大跨径钢箱梁桥面的铺装结构及铺装方法 技术领域
本发明是一种大跨径钢箱梁桥面铺装结构，尤其是一种直接铺设在正交异性钢板上的桥面铺装结构，属于交通运输工程的技术领域。
背景技术
随着我国经济的快速增长，一批大跨径跨江跨海公路桥梁相继开工，并陆续建成通车，在我国桥梁建筑史上空前地出现了建设大跨径桥梁的高潮。其中，正交异性钢桥面板体系由于其轻量化及经济性而得到越来越多的应用。
国内外的研究表明，加劲的钢箱梁是有效的主梁结构形式之一，就其强度和重量而言，是一种较为理想的结构体系。钢箱梁抗扭刚度大，弯曲应力图合理，剪应力小，因而特别适用于大跨径桥梁、平面弯桥和窄墩柱桥。目前国内已建成的虎门大桥、海沧大桥、江阴大桥、宜昌长江大桥、南京长江二桥、军山大桥等都采用了钢箱梁正交异性面板形式、在建的润扬长江公路大桥、苏通大桥、杭州湾大桥都将采用钢箱梁正交异性面板形式。但是，正交异性钢桥面的铺装问题，不仅在国内没有解决，在国际上也一直是一个热点和难点。
桥面铺装直接铺设在正交异性钢板上，在行车荷载、风载、温度变化及地震等因素影响下，其受力和变形远较公路路面或机场道面复杂，因而对其强度、稳定性、疲劳耐久性等均有更高要求。同时，又由于铺装所处的特殊位置，在使用性能上又有重量轻、高粘结性、不透水性等特殊要求。桥面铺装是桥梁行车系的重要组成部分，它的好坏直接影响到行车的安全性、舒适性、桥梁耐久性及投资效益和社会效益。因此，桥面铺装是大跨径钢桥建设中的一项关键技术。
国外对大跨径钢桥面铺装技术的研究有近60年的历史，形成了目前钢桥面铺装中“四种铺装材料、三类铺装结构”地格局。四类铺装材料分别为浇注式沥青混合料、SMA、环氧沥青混凝土和改性密级配沥青混合料，其中浇注式沥青混合料以英国的胶浆沥青玛蹄脂(Mastic Asphalt)以及日本的浇注式沥青混合料(Guss Asphalt)为代表，而环氧沥青混凝土与SMA则分别以美国和中国应用最为广泛。三类铺装结构分别是同质单层、双层结构与异质双层结构，如双层环氧沥青混凝土、双层浇注式沥青混合料、双层SMA沥青混合料、下层浇注式沥青混合料加上层改性密级配沥青混合料、单层胶浆沥青玛蹄脂等几种形式。
通过对国内外大跨径钢箱梁桥的主梁构造、钢桥面铺装的设计使用条件及铺装结构的分析调查结果可知，无论桥型及主梁构造等存在多大差异，钢桥面铺装材料以双层铺装结构体系为主，双层铺装结构的优点是明确划分各层的功能，从而对各层材料分别设计，充分发挥材料潜力，较好地满足铺装工作要求。
目前我国已建成并投入使用的索结构大跨径正交异性钢箱梁桥有10多座，投入运营时间最长也只有5年，除少数几座桥梁桥面铺装的运营状况较为良好外，大部分桥梁桥面铺装在建成通车后不久即出现高温车辙、横向推挤、开裂等病害，部分桥梁的桥面铺装甚至已经面临第二次大修的局面，国内外大跨径钢桥面铺装的病害调查如下表所示。钢桥面铺装过早出现的高温车辙、横向推挤、开裂等病害不仅危及到高速行车的安全，影响了钢桥面板的使用寿命，同时也造成了一定的社会影响。黄卫教授带领的东南大学桥面铺装课题组对我国大跨径钢桥桥面铺装的早期破坏进行了研究，实地调查了江阴长江公路大桥、虎门大桥、厦门海沧大桥等钢桥面铺装的使用状况，并收集整理了大跨径钢桥的桥面铺装调查分析资料，分析认为，铺装设计研究过程中片面强调铺装材料某一方面的性能，粘结层的使用不当、超载与大交通、桥面钢板相对较薄等是造成我国大跨径钢箱梁桥桥面铺装早期破坏的主要原因，而钢桥面铺装不利的使用条件、铺装施工过程中的质量控制问题也是其重要因素。
国内外大跨径钢桥面铺装的病害调查 序 号 桥名铺装材料与结构 破坏形式 1 Auckland Harbor(新西兰)富锌漆+油溶沥青粘层+橡胶沥青面层(32mm) 脱层、纵向开裂 2 Poplar Street(美)富锌漆+煤沥青环氧树脂加石屑+橡胶乳化沥青粘层+橡胶改性沥青面层(64mm) 纵向开裂 3 Wye(英)富锌漆+Bostik1225粘层+3mm橡胶沥青+35mm Mastic Asphalt面层 纵向开裂 4 Firth of Forth(英) (2*521 Truss)富锌漆+Bostik1225粘层+3mm橡胶沥青+35mm Mastic Asphalt面层 纵向开裂 5 West gate(澳)富锌漆+环氧沥青粘层+环氧沥青面层(50mm) 脱层、开裂 6 Lion Gate(加)富锌漆+环氧沥青粘层+环氧沥青面层(35mm) 脱层 7 宜昌西陵大桥(中)无机富锌漆+防水粘结层+改性密级配沥青混凝土(65mm) 开裂、车辙、推 挤等 8 江阴大桥(中)环氧富锌漆+Bostic粘结层+橡胶沥青防水层+Mastic Asphalt表面压入碎石(50mm)纵、横向开裂、块裂、脱层、车辙、推挤等 9 虎门大桥(中)无机富锌漆+改性沥青粘结层+SMA13(65mm)纵、横向开裂、块裂、车辙、推挤、波浪等 10 厦门海沧大桥(中)无机富锌漆+改性沥青粘结层+30mmSMA10+35mmSMA13纵、横向开裂、脱层、推挤等 11 重庆鹅公岩大桥(中)无机富锌漆+改性沥青粘结层+30mmSMA10+35mmSMA13油斑、光面的轮迹带等 12 武汉白沙洲大桥(中)无机富锌漆+改性沥青粘结层+35mmSMA13+35mmSMA10泛油、松散等
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种大跨径钢箱梁桥面的铺装结构及铺装方法，该发明在沥青混合料的高温稳定性与低温抗裂性能、变形协调能力、抗疲劳特性及耐久性等方面取得合理平衡，铺装的钢箱梁桥面具有良好的高温稳定性与抗疲劳性能可以有效地解决桥面铺装的过快损坏问题。
技术方案：本发明在设计大跨径钢箱梁桥面铺装方法时，考虑的要点是：
(1)上层为磨耗层，直接与车轮接触，为满足行驶安全的需求，必须具有足够的摩擦力，并提供平整的路面，以满足行驶舒适性要求，同时具有足够的抗反弯曲的能力；
(2)下层为保护层，分散荷载，将钢桥面板不平整部分加以整平，并保护下层的防水膜，使其不受机械施工的伤害；同时使铺装与钢桥面板紧密连结一致，兼具防水作用；
(3)防水层及粘结层，防止水分侵入以保护钢桥面板，并与钢桥面板充分黏结，提供足够的附着力以抵抗温度变化、重车刹车所造成的剪力。
综合以上的要求、通过试验和计算，我们提出了“下层浇注式沥青混合料+上层环氧沥青混凝土”的铺装结构类型，这种铺装结构组合是国内外首创。
方案结构设计 项目 方案铺装总厚度 (cm) 4.5～7.5铺装上层厚度(cm) 2.5～4.0铺装下层厚度(cm) 2.0～3.5铺装上层材料 环氧沥青 混凝土铺装下层材料浇注式沥青混 凝土
大跨径钢箱梁桥面的铺装结构采用上层为环氧沥青混凝土，下层为浇注式沥青混凝土的铺装结构，即在钢箱梁桥面板的上面为防水层，防水层的上面为下粘结层，在下粘结层的上面为浇注式沥青混凝土，在浇注式沥青混凝土.的上面为上粘结层，在上粘结层的上面为环氧沥青混凝土。下粘结层、上粘结层采用环氧沥青粘结料，其厚度分别为60～80微米；该环氧沥青粘结料由环氧树脂与沥青两部分按质量比100∶300～100∶600混合而成。浇注式沥青混凝土由浇注式沥青混凝土用结合料和沥青混合料组成，浇注式沥青混凝土用结合料与沥青混合料按质量比30∶100～80∶100混合而成，其厚度为20～35毫米。环氧沥青混凝土由环氧沥青结合料和沥青混合料组成，环氧沥青结合料与沥青混合料按质量比5∶100～20∶100混合而成，其厚度为25～40毫米。
其铺装的步骤为：a、对清洁后的钢桥面板进行防腐涂装处理洒布防水层；b、洒布下粘结层；c、摊铺下层浇注式沥青混合料；d、洒布上粘结层；e、摊铺上层环氧沥青混凝土；f、对钢桥面铺装进行自然养护至环氧沥青固化度达到85％以上时即可。
对钢桥面板进行防腐涂装处理时，防水层用环氧富锌漆或快凝环氧树脂进行防腐处理。对钢桥面板洒布下粘结层时，环氧沥青粘结料的用量为0.2～0.7L/m2。对钢桥面板洒布上粘结层时，环氧沥青粘结料的用量为0.2～0.5L/m2。
有益效果：钢桥面的“浇注式沥青混合料+环氧沥青混凝土”铺装具有较高的密实度和较小的空隙率，在常温条件下较高的强度和较低的劲度模量，低温条件下较高的强度、较低的劲度模量和较小的温度收缩系数、良好的抗疲劳性能和良好的水稳定性，有很好的变形能力可以更好的满足高温稳定性、低温抗裂性、常温抗疲劳和各层粘接力的要求。通过大量材料选择、配比和各种性能指标的试验，实际工程的应用表明，该新型结构满足车辆荷载、工作温度和耐久性的要求。
铺装层采用何种结构组合、各结构层厚度多少较为合适，是研究的内容之一。研究中涉及的铺装材料和粘结材料均为三种，考虑沥青混合料中集料的最大粒径及施工过程中的最小厚度等多方面的技术要求，以及我国钢桥面铺装早期破坏中所反映的问题，优选五种方案进行试验，国内外均没有对其进行过相应的系统研究。
本发明提出的方案，下层20～35mm浇注式沥青混凝土，上层25～40mm环氧沥青混凝土是随着研究的深入而提出的一种新型方案，国内外目前尚无这种铺装方案的应用先例。该方案改善了桥面铺装层的高温稳定性与抗疲劳性能，并取得结构的低温抗裂性、变形追从性与使用耐久性等方面的综合平衡。该方案的整体模量较小，变形适应能力强，疲劳寿命也相当好，该组合方案在技术上也是可行的。在各项技术指标相差不大的前提下，具有更高的性价比，其综合性能最好。
附图说明
图1是本发明结构示意图，其中有钢箱梁桥面板1、防水层2、下粘结层3、浇注式沥青混凝土4、上粘结层5、环氧沥青混凝土6。
具体实施方式
环氧沥青结合料：
环氧沥青结合料由组分A(环氧树脂)与组分Bv(沥青)两部分组成。两组分的技术要求分别如下。
组分A的技术要求 技术指标 技术要求 试验方法粘度(25℃) /cP100～160 ASTM D 445环氧当量(含1克环氧的材料克数)185～192 ASTM D 1652颜色 /加德纳(Gardner)≤4 ASTM D 1544含水量 /％≤0.05 ASTM D 1744闪点 /℃≥200 ASTM D 92比重1.16～1.17 ASTM D 1475外观透明琥珀状 目视
组分Bv的技术要求 技术指标 技术要求 试验方法酸值(KOH每克) /mg 40～60 ASTM D 664闪点(克立夫兰敞口杯) /℃ ≥200 ASTM D 92含水量 /％ ≤0.05 ASTM D 95粘度(100℃，100转/分) /cP ≥140 ASTM D 2041比重(23℃时) 0.98～1.02 ASTM D 1475颜色 黑 目视
由组分A与组分Bv按质量比100∶585混合。配制而得到环氧沥青结合料。组分A在贮油罐内的预热温度为87±5℃，组分B为125±5℃。矿料的出料温度为115℃～121℃，混合料的出料温度为110℃～121℃。结合料需干拌、湿拌。在如表中所示的规定温度与时间下固化后的环氧沥青结合料的技术要求为：
环氧沥青结合料的技术要求 技术指标 技术要求 试验方法抗拉强度(23℃) /MPa ≥1.52 ASTM D 638断裂时的延伸率(23℃) /％ ≥200 ASTM D 638热固性(300℃) 不熔化浸耗率(23℃) /％ ≤35吸水率(7天，23℃) /％ ≤0.3 ASTM D 570在荷载作用下的热挠曲温度 /℃ -18～-25 ASTM D 648
浇注式沥青混凝土用结合料：
浇注式沥青混凝土用结合料的技术要求
环氧沥青粘结料：
铺装与钢板以及铺装之间采用环氧沥青粘结料粘结。环氧沥青粘结料由组分A(环氧树脂)与组分BId(沥青)两部分组成。两组分的技术要求分别如下表：
环氧沥青组分A的技术要求 技术指标 技术要求 试验方法粘度(23℃) /泊 100～160 ASTM D 445环氧当量(含1克环氧的材料克数) 185～192 ASTM D 1652颜色(25℃) /加德纳(Gardner) ≤4 ASTM D 1544含水量 /％ ≤0.05 ASTM D 1744闪点 /℃ ≥200 ASTM D 92比重 /- 1.16～1.17 ASTM D 1475外观 /- 透明琥珀状 目视
环氧沥青组分BId的技术要求 技术指标 技术要求 试验方法酸值(KOH每克) /mg 60～80 ASTM D 664闪点(克立夫兰敞口杯) /℃ ≥250 ASTM D 92含水量 /％ ≤0.05 ASTM D 95比重(23℃时) /- 0.98～1.02 ASTM D 1475颜色 /- 黑 目视
环氧沥青粘结料由组分A与组分BId按质量比100∶300～100∶600混合配制而成。组分A的出料温度为87±3℃，组分B出料温度为150±3℃。在如下表所示的规定温度与时间下固化后的环氧沥青粘结料的技术要求见下表。
环氧沥青粘结料的技术要求 技术指标 技术要求 试验方法抗拉强度(25℃) /MPa≥6.0 ASTM D 638断裂时的延伸率(25℃) /％≥200 ASTM D 638热固性(300℃)不熔化吸水率(7天，23℃) /％≤0.3 ASTM D 570在荷载作用下的热挠曲温度 /℃-18～-15 ASTM D 648
沥青混合料：
尽可能使环氧沥青混凝土与浇注式沥青混合料的实际生产配合比各级筛孔的累计通过百分率接近以下表的级配范围中值。
设计方案矿料级配一览表铺装材料名 称 下列各级筛孔(方孔筛，mm)的累计通过百分率(％) 沥青用量 (％) 13.2 9.5 4.75 2.36 0.6 0.075 环氧沥青 混凝土 100 95-100 65-85 50-70 28-40 7-14 6.0～6.5 浇注 沥青混合料 100 85-100 56-68 46-57 31-46 18-27 6.8-8.3
浇注式沥青混凝土4由浇注式沥青混凝土用结合料和沥青混合料按质量比30∶100～80∶100混合而成，其厚度为20～35毫米。
环氧沥青混凝土6由环氧沥青结合料和沥青混合料按质量比5∶100～20∶100混合而成，其厚度为25～40毫米。
铺装结构采用上层为环氧沥青混凝土，下层为浇注式沥青混凝土的铺装结构，即在钢箱梁桥面板1的上面为防水层2及粘结层3，在粘结层3的上面为浇注式沥青混凝土4，在浇注式沥青混凝土4的上面为环氧沥青粘结层5，在环氧沥青粘结层5的上面为环氧沥青混凝土6。防水层2及粘结层3采用环氧沥青粘结料，其厚度为60～80微米。
铺装的步骤为：
1、清洁钢桥面板：
2、防腐涂装处理：用环氧富锌漆或快凝环氧树脂进行防腐处理。
3、洒布下粘结层：
只有当桥面板干燥、清洁、气温高于10℃，且确认当天施工期间不会出现雨、雾天气时，方可进行粘结料的喷洒。
(1)原地面及现场核实
(2)喷洒：
a.正常喷洒量为0.3～0.7L/m2。
b.喷洒时间粘结层须安排在铺装施工的前一天洒布，起始时间不宜早于上午10时半，结束时间宜控制在落日前。
c.其他要求
1)粘结料喷洒后必须在48h内进行铺装作业，如因故不能按时进行铺装施工，则需在铺装施工前重喷粘结料；
2)粘结料喷洒后如遭雨淋，必须立即用吹风机吹干，经太阳曝晒，确认绝干后，对粘结料进行检查，若有必要，可再适量喷洒一层粘结料，次日施工铺装层。
4、摊铺下层浇注式沥青混凝土：
(1)在生产与摊铺过程中应严格控制材料的温度及拌和碾压时间；
(2)材料铺装之前应确保粘结层表面无任何水份存在；
(3)材料摊铺时间应尽可能安排在11:00～15:00之间进行。
5、处理施工接缝：
尽量避免横向施工缝的设置，当因故无法避免时，横向施工缝必须设置在钢箱梁的横隔板中间附近，且相邻两幅及上、下层的横缝应错开1m左右。为此，在铺装施工前，应预先将钢箱梁横隔板位置标记在中央分隔带的中线上。
6、洒布上粘结层：
(1)洒布环氧沥青粘结层，环氧沥青粘结层的洒布量为0.2～0.5L/m2
(2)环氧沥青粘结层的洒布宽度应比沥青混合料的摊铺宽度多出10～20cm，其洒布长度应比沥青混合料的摊铺长度多出30～40cm；
(3)其余要求同洒布下粘结层。
7、摊铺上层的环氧沥青混凝土：
摊铺要求同摊铺下层的浇注式沥青混凝土。
8、养护：
对钢桥面铺装进行为期15天的自然养护，养护期间不得开放交通，养护期末采用冲击试验评定环氧沥青混合料的固化程度，当环氧沥青固化度达到85％以上时即可开放交通。
钢桥面的“浇注式沥青混合料+环氧沥青混凝土”铺装具有较高的密实度和较小的空隙率，在常温条件下较高的强度和较低的劲度模量，低温条件下较高的强度、较低的劲度模量和较小的温度收缩系数、良好的抗疲劳性能和良好的水稳定性，可以更好的满足高温稳定性、低温抗裂性、常温抗疲劳和各层粘接力的要求。通过大量材料选择、配比和各种性能指标的试验，满足车辆荷载、工作温度和耐久性的要求。