钢桥面铺装材料的研究进展综述

江二中　雷杰超　韦万峰

摘要：沥青玛蹄脂碎石混合料（SMA）、环氧沥青混合料（EAM）和浇注式沥青混凝土（GAM）是我国钢桥面铺装路面（SBDP）使用最广泛的沥青路面材料。文章从材料组成、性能特点、国内外发展现状和工程应用情况等方面对钢桥面铺装材料进行梳理：SMA具有优异的高温性能，适合于铺装上层；GAM具有优越的变形追从性，适合于铺装下层；EAM的综合性能优越，可应用于铺装上层，也可应用于铺装下层；建议未来钢桥面铺装技术应继续开发新型高性能材料。

关键词：钢桥面铺装材料；路用性能；发展现状；工程应用

0引言

近年来，钢桥正在成为我国交通跨越大障碍物的主要方式。钢桥面铺装路面（SBDP）是钢桥上一种特殊的路面结构，是由正交各向异性钢桥桥面（OSBD）、防腐涂层、防水粘结层和沥青路面层组成的复合结构。SBDP具有跨越能力优越、工期短、成本低、性能优良等一系列优点，主要用于直接承受各种车轮载荷，并保护底层OSBD免受环境侵蚀［1］。因此，钢桥面路面需要具有优异的抗永久变形和疲劳开裂能力，以及与钢桥面良好的协同变形性能，且钢桥面路面材料需要具有很强的变形恢复能力。沥青混合料由于其低重量和高变形合规性的特性，是钢桥面铺装的理想材料。其中，沥青玛蹄脂碎石混合料（SMA）、环氧沥青混合料（EAM）和浇注式沥青混凝土（GAM）是我国SBDP使用最广泛的沥青路面材料［2］。

虽然近年来我国钢桥面铺装技术取得了很多成就和突破，但钢桥面铺装结构与材料仍面临重载交通、大交通量和极端气候的挑战，一些铺装工程在通车不久后就陆续产生各种病害，需要频繁维修养护甚至重铺。因此，各种钢桥面铺装新材料的应用与评价仍是焦点。本文概述了国内外钢桥面铺装材料及其工程应用情况，以期为钢桥面铺装工程应用提供参考。

1 钢桥面铺装常用材料

1.1 材料组成

SMA由70%～80%粗骨料、6%～7%沥青、8%～12%填料和0.2%～0.5%稳定添加剂组成，其较高比例的粗集料提供了稳定的骨架结构，以抵抗永久变形和车辆打滑；而沥青粘附在粗集料上，增加了SMA的耐久性和稳定性，以抵抗路面损坏。

EMA是环氧树脂和固化剂混合发生固化反应后形成高分子聚合物三维网络结构，并与其他添加剂混合分布在沥青中的高性能材料。

GAM是一种在摊铺过程中无需碾压，只靠自身流动密实成型的混合料。其根据材料组成可以分为MA和GA。MA的集料和沥青含量要高于GA，但填料空隙率和含量低于GA。目前采用浇筑式沥青混合料对钢桥面进行铺装时，主要还是选择GA。

1.2 性能对比

SMA的使用寿命更长，在重交通载荷下有良好的抗车辙性能，低温下延迟疲劳开裂，其粗糙的表面纹理提高了抗车辙性能，减少了噪音污染［3］。SMA混合料的这些优势可以使其在钢桥面铺装中适应性更强。然而，SMA粗糙的表面与钢板粘结不充分容易导致分层、滑移开裂、早期疲劳开裂等多种病害，显著降低了钢桥面铺装层的使用寿命，不适合铺装在下层。沥青含量和填料含量高，导致其生产成本也相对较高。

EAM的聚合物三维网络体系从根本上将沥青的热塑性改变，使其转化成强度与刚度较高、高温性能优越、耐腐蚀性强和抗老化性能好的热固性材料［4］。EAM还具有优异的水密性，能保护钢板界面不受腐蚀，保证良好的粘结性能［5］。与SMA相比，EAM的高温性能更好［6］。环氧沥青的粘附性、水稳定性远远优于其他沥青［7］。然而，固化后的EAM模量较大，在低温下容易产生应力集中而导致低温开裂。由于钢桥面与EAM的模量的差异较大，导致其在车辆荷载作用下变形协调能力不足，容易发生脱层现象。而且，EAM强度的形成依赖于温度和固化剂，所以施工难度较大，对设备的要求也比较高。

GAM的沥青含量、矿粉含量和拌和温度（220 ℃～260 ℃）均较高。由于GA的空隙率＜1%，具有极高的密实度，所以具有优异的防水、防腐蚀、防老化和抗震性能［8］。高沥青含量则使GA拥有优越的变形追随性，非常适合钢桥面铺装下层。但GA的高温性能和抗滑性能较差，容易发生车辙和推移，施工过程中需要特殊设备，并且对气候要求较高。

综上，SMA、EAM和GAM各有各的优势与不足，具体如表1所示。

2 发展现状与应用情况

2.1 国内外发展现状

2.1.1 SMA

SMA最早于20世纪60年代在德国内出现，而后逐渐向欧洲各国推广。由于其优越的路用性能，成为当时欧洲高等级路面的主要结构形式。1990年美国开始引进SMA，并大量铺筑，取得了良好的效果。到20世纪90年代初，中国也开始引入SMA，首次铺装在虎门大桥上［9］。随后，在礐石大桥、海沧大桥等国内大桥大量铺筑试验路［10-11］。但是，大桥通车不久便都出现车辙、裂缝等病害，这是因为国内外的气候条件、交通条件差异较大，直接引用国外SMA技术并不适合。

SMA与其他混合料的主要区别在于其间断级配增加了沥青和填料含量［12］。为了防止沥青流失，需要在沥青中添加纤维或聚合物改性剂来改善沥青的粘附性和力学性能［13］。間断级配混合料的骨料之间存在一定空隙，容易导致其抗疲劳性能不如具有连续级配的沥青混合料［14］。为了改善SMA的抗疲劳性能，Yarahmadi等将表面体积比大的纳米CaCO3掺入沥青中，改善沥青与骨料的黏附能力，从而延缓SMA中疲劳裂纹的形成和扩展［15］。Chelovian等将Al2O3掺入SMA中，发现SMA的高温性能、抗永久变形能力、抗疲劳性能得到明显提高［16］。填料的性能也能影响SMA的沥青含量、加工性和力学性能，较常见的是将熟石灰等材料作为填料来提高沥青的含量及力学性能［17］。Korayem等将无定形碳粉作为填料掺入SMA，发现混合料的水稳定性和抗车辙能力得到明显提高［18］。目前，研究发现石灰石粉、废陶瓷粉末、粉煤灰、钢渣粉、煤废料、沸石和硅酸盐水泥粉等作为填料均能在一定程度上提高SMA的力学性能［19-20］。SMA技术在我国经过二十多年的改进和发展，现在已经成熟。目前SMA铺装技术的研究主要在集中在改性沥青和填料类型上。

2.1.2 EAM

在20世纪50年代，为了解决重型飞机轮载荷和轮胎压力，荷兰开始将环氧树脂掺入沥青制备EAM，以改善沥青的路用性能。在1967年，美国首次将EAM应用于圣马特奥-海沃德大桥，作为钢桥面路面铺装材料，取得了良好的效果。在2001年，我国采用EAM对钢桥面进行铺装，发现EAM具有良好的高温抗车辙能力。但我国初期生产的EAM适用期短、强度低，难以满足工程应用需求，为了解决这些问题，研究者展开了大量研究。

Luo Z等发现沥青的成分和含量、环氧树脂成分和含量、固化条件和添加剂含量都能显著影响环氧沥青的力学性能［21］。Haiyan Y等认为环氧沥青的黏度、固化行为、黏弹性和力学性能以及相分离形貌等性能取决于环氧树脂与沥青的比例［22］。周雄等发现油石比能显著影响环氧沥青混合料的空隙率［23］。为了提高EAM的低温抗裂性，路冠中等在环氧沥青中添加了纤维，研究发现纤维能阻碍沥青低温开裂的过程［24］。Yu等发现，EAM的表面耐磨性和抗滑能力比一般的改性沥青更强，其表面纹理具有明显的分形特征，可以用摆值表征路面的抗滑能力［25］。根据施工拌和温度，EAM主要分为温拌EAM和热拌EAM。Sang L等认为温拌EAM适用于干旱地区的新桥铺路，热拌EAM更适合用于交通繁忙的桥面路面的维护和修复［26］。刘乾发现热拌EAM的抗车辙、抗疲劳和抗裂性能均比冷拌EAM好［27］。从环保节能的角度来看，温拌的EAM比热拌EAM更环保，但由于热拌EAM允许施工时间长、施工难度低，在我国比温拌EAM的使用频率更高［28］。虽然环氧沥青引起了我国工业界和学术界的广泛关注，但由于EAM特有的性质和高成本，目前还是主要使用在机场和桥面铺装上［29］。经过二十多年的探索与改进，EAM技术在我国桥面铺装的应用上也逐渐成熟，目前的研究重点在于改善环氧树脂与沥青之间的相容性，提高低温抗裂性能，并降低EAM的成本和施工难度。

2.1.3 GAM

GA在20世纪初开始应用在德国等欧洲国家，并在20世纪30年代开始应用于钢桥面铺装技术。早期，德国主要采用特立尼达湖沥青（TLA）以15%～35%的比例掺入30#～40#直馏沥青中拌制而成。现在，德国规范要求沥青胶结料不再使用TLA，而是使用经过聚合物改性后PmB45和PmB25沥青。20世纪50年代，日本引入GA相关技术后，综合国内气候及交通情况作出了调整，降低了胶结料中TLA的比例，并将基质沥青换成20#～40#直馏沥青。随后，GA被广泛用于各国桥梁的桥面铺装，例如英国的亨伯湾大桥，法国的诺曼底大桥，丹麦的大贝尔特桥以及日本的多多罗大桥等［30］。在20世纪90年代，我国开始引入GA技术，并在1999年时首次应用于桥面铺装。但GA铺装技术未结合我国气候与交通条件进行调整，导致通车不久便出现开裂、车辙等病害［31］。Luo等发现，GAM的力学性能受到沥青胶结料性能、级配和油石比的影响很大［32］。为了提高GAM的路用性能，张锐等提出了浇筑式沥青混合料级配的两阶段设计方法［33］。Qian等研究了混合温度、混合料油石比和荷载应变水平对混凝土疲劳性能的影响，发现将混合温度提高到230 ℃～240 ℃，油石比提高到8.5，更能满足铺设施工工艺的要求［34］。在沥青胶结料性能方面，添加玻璃纤维或温拌剂Sasobit都可以改善GAM的流动性和高温性能［35-36］。经过多年调整与改性，现在GAM的铺装技术已经成熟，目前的研究主要集中在沥青胶结料的性能和施工控制上。

如表2所示，简要总结了SMA、EAM和GAM目前的发展现状。

2.2 工程应用情况

收集国内近年来钢桥面铺装常见材料的工程应用情况如表3所示。从表3可以看出，近年来钢桥面铺装结构层材料常用双层EAM、下面层GAM+上面层SMA，以及ERS。ERS是我国自主研发的新型铺装材料，由环氧粘结碎石（EBCL）、冷拌树脂沥青混凝土（RA）和SMA组成。上面层是行车层，需要考虑具有抗车辙、抗裂、抗滑等优良性能的铺装材料，所以上面层选择SMA较多。下面层与钢桥顶板相接，该层结构的铺装材料应考虑具有优越的变形追从性、防水、粘结、耐腐蚀和耐老化的材料，所以下面层材料大多数选择GAM。EAM由于其优异的高温稳定性，水密性和耐腐蚀能力，所以也有较多桥梁双层结构的铺装材料都采用EMA。

2.3 建议

（1）钢桥面铺装材料的力学性能研究和工程应用较为成熟，但在微观机理上的研究较少，可以进一步研究沥青组分、官能团、分子量和微观形态等对钢桥面铺装材料的性能影响。

（2）目前单一荷载或单一气候条件下的钢桥面铺装材料性能研究较多，建议后续将试验条件改为多因素耦联作用，研究多因素对铺装材料的力学性能影响及作用机理，开发出适用不同车辆荷载和气候条件的改性沥青。

（3）EAM和GAM仍然存在施工难度大，设备要求高，成本高等問题，后续应进一步开发新型高性能材料，以充分利用资源，降低成本。

3 结语

本文介绍了钢桥面铺装材料的基本概念和性能对比，对这些材料的国内外研究进展进行比较和总结，收集了这些材料的工程应用情况，并提出建议，为后续的研究作参考。目前，SMA的研究主要在重点集中在改性沥青和填料类型对沥青的性能提升上；GAM的研究集中在沥青胶结料的性能和施工质量控制上；EAM的研究重点在于改善环氧树脂与沥青之间的相容性，提高低温抗裂性能，并降低GAM和EAM的施工难度。钢桥面铺装材料目前在力学性能研究和工程应用方面较为成熟，但在微观机理上的研究较少，建议进一步采用近代高分子测试分析方法研究钢桥面铺装材料的微观性能，开发出适应不同交通条件和气候条件的新型高性能钢桥面铺装材料，在提高钢桥面与沥青混合料的黏结能力、改善整体路用性能的同时，符合节能环保、成本低、施工简便和快速维修的特点。

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基金项目：中央引导地方科技发展资金项目“广西典型固体废弃物道路领域综合资源化利用技术研发中心”（编号：桂科ZY21195043）

作者简介：江二中（1982—），硕士，高级工程师，主要从事公路与水运工程建设管理工作。