高分子聚合物混凝土钢桥面铺装材料技术进展

李书飞，胡超峰，胡伦福，李俊忠，段文志，徐世法

1. 北京建筑大学 北京市城市交通基础设施工程技术中心，北京 100044 2. 河南中原高速公路股份有限公司，河南 郑州 450000 3. 北京市政路桥管理养护集团有限公司，北京 100011 4. 北京市城市道路养护管理中心，北京 100069 5. 北京建筑大学 未来城市设计高精尖创新中心，北京 100044

0 引言

随着中国交通运输事业的发展，作为公路交通纽带的大跨径钢桥越来越多。钢桥面铺装层是桥梁的重要部分，其主要功能为抗磨耗、抗滑和防水防腐，具有保护钢桥面的作用。目前的钢桥面铺装材料基本上都是以沥青基材料为结合料，主要包括沥青玛蹄脂碎石、浇注式沥青混凝土和环氧沥青混凝土等。这些铺装材料有的温度敏感性强、抗老化能力弱，有的抗裂能力差、与钢桥面黏结能力弱，容易出现车辙、推移、开裂等早期病害，使用寿命最多十余年，有的仅仅为几年甚至只有几个月，而钢桥的使用寿命一般为100年以上。因此，在钢桥使用期间，铺装层要进行多次铣刨维修，严重影响正常交通和钢桥结构的安全，经济损失巨大。因此，在中国钢产能过剩且国家鼓励建设钢桥的背景下，研发长寿命非沥青基高分子铺装材料已经成为当务之急。

1 沥青玛蹄脂碎石铺装材料

沥青玛蹄脂碎石（SMA）是由较高比例的粗集料、矿粉和沥青组成的一种骨架密实型沥青混合料。该混合料广泛应用于钢桥面，主要是利用高含量沥青和纤维稳定剂将骨架胶结一起，并填充骨架空隙，使混合料具有较好的柔性，从而较好地适应钢桥面的变形。

20世纪60年代中期，SMA最初在德国出现，改善其路用性能的方法主要是增加矿粉比例、采用木质纤维以及沥青改性技术等。1990年，美国开始对SMA进行研究并铺筑大量SMA路段，经过长期观察检测发现，SMA在抗车辙、开裂以及水损害方面都具有优良的表现[1-3]。

20世纪90年代初，SMA进入中国，开始时由于没有充分考虑国内气候交通条件而完全照搬国外的技术，导致许多试验路都产生了车辙等早期病害。20世纪90年代末，中国为了使SMA技术能够更好地适应中国气候和交通环境，对SMA的设计方法、原材料要求等方面进行了系统研究[4-5]。

目前，中国SMA技术成熟，采用调整级配、提高对原材料要求、使用改性沥青以及添加木质纤维或矿物纤维等手段，使SMA路用性能全面提高，尤其是高温抗车辙、低温抗开裂性能以及耐久性。但是，从实际钢桥铺装工程来看，还是会出现很多病害，例如虎门大桥的SMA铺装层出现了较为严重的早期病害，包括推移、车辙等。研究分析认为，SMA铺装层病害产生的原因包括两方面：一是SMA与钢面板的黏结性能较差；二是相对于桥面铺装层恶劣的工作环境来说，SMA的热稳定性能不足。SMA寿命使用最长为10年左右，但相比于钢桥面的使用寿命还是非常短，远不能满足人们对长寿命铺装层的预期。

2 环氧沥青混凝土铺装材料

环氧沥青是一种由环氧树脂、固化剂与基质沥青经复杂的化学改性所得的混合物，与基质沥青有着完全不同的物理性质和力学性能。环氧沥青混凝土与普通的沥青混凝土最大的不同在于它的生产是一种不可逆的固化反应过程，其主要优点为强度与刚度较高、耐腐蚀性强。

20世纪50年代末，壳牌石油公司开始采用环氧树脂对石油沥青进行改性，得到Shell Epoxy Asphalt等强热固性环氧沥青材料。1967年美国的San Mateo-Hayward大桥首次采用环氧沥青混凝土作为钢桥面的铺装层材料，并取得非常好的使用效果。之后美国广泛采用环氧沥青混凝土进行钢桥面铺装，对于防止桥面铺装病害有一套较为成熟的设计与施工体系。

2001年，中国首次使用环氧沥青铺装钢桥面。试验研究与应用发现，环氧沥青混凝土桥面铺装在高温季节表现良好，较少出现车辙与推挤病害，而且具有很强的抗侵蚀能力[6]。

总之，环氧沥青混凝土具有很多优异的性能，但也存在以下缺陷：固化后脆性太大，容易开裂；层间黏结易失效，导致铺装层出现推移等早期病害；强度形成受固化剂和温度的影响较大，导致施工难度大，对施工设备要求高；养护时间较长，养护维修困难，影响交通开放；使用寿命较短，一般不超过15年。

3 浇注式沥青混凝土铺装材料

浇注式沥青混凝土（Guss asphalt）是一种能够依靠混合料自身的流动性摊铺成型无须碾压的一种空隙率小于1%的沥青与矿料混和物，拌合温度在220 ℃~260 ℃，具有高沥青含量与高矿粉含量的特点[7]。由于空隙率很小，浇注式沥青混凝土内部的空隙基本不连通，所以作为铺装材料具有密水性好的优点；较高的沥青含量使得该铺装材料具有较好的柔韧性，变形追随能力强。

1917年，德国开始研究开发浇注式沥青混凝土，并于19世纪30年代年首先应用于汉堡的桥面铺装工程。1950年日本开始研究钢桥面铺装并广泛应用，1956年日本根据本国的特点，改变了德国浇注式沥青混凝土相关技术指标和材料组成等，形成了具有日本特色的设计与施工技术。该技术充分地利用了该材料的防水性能和变形追随性能，但对抗滑能力不足的问题考虑欠佳[8-10]。

20世纪90年代，中国引进了浇注式沥青混凝土技术，1999年9月采用浇注式沥青混凝土铺装的江阴长江公路大桥建成通车，但开放交通不久便出现了较为严重的车辙、推移等病害，其外因为高温与重载交通，内因为钢桥面板厚度较薄以及浇注式沥青混凝土的高温稳定性差。后来，在许多工程中将浇注式沥青混凝土作为防水黏结层用于桥面铺装的下面层[11]。

浇注式沥青混凝土作为桥面铺装材料既有优势又有不足，具体表现为：变形追随性较好，防水、防腐效果突出，在国外得到了广泛的应用且效果很好，但受中国特殊使用条件（夏季炎热、重载）的影响，其高温性能较差，易出现车辙等病害；由于采用高沥青含量、高矿粉含量，其抗滑性能不足；施工温度高，材料老化严重；由于空隙率很小，在摊铺施工中对水汽敏感，容易产生鼓包；铺装需要特殊的施工设备，施工难度大。

4 高分子聚合物混凝土铺装材料

高分子聚合物是指由键重复连接而成的高分子量化合物，高分子聚合物混凝土是由高分子聚合物和具有一定级配的矿料拌合而成的混合物。20世纪70年代，高分子聚合物混凝土因其强度受温度影响较小、防水性能及抗腐蚀性能优越而在国内外广泛应用于道路结构物的快速修补，如通过注浆技术、冷补料修补技术进行道路裂缝病害的维修。此外，因其具有保温、隔热、隔音等功能且黏附性优良，被作为墙体防火保温材料广泛应用于建筑领域[12]，而将高分子聚合物混凝土作为大跨径钢桥面铺装材料的研究很少，主要原因在于其刚性有余而脆性不足。

中国的气候特点是，夏季炎热，高温持续时间长，冬季严寒，大风降温速率快；而沥青类铺装材料温度敏感性强，高温易产生车辙，低温易开裂，难以满足要求。通过对钢桥面铺装工程的调查来看，将以沥青作为胶结材料的沥青混凝土结构作为大跨径钢桥面的铺装材料，会因其温度敏感性强、层间黏附性弱、抗水损坏性差的技术缺陷而出现很多弊端。因此，开发温度敏感性低、耐水耐腐蚀性强的长寿命高分子聚合物混凝土桥面铺装材料已迫在眉睫。

摊铺过程

碾压过程

四点弯曲疲劳试验试件

低温小梁试验

北京建筑大学课题组为解决钢桥面铺装层早期病害严重、使用寿命短的问题，以高分子聚合物为突破点，开发了非沥青材料的高分子聚合物混凝土，并对其性能通过室内研究及试验段铺设进行了评价。结果表明：在高温性能方面，该材料的动稳定度能达到环氧沥青混凝土的5倍以上；低温性能方面，该材料10 ℃的最大弯拉应变是浇注式沥青混凝土的6倍以上，且对钢桥面板的变形协调性能远远优于浇注式沥青混凝土；疲劳寿命方面，该材料的抗疲劳性能至少能达到环氧沥青混凝土的10倍以上；水稳定性方面，该材料在第1次冻融循环之后残留劈裂强度比基本稳定，而环氧沥青混凝土经过多次冻融循环作用，其残留劈裂抗拉强度下降幅度仍然较大[12]。

高分子聚合物混凝土铺装材料采用传统设备生产施工，不需要加热，在常温下拌合、摊铺、碾压，所需要的铺装厚度通常为4 cm。

通过与沥青玛蹄脂碎石、浇注式沥青混凝土和环氧沥青混凝土3种典型钢桥面铺装材料进行技术性能及经济性对比可知：该高分子聚合物混凝土性能优越；价格比环氧沥青混合料低；常温拌合，传统设备即可施工；强度形成时间可灵活调整；铺装层厚度小，仅为4 cm，不仅节省材料，而且减轻恒载，作为新一代长寿命铺装材料，应用前景广阔。

5 结语

（1）中国对桥面铺装的研究起步较晚，目前在结构形式、铺装材料和施工技术上主要是借鉴国外技术，如热拌式沥青玛蹄脂碎石、浇注式混凝土、环氧沥青混凝土桥面铺装技术等，但国内和国外的气候及交通条件相差很大，这些以沥青作为胶结材料的混合料不能很好地适应国内的气候交通条件，导致桥面铺装层的寿命远远短于桥梁结构的使用寿命。因此，研发温度敏感性低、耐水耐腐蚀性强的长寿命高分子聚合物混凝土桥面铺装材料具有重要的理论意义及工程价值。

（2）近几年中国研发出来的高分子聚合物混凝土桥面铺装材料是一种新型的高性能耐久铺装材料。与传统的沥青类桥面铺装材料相比，其高低温稳定性、抗水损害及抗疲劳性能等均有明显提升；所需要的设计厚度小，使用寿命长；施工工艺简便，施工设备没有特殊要求；生产为常温拌合，节能环保。该材料代表着行业铺装技术发展的方向，将引起桥面铺装材料的重大变革。