彭政瑋， 馬杰靈， 湛文濤， 羅杰， 郭彬

(1.桂林電子科技大學(xué) 建筑與交通工程學(xué)院， 廣西 桂林 541004；2.湖北交投智能檢測股份有限公司， 湖北 武漢 430030)

中國鋼橋面鋪裝主要使用環(huán)氧、澆注、改性SMA 3種瀝青砼材料，由于各類材料在力學(xué)特征與材料屬性等方面差異較大，合理的材料選擇和組合方式對鋼橋面鋪裝體系的性能發(fā)揮至關(guān)重要。長江大橋作為連接南北交通的通道發(fā)揮著重要作用，但受長江流域氣候條件、交通條件等因素影響，長江大橋鋼橋面鋪裝層在使用中出現(xiàn)一些問題，其中病害問題尤為嚴(yán)重。該文對湖北省內(nèi)6座長江大橋鋼橋面鋪裝層病害進(jìn)行調(diào)研，結(jié)合各座大橋鋪裝層的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、氣候條件、交通狀況等因素，分析其病害類型和形成原因，進(jìn)而提出改善處治建議。

1 典型長江大橋影響因素分析

1.1 橋梁概況

長江是湖北省最主要的河流，近年來湖北省內(nèi)已建成的長江大橋多達(dá)33座，還有6座正在修建，其中6座典型長江大橋的主要參數(shù)見表1。

從表1可以看出：6 座長江大橋的通車年份為2000—2010年，主跨跨度為460～1 280 m；斜拉橋5座，懸索橋1座；白沙洲大橋、軍山長江大橋采用SMA鋪裝結(jié)構(gòu)，其他4座大橋采用EA鋪裝。

表1 6座橋梁概況

橋梁條件中對病害影響最大的因素是鋪裝情況，合理的鋪裝材料選擇對鋼橋面鋪裝體系的性能發(fā)揮至關(guān)重要。雙層SMA鋪裝結(jié)構(gòu)具有良好的抗滑、高溫抗車轍性能，施工中不需要特殊的設(shè)備，成本也不高，2000年前后在長江大橋中使用較普遍。雙層EA鋪裝結(jié)構(gòu)具有良好的界面安全性、變形協(xié)調(diào)性及優(yōu)異的抗疲勞性能，2007年后在長江大橋中使用較多。

1.2 氣候條件

6座長江大橋所在地區(qū)均屬于亞熱帶季風(fēng)性氣候，夏季高溫、冬季稍涼濕潤。夏季持續(xù)時(shí)間約135 d，正午太陽直射溫度達(dá)38 ℃，氣溫普遍高于37 ℃，極端最高氣溫44.5 ℃。雨量充沛、降雨集中，多年平均降雨量達(dá)1 100 mm，在初夏梅雨季節(jié)雨量較集中，歷年最大降雨量達(dá)2 107.1 mm。

氣候條件中對橋面鋪裝影響最大的因素是氣溫，環(huán)境溫度惡劣對鋪裝材料的性能會產(chǎn)生一定影響。夏天橋面溫度過高，高溫持續(xù)時(shí)間長，在瀝青砼與鋼箱梁的吸熱、儲熱效應(yīng)下，橋面鋪裝溫度較高，對瀝青砼鋪裝結(jié)構(gòu)的損傷較大，橋面鋪裝層易發(fā)生熱穩(wěn)定性病害。由于湖北地區(qū)每年夏季降雨強(qiáng)度大，雨水一旦滲透到鋪裝層間，也會對鋪裝結(jié)構(gòu)的性能產(chǎn)生一定影響。

1.3 交通狀況

長江大橋交通流量大，車輛(尤其是大型貨車)超強(qiáng)度的碾軋，會使橋面鋼板產(chǎn)生裂縫。鑒于長江大橋重要的交通功能，大橋投入運(yùn)營后不允許道路長期受阻和中斷維修，養(yǎng)護(hù)、維修較困難。因此，在橋面鋪裝設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡可能選擇具有良好耐久性(使用壽命)和便于后期維修的鋪裝結(jié)構(gòu)，以減少橋面后期大面積修護(hù)。

2 病害狀況分析

2.1 病害類型

根據(jù)6座長江大橋鋼橋面鋪裝層病害調(diào)研結(jié)果，其主要病害類型有裂縫、鼓包、坑槽、車轍、滑移和熱穩(wěn)定性病害(見表2)。

表2 6座橋梁病害類型及維修狀況

由表2可知：裂縫、鼓包、坑槽、車轍病害在6座長江大橋中出現(xiàn)頻率最高，幾乎每座大橋都出現(xiàn)或大或小的坑槽、鼓包和裂縫病害；由于夏季橋面溫度過高且持續(xù)時(shí)間長，在高溫及車輛荷載作用下，橋面鋪裝層易發(fā)生熱穩(wěn)定性病害；滑移病害也是長江大橋較常見的病害類型，其中白沙洲大橋滑移病害較嚴(yán)重；在橋梁維修方面，大多采用EA鋪裝技術(shù)進(jìn)行修復(fù)，效果較好。

2.2 病害成因分析

2.2.1 白沙洲、軍山長江大橋的病害成因

白沙洲長江大橋和軍山長江大橋的鋪裝層采用雙層SMA結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)形式均為斜拉橋。針對這2座大橋橋面鋪裝出現(xiàn)的病害類型，從使用環(huán)境、溫度、交通荷載等方面進(jìn)行分析，病害成因主要為：

(1) 鋼橋面板剛性不足。白沙洲長江大橋和軍山長江大橋鋼板較薄，只有12 mm，橋面系剛度不足，在重交通作用下，橋面板易產(chǎn)生較大變形。這種大幅度的反復(fù)彎曲變形會使橋面鋪裝層瀝青砼的性能衰退，若變形超出瀝青砼的容許范圍，就會出現(xiàn)裂縫等病害。

(2) 環(huán)境溫度惡劣及鋪裝材料熱穩(wěn)性有限。武漢夏天氣溫普遍高于37 ℃，瀝青砼與鋼箱梁的吸熱、儲熱效應(yīng)使橋面鋪裝溫度較高，車輛荷載對瀝青砼鋪裝結(jié)構(gòu)的損傷較大。大橋鋪裝較早，對橋面鋪裝的溫度、荷載使用條件掌握不充分，瀝青鋪裝層高溫穩(wěn)定性有限，在高溫及車輛荷載作用下，橋面鋪裝易發(fā)生熱穩(wěn)定性病害。

(3) 鋪裝材料性能有限。初期對SMA結(jié)構(gòu)特性認(rèn)識不充分，對橋面鋪裝的溫度、荷載等條件掌握不足，造成早期橋面鋪裝材料性能有限，在使用溫度較高、車輛荷載不斷增加特別是重車超載增多時(shí)，橋面鋪裝易發(fā)生疲勞病害。后期采用環(huán)氧瀝青砼，受施工季節(jié)溫度、養(yǎng)護(hù)時(shí)間等影響，出現(xiàn)與其他環(huán)氧砼橋梁類似的病害(鼓包、坑槽等)。

(4) 翻修結(jié)構(gòu)體系不完善。軍山長江大橋翻修結(jié)構(gòu)在短期內(nèi)出現(xiàn)病害，甚至出現(xiàn)原鋪裝極少出現(xiàn)的問題，與結(jié)構(gòu)體系不完善有很大關(guān)系，具體表現(xiàn)為鋼板表面無防腐層、反應(yīng)性防水層與SMA之間無過渡黏層、SMA配合比設(shè)計(jì)與控制欠佳等。

(5) 交通量大，重載車輛多。白沙洲長江大橋日交通量大，且存在重載車，遠(yuǎn)超出橋面原設(shè)計(jì)交通量。超負(fù)荷的交通量加快了橋面鋪裝隨從鋼橋面板的變形幅度和次數(shù)，加速鋪裝層產(chǎn)生開裂破壞。

2.2.2 陽邏、天興洲長江大橋的病害成因

陽邏長江公路大橋和天興洲長江大橋采用雙層EA鋪裝結(jié)構(gòu)，病害類型及成因有較多相似之處，主要病害為鼓包及鼓包引起的塊裂等。2座大橋橋面鋪裝病害的成因主要為：

(1) 鋪裝材料施工要求苛刻。橋面鋪裝采用雙層EA結(jié)構(gòu)，該材料對溫度要求極高，施工要求也非常嚴(yán)格。原材料兩組份拌合時(shí)溫度控制不到位，會顯著影響原材料壓實(shí)及使用性能；橋面板處理時(shí)水分未處理干凈，會使混合料日后發(fā)生鼓包破壞，在環(huán)境溫度和車輛荷載作用下演變?yōu)閴K裂、裂縫。

(2) 養(yǎng)護(hù)管理不及時(shí)。橋面發(fā)生鼓包時(shí)未及時(shí)予以處理，病害演變?yōu)槠扑楹?，隨著橋梁的使用及雨水的下滲，病害加重，隨即引發(fā)其他病害。

(3) 維修養(yǎng)護(hù)困難。環(huán)氧瀝青砼發(fā)生破壞后維修處理相當(dāng)困難，難以從根本上處理病害，遏制病害的進(jìn)一步發(fā)生，病害得以繼續(xù)延伸、發(fā)展。

(4) 環(huán)境溫度惡劣。夏季持續(xù)高溫，橋面環(huán)境溫度過高，如果瀝青鋪裝層沒有很好的高溫穩(wěn)定性，在重載車輛作用下，橋面鋪裝將很快被破壞。

2.2.3 鄂東、荊岳長江大橋的病害成因

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研結(jié)果，鄂東長江公路大橋和荊岳長江大橋的鋼橋面鋪裝整體使用情況較好，表面只出現(xiàn)零星坑槽修補(bǔ)痕跡及鼓包病害。原因如下：

(1) 交通量。鄂東長江公路大橋和荊岳長江大橋初期交通量還未達(dá)到飽和狀態(tài)，交通量較小，車輛荷載對鋼橋面鋪裝的作用次數(shù)較少，疲勞開裂等病害較少。雖然2017年軍山長江大橋限制貨車通行后荊岳長江大橋交通量基本處于飽和狀態(tài)，但對橋面鋪裝的考驗(yàn)時(shí)間還不長。大橋管理養(yǎng)護(hù)單位計(jì)劃采用ERE鋪裝體系進(jìn)行試驗(yàn)性鋪裝，為后期大修提供預(yù)案。

(2) 支承結(jié)構(gòu)條件。鄂東長江公路大橋鋼箱梁橋面板厚度為16 mm，最厚處達(dá)25 mm；荊岳長江大橋鋼箱梁橋面板厚度為16 mm，鋼-混結(jié)合段厚度為20 mm。橋面板厚度比早期建設(shè)的橋梁厚度大，提升了支承結(jié)構(gòu)的整體剛度，減弱了橋面鋪裝內(nèi)部出現(xiàn)的應(yīng)力等。

3 處治建議

3.1 熱穩(wěn)定性病害的處治

對于由高溫導(dǎo)致的大部分輕微不能愈合的路面裂縫，可采用以下方式進(jìn)行處治：

(1) 及時(shí)清理存在裂縫的路段，在表面噴灑少量乳化瀝青，再均勻涂撒干燥、潔凈的粗砂和石屑，并用輕型壓路機(jī)進(jìn)行碾壓，即對裂縫涂刷稠度相對較低的瀝青。

(2) 對不同寬度的裂縫進(jìn)行分類處理。對寬度5 mm以內(nèi)的裂縫，先擠入稠度較低的熱瀝青，再填入干凈的粗砂和石屑，將其搗實(shí)，最后清除外溢的石屑、粗砂及瀝青。對于寬度大于5 mm的裂縫，先清除松動的裂縫邊緣，再填入乳化瀝青混合料。對于面積較大的裂縫，利用乳化瀝青進(jìn)行稀漿封層，鋪設(shè)土工合成材料，再用瀝青混合料進(jìn)行封層，對瀝青面層和瀝青基層進(jìn)行處治。

3.2 裂縫、鼓包、坑槽等病害的處治

(1) 對裂縫利用超高性能砼(UHPC)進(jìn)行修復(fù)。將UHPC與鋼橋面連接，相當(dāng)于加厚了鋼橋面板厚度，橋面板的疲勞應(yīng)力幅遠(yuǎn)低于開裂應(yīng)力幅，通過UHPC、剪力釘和鋼橋面的結(jié)合，使橋面剛度得到提高。UHPC的結(jié)構(gòu)層和鋪裝層之間可采用新型環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠進(jìn)行黏結(jié)，以提供足夠的黏結(jié)力，避免持續(xù)高溫作用下功能層發(fā)生滑移。UHPC層可將橋面板所受應(yīng)力最高降低86.4%，從而降低鋼橋面板開裂概率。

(2) 對于采用環(huán)氧樹脂瀝青材料進(jìn)行鋪裝的橋梁，選用高滲透性環(huán)氧樹脂材料對裂縫進(jìn)行處理，有直接灌縫和擴(kuò)槽灌縫2種方式。2017年，初次對荊岳長江大橋采用日本EA鋪裝技術(shù)進(jìn)行修復(fù)，該材料具有良好的熱固性，在高溫和重載條件下仍能保持較好的路用性能，有效避免車轍、滑移等病害。

(3) 坑槽病害的處治方案需滿足修復(fù)后使用壽命長、保護(hù)鋼橋面且不影響交通的要求。結(jié)合以往的處治方案和坑槽產(chǎn)生原因，選用環(huán)氧瀝青砂漿進(jìn)行處治。相對于傳統(tǒng)熱修復(fù)技術(shù)，冷拌環(huán)氧瀝青砂漿的路用性能更優(yōu)異，使用壽命也較好，常用于大跨徑鋼橋面鋪裝。冷拌環(huán)氧瀝青砂漿的強(qiáng)度形成快，病害修復(fù)完成4 h后即可恢復(fù)交通。

3.3 鋪裝層滑移病害的處治

鋪裝層產(chǎn)生滑移的主要原因是鋪裝層與鋼橋面之間的抗剪能力較低，不足以在車輛制動時(shí)提供足夠的抗剪能力；在持續(xù)高溫作用下，黏結(jié)層的黏結(jié)性能降低。因此，處治方案著重增加鋪裝層和鋼橋面之間的抗剪能力，并提高黏結(jié)層的黏結(jié)力。選用新型環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠作為黏結(jié)材料，其具有良好的黏結(jié)性能和防水性能，抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和拉伸剪切強(qiáng)度均優(yōu)于工程結(jié)構(gòu)加固材料中的Ⅰ類A級結(jié)構(gòu)膠，在70 ℃以下仍能保持黏結(jié)強(qiáng)度>5.0 MPa，且在低溫條件下不發(fā)生脆性開裂。使用1.5 mm厚新型環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠對鋼板表面進(jìn)行處理，使用3 mm新型環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠作為黏結(jié)劑，在新型環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠表面均勻鋪撒高強(qiáng)度碎石，使鋪裝層與鋼橋面之間形成抗剪能力強(qiáng)、防水和黏結(jié)性能好的黏結(jié)層。

4 結(jié)論

(1) 長江大橋夏季持續(xù)高溫時(shí)間長、橋面溫度過高，在高溫及車輛荷載作用下，橋面鋪裝層易發(fā)生熱穩(wěn)定性病害。

(2) 鋼橋面板處理時(shí)必須把水分處理干凈，否則日后易發(fā)生鼓包病害，同時(shí)在環(huán)境溫度和車輛荷載作用下易演變?yōu)閴K裂、裂縫病害。

(3) 對于鋼橋面較薄的長江大橋，可選擇采用UHPC提高橋面剛度，避免鋼橋面板開裂問題，修復(fù)效果較好。

(4) 環(huán)氧瀝青砼對溫度的要求極高，對施工的要求也非常嚴(yán)格，施工中必須對溫度進(jìn)行嚴(yán)格控制，否則會顯著影響原材料壓實(shí)及使用性能，進(jìn)而發(fā)生熱穩(wěn)定性病害和鼓包、開裂等病害。