黃健華 萬(wàn)建軍 周橙琪

(1.江蘇省崇啟大橋管理處 南通 226255；2.江蘇中路工程技術(shù)研究院有限公司 南京 211806)

環(huán)氧瀝青鋪裝技術(shù)在20世紀(jì)50年代后期由殼牌石油公司開(kāi)發(fā)，最早應(yīng)用于機(jī)場(chǎng)跑道上作罩面，以提高跑道的抗沖擊性和耐久性。1967年，San Mateo-Hayward鋼桁架橋面鋪裝首次應(yīng)用了環(huán)氧瀝青混凝土技術(shù)，隨后在美國(guó)、加拿大、荷蘭、澳大利亞和中國(guó)等國(guó)家得到大范圍應(yīng)用[1-4]。國(guó)外由于使用條件，尤其是荷載條件相對(duì)較好，其鋪裝使用年限相對(duì)較長(zhǎng)。環(huán)氧瀝青在北美等地區(qū)及國(guó)家也能達(dá)到20年以上無(wú)大中修使用壽命。較之國(guó)外，國(guó)內(nèi)鋼橋面鋪裝由于高溫重載等惡劣的使用條件，使用壽命大幅衰減，過(guò)早出現(xiàn)疲勞損壞，有的甚至在通車(chē)幾個(gè)月后就開(kāi)始出現(xiàn)裂縫、坑槽、鼓包等結(jié)構(gòu)性病害，不得不提前進(jìn)行集中維修[5-6]。

目前國(guó)內(nèi)對(duì)鋼橋面鋪裝養(yǎng)護(hù)技術(shù)的系統(tǒng)研究和工程實(shí)踐還很有限，缺少科學(xué)的養(yǎng)護(hù)手段和養(yǎng)護(hù)材料[7]。尤其是橋梁多處于公路交通的要塞位置，交通量大、重載比例高，傳統(tǒng)瀝青路面養(yǎng)護(hù)材料技術(shù)具有明顯的局限性，采用瀝青類(lèi)灌縫材料、乳化瀝青冷補(bǔ)料等進(jìn)行病害修復(fù)，雖然方便、便宜，但使用壽命較短，起不到較好的養(yǎng)護(hù)效果，反而會(huì)對(duì)鋪裝整體耐久性產(chǎn)生不利影響，最終過(guò)早引起大中修，造成養(yǎng)護(hù)資金不當(dāng)消耗。采用進(jìn)口修補(bǔ)材料進(jìn)行修復(fù)，價(jià)格極為昂貴，效果也不是十分理想。

隨著國(guó)內(nèi)對(duì)鋼橋面鋪裝技術(shù)的不斷深入研究，開(kāi)發(fā)了一批具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的鋼橋面鋪裝冷拌樹(shù)脂養(yǎng)護(hù)材料，并形成了相應(yīng)的機(jī)械化施工工藝，包括小修保養(yǎng)、預(yù)防性養(yǎng)護(hù)，以及大中修等技術(shù)[8-10]。冷拌樹(shù)脂采用冷拌冷鋪工藝，施工方便，養(yǎng)生時(shí)間較短，在國(guó)內(nèi)一些大跨徑纜索承重橋梁鋼橋面鋪裝養(yǎng)護(hù)工程中已經(jīng)得到推廣應(yīng)用，比如，潤(rùn)揚(yáng)長(zhǎng)江大橋、南京長(zhǎng)江三橋、陽(yáng)邏長(zhǎng)江大橋、荊岳長(zhǎng)江大橋、崇啟長(zhǎng)江大橋、鄂東長(zhǎng)江大橋等。

本研究針對(duì)鋼橋面鋪裝養(yǎng)護(hù)中鋪裝層二次開(kāi)裂、養(yǎng)護(hù)時(shí)間較長(zhǎng)、施工縫開(kāi)裂滲水等諸多問(wèn)題，研發(fā)了一種高性能鋪裝修復(fù)材料，可實(shí)現(xiàn)鋼橋面鋪裝坑槽病害的高質(zhì)量快速修補(bǔ)。高韌樹(shù)脂混合料采用冷拌工藝，攤鋪當(dāng)日即可開(kāi)放交通，既能保證鋪裝層修補(bǔ)質(zhì)量，又可緩解交通封閉帶來(lái)的通行壓力。

1 高韌樹(shù)脂膠結(jié)料及其混合料組成設(shè)計(jì)

1.1 高韌樹(shù)脂材料性能

膠結(jié)料采用常溫拌合型高韌樹(shù)脂，高韌樹(shù)脂的相關(guān)性能如下。

1.1.1膠結(jié)料拉伸性能

參照GB/T 16777-2008《建筑防水涂料試驗(yàn)方法》中的拉伸試驗(yàn)對(duì)高韌樹(shù)脂膠結(jié)料的拉伸性能進(jìn)行研究[11]。將固化后的啞鈴形試件放置于23 ℃溫度下，恒溫不少于3 h后進(jìn)行試驗(yàn)，試件兩端夾在拉力試驗(yàn)機(jī)上，夾具以50 mm/min的速度勻速分離，直至試件斷裂，計(jì)算試件斷裂時(shí)的拉伸強(qiáng)度和斷裂延伸率，并與美國(guó)環(huán)氧瀝青和日本環(huán)氧瀝青進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 環(huán)氧膠結(jié)料拉伸試驗(yàn)結(jié)果

由表1可見(jiàn)，高韌樹(shù)脂膠結(jié)料23 ℃拉伸強(qiáng)度為3.7 MPa，斷裂延伸率接近400%，具備良好的變形能力。

1.1.2膠結(jié)料黏度-時(shí)間曲線

采用黏度-時(shí)間曲線定量評(píng)估高韌樹(shù)脂膠結(jié)料黏度隨固化時(shí)間的變化歷程，高韌樹(shù)脂的黏度-時(shí)間曲線見(jiàn)圖1。在高韌樹(shù)脂膠結(jié)料拌和后的100 min內(nèi)，其黏度隨固化時(shí)間的延長(zhǎng)而緩慢增加；當(dāng)固化時(shí)間超過(guò)100 min后，其黏度隨固化時(shí)間增大而迅速增大。

圖1 高韌樹(shù)脂黏度-時(shí)間曲線

1.2 混合料組成設(shè)計(jì)

1.2.1級(jí)配設(shè)計(jì)

集料采用玄武巖，填料采用石灰?guī)r礦粉，高韌樹(shù)脂混合料的礦料級(jí)配設(shè)計(jì)見(jiàn)表2，礦料級(jí)配曲線見(jiàn)圖2。

表2 級(jí)配要求及合成級(jí)配

圖2 合成級(jí)配曲線圖

1.2.2最佳油石比

根據(jù)擬定級(jí)配進(jìn)行了多種油石比下高韌樹(shù)脂混合料試件成型，并最終優(yōu)選了最佳油石比8.5%。相比環(huán)氧瀝青混合料通常采用的6.5%油石比，小修保養(yǎng)材料選定更高膠結(jié)料的用量，優(yōu)點(diǎn)如下。

1) 可以提高現(xiàn)場(chǎng)施工和易性，在不具備大型拌和、碾壓設(shè)備的條件下，提高混合料施工性能，尤其是可壓實(shí)性。

2) 采用更高的油石比，可以進(jìn)一步提升混合料的變形能力、降低孔隙率，進(jìn)而提升疲勞性能和防水性能，提高鋪裝層小修保養(yǎng)耐久性。

2 高韌樹(shù)脂混合料性能研究

2.1 施工和易性

為模擬施工現(xiàn)場(chǎng)高韌樹(shù)脂膠結(jié)料所拌制混合料的可施工時(shí)間，在實(shí)驗(yàn)室通過(guò)不同容留時(shí)間后馬歇爾試件的空隙率來(lái)評(píng)價(jià)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 高韌樹(shù)脂混合料可施工時(shí)間

由圖可3見(jiàn)，隨著容留時(shí)間的延長(zhǎng)，高韌樹(shù)脂開(kāi)始出現(xiàn)固化，空隙率呈現(xiàn)隨容留時(shí)間延長(zhǎng)而升高的趨勢(shì)。當(dāng)所拌制混合料的容留時(shí)間小于2.7 h時(shí)，其空隙率均小于3%，滿足設(shè)計(jì)要求。因此，高韌樹(shù)脂混合料的可施工時(shí)間應(yīng)控制在2.7 h內(nèi)。

2.2 強(qiáng)度特性

混合料空隙率參數(shù)控制在2%左右，具有良好的密水及防水性能。不同混合料的馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3，高韌樹(shù)脂混合料60 ℃馬歇爾穩(wěn)定度達(dá)到68 kN左右，空隙率1.60%，均滿足鋼橋面鋪裝使用要求，其強(qiáng)度與日本環(huán)氧瀝青強(qiáng)度相當(dāng)，高出美國(guó)環(huán)氧瀝青強(qiáng)度。

表3 混合料溫度測(cè)試

環(huán)氧瀝青混合料的強(qiáng)度增長(zhǎng)規(guī)律不同于普通瀝青混合料及其他改性瀝青混合料，其強(qiáng)度變化規(guī)律隨時(shí)間、溫度的變化而不斷改變。為模擬夏季高溫養(yǎng)生條件下環(huán)氧瀝青混合料的強(qiáng)度增長(zhǎng)規(guī)律，采用相同級(jí)配及各類(lèi)型環(huán)氧瀝青混合料相應(yīng)的最佳油石比，在相同容留時(shí)間下成型馬歇爾試件，并在60 ℃溫度下養(yǎng)生12，24，48，96 h后測(cè)試馬歇爾穩(wěn)定度和流值，研究各類(lèi)型環(huán)氧混合料強(qiáng)度的增長(zhǎng)規(guī)律，見(jiàn)圖4。

圖4 不同環(huán)氧類(lèi)混合料60 ℃養(yǎng)生下強(qiáng)度增長(zhǎng)規(guī)律

由圖4可見(jiàn)，高韌樹(shù)脂混合料前期強(qiáng)度大幅提升，后期趨于平緩，96 h最終強(qiáng)度達(dá)70.1 kN，明顯高于美國(guó)環(huán)氧瀝青混合料，接近日本環(huán)氧瀝青混合料。高韌樹(shù)脂采用的是多胺固化劑，在常溫下就能打開(kāi)環(huán)氧樹(shù)脂的環(huán)氧基，一段時(shí)間內(nèi)便可實(shí)現(xiàn)凝膠固化，在高溫養(yǎng)生24 h后，高韌樹(shù)脂混合料馬歇爾穩(wěn)定度已高達(dá)69.2 kN，分別是同養(yǎng)生期內(nèi)美國(guó)環(huán)氧瀝青混合料和日本環(huán)氧瀝青混合料強(qiáng)度的4.2倍和1.4倍，在具有快速開(kāi)放交通需求時(shí)優(yōu)勢(shì)明顯。

2.3 路用性能

2.3.1高溫穩(wěn)定性與低溫抗裂性

通過(guò)高溫車(chē)轍試驗(yàn)和低溫小梁彎曲試驗(yàn)分別對(duì)高韌樹(shù)脂混合料的高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性進(jìn)行研究，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 混合料高溫、低溫性能

由表4可見(jiàn)，高韌樹(shù)脂材料是熱固性材料，相比一般瀝青材料，對(duì)溫度不敏感，高溫條件下仍具有較高的高溫穩(wěn)定性，其70 ℃動(dòng)穩(wěn)定度大于10 000 次/mm。

為了提高修復(fù)鋪裝的疲勞性能，通過(guò)提高混合料變性能力來(lái)延長(zhǎng)疲勞壽命，開(kāi)發(fā)的高韌樹(shù)脂混合料低溫極限破壞應(yīng)變高達(dá)6 500×10-6以上，相比普通瀝青材料3 000×10-6(左右)高出1～2倍。

2.3.2水穩(wěn)定性

采用浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)對(duì)高韌樹(shù)脂混合料的水穩(wěn)定性進(jìn)行研究，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。由于空隙率較低，水很難滲入混合料內(nèi)部，高韌樹(shù)脂混合料表現(xiàn)出了良好的水穩(wěn)定性，其殘留馬歇爾穩(wěn)定度MS達(dá)到88.5%，凍融劈裂強(qiáng)度比TSR為91.9%。

表5 混合料水穩(wěn)定性 %

2.3.3疲勞性能

采用四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)對(duì)高韌樹(shù)脂混合料的疲勞耐久性進(jìn)行研究[12]，試驗(yàn)溫度為15 ℃，加載頻率為10 Hz，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 高韌樹(shù)脂混合料四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)結(jié)果

由表6可見(jiàn)，當(dāng)加載應(yīng)變水平為400×10-6時(shí)，常溫拌合型高韌樹(shù)脂混合料加載次數(shù)100萬(wàn)次，模量?jī)H下降至99%，小應(yīng)變下幾乎不發(fā)生疲勞破壞，累積耗散能826.193 MJ/m3；當(dāng)加載應(yīng)變水平為800×10-6時(shí)，常溫拌合型高韌樹(shù)脂混合料加載次數(shù)100萬(wàn)次，模量下降至83%，累積耗散能3 221.602 MJ/m3；當(dāng)加載應(yīng)變水平為1 200×10-6時(shí)，常溫拌合型高韌樹(shù)脂混合料模量下降至50%，加載次數(shù)481 730次，累積耗散能4 211.046 MJ/m3。

高韌樹(shù)脂混合料在不同加載應(yīng)變水平下的模量衰減曲線見(jiàn)圖5。

圖5 高韌樹(shù)脂混合料模量衰減曲線

由圖5可見(jiàn)，在小應(yīng)變水平下，隨著加載次數(shù)的增加，高韌樹(shù)脂混合料的模量幾乎無(wú)衰減，疲勞壽命區(qū)域無(wú)窮大。在800×10-6應(yīng)變水平下，高韌樹(shù)脂的模量曲線在下降一段后趨于平緩，在1 200×10-6應(yīng)變水平下，模量下降較為明顯，疲勞壽命也隨之降低。

2.4 復(fù)合結(jié)構(gòu)耐久性

采用三點(diǎn)加載復(fù)合梁疲勞試驗(yàn)對(duì)復(fù)合結(jié)構(gòu)試件的疲勞耐久性進(jìn)行研究，最大荷載取3.8 kN，試驗(yàn)的接觸壓力取為最大荷載的1/10。復(fù)合結(jié)構(gòu)成型步驟為：鋼板噴砂除銹→撒布RBChip環(huán)氧樹(shù)脂碎石防水黏結(jié)層→涂抹RM樹(shù)脂黏層→成型高韌樹(shù)脂混凝土鋪裝層(30 mm)。

疲勞試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7，動(dòng)荷載在3.8 kN條件下，復(fù)合件的動(dòng)撓度為0.2 mm左右，試驗(yàn)加載了1 200萬(wàn)次以上，試件未發(fā)生脫離和開(kāi)裂等形式的破壞，說(shuō)明RBChip環(huán)氧樹(shù)脂碎石防水黏結(jié)層+高韌樹(shù)脂混合料的鋪裝結(jié)構(gòu)有良好的抗疲勞開(kāi)裂性能，加載1 200萬(wàn)次不破壞。

表7 帶鋼板復(fù)合件疲勞試驗(yàn)結(jié)果

3 工程應(yīng)用

在崇啟大橋主橋鋼橋面環(huán)氧瀝青鋪裝坑槽病害的處治過(guò)程中，采用高韌樹(shù)脂混凝土鋪裝方案進(jìn)行了病害處治。通過(guò)后期的跟蹤觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，經(jīng)冷拌高韌樹(shù)脂混凝土修補(bǔ)后，各坑補(bǔ)位置鋪裝服役狀況良好。

4 結(jié)論

本文研發(fā)了一種高性能的鋼橋面鋪裝坑槽修復(fù)材料，并對(duì)其材料性能進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)研究，主要研究結(jié)論如下。

1) 通過(guò)拉伸試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，高韌樹(shù)脂膠結(jié)料23 ℃拉伸強(qiáng)度為3.7 MPa，斷裂延伸率接近400%，具備良好的變形能力；高韌樹(shù)脂膠結(jié)料拌和100 min后，其黏度隨固化時(shí)間增大而迅速增大。

2) 通過(guò)對(duì)高韌樹(shù)脂混合料強(qiáng)度特征的研究發(fā)現(xiàn)，高韌樹(shù)脂混合料前期強(qiáng)度增長(zhǎng)較快，在60 ℃養(yǎng)生24 h后，高韌樹(shù)脂混合料馬歇爾穩(wěn)定度已高達(dá)69.2 kN，分別是同養(yǎng)生期內(nèi)美國(guó)環(huán)氧瀝青混合料和日本環(huán)氧瀝青混合料強(qiáng)度的4.2倍和1.4倍，快速開(kāi)放交通優(yōu)勢(shì)明顯。

3) 通過(guò)高溫車(chē)轍試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，高韌樹(shù)脂混合料的70 ℃動(dòng)穩(wěn)定度大于10 000 次/mm，具備良好的高溫穩(wěn)定性；通過(guò)低溫小梁彎曲試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，高韌樹(shù)脂混合料的低溫極限破壞應(yīng)變高達(dá)6 500×10-6以上，相比普通瀝青材料(3 000×10-6)左右高出1～2倍；通過(guò)浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，高韌樹(shù)脂混合料的浸水殘留穩(wěn)定度和TSR值分別為88.5%和91.9%，表現(xiàn)出良好的水穩(wěn)定性；通過(guò)對(duì)高韌樹(shù)脂混合料在不同加載應(yīng)變水平下的疲勞壽命研究發(fā)現(xiàn)，400×10-6，800×10-6應(yīng)變水平條件下，疲勞加載次數(shù)均超過(guò)100萬(wàn)次；1 200×10-6應(yīng)變水平條件下，疲勞加載次數(shù)為481 730次。

4) RBChip環(huán)氧樹(shù)脂碎石防水黏結(jié)層+高韌樹(shù)脂混合料的鋪裝結(jié)構(gòu)有良好的抗疲勞開(kāi)裂性能，加載1 200萬(wàn)次不破壞。