钢桥面铺装环氧沥青混合料的特点及应用

徐 伟,曽嘉科,韦潇树

华南理工大学 土木与交通学院,广东 广州 510640

0 引 言

近30余年来随着中国公路交通建设的快速发展,有数以百座跨海、跨江的大跨径钢桥建成.钢桥面铺装是保证大桥安全通畅的一个基础条件,但高温、多雨、重载的使用环境对钢桥面铺装也提出了较苛刻的要求[1].

钢桥面铺装技术近年发展较快,但钢桥面铺装早期出现病害、使用寿命短等问题仍然是技术难点.中国钢桥面铺装采用了多种铺装材料,其中环氧沥青是一种典型材料,应用较广泛[2-3].

环氧沥青材料与普通沥青材料有显著的差异,环氧沥青在材料组成、力学性能、施工工艺及路用性能等方面均具有显著的特征,本文从环氧沥青材料特点、混合料性能、工程应用、病害特点及其发展等方面进行分析,为环氧沥青材料的应用提供参考[4].

1 环氧沥青材料的基本特点

环氧沥青是由环氧树脂、固化剂与基质沥青经化学反应而得到的混合物.环氧沥青微观表现是环氧树脂形成的空间网络结构,环氧树脂是材料强度的主体,沥青填充了环氧树脂的空间网络结构,起到增加环氧沥青的柔韧性、防腐性的作用,环氧沥青微观结构见图1[5].环氧沥青在力学性能上主要体现的是环氧树脂的性能,即热固性材料,从力学特性角度而言,环氧沥青实际上不属于热塑性改性沥青范畴.

研制和设计环氧沥青时需要解决沥青与环氧树脂的相容性、环氧沥青的强度与韧性、施工允许时间与养生时间、施工温度与施工时间等多个相互制约、相互影响的技术问题.

图1 环氧沥青微观结构

环氧沥青混凝土是由环氧沥青结合料与符合级配要求的矿料拌合而成的热固性混凝土材料.固化后的环氧沥青混凝土是一种强度与力学性能均较高的材料,其60 ℃马歇尔稳定度高于40 kN(JTG E20-2011 T0719),15 ℃弯拉强度高于20 MPa(JTG E20-2011 T0715),对温度的敏感程度较低(不会产生高温车辙),同时具有不低于一般沥青混凝土的低温抗变形性能[6].普通沥青混凝土施工基本属于拌合、压实的物理变化过程,而环氧沥青混凝土在拌合、运输、压实施工过程中同时发生着化学固化反应.环氧沥青混凝土的性能受成型时温度、时间、水等因素影响显著,并且在压实后须有一定养生期,以确保环氧沥青混凝土能够完成固化,对施工质量管理、控制体系的要求较高[7-8].

2 环氧沥青混合料的类型与特点

2.1 环氧沥青混合料的类型

每种环氧沥青实际是一个特定的环氧树脂或环氧沥青产品,具有各自独特的配方和性能特点,一般也具有独立的铺装材料体系.按照混合料拌合温度分类,钢桥面环氧沥青混凝土铺装可分为3类,以3种典型的环氧沥青为基础分析3类环氧沥青的基本特点.

2.1.1 热拌环氧沥青

热拌环氧沥青的拌合温度为160 ℃~185 ℃,因温度条件不同,养生时间一般为4~15 d,拌合到摊铺允许时间约为 3 h,没有摊铺窗口时间要求,施工时间和混合料拌合温度允许范围相对较宽,集料要求与普通沥青混合料相似,施工工艺和控制要求条件较严格[9].

2.1.2 温拌环氧沥青

温拌环氧沥青的拌合温度为110 ℃~120 ℃,因温度条件不同,养生时间一般为30~45 d,拌合到摊铺允许时间为1~1.5 h,摊铺窗口时间为10~25 min,施工时间和混合料拌合温度允许范围较窄,要求集料干燥,施工工艺和控制条件非常严格[10-11].

2.1.3 冷拌环氧铺装

冷拌环氧铺装的拌合温度为常温,因温度条件不同,养生时间一般为3~10 d,拌合到摊铺允许时间约为1h,没有摊铺窗口时间要求,施工时间和混合料拌合温度允许范围相对较宽,要求集料干燥,施工工艺和控制条件严格[12-13].

2.2 环氧沥青混合料的性能特点

与普通沥青混合料相比,环氧沥青混合料具有如下特点.

(1)热固性.环氧沥青属于热固性材料,环氧沥青铺装层不会出现高温车辙,同时环氧沥青混合料不会发生压密过程,其铺装表面构造发展变化趋势与普通沥青路面也不同[14].

环氧沥青铺装多采用密级配混合料,初期构造深度较小,由于其良好的微观、细观纹理,整体抗滑性能良好.由于环氧沥青混合料的热固性特点,不会出现压密现象,而且随着表面细集料被磨耗掉,铺装表面发展成为由剩余粗集料组成的较粗糙表面构造,见图2.当集料具有优良的耐磨性时,环氧沥青铺装的表面抗滑性能随着使用时间增加逐渐增强,因此环氧沥青铺装的长期抗滑性能较好.研究人员曾在2009~2015年对虎门大桥环氧沥青铺装表面的抗滑性能进行了跟踪检测,并与相接的SMA混凝土桥面铺装进行对比,见图3.由图3可知,环氧沥青铺装表面抗滑性能整体上呈现逐增加趋势,并且高于SMA,而SMA的抗滑性能呈现逐年下降趋势.

(2)空隙率较低.基于环氧沥青混合料热固性特点,不需要考虑沥青热胀预留空隙,同时为了提高环氧沥青混合料的强度、水稳定性和耐久性,环氧沥青混合料设计及现场空隙率一般均低于3%,基本处于不透水、不透气的状态,因此也会由于水分、油分进入环氧沥青混合料内部而导致鼓包病害发生[15].

(3)非线性疲劳性能.环氧沥青的疲劳性能表现出显著的非线性,控制应变的四点弯曲疲劳试验(T0739-2011)曲线见图4.当低于一定应变水平(600 με)时,环氧沥青混合料表现出不继续损伤的耐久性极限特征;而当高于一定应变水平(1 000 με)时,环氧沥青混合料模量出现快速衰减,发生损伤破坏.基于环氧混凝土非线性疲劳损伤特点,环氧沥青钢桥面铺装应用中需要控制严重超载的情况[16].

图2 虎门大桥环氧沥青铺装表面状况照片

图3 虎门大桥环氧沥青铺装与SMA路面抗滑性能的发展趋势

(4)裂缝不能自修复.由于环氧沥青的热固性特点,当环氧沥青混合料出现裂缝后,不会出现裂缝自行修复的情况,而普通沥青混合料在高温条件下可发生一定程度的裂缝自修复.环氧沥青混合料一般具有较强的韧性,出现裂缝后不会快速出现松散、坑槽,通过灌缝养护处理一般仍可使用3年以上.

图4 环氧沥青混凝土疲劳曲线

3 环氧沥青铺装的发展

20世纪50年代末期,壳牌石油公司开始进行采用环氧树脂改性石油沥青的研究,研发出Shell Epoxy Asphalt等高强热固性环氧沥青材料,在军用机场、交通土建工程领域中逐渐得到广泛应用.

为了满足军用机场铺装高温冲击的性能要求,1959年第1次在美军机场铺筑了环氧沥青铺装(图5),相关机构1963年对壳牌公司3种环氧沥青铺装在20个机场使用情况进行了调查分析,得出以下结果.

(1)环氧沥青铺装可以抵抗漏油侵蚀和喷气式飞机冲击.

(2)薄层环氧沥青罩面会出现开裂,但开裂后不易发展为松散、脱落.

图5 环氧沥青铺装在美军机场应用照片(1959~1963)

(3)气候对环氧沥青铺装有影响,温度越低就越易开裂.

1967年美国San Mateo-Hayward大桥首次将环氧沥青混凝土用于正交异性钢桥面的铺装层,经过近35年使用后,2002年开始出现开裂和推移,使用40年后的2008年铺装表面状况见图6.2015年San Mateo-Hayward大桥日均交通量达10.3万辆,2015年5月进行了铺装翻修,该桥环氧沥青混凝土铺装使用寿命达48年.1967年后,环氧沥青混凝土成为美国大跨径钢桥面铺装的一种主要铺装材料.

图6 San Mateo-Hayward大桥环氧沥青铺装照片(2008年)

日本在20世纪70年代对环氧沥青混合料的配制、模量、应力松弛性能、破坏性能进行了研究.20世纪90年代,环氧沥青在日本的桥面铺装、隧道铺装等方面应用逐渐发展.

4 环氧沥青混合料在中国钢桥面铺装工程的应用

2000年温拌型环氧沥青铺装在南京二桥铺装工程中首次应用[17],之后该温拌型环氧沥青铺装在江苏润扬大桥、南京长江第三大桥、杭州湾跨海大桥、苏通长江大桥、武汉阳逻长江大桥、天兴洲公铁两用大桥、广东珠江黄埔大桥等40余座大跨径钢桥中被应用.

热拌型环氧沥青自2004年开始应用于江阴大桥钢桥面铺装大修工程,其后在广东珠江黄埔大桥、虎门大桥、广州东沙大桥、广东江顺大桥、广东马房大桥、大连星海湾跨海大桥、湛江海湾大桥等40余座大跨径钢桥应用.

冷拌型环氧沥青铺装自2004年西陵长江大桥开始应用,其后在杭州市江东大桥(九桥)、宁波庆丰桥、广州猎德大桥、宁波青林湾大桥、宜昌长江公路大桥、浙江嘉绍大桥等大跨径钢桥应用.

中国多数大跨径钢桥处于高温、多雨、重载交通环境条件下,普通沥青铺装难以满足较苛刻的使用条件,目前全球的环氧沥青铺装施工主要应用在中国,此外在美国、加拿大、韩国等有一定应用.基于较温和的温度和轻型交通条件,欧洲、日本多采用"浇注式+改性沥青混合料"的铺装方案,较少采用环氧沥青铺装.

5 环氧沥青铺装病害的特点

环氧沥青钢桥面铺装病害原因主要包括:铺装材料性能达不到技术要求;铺装使用条件过于苛刻,如超载严重;施工质量控制出现问题.钢桥面环氧沥青铺装典型病害可分为3种:鼓包开裂、疲劳开裂、脱层推移.

5.1 鼓包开裂

环氧沥青铺装空隙率一般低于3%,基本不透气,施工过程中环氧沥青混凝土内滞留的水分无法排出,路面有时会在碾压施工后就出现鼓包,见图7.如果环氧沥青混凝土内滞留的水分没有在施工期间反映出来,那么在运营阶段当天气炎热时路面会逐渐出现鼓包开裂,见图8.

图7 环氧沥青铺装施工压实过程鼓包

图8 环氧沥青铺装通车后鼓包

5.2 疲劳开裂

环氧沥青钢桥面铺装在轮迹带位置易出现纵向疲劳开裂病害,纵向开裂基本位于加劲肋上缘位置,纵向开裂病害也可能进一步发展为网裂乃至坑槽,见图9.出现纵向开裂病害的桥梁一般重载、超载情况较严重,纵向开裂病害主要是铺装材料结构性强度破坏或疲劳破坏.

5.3 脱层推移

环氧沥青钢桥面铺装在轮迹带位置会出现推移开裂病害,推移开裂是环氧沥青钢桥面铺装较严重的典型病害,一般病害面积大、维修难度大,见图10.脱层病害主要是由黏结层强度不足或黏结层失效造成,与材料性能或施工质量控制有关.

6 结语

图9 环氧沥青铺装纵向开裂

图10 环氧沥青铺装推移开裂

环氧沥青应用于铺装工程已有近60年时间,基于环氧沥青混合料热固性、高强度、高韧性等特点,在机场跑道、钢桥面铺装、隧道铺装等特殊路面工程中得到应用.环氧沥青材料及其应用技术近年发展较快,中国也有多种自主研发的环氧沥青材料得到应用,环氧沥青材料在工程应用中仍然有些问题需要解决,材料性能也有进一步提升的需求,具体分析如下.

(1)设计与试验评价方法.一般环氧沥青材料是具有显著特性的产品,环氧沥青混合料及铺装结构设计与试验基本参考普通沥青混合料,目前还缺乏针对环氧沥青混合料的试验方法和技术规范.实际上环氧沥青混合料属性和性能与普通沥青混合料有显著差异,因此针对环氧沥青混合料及铺装结构设计、试验与评价方法和标准有待进一步发展完善.

(2)抗疲劳性能.对于中国重载交通条件及早期较薄桥面钢板的使用条件,以及满足更高的的耐久性要求,环氧沥青混合料的抗疲劳性能也有进一步提高的必要性和应用需求.

(3)黏结层结构与强度.钢桥面铺装的黏结层是影响铺装结构整体性能的关键环节,目前的环氧沥青铺装黏结层仍然存在强度不足、施工控制难度大、与铺装层相容性差的问题,作为一体化钢桥面铺装结构设计,黏结层材料仍可从黏结强度、韧性、相容性、施工控制等方面进一步改进提高.

(4)施工工艺与质量控制.调查情况表明,较多的环氧沥青铺装病害与施工有关,一方面可以对环氧沥青材料的施工便利性、易控性进行改进,另一方面也可以从施工设备、施工工艺及施工控制管理角度进行提高,从而系统提高环氧沥青铺装施工质量.