李珩

(上海浦東路橋建設(shè)股份有限公司，上海市 200122)

鋼橋面鋪裝環(huán)氧瀝青防水粘結(jié)層的應(yīng)用研究

李珩

(上海浦東路橋建設(shè)股份有限公司，上海市 200122)

調(diào)研了國內(nèi)幾個(gè)鋼橋面鋪裝產(chǎn)生的病害，分析了產(chǎn)生這些病害的兩個(gè)主要原因是防水粘結(jié)層本身的路用性能及其施工工藝上的問題。研究了環(huán)氧瀝青防水粘結(jié)材料的力學(xué)性能及施工工藝，并在上海昌吉東路大橋上得到成功應(yīng)用。

鋼橋面鋪裝;病害;環(huán)氧瀝青;路用性能;施工工藝;上海市

0 引言

鋼橋橋面鋪裝應(yīng)用較為廣泛，結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，一直是世界各國研究的熱點(diǎn)［1］。我國是從上世紀(jì)80年代才開始對鋼橋面鋪裝有所研究，近幾年也取得了較為豐碩的成果。但隨著交通量及交通軸載的增加，國內(nèi)外的部分鋼橋橋面鋪裝在使用不久就發(fā)生了損壞，造成了極大的經(jīng)濟(jì)損失，社會反響較大，已經(jīng)引起了人們的廣泛關(guān)注。根據(jù)大量實(shí)地調(diào)研發(fā)現(xiàn)，鋼橋面鋪裝防水粘結(jié)層的失效是鋼橋面鋪裝損害的重要原因之一［2］。

環(huán)氧瀝青是經(jīng)物理和化學(xué)反應(yīng)后形成的具有三維立體互穿網(wǎng)絡(luò)的新型復(fù)合材料。環(huán)氧瀝青成型前分為兩個(gè)組分，A組分是環(huán)氧樹脂，B組分是均勻穩(wěn)定的多組分混合物。兩組分在一定溫度下經(jīng)過反應(yīng)形成性能優(yōu)良的聚合物。本文選用環(huán)氧瀝青作為鋼橋鋪裝防水粘結(jié)層，并在上海昌吉東路大橋得到成功應(yīng)用。

1 鋼橋面鋪裝病害調(diào)研

1.1 同濟(jì)路立交SW匝道

外環(huán)線同濟(jì)路立交SW匝道，2001年3月竣工，橋梁總跨長215.57 m，鋼板厚16 mm，縱坡較大，重車交通流量大。橋面鋪裝采用改性瀝青混合料，鋪裝結(jié)構(gòu)為:35mmLK-15+45 mmLH-25+乳化瀝青粘層油+Φ10@125鋼筋(長450 mm，錯(cuò)位布置)。該橋面鋪裝實(shí)施較早，橋面防水粘結(jié)層采用性能較差的乳化瀝青，在使用不久就發(fā)生了病害。

2013年5月，對同濟(jì)路立交進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)研。從現(xiàn)場調(diào)研情況來看，局部鋪裝層開裂嚴(yán)重，并伴有部分脫落;橋面存在部分車轍、擁包損壞(見圖1、圖2)。

圖1 同濟(jì)路立交匝道縱向裂縫實(shí)景

圖2 同濟(jì)路立交匝道車轍及擁包實(shí)景

1.2 中環(huán)線北翟路立交NW匝道

中環(huán)線北翟路立交2010年3月竣工，NW匝道鋼箱梁橋跨長98 m。該匝道鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)組成為:環(huán)氧防水粘結(jié)層+30 mm澆注式瀝青混凝土(GA-10)+50 mm瀝青瑪蹄脂碎石(SMA-13)。該鋼橋面鋪裝雖采用了環(huán)氧瀝青，但由于冬季施工時(shí)且未采取相關(guān)措施，養(yǎng)護(hù)時(shí)間較短等原因運(yùn)營后也產(chǎn)生了一些病害。

從現(xiàn)場調(diào)研情況來看，橋面鋪裝表面存在局部橫向裂縫，裂縫寬度最大為5 cm;鋪裝層局部區(qū)域出現(xiàn)帶狀隆起和凹陷變形，并伴隨著橫向開裂;在鋼橋面和混凝土橋面的伸縮縫處，存在脫層現(xiàn)象，里面有水及雜物進(jìn)入(見圖3、圖4)。

圖3 北翟路立交橫向開裂、隆起實(shí)景

圖4 中環(huán)線北翟路脫層實(shí)景

1.3 病害分析

經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)查，由于防水粘結(jié)層失效引起的病害主要有:裂縫、脫層和擁抱。

1.3.1 裂縫

橫向裂縫。防水粘結(jié)層的失效首先導(dǎo)致了隆起和凹陷，當(dāng)面層抗拉力和防水粘結(jié)層的粘結(jié)力的合力不足以抵抗行車荷載的反復(fù)作用時(shí)就會產(chǎn)生裂縫，裂縫會將雨水帶入防水粘結(jié)層表面逐步降低其粘結(jié)力。

縱向裂縫?？v向裂縫一般出現(xiàn)在縱隔板、橫隔板、縱向加勁肋部位的頂部。這是由于加勁肋和正交異性板銜接處的應(yīng)力較大，破壞了防水粘結(jié)層，然后擴(kuò)展到鋪裝層。

1.3.2 脫層

這是防水粘結(jié)層失效引起的最嚴(yán)重的破壞方式。在溫度荷載和行車荷載的共同作用下，橋面板和鋼橋面鋪裝層之間存在較大的剪應(yīng)力，逐步產(chǎn)生較大的剪切變形。如果防水粘結(jié)層的抗剪切小于鋪裝層與鋼板之間的剪應(yīng)力，那么鋪裝層和鋼板之間就會產(chǎn)生脫層。鋪裝層與鋼板之間粘結(jié)層的破壞或脫層不僅大大降低了兩者復(fù)合作用，增加了鋪裝層內(nèi)部的應(yīng)力，加速鋪裝面層的破壞［3］。

1.3.3 擁包

擁包是同時(shí)由于鋪裝層承載力不足以及防水粘結(jié)層的脫層共同引起的。當(dāng)鋪裝層和鋼板已經(jīng)產(chǎn)生了脫層之后，鋪裝層強(qiáng)度較弱的情況下就會被車輛不斷擠壓，擠壓后可能產(chǎn)生沉陷或者裂縫威脅鋪裝層安全。

從上述分析結(jié)果來看，防水粘結(jié)層病害的主要原因是材料粘結(jié)強(qiáng)度不足或施工工藝雜亂。因此，要挑選合適的鋼橋面鋪裝防水粘結(jié)層。

2 防水粘結(jié)層研究

目前，鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)防水粘結(jié)材料主要可以分為以下三類:溶劑型防水粘結(jié)材料、熱熔型防水粘結(jié)材料、熱固性防水粘結(jié)材料［4］。

2.1 溶劑型防水粘結(jié)材料

所謂溶劑型防水粘結(jié)材料，即常溫下即可直接鋪筑的粘結(jié)材料。目前常用的主要有兩種:可溶性橡膠瀝青和乳化瀝青?？扇苄韵鹉z瀝青一般首先使用特殊溶劑溶解膠粉，完成后去除部分溶劑，最后和瀝青融合。乳化瀝青則是將基質(zhì)瀝青加熱至液態(tài)，并通過機(jī)械高速剪切分散作用，使瀝青以微粒態(tài)均勻分散于含有乳化劑的水溶液中，形成的一種亞穩(wěn)態(tài)的乳液?？扇苄韵鹉z瀝青在日本使用較為廣泛;乳化瀝青粘結(jié)材料在國內(nèi)早期鋼橋面鋪裝上有所使用。這種材料在高溫時(shí)容易軟化，并且材料內(nèi)部含有熱敏性物質(zhì)，遇攤鋪高溫時(shí)會釋放出氣體，從而使鋪裝層產(chǎn)生氣泡，粘結(jié)強(qiáng)度也嚴(yán)重不足。江陰大橋鋪筑時(shí)采用了溶劑型橡膠瀝青粘結(jié)劑作為防水粘結(jié)材料，鋪筑之后不久即有大量破壞［5］。

2.2 熱熔型防水粘結(jié)材料

熱熔型粘結(jié)材料一般是指聚合物改性瀝青。這種材料一般高溫易軟化，粘結(jié)強(qiáng)度較小。熱熔型防水粘結(jié)材料一般為高軟化點(diǎn)改性瀝青，加熱溫度稍低，防水粘結(jié)材料將會十分粘稠，難以施工;如果溫度過高，防水粘結(jié)材料將會老化，直接影響防水粘結(jié)材料的粘結(jié)效果。廈門海滄大橋采用熱熔型粘結(jié)材料，但防水粘結(jié)材料的粘度較大，施工困難。施工過程中，通過加熱防水粘結(jié)層增加施工和易性，但防水粘結(jié)材料因施工溫度過高而出現(xiàn)變質(zhì)的情況，影響了防水粘結(jié)層的性能，粘結(jié)強(qiáng)度較低無法滿足使用要求。

2.3 熱固性防水粘結(jié)材料

熱固性防水粘結(jié)材料主要指環(huán)氧瀝青。環(huán)氧瀝青防水粘結(jié)材料一般分為A和B兩個(gè)組分。A和B組分混合后，順酐化瀝青、固化劑、功能聚合物、乳化劑等與環(huán)氧樹脂反應(yīng)，固化物體系很快從二維平面結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成為三維立體型結(jié)構(gòu)并形成強(qiáng)度。其中，環(huán)氧樹脂以層疊、互聯(lián)的防水形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu);瀝青則以顆粒狀態(tài)較均勻地分散在環(huán)氧樹脂內(nèi)部，形成不可逆的固化物［6］。

相比其他兩類材料，環(huán)氧瀝青防水粘結(jié)材料具有粘結(jié)強(qiáng)度大、熱穩(wěn)定性好、耐久性強(qiáng)等優(yōu)勢，在國內(nèi)大型橋梁中得到了廣泛應(yīng)用。但這種材料施工工藝要求非常高，需嚴(yán)格控制。

3 昌吉東路大橋上的應(yīng)用

昌吉東路大橋，為上海蘊(yùn)藻浜上一座中小跨徑梁式鋼橋。該橋主橋部分采用兩跨連續(xù)下承式鋼桁架拱全焊接組合鋼結(jié)構(gòu)，跨徑組合66 m+135 m，橋面寬33 m，總用鋼量近5 000 t。該橋鋪裝結(jié)構(gòu)為:4 cm瀝青瑪蹄脂碎石(SMA-13)+改性乳化瀝青粘層+4 cm環(huán)氧瀝青混合料(EA-10)+環(huán)氧瀝青防水粘結(jié)層+環(huán)氧富鋅漆。昌吉東路大橋橫跨蘊(yùn)藻浜河道和軌道交通11號線，是連接嘉定南部地區(qū)重要的交通通道，也是上海國際汽車城和上海城區(qū)的重要交通樞紐。

3.1 材料

該項(xiàng)工程選用環(huán)氧瀝青為江蘇句容寧武化工有限公司的生產(chǎn)的2 451環(huán)氧瀝青防水粘結(jié)材料。參考潤揚(yáng)大橋鋼橋面鋪裝環(huán)氧瀝青防水粘結(jié)層試驗(yàn)方法［2］，對常用的防水粘結(jié)層粘結(jié)強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度(25℃)進(jìn)行檢測，試驗(yàn)結(jié)果詳見表1所列。

表1 不同防水粘結(jié)層性能試驗(yàn)結(jié)果一覽表

從表1可以看出，環(huán)氧瀝青防水粘結(jié)材料粘結(jié)強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度均高于其他防水粘結(jié)材料。

3.2 施工工藝

鋼橋面鋪裝防水粘結(jié)層的長期耐久性不僅和粘結(jié)層自身強(qiáng)度有關(guān)，同時(shí)需要嚴(yán)格的施工工藝作保證。

3.2.1 基本要求

3.2.1.1 天氣狀況

鋼橋面鋪裝防水粘結(jié)層施工應(yīng)在橋面板表面清潔、干燥，且空氣溫度高于10℃時(shí)鋪筑。同時(shí)，施工人員應(yīng)關(guān)注近期天氣變化，根據(jù)天氣預(yù)報(bào)盡量選擇在持續(xù)晴天進(jìn)行施工。

3.2.1.2 施工單位及施工人員

施工時(shí)，施工單位應(yīng)具有防水粘結(jié)層施工經(jīng)驗(yàn)或委派專家進(jìn)行現(xiàn)場指導(dǎo)，同時(shí)也應(yīng)配備橋面施工的相關(guān)設(shè)備，施工人員應(yīng)經(jīng)過專門培訓(xùn)，合格后方可持證上崗。施工人員在現(xiàn)場不得穿帶根或膠釘?shù)男?，以免損壞鋪裝材料整體性能及表面質(zhì)量。施工人員應(yīng)佩戴好相關(guān)防護(hù)工具，避免施工時(shí)受傷。

3.2.2 施工前的準(zhǔn)備

3.2.2.1 噴砂除銹

噴砂除銹是利用被壓縮的空氣將砂(丸)吹到鋼橋面板表面，從而達(dá)到除銹的目的。在噴砂除銹后，鋼橋面板表面清潔度必須達(dá)到Sa2.5級的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，鋼板粗糙度應(yīng)達(dá)到50 μm～100 μm。同時(shí)，噴砂除銹時(shí)的工作溫度應(yīng)高于空氣溫度3℃，空氣的相對濕度應(yīng)小于80%。嚴(yán)禁在下雨或下雪天氣進(jìn)行除銹作業(yè)。

3.2.2.2 防腐處理

為防止鋼橋面板再次被污染，噴砂除銹4h內(nèi)應(yīng)完成防腐處理工作。該工程鋼橋面板防腐處理采用環(huán)氧富鋅漆，漆膜設(shè)計(jì)厚度為60 μm～80 μm (干膜)。漆層噴涂結(jié)束后需要在常溫下養(yǎng)護(hù)6～7 d方可進(jìn)行下一步施工。

3.2.3 防水粘結(jié)材料施工

3.2.3.1 清潔已涂裝過的橋面

為保證防水粘結(jié)層和鋼橋面板之間的有效結(jié)合，鋼橋面板必須保持清潔干燥。因此，在防水粘結(jié)層施工前應(yīng)作如下清理工作:(1)用掃帚清掃橋面垃圾;(2)用水清洗橋面灰塵;(3)用吹風(fēng)機(jī)吹干橋面。

3.2.3.2 非噴灑區(qū)的覆蓋

由于機(jī)械噴灑難以精確控制工作范圍，所以容易噴灑到的非噴灑區(qū)應(yīng)事先進(jìn)行覆蓋。厚塑料膜可作為臨時(shí)覆蓋材料，噴灑完成后應(yīng)對該材料進(jìn)行處理。

3.2.3.3 粘結(jié)料準(zhǔn)備和噴灑前的檢查

噴灑前應(yīng)派專人攜帶吹風(fēng)機(jī)將橋面可能存在的灰塵、顆粒物吹出橋面，以保證橋面板表面清潔、干燥。在拌合場內(nèi)分別將已預(yù)熱的兩組分環(huán)氧瀝青由場內(nèi)的貯油罐沖入灑布機(jī)的相應(yīng)儲罐內(nèi)，并加熱到相應(yīng)規(guī)定的溫度。

3.2.3.4 噴灑量控制

在機(jī)械實(shí)施噴灑的過程中，為精確控制環(huán)氧瀝青噴灑量，應(yīng)派專人根據(jù)灑布車上設(shè)定的單位時(shí)間的噴灑流量計(jì)算出噴灑車的行車速度，并及時(shí)監(jiān)督和修正。噴灑量檢測應(yīng)首先在橋的兩側(cè)各做一次，記錄噴灑前和噴灑后的環(huán)氧瀝青量，計(jì)算汽車行駛速度的準(zhǔn)確性。同時(shí)，在噴灑過程中也應(yīng)每100 m進(jìn)行一次噴灑量的檢測。

3.2.3.5 噴灑

環(huán)氧瀝青粘結(jié)層噴灑時(shí)應(yīng)選用專用的灑布機(jī)，灑布機(jī)遺漏的區(qū)域應(yīng)及時(shí)采用人工補(bǔ)灑。對與部分區(qū)域噴灑過量的情況，應(yīng)用木鏟將多余的部分鏟除，并用毛刷刷平。在防水粘結(jié)層噴灑過程中，應(yīng)保證噴灑均勻、連續(xù)，嚴(yán)格控制其用量，防水粘結(jié)層的灑布寬度不大于面層攤鋪厚度80 cm以上。

3.2.3.6 養(yǎng)護(hù)

環(huán)氧瀝青防水粘結(jié)層施工期間應(yīng)嚴(yán)格控制交通，在鋪裝層鋪筑之前，任何車輛和人不得進(jìn)入施工區(qū)域。在施工防水粘結(jié)層后若遇雨，應(yīng)及時(shí)對防水粘結(jié)層表面進(jìn)行吹風(fēng)干燥，以免水汽滯留在環(huán)氧瀝青中影響其質(zhì)量。

昌吉東路大橋于2010年4月建成通車，目前橋面鋪裝使用狀況良好(見圖5)。

圖5 昌吉東路大橋鋼橋面鋪裝現(xiàn)狀實(shí)景

4 小結(jié)

本文通過調(diào)研國內(nèi)鋼橋橋面鋪裝病害，分析病害起因，得出防水粘結(jié)層材料強(qiáng)度和施工工藝是影響防水粘結(jié)層長期耐久性的關(guān)鍵因素。

通過對比國內(nèi)常用的幾種防水粘結(jié)材料的路用性能得出環(huán)氧瀝青粘結(jié)強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度均高于其他材料，并在上海昌吉東路大橋上得到成功應(yīng)用。

［1］ 朱成.日本環(huán)氧瀝青混凝土在虎門大橋鋼橋面鋪裝維修中的應(yīng)用［J］.華東公路，2012，(6):35～36.

［2］ 吳勝東.潤揚(yáng)長江公路大橋建設(shè)(第5冊鋼橋面鋪裝)［M］.北京:人民交通出版社，2006.

［3］ 黃海濤.鋼橋面鋪裝層使用性能評價(jià)及養(yǎng)護(hù)決策研究 ［D］. 南京:東南大學(xué)，2008.

［4］ 楊威. 高粘度改性瀝青橋面鋪裝防水粘結(jié)層研究［D］.南京:東南大學(xué)，2010.

［5］ 張磊.江陰大橋鋼橋面鋪裝病害研究［D］. 南京:東南大學(xué)，2004.

［6］ 龔謙.環(huán)氧樹脂在鋼橋橋面鋪裝中的應(yīng)用研究［D］.長沙:長沙理工大學(xué)，2006.

U445.7+1

B

1009-7716(2015)04-0180-004

2015-01-13

李珩(1972-)，男，上海人，工程師，從事市政道路橋梁建設(shè)項(xiàng)目管理工作。