彭祝濤，王 滔，王 杰，尚 飛

(1.重慶市智翔鋪道技術(shù)工程有限公司，重慶 400060； 2.招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司，重慶 400067)

大跨徑橋梁大多采用鋼箱梁結(jié)構(gòu)，而正交異性鋼橋面板是其重要組成部分，因自重輕，經(jīng)濟效益良好以及跨越能力超強等特點，得到了廣泛的應(yīng)用。但正交異性面板具有結(jié)構(gòu)剛度不均勻，加勁肋頂部存在負彎矩，以及柔性支撐等問題，導(dǎo)致已建成的大跨徑鋼橋的橋面鋪裝在服務(wù)期限內(nèi)或多或少出現(xiàn)各類鋪裝病害[1-2]。

目前常見的鋼橋面鋪裝典型結(jié)構(gòu)有雙層SMA、澆注式GA+SMA及雙層環(huán)氧瀝青混凝土3種結(jié)構(gòu)，雙層環(huán)氧瀝青混凝土以其高強度、高剛度、優(yōu)良的耐疲勞性能以及良好的粘結(jié)性能等在大量的實體工程中得以應(yīng)用[3]。由于環(huán)氧瀝青混合料材質(zhì)的特殊性，普通的瀝青類材料無法與其有效結(jié)合，維修時往往采用與之性能相近的樹脂類材料[4]。

國外對鋼橋面環(huán)氧鋪裝維修方面的研究報道甚少，國內(nèi)針對環(huán)氧瀝青鋪裝的修復(fù)材料主要有冷拌環(huán)氧瀝青砂漿、冷拌環(huán)氧樹脂混凝土、ERE樹脂瀝青及EC0改性聚氨酯混凝土等。如賀曉川[5]采用了RA05的級配生產(chǎn)出冷拌環(huán)氧瀝青砂漿，并將該材料用于白沙洲大橋坑槽修補，并形成了養(yǎng)護成果；徐磊[6]開發(fā)了名為修補I型的環(huán)氧樹脂混凝土，并對該材料的環(huán)氧膠黏劑自身性能、樹脂混凝土級配、疲勞性能及施工工藝進行了研究，并用于佛山平勝大橋的橋面養(yǎng)護維修工程中，取得了較好的維修效果。國內(nèi)某公司采用ERE樹脂瀝青體系(EBCL+RA13+EBCL)對鄂東長江大橋進行了約141 m2的坑槽修補及205 m2的試驗段病害修補。以上案例均為環(huán)氧瀝青鋪裝結(jié)構(gòu)病害的修復(fù)提供了解決方案，并驗證了樹脂類材料在修復(fù)鋼橋面環(huán)氧瀝青鋪裝的可行性。

澆注式瀝青混合料由于其材料的自流平特性，在坑槽修復(fù)中避免了機械碾壓，人工簡單整平即可[7-9]，在快速養(yǎng)護方面具備明顯優(yōu)勢，但無法與舊環(huán)氧鋪裝有效結(jié)合，并在材料冷卻后不可避免地留下施工接縫?；谝陨锨闆r，結(jié)合環(huán)氧瀝青鋪裝結(jié)構(gòu)對修復(fù)材料的需求，利用澆注式瀝青在病害修復(fù)中的優(yōu)勢，項目組開發(fā)了冷拌澆注式混合料(EGA)，并自制了具備知識產(chǎn)權(quán)的環(huán)氧膠結(jié)料。該材料兼?zhèn)錆沧⑹綖r青混合料自流平特性和冷拌環(huán)氧材料在環(huán)氧鋪裝修補上的優(yōu)點，修補后材料和原環(huán)氧瀝青鋪裝之間無施工裂縫且形成一個整體板塊，在鋼橋面環(huán)氧鋪裝的養(yǎng)護工程中具備快速修補、施工便捷及節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢。同時項目組對環(huán)氧膠結(jié)料自身性能、混合料的路面性能及施工可行性等進行了研究。

1 環(huán)氧膠結(jié)料

冷拌澆注式環(huán)氧膠結(jié)料為熱固性材料，為環(huán)氧樹脂和固化劑按照特定比例混合均勻制得。冷拌澆注式混合料(EGA)微觀上為環(huán)氧樹脂形成的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其中環(huán)氧膠結(jié)料為環(huán)氧混合料的強度主體[10-11]。為研究冷拌澆注式環(huán)氧膠結(jié)料的材料性能，分別對材料的粘結(jié)強度、延展性、抗紫外老化性、耐酸性等方面進行了試驗研究。

1.1 粘結(jié)性能與抗剪性能

良好的粘結(jié)性能和抗剪性能，可使橋面鋼板和環(huán)氧混合料這2種不同性質(zhì)的材料能較好地粘結(jié)成一個整體，以保證在車輛荷載的水平作用下不至于層間推移，防止在鋪裝層間產(chǎn)生脫層、推移等病害。

環(huán)氧膠結(jié)料在不同的養(yǎng)護溫度下，其強度呈現(xiàn)較大差異。為了模擬鋼橋面鋪裝在不同溫度下的粘結(jié)和抗剪情況，選取了25 ℃、40 ℃和60 ℃三個溫度進行試驗，結(jié)果見表1。

表1 粘結(jié)與抗剪強度試驗結(jié)果

由表1可知，在25 ℃時，環(huán)氧粘結(jié)劑的粘結(jié)性能、抗剪性能超過5 MPa；隨著溫度增加，粘結(jié)、抗剪強度隨之降低，但在60 ℃等極端高溫情況下，粘結(jié)強度和抗剪強度分別能達到2.27 MPa和1.62 MPa，說明該環(huán)氧粘結(jié)劑即使在高溫不利情況下仍有較強的抵抗能力。

1.2 延展性

試驗設(shè)備采用電子萬能試驗機，參照《硫化橡膠或熱塑性橡膠-拉伸應(yīng)力應(yīng)變性能的測定》試驗規(guī)程，進行環(huán)氧膠結(jié)料的延展試驗。

本次試樣共3組，選用啞鈴狀試樣。試驗前，將試樣置于60 ℃恒溫環(huán)境中養(yǎng)護24 h，確保環(huán)氧膠結(jié)料交聯(lián)反應(yīng)充分完成。試驗時，試樣溫度保持在室溫(25 ℃)環(huán)境下進行試驗數(shù)據(jù)采集，結(jié)果見表2。

表2 延展試驗測試結(jié)果

由表2可知，在室溫(25 ℃)環(huán)境下，環(huán)氧膠結(jié)料的拉伸強度平均值約為4 MPa，遠超試驗技術(shù)指標要求。同時，斷裂伸長率基本保持在60%左右，高于技術(shù)指標20%。說明環(huán)氧膠結(jié)料的延展性能良好，均可滿足技術(shù)指標要求。

1.3 抗紫外老化試驗

在自然環(huán)境下，紫外老化的周期較長，一般需要2～3年才會呈現(xiàn)出老化現(xiàn)象。為了在短時間內(nèi)證明材料的抗紫外老化性能，試驗采用了氙燈耐氣候試驗箱來模擬環(huán)氧膠結(jié)料在室外環(huán)境下受紫外影響的老化情況。

測試經(jīng)紫外老化試驗試件與未經(jīng)過老化試件的延展性能并進行對比分析，用以評價自制環(huán)氧膠結(jié)料的抗紫外老化性能，試驗結(jié)果見表3。試件在模擬試驗箱內(nèi)經(jīng)7 h的紫外照射后，發(fā)現(xiàn)拉伸試件未有明顯的發(fā)黃、粉化現(xiàn)象。

表3 紫外老化測試結(jié)果

由表3可見，經(jīng)紫外老化試驗后，環(huán)氧膠結(jié)料的拉伸強度和斷裂伸長率分別下降了15%、20%，其中拉伸強度仍符合技術(shù)指標要求，而斷裂伸長率略低于技術(shù)指標要求，但均能保持良好的狀況。

1.4 耐酸性

在使用過程中，鋼橋面鋪裝極易受到酸雨、殘留化學(xué)品、車輛油斑等外界腐蝕物的影響而出現(xiàn)老化。經(jīng)過10 d的環(huán)氧酸霧試驗，并對酸霧試驗老化后的試件進行性能測試，研究環(huán)氧膠結(jié)料的拉拔強度的變化情況來驗證環(huán)氧膠結(jié)料的耐酸腐蝕性能，試驗結(jié)果見表4。

表4 耐酸霧試驗后拉拔強度試驗結(jié)果

由表4可知，隨著酸霧試驗時間的延長，其拉拔強度有一定的衰減。以最長10 d的酸霧時間結(jié)果來看，與未經(jīng)酸霧老化的拉拔強度相比，衰減了僅約13%，影響較小，說明環(huán)氧膠結(jié)料有較強的耐酸腐蝕的性能。

1.5 膠凝時間

環(huán)氧膠結(jié)料在拌和及養(yǎng)生過程中，在固化劑的官能團作用下，環(huán)氧樹脂發(fā)生了開環(huán)反應(yīng)，并逐漸形成空間網(wǎng)絡(luò)體系。經(jīng)過環(huán)氧聚合交聯(lián)反應(yīng)，逐漸聚合成不均勻的微凝膠體，隨著環(huán)氧固化的進行，這種膠體不斷增長，直至聚合成大的凝膠體，最終形成網(wǎng)狀立體聚合物[12]。這種行為在宏觀上，則表現(xiàn)為粘度的不斷增大至膠結(jié)料的凝固、硬化并形成強度的過程。

室溫(25 ℃)環(huán)境下，在不同時間節(jié)點下，環(huán)氧膠結(jié)料在宏觀表現(xiàn)的流動性能及聚合情況觀測結(jié)果見表5。

表5 流動性能及聚合情況

由表5可知，混合均勻后的環(huán)氧膠結(jié)料在常溫(25 ℃)情況下，在第3小時出現(xiàn)拉絲現(xiàn)象，說明該時間段已開始形成微凝膠體，隨著膠體的不斷增長，在第4小時開始初凝現(xiàn)象，該階段持續(xù)約1 h后，環(huán)氧膠結(jié)料發(fā)生完全固化。

2 冷拌澆注式混合料

2.1 級配設(shè)計

冷拌澆注式混合料(EGA)每檔礦料的通過率，參照JTG/T 3364-02—2019《公路鋼橋面鋪裝設(shè)計與施工規(guī)范》中澆注式瀝青混合料(GA10)級配范圍要求進行設(shè)計。冷拌澆注式混合料(EGA)中外加劑摻量為石料的0.5%，該部分計入礦粉的用量。環(huán)氧膠結(jié)料占總石料的比例，即膠石比為12%，設(shè)計級配范圍見表6。

表6 冷拌澆注式混合料(EGA)級配范圍

2.2 路用性能

對冷拌澆注式混合料(EGA)進行劉埃爾流動度、馬歇爾穩(wěn)定度、流值及低溫彎拉性能研究，并與澆注式瀝青混合料(GA)、環(huán)氧瀝青混合料(EA)的路用性能進行對比分析。

2.2.1 流動度

劉埃爾流動度指標主要用于評價澆注式瀝青混合料的施工和易性，在JTG/T 3364-02—2019《公路鋼橋面鋪裝設(shè)計與施工規(guī)范》中，對室內(nèi)目標配合比劉埃爾流動性作了規(guī)定，要求指標處于5 s～20 s之間，且為防止?jié)沧⑹綖r青混合料離析，要求下限值≥5 s。而澆注式瀝青混合料運至現(xiàn)場時，流動性只要滿足良好和易性即可進行施工，試驗設(shè)備見圖1。

(a) 料桶(b) 支架(c) 落錘

冷拌澆注式混合料(EGA)與澆注式瀝青混合料(GA)具備相同的流淌特性，則該試驗方法依舊適用于冷拌澆注式混合料(EGA)。

室溫(25 ℃)環(huán)境下，在混合料生產(chǎn)過程中，對冷拌澆注式混合料(EGA)進行劉埃爾流動度測試，結(jié)果見表7。

表7 冷拌澆注式混合料(EGA)流動度測試結(jié)果

由表7可知，冷拌澆注式混合料(EGA)在拌和后1 h以內(nèi)，能保持較好的流動度狀況。隨著時間增長，拌和1.5 h后，流動性出現(xiàn)急劇下降，施工和易性較差，但仍能進行施工。在拌和2 h后，混合料失去了流動性，此時已無法施工。

冷拌澆注式混合料(EGA)的現(xiàn)場施工工藝較為簡單，只需將礦料和膠結(jié)料按比例混合攪拌均勻，直接人工攤鋪，簡單整平即可。冷拌澆注式混合料(EGA)的容留時間在1.5 h以上，完全可滿足現(xiàn)場施工時間需求。

2.2.2 馬歇爾穩(wěn)定度

對馬歇爾試件在恒定的溫度及加載速率條件施加壓力，可測定試件的穩(wěn)定度和流值指標。雖然馬歇爾穩(wěn)定度并不能直接反映混合料的路用性能，但可間接反映混合料的強度、力學(xué)性能及承受荷載的能力[13]。

試驗選用了3種材料進行馬歇爾穩(wěn)定度試驗，分別為冷拌澆注式混合料(EGA)、日本熱拌環(huán)氧瀝青混合料(EA)和澆注式瀝青混合料(GA)，結(jié)果見表8。

表8 馬歇爾穩(wěn)定度試驗結(jié)果

由表8可知，冷拌澆注式混合料(EGA)的馬歇爾穩(wěn)定度試驗測試結(jié)果均符合技術(shù)指標要求，其中冷拌澆注式混合料(EGA)的馬歇爾穩(wěn)定度比環(huán)氧瀝青混凝土(EA)高約30%，說明冷拌澆注式混合料(EGA)的強度優(yōu)于環(huán)氧瀝青混凝土(EA)，但冷拌澆注式混合料(EGA)的流值比環(huán)氧瀝青混凝土(EA)高約60%，說明承受變形能力較環(huán)氧瀝青混凝土(EA)差。

2.2.3 低溫彎拉性能

低溫彎拉試驗是為了測試混合料的抗彎拉和抗變形能力，用于評價混合料的變形性能及彎拉模量等，可間接反映混合料抗疲勞特性及模量情況等[14]。

本次試驗采用小梁試件，試驗溫度為-10 ℃，試驗結(jié)果見表9。

表9 幾種混合料低溫小梁彎拉結(jié)果

由表9可知，3種材料均滿足設(shè)計規(guī)范中技術(shù)指標要求，冷拌澆注式混合料(EGA)與環(huán)氧瀝青混合料(EA)的低溫變形性能基本接近，但和澆注式瀝青混合料(GA)相比，低溫彎曲應(yīng)變、勁度模量、彎拉強度遠高于澆注式瀝青混合料(GA)，說明環(huán)氧類混合料(EGA、EA)具備更高的剛度，且低溫變形能力優(yōu)于澆注式瀝青混合料(GA)。

3 實體工程應(yīng)用

本文所研制的鋼橋面環(huán)氧瀝青鋪裝用冷拌澆注式混合料修復(fù)材料已成功應(yīng)用于寧波某斜拉橋。該斜拉橋位于繁忙的港口碼頭必經(jīng)咽喉要道，鋼橋面鋪裝層常年處于交通超載、重載等超負荷的不良狀況。目前，在日常養(yǎng)護工程中，冷拌澆注式混合料在該橋已大面積推廣使用，修補的橋面鋪裝運營情況良好，未發(fā)現(xiàn)二次破損、開裂情況，說明自制的冷拌澆注式混合料具有良好的力學(xué)性能和修補特性，能夠滿足實體工程的需要。具體實施效果見圖2。

(a) 剛修補后的冷拌澆注式混合料 (b) 修補半年后使用情況

4 結(jié)論

針對鋼橋面環(huán)氧鋪裝的養(yǎng)護需求，開發(fā)了冷拌澆注式混合料(EGA)修補材料，通過對該材料的環(huán)氧粘結(jié)料和混合料的力學(xué)性能、路用性能等進行試驗研究，得到以下結(jié)論：

1) 冷拌澆注式環(huán)氧膠結(jié)料具有優(yōu)異的力學(xué)性能，其粘結(jié)強度、抗剪強度、延展性能指標(斷裂伸長率、拉伸強度)均滿足技術(shù)指標要求。

2) 紫外老化和耐酸腐蝕后，環(huán)氧膠結(jié)料的力學(xué)性能均出現(xiàn)衰減，且衰減后的各項指標仍處于較好的狀態(tài)，說明環(huán)氧膠結(jié)料具有良好的抗紫外老化性能和耐酸腐蝕性能。

3) 冷拌澆注式混合料(EGA)的馬歇爾穩(wěn)定度和流值滿足技術(shù)指標要求，其馬歇爾穩(wěn)定度比環(huán)氧瀝青混凝土(EA)高約30%，說明強度優(yōu)于環(huán)氧瀝青混凝土(EA)，但承受變形能力較環(huán)氧瀝青混凝土(EA)差。

4) 冷拌澆注式混合料(EGA)與環(huán)氧瀝青混合料(EA)的低溫變形性能基本接近，但較澆注式瀝青混合料(GA)的低溫彎曲應(yīng)變低，而勁度模量高。

5) 相比于環(huán)氧瀝青混凝土，冷拌澆注式混合料價格上更具優(yōu)勢，未來有很大的應(yīng)用推廣前景。

6) 冷拌澆注式混合料具備良好的力學(xué)性能、施工和易性，能夠滿足實體工程的需要，目前已在實體養(yǎng)護工程中進行了大面積應(yīng)用，且應(yīng)用情況良好。