BRT停靠站钢桥面沥青铺装病害处治研究

张晓靖，邱延峻，张晓华



BRT停靠站钢桥面沥青铺装病害处治研究

张晓靖1, 2，邱延峻1，张晓华3

(1. 西南交通大学 土木工程学院，四川 成都 610031；2. 四川高速公路建设开发总公司，四川 成都 610041；3. 四川省交通厅公路规划勘察设计研究院，四川 成都 610041)

正交异性钢箱梁可工厂预制、现场拼装，对交通干扰小，但钢箱梁沥青铺装耐久性难以解决。为解决BRT停靠站钢桥面沥青铺装早期病害，提出应急和长效2种处治方案。应急方案采用兼具优异高温稳定性和低温柔韧性的双组分聚合物材料修补，经过约两年的运营，未再发生病害，使用效果良好。长效方案突破用三大指标评价沥青性能的传统，运用频率扫描，蠕变恢复试验等手段，配制特种改性沥青，通过优选沥青、外掺剂组合，研发使用传统施工设备和工艺的改进型SMA，能满足高温稳定性和低温柔韧性的要求。

BRT停靠站；钢桥面铺装；正交异性；频率扫描；蠕变

国内外对钢桥面沥青铺装进行了大量研究和应用[1−12]，钢桥面从铺装材料和施工方法角度可分典型4类：1) 浇注式沥青混凝土(简称GA)+改性沥青玛蹄脂碎石(简称SMA)；2) 环氧沥青混凝土(简称EA)；3) 单层玛蹄脂碎石(简称MA)；4) 双层改性沥青玛蹄脂SMA。目前城市内的钢桥面铺装研究较少。成都市首条BRT二环路高架桥通车不久，停靠区域定点停车位置的钢桥面沥青铺装局部出现变形病害，采用传统热拌工艺无法满足BRT运营安全。鉴于城市钢桥面沥青铺装施工运营与公路存在很大差异，结合成都市BRT停靠站钢桥面沥青铺装特点和项目特殊要求，在室内大量试验的基础上，采用双组分聚合物材料作为应急处治措施，同时对现有沥青玛蹄脂碎石SMA进行改进作为长效处治方案，可为类似工程提供参考。

1 工程概况

成都市首条BRT沿现有二环路，全线采用高架方案，为缓解交通压力，减少交通干扰，缩短建设工期，在跨越较大路口、异性及小半径匝道路段采用钢箱梁，部分钢箱梁位于停靠站区域。

1.1 原铺装结构

高弹改性SMA-10(35 mm)＋聚合物高黏改性沥青浇注筑式沥青混凝土GA-10(35 mm)＋甲基丙烯酸树脂防水黏结层。

1.2 成都市BRT系统运营特点

1) 车辆采用双节铰接车，参数见表1，表现为“长、大、重”的特点。

表1 BRT车辆与普通公交车的参数

2) 成都BRT运营时间为06:00~23:00，高峰期1.5 min一班，平均3 min一班，发车密度大。

3) BRT为专用车道，交通渠化，荷载作用位置集中。

4) BRT车辆定点停靠，每次停车与启动在固定位置，频繁刹车、启动使钢桥面沥青铺装承受较大的剪力。

2 BRT停车站路面病害分析

2.1 铺装病害特点

成都市BRT开通不久，停靠站定点停车位置的钢箱梁沥青铺装出现“W”型盆状变形，较短时间内发展为严重的推移和坑槽等病害，如图1~2所示。

对多个BRT停靠站区域钢桥面沥青铺装病害进行了跟踪调研，病害具有以下特点：

1) 铺装层的破损程度表现为后轴＞中轴＞ 前轴。

2) 远离站台侧车辙(28 mm)比靠近站台侧(25 mm)严重。

3) 病害首先发生在停靠站钢箱梁沥青铺装定点停车车轮附近位置，表现为典型的“W”形失稳型车辙，随着时间推移，逐渐扩展到整个停靠站区域，同时病害加重，逐步出现大面积推移及坑槽。

4) BRT车道停靠站以外区域及同一横断面其他车道无病害。

图1 严重推移出现坑槽

图2 停车位盆状凹陷

2.2 病害原因分析

为分析病害成因，在高温季节实测了不同时间段BRT车道钢桥面沥青铺装平均温度变化(见图3)，测试位置分别为路表、路表以下3.5 cm、钢板顶面、路表以上20 cm。根据温度变化曲线可以看出，典型高温时段，钢桥面铺装层与实际气温相差达20 ℃，桥面铺装层最高温度接近65 ℃。

基于病害特征和温度实测结果，认为BRT停靠站钢桥面沥青铺装出现早期病害是外因与内因耦合作用的结果，如表2所示。BRT停靠站不同于常规公交站的运营环境，钢桥面特殊的受力特性，对沥青路面材料、结构提出更高的性能要求。

图3 二环路BRT专用车路表温度图

表2 成都BRT停靠站钢桥面沥青铺装病害原因

3 应急处治方案

3.1 制约因素

成都BRT开通不久就出现病害，且主要位于停靠站定点停车的局部区域，不宜进行大面积处治，初期拟采用应急处治方案，方案选择受多种因素的制约，见表3。

表3 应急处治方案制约因素

3.2 应急修补材料选择

BRT停靠站定点停车位置的钢桥面沥青铺装承受较大的剪应力和压应力，要求材料兼具优异的高温性能、柔韧性、与钢板的变形随从性，以及与原路面良好的黏结性能。在大量试验的基础上优选出自密实弹性混凝土，该材料含有3个组分，其中A和B为聚氨酯，C组分为特殊骨料，具体工艺为：将B组分倒入桶中搅拌约30 s。再将A组分倒入混合搅拌约至完全混合，最后将C组分缓慢地加入，并上下移动及顺时针方向搅拌约3 min至所有骨料彻底搅拌均匀。其中聚氨酯组分A:B=1:2，A+B组分在混凝土中掺量为17%。

1) 优化后的弹性混凝土试验

结果如表4所示，结果表明：弹性混凝土动稳定度远高于常规沥青混凝土，几乎不变形，表明其具有较好的高温稳定性；低温弯曲应变值接近常规沥青混凝土的2倍，表明同时具备较好低温性能。

2) 拉拔及抗剪试验

弹性混凝土与钢板、周边沥青混合料的黏结是修补的薄弱环节，针对不同黏结材料(分别记为Ta(甲基丙烯酸树脂防水黏层)、Tb(环氧沥青黏层油))在不同温度(室温和60 ℃)下进行了大量拉拔和剪切试验，试验结果如图4~5所示。

图4 拉拔强度

图5 剪切强度

图4~5表明，室温条件下Ta黏结材料拉拔强度、剪切强度较Tb小，且在60 ℃高温条件下，Ta黏结材料强度衰减非常明显，剪切强度更加显著。因此，为提高新旧界面及钢板黏结，应在原钢箱梁桥面防水黏结层上、周边沥青混合料均匀涂布黏结材料Tb，并且在Tb未固化前及时浇注自密实弹性混凝土，以确保施工质量。

3.3 处治效果

运营约2年，修补路段未再发生变形及松散病害，平均累积竖向变形为2~3 mm，总体效果较好，见图6，经过优化后的自密实弹性混凝土可作为修补钢箱梁沥青铺装病害的应急处治措施。

图6 2年后效果

4 长效处治方案

自密实弹性混凝土造价高，模量与相邻沥青混合料存在差异，运营较长时间后，存在界面的薄弱处再次出现病害的隐患，不宜用于新建及大面积维修。GA与MA的高温稳定性仍无法满足BRT停靠站对铺装性能的需要；而EA需要特种材料，对施工要求苛刻，养护时间长(一般在10 d以上)，无法满足城市交通需求。针对城市钢桥面新建和养护的特殊需要，在不过多增加造价，采用现有施工设备、养生时间短的条件下，采用复合改性技术，研制了高温稳定性及低温柔韧性均优异的改进型沥青玛蹄脂碎石SMAP(简称SMAP)进行处治。

4.1 沥青配制

表5表明，仅从针入度、延度、软化点3大指标进行比较，样品A，B和C无明显差异，略优于样品D；但从SHRP指标看，老化前后样品A的车辙因子明显优于样品B，C和D，表明样品A具有较好的高温稳定性。同时样品A的蠕变劲度明显占优，表明样品A同时具有较好的低温性能。

表5 改性沥青常规指标和SHRP指标试验结果

沥青性能是影响SMAP的关键因素之一，在常规指标的基础上，试验增测了沥青的SHRP指标、70 ℃频率扫描、70 ℃蠕变及蠕变恢复试验[13]。4种配制改性沥青试验结果如表5、图7~8所示(A，B，C和D代表配制的4种改性沥青(A—浇注式沥青；B—高性能改性沥青；C—高模量改性沥青；D—普通SBS改性沥青))

图7 改性沥青频率扫描图

图8 10个循环蠕变及累积应变

图7表明，4种改性沥青的复数剪切模量均随着频率的减小而降低，但改性沥青A在低频率段(0.01~0.1 Hz)斜率平缓，表明它在低速时衰减不明显，对荷载作用时间敏感性更小，抗剪切变形能力显著优于其他3种改性沥青。

图8表明，单循环在1 s的加载阶段表现出明显的非线性，9 s卸载阶段大部分变形得到恢复，但仍有残余变形，可见这4种沥青都有显著的延迟弹性；从10个加卸载循环的累积应变来看，累积应变依次变大的顺序为A，B，C和D，表明A抵抗变形的能力最强。

通过大量试验分析可知，改性沥青A和B高温性能明显优于C和D，SMAP选用改性沥青A和B。

4.2 外掺剂优选

用高温性能优异的改性沥青，易导致低温柔韧性下降，而BRT停靠站区域钢桥面沥青铺装不仅需要优异的高温稳定性，同时需要良好的变形性能。为提高变形性能，优选了外掺剂E和F(E—抗车辙；F—高黏改性剂)，从而与沥青A和B形成多种组合，并对其相关性能进行测试。

4.3 性能验证

针对多种材料组合，室内进行了车辙试验(70 ℃)和低温弯曲试验(−10 ℃)，试验结果见图9~10。

图9 沥青混合料70 ℃动稳定度

图10 沥青混合料低温弯曲

注：1. A，B代表改性沥青A，B；E，F代表外掺剂E，F，E掺加量为沥青混合料的0.5%，F掺加量为沥青的10%；2. 括号内数字为油石比

图9~10表明，改进型沥青玛蹄脂碎石(SMAP)具有以下特点：

1) 采用沥青A拌制的改进型SMA(简记SMAP (A))高温稳定性明显优于采用沥青B拌制的改进型SMA(简记(SMAP(B))，同时SMAP(A)的低温弯曲应变略低于SMAP(B)。

2) 无论SMAP(A)，还是SMAP(B)加入E后，高温稳定性明显提高，但低温弯曲应变均有不同程度的降低，均小于2 500 με，SMAP(A)甚至低于 2 000 με。

3) 无论SMAP(A)，还是SMAP(B)加入F后，低温弯曲应变均有显著改善，具有良好的低温柔韧性。

可见，采用改性沥青A及外掺剂F拌制的改进型SMAP(A)兼具优异的高温稳定性及柔韧性，明显优于传统SMA，室内试验表明可作为BRT停靠站新建或大面积维修的长效方案。

5 结论

1) 随着沥青改性技术的发展，针入度、软化点、延度三大常规指标已无法客观、准确评价改性沥青的性能，频率扫描、蠕变及恢复试验可较好甄别改性沥青的性能，多种方法表明沥青A和B具有较好的高温稳定性及变形恢复性能。

2) 优选的自密实混凝土具有优良的高温稳定性及低温柔韧性，施工工艺简单，封道时间短，经过约两年的运营无病害，表明能够满足BRT停车区钢桥面应急修补的需要。

3) 利用复合改性技术，采用改性沥青A及外掺剂F拌制的改进型沥青玛蹄脂碎石SMAP(A)，具有优异的高温稳定性和柔韧性，路用性能明显优于传统SMA；同时，SMAP(A)采用传统施工设备及工艺，性价比高，室内试验表明SMAP(A)可作为BRT停靠站钢桥面沥青路面新建或大面积修补的长效方案。

[1] Gunther H, Bild S, Sedlacek G. Durability of asphaltic pavement on orthotropic decks of steel bridges[J]. Journal of Constructional Steel Research, 1987, 7(2): 85−106.

[2] 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 long-span steel bridge deck pavement design[M]. Beijing: China Architecture & Building Press, 2006.

[3] HUANG Wei, QIAN Zhendong, CHEN Gang, et al. Epoxy asphalt concrete paving on the deck of long-span steel bridges[J]. Chinese Science Bulletin, 2003, 48(21): 2391−2394.

[4] QIAN Zhendong, HUANG Wei. Effects of parameters of asphalt concrete surfacing on mechanical property of paving layer[J]. Journal of Southeast University, 2003, 19(1): 79−82.

[5] LU Sun. Simulation of pavement roughness and IRI based on power spectral density[J]. Mathematics and Computers in Simulation, 2003, 61(2): 77−88.

[6] 钱振东, 罗剑, 敬淼淼. 沥青混凝土刚桥面铺装方案受力分析[J]. 中国公路学报, 2005, 18(2): 61−64. QIAN Zhendong, LUO Jian, JING Miaomiao. Mechanical analysis of asphalt concrete paving projects on steel bridge deck[J]. China Journal of Highway and Transport, 2005,18(2): 61−64.

[7] 黄卫, 刘振清. 大跨径钢桥面铺装设计理论与方法研究[J]. 土木工程学报, 2005, 38(1): 51−59. HUANG Wei, LIU Zhenqing. Research on theory and method of long-span steel bridges deck surfacing design[J]. China Civil Engineering Journal, 2005, 38(1): 51−59.

[8] 黄卫, 林广平, 钱振东, 等. 正交异性钢桥面铺装层疲劳寿命的断裂力学分析[J]. 土木工程学报, 2006, 39(9): 112−122 HUANG Wei, LIN Guangping, QIAN Zhendong, et al. Fracture-mechanics anslysis of the fatigue life of the pavement on orthotropic steel bridge decks[J]. China Civil Engineering Journal, 2006, 39(9): 112−122.

[9] 黄卫. 大跨径桥梁钢桥面铺装设计[J]. 土木工程学报, 2007, 40(9): 65−77. HUANG Wei. Design of deck pavement for long-span steel bridges[J]. China Civil Engineering Journal, 2007, 40(9): 65−77.

[10] 杨三强. 钢桥面铺装加速加载实验研究[D]. 西安: 长安大学, 2010. YANG Sanqiang. The accelerated testing studying on the steel bridge deck pavement[D]. Xi’an: Chang’an University, 2010.

[11] 张顺先. 基于使用性能的钢桥面铺装环氧沥青混合料设计研究与疲劳寿命预测[D]. 广州: 华南理工大学, 2013. ZHANG Shunxian. Epoxy asphalt mixture design research of steel bridge deck pavement base on applying performance and fatigue life prediction[D]. Guangzhou: South China University of Technology, 2013.

[12] 李嘉, 冯啸天, 邵旭东, 等. STC钢桥面铺装新体系的力学计算与实桥试验对比分析[J]. 中国公路学报, 2014, 27(3): 39−44. LI Jia, FENG Xiaotian, SHAO Xudong, et al. Comparison of mechanical calculation and actual test for new STC steel bridge paving system[J]. China Journal of Highway and Transport, 2014, 27(3): 39−44.

[13] Yeh P H, Nien Y H, Chen J H, et al. Thermal and rheological properties of maleated polypropylene modified asphalt[J]. Polymer Engineering & Science, 2005, 45(8): 1152−1158.

(编辑 涂鹏)

Treatment of steel deck pavement distresses at BRT bus station

ZHANG Xiaojing1, 2,QIU Yanjun1,ZHANG Xiaohua3

(1. Civil Engineering School ofSouthwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 2. Sichuan Expressway Construction & Development Corporation, Chengdu 610041, China; 3. Sichuan Provincial Transport Department Highway Planning, Survey, Design and Research Institute, Chengdu 610041, China)

Orthotropic steel deck has very limited impact on traffic and it could be prefabricated and put together on site, but the durability of steel deck asphalt pavement is a main problem that confined its further application. To deal with these distresses, an emergency repairing method and a long-term rehabilitation approach were proposed in this study. In the emergency method, a newly developed polymer material which has both high temperature stability and low temperature flexibility was applied to fix the distresses. This material performed well after almost two years of service and no newly distresses were found during that period. In the long-term approach, overstepping traditional methods, this study introduced frequency scanning, creep recovery test, etc. to evaluate asphalt property. Combined with orthogonal tests, an advanced modified asphalt binder and an improved cost effective SMA mixture with both high temperature stability and low temperature flexibility were developed.

BRT bus stattion; steel deck asphalt pavement; orthotropic; frequency sweep; creep

10.19713/j.cnki.43−1423/u.2018.09.012

U416.26

A

1672 − 7029(2018)09 − 2263 − 07

2017−06−16

国家自然科学基金资助项目(51308477，U1534203)

张晓靖(1983−)，男，江苏大丰人，高级工程师，博士，从事路面材料及结构研究；E−mail：249921359@qq.com