热拌环氧沥青混凝土在荆岳大桥钢桥面养护工程中的应用

2020-09-23储昭胜周则程黄绍龙

建材世界 2020年4期

储昭胜，周则程，安健，关键，黄绍龙

(1.湖北交投智能检测股份有限公司,武汉 430051；2.湖北省交通运输厅随岳高速公路管理处第三养护管理站，荆州 433332；3.湖北大学材料科学与工程学院，武汉 430062)

随着国内交通规模不断扩大，建设的大跨径桥梁数量也逐渐增多，因钢桥面自身受力情况复杂，在重载、环境因素作用下易发生裂缝车辙等病害，从而严重影响其寿命及功能性，所以钢桥面铺装养护技术变得愈发重要[1]。钢桥面铺装结构主要有SMA、浇筑式沥青混凝土和环氧沥青混凝土。其中SMA是较常见的混合料，其热稳定性优良，耐磨抗滑，但粘结性能较差，易出现推移拥包[2]。浇筑式混凝土，油石比高，在高温下能自重流平，无需碾压，其防水、抗变形、抗疲劳性能优异，唯一缺陷是高温稳定性不足，工程常采用高粘SMA+浇筑式双层结构来提高动稳定度[3]。环氧沥青混凝土的防水、抗变形、高温稳定性综合性能佳，但抗裂性能一般，造价偏高。其可分为美国代表的温拌环氧沥青混凝土(WEA)和日本为代表的热拌环氧沥青混凝土(HEA)[4]。目前还比较热门的是针对小跨径薄钢板桥面养护，可在钢板上铺筑一层超高性能混凝土(UHPC)进行补强加固，可避免沥青铺装层与钢板间的推移[5]。

1 工程概况

1.1 荆岳大桥简介

荆岳长江大桥(K529+595～K535+014)长5.42 km，为双塔钢箱梁斜拉桥，位于湖北、湖南两省的长江交界处。因韧性好、强度高、高低温性能优异、施工温度低、环保节能、建设时期铺装体系选用温拌环氧沥青混凝土，于2010年12月9日通车。

1.2 病害概述及原因分析

荆岳长江大桥部分钢桥面出现连片坑槽、裂缝病害如图1所示。其主要原因有以下3点：

1)该桥通车后超重载现象日益严重，在温度载荷及风载的多重作用下，正交异性钢桥发生复杂变形，铺装层表面产生反复的局部应力集中和弯曲变形是导致其出现开裂的重要原因。

2)荆岳大桥桥面建设时铺装结构层为温拌环氧沥青混凝土，粘接层亦为美国温拌环氧，其固化养生温度为110～120 ℃，固化时间 30～40 d，铺筑时仅与面层混合料粘结一起，与钢桥面固化条件达不到要求，反应不完全，导致层间粘结力不足，无法形成独立的防水粘结层状体系，路表水分容易深入钢板表面引发层间脱空、铺装层鼓包等问题。

3)目前环氧沥青混凝土钢桥面裂缝、坑槽病害维修难度较大，常规的沥青类灌缝、修补材料与环氧沥青混凝土的粘结性较差，修补后在重载车辆作用下，在较短时间内容易再次发生开裂，同时导致裂缝周边环氧沥青混凝土的崩解与剥落，雨水下渗、钢板锈蚀后产生更严重的连片坑槽病害。

1.3 养护设计

1.3.1 养护材料要求

针对荆岳大桥已出现的病害，选择一种合适的养护铺装材料，其应具有以下几种特点：

1)应具备良好的疲劳抗开裂性能以承受反复复杂变形；

2)应具备优良高温稳定性能,以满足高达70 ℃的高温使用条件要求；

3)很好的致密性和完善的防排水体系，以保证钢板不被侵蚀；

4)良好的层间结合,保证铺装与桥面板的协同作用；

5)对钢板变形良好的追从性,以适应钢板变形；

6)良好的平整度与抗滑性能。

由材料本身性能及工程经验，环氧沥青混凝土符合养护材料的要求。

1.3.2 环氧沥青的选择

从不同方面分析热拌环氧与温拌环氧沥青的差异，如表1所示。

从表1可知，热拌环氧沥青首先在材料方面对水不敏感，并且在高温摊铺过程中水分能够蒸发完全，而温拌环氧固化剂为酸酐类，对水非常敏感，并且摊铺温度在115 ℃左右，水分不能完全蒸发，因空隙率很低，如有水分积留则容易产生鼓包，故要求温拌环氧沥青骨料必须严格干燥。从拌和及施工设备上，热拌环氧要求低于温拌环氧，并且施工可操作时间长，封闭范围小，养生时间短，早期强度高能够达到尽早开放交通需求。

表1 热拌环氧沥青与温拌环氧沥青的对比分析表

对于养护而言，在材料性能满足的情况下，尽可能施工便捷、对交通影响小、能够迅速开放交通。综合分析两种环氧沥青，宜选择热拌环氧沥青混凝土作为本次养护材料。

2 目标配合比设计

2.1 原材料

1)环氧结合料、粘层油：日本株式会社近代化成公司，环氧结合料KD-BEP，主剂与固化剂按照56∶44混合；粘层油按照A∶B=1∶1混合。

2)富锌漆：老人牌，主剂∶固化剂=12∶3混合。

3)70#基质沥青：中海沥青厂提供。

4)集料，矿粉：京山某石材厂。

2.2 矿料组成设计

利用粗细集料及矿粉设计EA-10环氧沥青混凝土目标配合比，其矿料配比、合成级配如表2、图2所示。

表2 EA-10环氧沥青混凝土矿料配比

2.3 油石比确定

按环氧沥青混合料设计文件对油石比5.5%、6.0%、6.5%、7.0%、7.5%进行马歇尔试验，根据环氧沥青混合料配合比设计要求及相关工程经验，最终确定最佳油石比为6.4%。

2.4 目标配合比验证

根据设计的级配及最佳油石比6.4%，进行混合料试验，其试验结果详见表3。

表3 目标配合比下的马歇尔试件性能

由以上试验结果可知，所设计的EA-10环氧沥青混合料高温性能好，车辙次数可达到14 000以上，抗水损能力强，残留稳定度达到99.2%，各项性能符合设计要求。

3 施工工艺

3.1 前期准备

按要求对荆岳大桥维修路段进行破除，喷砂除锈后进行环氧富锌防锈层施工，随后涂布粘层油，待其硬化后准备环氧沥青混合料摊铺。

3.2 混合料拌和

在拌合站进行环氧沥青混合料拌和，其操作流程如图3所示，与传统热拌沥青不同在于胶结料，其将环氧主剂与固化剂按照56∶44混合后与基质沥青再按照1∶1同时投入进行拌和出料。注意出料温度应在170～185 ℃之间，取部分料在拌合站实验室成型马歇尔试件，如图4所示。

3.3 混合料运输

因日本环氧为热拌环氧，摊铺温度在165 ℃以上，为了防止装料车里的混合料的温度降低，盖一层帆布来提高保温效果，并且注意混合料不要有局部露在外面。混合料在拌和的同时进行固化反应，所以混合料运输要控制在1 h以内，运输车进入摊铺现场前，人工使用吹风机和拖把对轮胎进行清洁，避免污染物进入作业面[6]。

3.4 混合料摊铺及碾压

环氧沥青混合料摊铺操作时间应控制在2 h之内，事先预热摊铺机，等混合料运到现场后及时摊铺，混合料温度低于160 ℃以下或者恶劣天气情况下应停止摊铺。由于混合料摊铺的厚度较薄，空气和桥板很快吸收混合料的热量，造成混合料温度下降较快，所以摊铺后尽快进行初碾压。同样，二次碾压和终压也要及时进行。碾压应紧跟摊铺机，碾压过程按初压、复压、终压三个阶段进行。碾压时压路机驱动轮面向摊铺机，由低到高，依次连续均匀碾压，相邻碾压带重叠 1/3 轮宽，碾压过程中压路机不得在铺装层上转向、调头，压路机起动、停止必须减速缓行，不准紧急刹车制动[7]。为了达到边部压实目的，提出加护边坡措施。

3.5 桥面接缝处理及养生

环氧沥青混凝土铺装上、下层横缝施工缝均采用90°直接缝。铺装层下层切缝深度控制在1.5 cm 左右，以防止破坏桥面涂刷层，上层切缝深度控制在2.0 cm左右，防止切穿下面结构层。切缝后，将铺装多余的部分撬走清除干净，并涂刷粘结层。环氧沥青混合料是随树脂的固化反应而强度增加。当固化反应不足的铺装初期，为了防止重载车对铺面的破坏，要进行封闭交通来对路面进行养生[8]。

4 评估检测

摊铺完成后，对拌合站取料成型的试件进行稳定度检测，并对荆岳大桥钢桥面铺装养护段从平整度、抗滑性能、抗渗性能三方面考察热拌环氧沥青混凝土铺装效果。

4.1 未固化试件稳定度

马歇尔试件测试其未完全固化不同时间下的稳定度，为早期开放交通时间提供参考。其结果如表4所示。

表4 未固化前不同养护时间下热拌环氧沥青混凝土的稳定度

从表4可知，热拌环氧沥青混凝土击实后3 h强度为7.16 kN,1 d强度可以达到20.9 kN，已初步达到通车要求，3 d就已经完全固化(≥40 kN)。热拌环氧沥青混凝土碾压后能够快速固化，可迅速达到开放交通，减少封闭交通带来的影响，这也是维修设计时选择热拌环氧沥青作为养护材料的重要原因之一。

4.2 平整度、抗滑及抗渗性能

平整度是沥青路面重要指标，影响车辆的行驶舒适性，根据《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)，采用3 m直尺法对养护路段平整度进行检测；沥青路面的抗滑性能对道路行车安全性有较大影响，根据《公路沥青路面施工技术规范》(JTGF40—2004)，采用摆式摩擦系数测定仪对养护段路面构造深度、抗滑摆值进行检测；路面的防水性能优异可有效减少出现坑槽等水损害，根据《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)，对养护段渗水系数进行检测。综合检测结果如表5所示。