沥青砼钢桥面及其铺装方法 技术领域 本发明涉及一种沥青砼钢桥面结构及其铺装方法。
背景技术 钢箱梁以其跨度大、重量轻、施工方便等独特优势得到广泛应用，与水泥混凝土桥面铺装相比，钢桥面铺装有一些特殊要求：铺装层与钢桥面之间具有较高的抗剪强度，要求铺装层有良好的柔性和追从变形能力，较高的抗车辙能力和良好的密水性能等，大多数钢桥面铺装完成通车后不久，便出现车辙、推移、开裂等病害，危及桥梁寿命，并严重损伤道路服务质量。因此，钢桥面铺装问题一直是困扰桥梁工作者的一个世界性的难题。为解决上述问题，现研究出浇筑式沥青混凝土、单层SMA、双层SMA、环氧沥青混凝土等铺装体系。采用浇筑式沥青混凝土铺装体系，在通车当年冬季就出现了裂缝，第二年就出现了车辙。SMA是一种典型的骨架型密实结构，具有良好的热稳性、密水性、抗裂性，适宜于刚结构，采用双SMA方案，解决了车辙等永久性变形问题，但是SMA结构与钢桥面的粘结始终难以得到理想的解决，粘结抗剪强度不高，形成结构层的薄弱地带，使得SMA结构性能难以充分发挥，大多数采用双层SMA结构的桥梁通车后不久就出现推移现象。环氧树脂沥青混凝土是通过在沥青中添加热固性环氧树脂和固化剂，经固化反应而形成的一种高强度、韧性好的沥青混凝土，具有良好的层间结合能力，良好的温度稳定性和抗疲劳性能，我国南京长江二桥应用了环氧沥青混凝土铺装体系，目前状态良好，但是该桥自通车以后一直限制超载车辆行驶，有效的限载措施起到了良好的保护作用，实际铺装效果还有待时间的考验。
桥面出现车辙、推移、开裂等病害，每年都要投入大量的经费进行养护，据调查一座900米长的桥梁每年养护经费达300～1200万，造成巨大的经济损失。因此，研究新的钢桥面铺装技术势在必行。
本申请人申请了《钢桥面粘接剂》(专利申请号200510018104.6)，粘接剂由甲组分与乙组分混合而成，甲组分由树脂、改性剂、复合防锈填料、活性稀释剂、稀料组成，树脂有低分子量环氧树脂，改性剂有液体丁腈橡胶，复合防锈填料有硅灰石粉，稀料有二甲苯-丁醇；乙组分由聚酰胺651、聚酰胺650、二甲苯-丁醇组成。粘结剂以环氧树脂为基料，添加各种改性剂，相比已有粘结剂，其常温粘接强度提高2.63-3.26倍，高温粘接强度提高1.43倍；开裂应变提高10％，低温不开裂，柔韧性好，抗裂能力强。
发明内容 本发明的目的是针对上述现状，旨在提供一种能提高路面的抗车辙、抗裂、抗滑和密水能力，有效解决钢桥面上易出现的沥青混凝土铺装推移、开裂、拥包等问题，使用寿命长地沥青混凝土钢桥面及其铺装方法。
本发明目的的实现方式为，沥青混凝土钢桥面，由自下而上的经喷砂除锈的钢桥面1、桥面粘接剂2、环氧砂浆和改性乳化沥青粘层3、细粒式沥青砼层4和SMA沥青混合料层5组成。
其中的环氧砂浆3由以下配比的原料制成：水泥∶砂∶水∶乳化环氧树脂＝1∶2∶0.4∶0.10-0.14；细粒式沥青砼沥青砼层4由以下级配比的原料制成：3～5mm集料∶0～3mm集料∶天然砂∶矿粉＝23∶57∶15∶5，油石比为：OAC＝8.8％；SMA沥青混合料层5由以下级配比的原料制成：9.5～13.2mm碎石∶4.75～9.5mm碎石∶2.36～4.75mm碎石∶2.36mm以下碎石∶矿粉＝42∶39∶0∶7∶12，沥青混合料掺有纤维，油石比5.0-7％，纤维掺量为2-4‰。
沥青混凝土钢桥面的铺装方法，按如下步骤进行：
A、对钢桥面1进行喷砂除锈处理，
B、在经喷砂除锈的钢桥面1上铺0.3～0.8mm厚的桥面粘接剂层2，
C、在桥面粘接剂2上铺10～30mm厚的环氧砂浆和改性乳化沥青粘层3，环氧砂浆3由以下配比的原料制成：水泥∶砂∶水∶乳化环氧树脂＝1∶2∶0.4∶0.12，
D、再铺15～30mm厚的细粒式沥青砼层4，细粒式沥青砼层4由以下级配比的原料制成：3～5mm集料∶0～3mm集料∶天然砂∶矿粉＝23∶57∶15∶5，油石比为：OAC＝8.8％，
E、最后铺30～50mm厚的SMA沥青混合料层5，SMA沥青混合料层5由以下级配比的原料制成：9.5～13.2mm碎石∶4.75～9.5mm碎石∶2.36～4.75mm碎石∶2.36mm以下碎石∶矿粉＝42∶39∶0∶7∶12，沥青混合料掺有纤维，油石比5.0-7％，纤维掺量为2-4‰。
本发明有以下特点：
1、着重解决了铺装层和钢桥面的粘结问题与密水问题以及铺装层的柔韧性和追从变形能力，同时提高了上面层的抗车辙能力，很好地解决了钢桥面铺装中经常出现的推移、开裂、拥包等病害；
2、在粘接剂中掺加了增韧剂，在环氧砂浆中添加了乳化剂来增强环氧树脂和砂浆的结合能力，开发了细粒式沥青砼和SMA混合料，使桥面的粘结力常温下达到了8.1MPa，70℃也达到了4.8MPa，远远高于钢桥面铺装所需要的粘结力，环氧砂浆和细粒式沥青砼混合料具有良好的柔韧性、密水性能和抗疲劳性能，其中砂浆的微应变达到了2500μm，达到了钢桥面铺装所需应变能力，SMA沥青混合料高温稳定性好，具有良好的抗车辙能力和抗水损害能力，延长了钢桥面的寿命；
3、施工工艺简单，仅仅需要增加一套环氧树脂的乳化升温设备，原料来源广，和普通钢桥面铺装相比，成本略有上升；
本发明已经在军山大桥和武汉绕城高速公路东西湖互通D匝道桥上使用，经过一年的运行检验，没有出现任何质量缺陷，说明本发明是成功的，可以大规模推广。
【附图说明】
图1为本发明结构示意图
图2为本发明铺装步骤图
具体实施方式 参照图1，本沥青混凝土钢桥面，由自下而上的经喷砂除锈的钢桥面1、桥面粘接剂2、环氧砂浆和改性乳化沥青粘层3、细粒式沥青砼层4和SMA沥青混合料层5组成。桥面粘接剂层2厚0.3～0.8mm，环氧砂浆和改性乳化沥青粘层3厚10～30mm，细粒式沥青砼层4厚15～30mm，SMA沥青混合料层5厚30～50mm。
本发明铺装步骤如图2所示。
本发明采用本申请人申请的《钢桥面粘接剂》(专利申请号200510018104.6)，由甲组分与乙组分混合而成，甲、乙组分的重量比为，甲组分∶乙组分＝(5-7)∶1，
甲组分由以下配比％的物料组成：
树脂 30-43％ 改性剂 5-10％
复合防锈填料 25-50％ 活性稀释剂 5-13％
稀料 5-12％
树脂有低分子量环氧树脂，改性剂有液体丁腈橡胶，复合防锈填料有硅灰石粉，稀料有二甲苯-丁醇，二甲苯与丁醇重量配比为3∶1，
乙组分由以下配比％的物料组成：
聚酰胺651 82-89％ 聚酰胺650 5-9％
二甲苯-丁醇 3-10％
该粘接剂较其它粘结剂，常温粘接强度提高2.63-3.26倍，高温粘接强度提高1.43倍；开裂应变提高10％，低温不开裂，柔韧性好，抗裂能力强。
本发明的环氧砂浆和改性乳化沥青粘层3分为两大部分，一是普通砂浆，二是乳化环氧树脂。在环氧砂浆研制过程中，首先按照普通砂浆的配比设计方法，设计普通砂浆的配比，普通砂浆的强度满足上述技术性能指标，但微应变不满足要求，然后调制乳化环氧树脂，在环氧树脂中掺加乳化剂聚乙烯醇，增韧剂二丁酯，改善了环氧树脂的亲水性能，使环氧树脂可以更均匀地分散到砂浆中去，提高了砂浆的柔韧性、抗裂性能及保水、流动性能；掺加固化剂乙二胺，经固化反应而形成的一种高强度、韧性好的环氧砂浆混合料，使乳化环氧树脂砂浆性能满足要求。
经过试验对比，选取了三种环氧砂浆的配比，具体配比如下：
表1 环氧砂浆配比 配比编号 水泥 砂 水 环氧乳液 1 1 2 0.4 0.10 2 1 2 0.4 0.12 3 1 2 0.4 0.14
按此配比配置的环氧砂浆技术指标见表2
表2 环氧砂浆性能结果 配比编号 应变ε(μm) 抗折强度(MPa) 抗压强度(MPa) 3天 28天 3天 7天 28天 3天 7天 28天 1 1257.4 2235.7 4.3 5.9 7.2 16.4 26.7 36.8 2 1468.8 2598.2 4.2 5.9 7.0 15.3 24.2 33.4 3 1494.6 2583.4 3.8 5.6 6.5 14.3 22.5 30.6
从以上结果可以看出，三组环氧砂浆配比配置的环氧砂浆，无论是强度还是微应变，均满足钢桥面铺装所需的环氧砂浆技术性能指标，在钢桥面粘接剂的作用下，和钢板具有良好的粘结性能。在砂浆表面做拉毛处理后，砂浆表面粗糙度大为增加，粘结效果会更好。
在本发明中，细粒式沥青砼沥青混凝土主要起追从变形和封水的作用，因此，细粒式沥青砼沥青混合料必须有良好的韧性，在重载交通的作用下，当上面层变形时有良好的追从变形能力，不会开裂或脱落；空隙率小，具有良好的密水性能，保证水份不会渗透到桥面上，使桥面生锈；具有良好的抗疲劳能力。
对本发明的细粒式沥青砼沥青混合料的实施例及技术性能指标要求见表3和表4。
表3 细粒式沥青砼实施例
注 表中的矿粉为CaCo3粉料。
表4 细粒式沥青砼技术指标及实测结果 试验项目 标准要求 实测结果空隙率 (％) 0.5-2.5 1.4矿料间隙率 (％) ＞16 19.5维姆稳定度 ＞18 22动稳定度 次/mm ＞500 670弯曲梁疲劳试验 (2000μm，10Hz，20℃) ＞100,000 ＞600,000
从表中可见，细粒式沥青砼沥青混合料的各项指标均满足上述要求。
SMA沥青混合料是一种典型的骨架型密实结构，具有良好的热稳定性、密水性、抗裂性，适宜于钢结构。在本发明方案中SMA沥青混合料仅仅铺装一层，主要发挥其骨架型密实结构的抗车辙能力。SMA沥青混合料掺有平均长度为5～7mm的有机合成纤维，纤维作为SMA混合料中的稳定剂，采用平均长度为5～7mm的有机合成纤维，以增强SMA混合料的抗疲劳性能。
SMA沥青混合料级配比实施例见表5
表5 SMA沥青砼配比实施例 筛孔尺寸(mm) 合成级配 级配中值 (％) SMA-13级配 范围(％) 16 100 100 100 13.2 90.8 95 90～100 9.5 61.5 62.5 50～75 4.75 26.3 26 20～32 2.36 18.9 20.5 15～26 1.18 17.5 19 14～24 0.6 15.2 16 12～20 0.3 13.9 13 10～16 0.15 13.0 11.5 8～15 0.075 10.9 10 8～12矿料毛体积相对密度 ρsb 2.877 4.75mm以上粗集料毛体积相对密度ρca 2.943 4.75以上粗集料松方相对密度ρs 1.759 4.75以上粗集料VCADRC(％) 40.2 最佳油石比(％) 6纤维掺量(‰) 3
在此级配和油石比下，SMA沥青混合料的性能检验结果见表6和表7。
表6 马歇尔试验结果 油石比 (％) 理论 密度 (g/cm3) 实测 密度 (g/cm3) VV(％) VMA (％) VCAmix (％) VA (％) VFA (％) 稳定度 (KN) 流值 (0.1mm) 6.0 2.611 2.501 4.2 18.0 37.4 13.8 76.7 8.01 35.5
表7 SMA沥青混凝土性能试验结果 试验项目 车辙试验 (次/mm) 析漏试验 (％) 冻融劈裂 强度比 (％) 构造深度 (mm) 渗水系数 (ml/min) 残留稳定 度(％) 试验结果 7925 0.12 92.7 1.15 11 87.8
从表6、7可见，SMA沥青混凝土各项指标均满足要求。
本发明与各种钢桥面的性能指标对比见表8
表8 本发明与其他铺装方式的性能比较 双SMA浇筑式沥青混凝土 环氧沥青混凝土 本发明 粘结强度MPa 1.9 2.5 2.23 8.1 密水性能 一般 好 一般 好 抗裂性能 好 一般 好 好 抗车辙能力 好 一般 一般 好 施工性能 好 一般 好 好
从表8可见，本发明各项技术指标都优于其它桥面。