杭州湾地区海上风大、雨多，雨后桥面极易形成水膜，严重影响行车的安全性.

总体来说，大纵坡、小半径钢桥要求钢桥面沥青铺装施工简单可行，高温性能较优，界面稳定性高，铺装表面粗糙，抗滑性能好.

2 铺装方案设计

2.1 铺装方案设计

综合大纵坡、小半径钢桥的特点和使用要求，推荐树脂沥青组合体系（ERS）钢桥面铺装方案，如图1所示.ERS 钢桥面铺装主要由环氧黏结碎石层（EBCL）、树脂沥青混凝土（RA05）、SMA10组成.

图1 杭州湾跨海大桥海中平台匝道桥ERS钢桥面铺装方案Fig.1 ERS steel deck pavement of the off－ramp bridge of Hangzhou Bay Bridge

（1）钢板要求喷砂除锈达到Sa2.5级，粗糙度要求达到60～100μm.

（2）然后立即涂刷一层0.7～1.0kg·m－2的EBCL胶料，同时洒布3～5mm 粒径的碎石，碎石洒布要求达到满布面积的80%.

（3）EBCL 层固化以后，在其上成型一层1.5 cm 厚的RA05整体化层.RA05碾压施工时，应撒布10～13mm 单粒径碎石，保证RA05表面凹凸不平.

（4）RA05固化以后洒布防水黏结层，然后成型SMA10沥青混凝土层，SMA10 分两层施工，下层2.5cm，上层3.0cm.铺装总厚度控制在7cm.

2.2 该方案的主要特点

EBCL层施工简便，固化时间短，可有效解决桥面铺装界面防水防腐及抗剪问题，而且固化后的EBCL层可以作为后期施工的平台.

RA05冷拌树脂沥青混凝土，常温拌合施工，常温快速固化，耐高温、耐疲劳，以RA05做SMA 层施工平台易施工且不易滑动.

SMA 是典型的骨架型沥青混合料，表面粗糙均匀，能够保证匝道桥行车的安全性和舒适性.

ERS钢桥面铺装对施工环境条件的要求不高，不需要特殊的、大型的施工机具，有利于在海中匝道桥处的施工组织.

3 EBCL层性能研究

EBCL层作为ERS钢桥面铺装方案的防水抗滑黏结层，要求施工简单，固化快速，与钢板有良好的黏结强度，良好的变形性能和耐久性，而且还要为后期RA05和SMA10提供施工的平台.论文主要从施工和易性、强度、变形以及耐久性等几个方面对EBCL进行了研究.

3.1 施工和易性

EBCL层作为一种环氧树脂类材料，主要采用指干时间、固化时间评价其施工可实施性.表1 为EBCL层指干时间和固化时间试验结果.

表1 EBCL 胶料指干和固化时间Tab.1 The hand dry and solidfied time of EBCL

从试验结果可以看出EBCL 胶料强度增长很快，25 ℃条件下基本在3d左右、60 ℃条件下基本1 d左右即可达到固化强度.EBCL 胶料固化速度快，有利于后序施工的开展.

3.2 强度性能

钢桥面板与铺装之间的抗剪切能力不足是导致钢桥面铺装产生推移破坏的主要原因之一.EBCL作为ERS钢桥面铺装方案的防水抗滑黏结层，与钢板黏结强度的大小对于整个铺装层的安全稳定具有决定性意义.EBCL 层与钢板黏结强度通常采用拉拔强度和拉剪强度进行表征，完全固化条件下EBCL层强度试验结果见表2.

表2 完全固化条件下EBCL 层与钢板的黏结强度Tab.2 The strength of solidified EBCL

完全固化状态的EBCL胶料与钢板之间具有较高的黏结强度，特别是在高温70 ℃条件下，剪切强度超过1 MPa，拉拔强度超过5 MPa，满足钢桥面沥青铺装的剪切强度要求.EBCL 层与钢板的黏结强度特别是高温条件下的强度远优于一般的沥青类防水黏结层和环氧沥青类防水黏结层.

3.3 变形性能

EBCL用于钢桥面铺装不仅要满足强度的要求，而且要求具有一定的变形性能.评价EBCL 的变形性能主要采用了断裂延伸率试验和钢板加EBCL组合结构变形随从性试验.EBCL 断裂延伸率试验结果见表3.

表3 EBCL 断裂延伸率试验结果Tab.3 Direct tensile test results of EBCL

变形随从性试验采用14 mm 厚钢板加EBCL层组合试件进行，弯曲试验温度－10℃.试验通过逐级加载，观察钢板表面EBCL 的状况.试验结束时，EBCL层的计算拉应变达到7 000×10－6，EBCL 层未出现肉眼可见的开裂、脱层的现象（图2）.

断裂延伸率试验和变形随从性试验结果表明EBCL层具有较好的变形性能.

3.4 EBCL防腐性能

为了考察EBCL 能否对钢板进行有效的保护，进行了钢板加EBCL 层组合试件盐水浸泡的对比试验.将固化后的钢板加EBCL 组合试件置于10%的盐水中，观察钢板表面的变化.试验时间为60d，试验结束后试件表面没有出现锈蚀现象（图3）.

试验结果表明，EBCL 层对钢板有良好的防护作用.EBCL通过完全阻断水和空气与钢板接触保证钢板不被锈蚀，与环氧富锌漆的代偿作用不同.

4 RA05性能研究

RA05是整个ERS钢桥面铺装体系中最关键的一层，常温施工，具有强度高、耐高温、抗疲劳、易施工等特点.

4.1 RA05混合料设计

RA05作为防水层、整体化层和隔热层，要求它不透水，同时考虑到在坡度比较大的钢匝道桥桥面上实施要求有极好的施工和易性.基于上述考虑，选择最大公称粒径为5 mm 的连续式密级配作为RA05混合料级配.RA05级配组成及油石比如表4所示.

表4 RA05级配及油石比要求Tab.4 The gradation and binder content of RA05

RA05 混合料所用胶结料为树脂沥青，由A，B两种组分按照比例混合后反应而成.RA05混合料所用胶结料性能如表5所示.

表5 25 ℃时RA05胶结料主要性能Tab.5 The binder performance of RA05at 25 ℃

4.2 基本路用性能

RA05混合料抗水损害性能、高低温性能和疲劳性能试验结果如表6所示.

表6 RA05基本路用性能Tab.6 The performance of RA05mixture

RA05混合料70 ℃马歇尔稳定度为40kN，远远高于一般的沥青混合料.RA05沥青混合料具有优良的水稳定性、高低温性能和疲劳性能.

4.3 EBCL与RA05之间的抗剪强度

EBCL与RA05之间的界面抗剪强度是ERS钢桥面铺装成功的关键之一.EBCL和RA05组合结构的常温（25 ℃）和高温（70 ℃）条件下45°斜剪试验结果如表7所示.

表7 EBCL 加RA05复合件抗剪试验结果Tab.7 The shear performance of EBCL and RA05 composite structure

EBCL与RA05之间通过碎石嵌挤紧密，复合件具有较高的抗剪强度，45°斜剪试验破坏界面均发生在EBCL与钢板界面，说明EBCL 和RA05之间的界面有极好的抗剪切能力.图4为斜剪试验破坏的界面.

5 高黏改性沥青SMA10层性能研究

大纵坡小半径钢桥沥青铺装面层除了具有良好的高低温性能、抗疲劳性能之外，还应具有良好的粗糙度，保证行车的安全性.为此选择双层高黏改性沥青SMA 10作为ERS铺装的表面功能层.SMA 10采用高黏改性沥青作胶结料，高黏改性沥青软化点要求大于85℃，60℃动力黏度要求超过10 MPa·s，SHRP 性 能 分 级 满 足PG82－22.高 黏 改 性 沥 青SMA10沥青混合料的基本性能如表8所示.

表8 高黏改性沥青SMA10基本路用性能Tab.8 The performance of SMA10with high viscosity bitumen

从试验结果可知：高黏改性沥青SMA 10具有优良的抗水损害性能、高温性能和低温抗裂性能.SMA 沥青混合料表面粗糙均匀，具有较高的构造深度和摩擦系数，抗滑性能好，可以改善大纵坡、小半径钢桥桥面沥青铺装的行车安全性.

6 工程应用

杭州湾跨海大桥海中平台匝道桥最大纵坡达到3.84%，最大横坡7%，最小转弯半径72 m，钢桥面沥青铺装的实施难度大，后期使用性能要求高.ERS钢桥面铺装在杭州湾跨海大桥海中平台匝道桥顺利实施，并运行超过1 年，目前桥面铺装状况良好.ERS钢桥面铺装成功地解决了大纵坡、小半径钢桥面沥青铺装技术难题.

7 结论

为了解决杭州湾跨海大桥海中平台匝道桥钢桥面沥青铺装技术难题，研究开发了ERS钢桥面铺装技术.ERS钢桥面铺装主要由EBCL，RA05，SMA10组成，EBCL作为防水抗滑黏结层，RA05作为铺装整体化层，SMA10作为表面功能层，各层功能明确.

EBCL胶料与钢板有良好的黏结能力，可以满足桥面铺装黏结层的抗剪切要求，同时固化时间短可以满足大纵坡、小半径钢桥面铺装施工平台要求.

RA05混合料70 ℃的稳定度达到40kN 以上，具有优良的路用性能，而且施工简单，固化时间短，可以满足海中匝道桥桥面铺装整体化的要求.

国产高黏改性沥青SMA 10 混合料，综合路用性能优良，表面粗糙、均匀，可以保证匝道桥行车的安全性和舒适性.

ERS钢桥面铺装在杭州湾跨海大桥海中平台匝道桥上的成功应用，表明该技术具有优良的施工和易性和良好的性能，在类似钢桥中具有较好的推广应用价值.

［1］ 黄卫.大跨径桥梁钢桥面铺装设计理论与方法［M］.北京：中国建筑工业出版社，2006.HUANG Wei.Theory and method of deck paving design for large span bridges［M］.Beijing：China Architecture and Building Press，2006.

［2］ 南京二桥建设指挥部，东南大学.南京二桥环氧沥青钢桥面铺装技术研究［R］.南京：东南大学交通学院，2001.Nanjing Second Yangze River Bridge Construction Headquaters，Southeast University.The research on epoxy steel deck pavement of Nanjing second Yangze river bridge［R］.Nanjing：School of Transportation of Southeast University，2001.

［3］ 黄卫，钱振东，程刚，等.大跨径钢桥面环氧沥青混凝土铺装研究［J］.科学通报，2002（24）：1894.HUANG Wei，QIAN Zhendong，CHENG Gang，et al. The reasearch of epoxy asphalt concrete on large span steel deck pavement［J］.Chinese Science Bulletin，2002（24）：1894.

［4］ 樊叶华，黄卫，钱振东，等.大跨径钢桥面浇注式沥青混凝土铺装应用研究［J］.交通运输工程与信息学报，2006（4）：51.FAN Yehua，HUANG Wei，QIAN Zhendong，et al.Application study of gussasphalt concrete on pavement of long span steel deck ［J］. Journal of Transportation Engineering and Information，2006（4）：51.

［5］ 潘世建，杨盛福.厦门海沧大桥建设丛书（第七、第八册）［M］.北京：人民交通出版社，2003.PAN Shijian，YANG Shengfu.The collection of Xiamen Haicang Bridge constrction：vol 7 ＆8［M］.Beijing：China Communications Press，2003.

［6］ 黄卫.润扬长江公路大桥建设钢桥面铺装分册［M］.北京：人民交通出版社，2006.HUANG Wei.The collection of Runyang Yangze River Bridge construction：steel deck pavement ［M ］.Beijing：China Commmunications Press，2006.