一种钢桥面组合层的铺装方法 【技术领域】
本发明属于桥梁工程领域，具体涉及一种钢箱梁桥面材料的铺装方法。
背景技术
钢桥面由于具有施工方便、自重轻、经济省等特点而越来越广泛的被应用于大跨径桥梁，国内外现有的大量桥梁使用了这种桥面结构形式。钢桥面铺装一般是指在钢板上铺设10cm厚的沥青面层，桥面与沥青面层之间通过粘结剂结合在一起。在夏季高温条件下，钢桥面的温度将达到60~80℃左右，致使粘结材料因软化而失效，沥青混凝土稳定性变差，在车辆荷载特别是重载车的作用下极易造成钢桥面与沥青面层脱粘，沥青面层产生推移、拥包、车辙等病害，最终将降低桥面的路用性能，增加维修费用，严重时会导致交通工程事故的发生。目前，几乎所有地钢箱梁桥都在夏季遇到了上述的严重问题，即使有些桥梁在使用年限内没有出现上述病害，但它们都是在限制重载车通行的前提下才取得的这种效果。该问题已是本领域的专家和学者所公认的世界性难题。
针对上述问题，目前主要通过四种铺装技术方案和铺装材料来解决：浇筑式沥青混凝土、沥青玛碲脂混合料、改性环氧树脂沥青和双层沥青玛蹄脂混合料SMA(Stone MasticAsphalt)。这四种铺装方案都有各自的特点，但是都没有很好的解决目前钢桥面铺装所存在的问题。特别是双层SMA铺装近年来在国内使用较多，其破坏都是由于粘结剂性能不佳，在界面剪切的作用下产生滑移破坏。曾经有些设计部门也采取过其他一些铺装材料和技术，如用混凝土来取代沥青混合料层，但是由于这种方式既增加了桥面的自重，同时普通混凝土弹模高、脆性大，铺装层容易在重载和动荷载的作用下产生脆断破坏，进而影响桥面的工作性能，因而该种方案没有取得预期的效果。
【发明内容】
针对以上钢桥面铺装中存在的问题，本发明的目的在于提供一种具有自重轻、路用性能好的钢桥面组合层的铺装方法。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种钢桥面组合层的铺装方法，其特征是包括如下步骤：
1).a.制备掺钢纤维的轻质混凝土：掺钢纤维的轻质混凝土主要由水、预处理后的轻集料、水泥、细集料、硅灰、高效减水剂FDN、钢纤维和水溶性聚合物组成，按重量份数比：水∶预处理后的轻集料∶水泥∶细集料∶硅灰＝1∶3.00~3.50∶2.90~3.50∶3.80~3.95∶0.15~0.40，高效减水剂FDN按水泥用量％的0.8~1.4，钢纤维按掺钢纤维的轻质混凝土体积％的0.1~1.5，水溶性聚合物按水泥用量％的10~20；将上述组份搅拌均匀制成混合料，即得产品；
b.制备素轻质混凝土：素轻质混凝土主要由水、预处理后的轻集料、水泥、细集料、硅灰、高效减水剂FDN和水溶性聚合物组成，按重量份数比：水∶预处理后的轻集料∶水泥∶细集料∶硅灰＝1∶3.00~3.50∶2.90~3.50∶3.80~3.95∶0.15~0.40，高效减水剂FDN按水泥用量％的0.8~1.4，水溶性聚合物按水泥用量％的10~20；将上述组份搅拌均匀制成混合料，即得产品；
2).钢桥面预处理：a.喷砂除锈，b.喷涂防锈漆和粘结层；
3).栓钉的焊接：采用拉弧式螺柱焊接方法在钢桥面上焊接栓钉；
4).钢筋网的帮扎：将焊接成型的钢筋网通过钢丝绑在栓钉的柱身上；
5).预应力钢丝的选择及预应力的施加：预应力钢丝采用冷拉钢丝，预应力钢丝位于下层(栓钉的柱身下部)，采取先张法施加预应力，张拉控制应力取为38-42％fptk；
6).掺钢纤维的轻质混凝土和素轻质混凝土的铺装：钢桥面钢板上摊铺一层(即下层)掺钢纤维的轻质混凝土，在其上面再摊铺一层素轻质混凝土；
7).素轻质混凝土上摊铺一层(即上层)沥青混凝土。
所述的水溶性聚合物是改性聚丙烯酸类聚合物乳液或改性聚乙烯醇类聚合物乳液，固含量为55-65％。
所述的钢纤维为端钩型钢纤维，长径比为55~65，长度为30~35mm。
所述的栓钉的高度为H，柱身的直径为φ2，且有0.95S≥H≥4φ2；栓钉的横向间距为L1，纵向间距为L2，且应满足600mm≥L1≥6φ2、600mm≥L2≥6φ2。
所述掺钢纤维的轻质混凝土和素轻质混凝土层总厚度为S，50mm≤S≤80mm。
所述钢纤维轻质混凝土层厚度为30~50mm。
所述素轻质混凝土层厚度为20~30mm。
所述的预应力钢丝的抗拉强度为1470~1670MPa，待混凝土强度达到设计强度的70％后，放张，让预应力钢丝回力；预应力钢筋的间距为其公称直径或等效直径的1.5-5倍，对热处理钢筋及钢丝而言，其间距不应小于15mm。
本发明在沥青层和钢桥面板之间设置掺钢纤维的轻质混凝土和素轻质混凝土层，掺钢纤维的轻质混凝土和素轻质混凝土具有自重轻、韧性高、抗变形性能好、弹性模量低、抗渗性好、保温和隔热等特点，能有效解决铺装层的开裂、推移、拥抱和防水等问题；同时，在钢桥面上设置栓钉，在混凝土内部施加预应力钢丝等形式来使钢板和铺装层结合更牢固，一致变形，抵抗掀起，提高钢板-混凝土组合层的工作性能和力学性能，即提高了路用性能，有效地解决了目前存在的问题。
本发明具有如下特点：
(1)在钢板和沥青混合料铺装层之间铺设掺钢纤维的轻质混凝土和素轻质混凝土层，具有自重轻、弹性模量低、韧性高、抗变形性能好、抗渗性能好、隔热、密实的高性能轻质混凝土层，有效克服了目前钢桥面铺装普遍存在易推移、开裂、拥抱等缺点；本发明掺钢纤维的轻质混凝土和素轻质混凝土层1立方重1950公斤，与现有相比每立方轻50公斤；
(2)在钢板表面设置抗剪栓钉，有效的阻止了铺装层因重载车及动荷载作用下而产生的推移等问题的发生。同时，栓钉是连接钢板与混凝土的过渡单元，有力的保证了钢板和铺装层的一致变形和协同工作，提高组合层的综合工作效能；
(3)在轻质混凝土中掺入纤维和钢筋网，提高混凝土的力学性能、韧性性能和抗变形性能；
(4)对混凝土施加预应力，提高混凝土抗变形能力。
【附图说明】
图1是本发明铺装组合层的结构图；
图2是本发明栓钉布置图；
图3是本发明栓钉结构图；
图4是本发明钢纤维长度与粗集料最大公称直径的关系图
图中：1——掺钢纤维的轻质混凝土层，位于中和轴以下；2——预应力钢丝及钢筋网，用专用的锚具锚固在张拉台座上，钢筋网绑扎在栓钉上；3——张拉台座，采用焊接方式焊接于钢板上；4——钢板，正交异性钢箱梁的顶板，厚度为12cm；5——素轻质混凝土层，不掺钢纤维，位于中和轴以上；6——锚具，专用预应力锚固工具；7——素轻质混凝土的中和轴；8——栓钉，采用拉弧式焊接法焊接于钢板上；9——沥青混凝土层；10——粗集料的圆球理想模型，直径D；11——钢纤维，长度L；H——栓钉的总高度；H0——栓钉冒的高度；H1——栓钉杆身的高度；φ1——栓钉冒的直径；φ2——栓钉柱身的直径；L1——栓钉的横向间距，600mm≥L1≥6φ2；L2——栓钉的纵向间距，600mm≥L2≥6φ2。
【具体实施方式】
实施例1：
一种钢桥面组合层的铺装方法，包括如下步骤：
1.制备掺钢纤维的轻质混凝土和制备素轻质混凝土：
a.掺钢纤维的轻质混凝土主要由水、预处理后的轻集料、水泥、细集料、硅灰、高效减水剂FDN、钢纤维和水溶性聚合物组成，按重量份数比：水∶预处理后的轻集料∶水泥∶细集料∶硅灰＝1∶3.36∶3.2∶3.94∶0.32，高效减水剂FDN按水泥用量％的0.8，钢纤维按掺钢纤维的轻质混凝土体积％的0.75，水溶性聚合物按水泥用量％的11；将上述组份搅拌均匀制成混合料，即得产品。
性能指标如下：初始坍落度/cm 抗压强度/MPa 抗折强度 /MPa/28d韧性指数η30抗渗透性 导热系 数 /W/m·K 干表观 密度 /kg/m3 7d 28d16~18 ≥40 ≥50 ≥6.8≥23.0P12以上 0.8~1.2 ≤1950
b.制备素轻质混凝土(不掺钢纤维的轻质混凝土)：素轻质混凝土主要由水、预处理后的轻集料、水泥、细集料、硅灰、高效减水剂FDN水溶性聚合物组成，按重量份数比：水∶预处理后的轻集料∶水泥∶细集料∶硅灰＝1∶3.36∶3.2∶3.94∶0.32，高效减水剂FDN按水泥用量％的0.8，水溶性聚合物按水泥用量％的11；将上述组份搅拌均匀制成混合料，即得产品。
所述水泥为42.5#或52.5#普通硅酸盐水泥。
所述硅灰比表面积大于2000m2/kg。
所述的细集料为河砂，细度模数为2.6~2.8。
所述的预处理后的粗集料为：粒径5-20mm、表观密度1200-1500kg/m3，堆积密度700-1100kg/m3，筒压强度≥6.5Mpa的粘土陶粒或页岩陶粒或粉煤灰陶粒，使用前在水中浸泡24~72h。
所述的减水剂FDN为：萘系磺酸盐FDN系列高效减水剂，减水率为10-30％。
所述纤维为端钩型钢纤维，长径比为55~65，长度为30~35mm，其长度L和混凝土中粗集料的最大公称直径D应该满足如式(1)及图4所示关系：
D＝0.577~5L (1)
图4中：10——粗集料的圆球理想模型，直径D；11——钢纤维，长度L。
所述水溶性聚合物为改性聚丙烯酸类聚合物乳液或改性聚乙烯醇类聚合物乳液，固含量为55％~65％。
2.钢桥面预处理：
(1)喷砂除锈
首先检查钢桥面外观，如有焊渣、飞溅物和毛刺等，应通过打磨消除；其次要将喷砂除锈的桥面进行预清洁处理，用高压水枪或表面清洁剂进行表面清洁，清除钢板表面由于一道工序后造成的尘垢、油和油脂等污染；最后，待钢板表面干燥后，开始喷砂除锈，作业温度严格控制高于露点3℃，相对湿度应≤80％，如遇下雨或下雪等气候，应严禁除锈作业。
(2)喷涂防锈漆和粘结层
为了防止钢板被二次污染，应在喷砂除锈4小时后完成富锌底漆的喷涂。防护钢板与铺装层良好的结合是通过防水粘结层来实现的，它是在作好防锈涂装的钢板上喷洒粘结剂。
3.栓钉的焊接：
采用拉弧式螺柱焊接方法在钢桥面上焊接栓钉8，螺柱焊接频率12个/min，熔深为2~3mm，栓钉规格及布置方式见图2、图3。栓钉的高度为H，柱身的直径为φ2，且有0.95S≥H≥4φ2；栓钉的横向间距为L1，纵向间距为L2，且应满足600mm≥L1≥6φ2、600mm≥L2≥6φ2。
图2、图3中：8——栓钉(图中圆形区域)，采用专用焊枪焊接于钢板上；H——栓钉的总高度，H；H0——栓钉冒的高度；H1——栓钉杆身的高度；φ1——栓钉冒的直径；φ2——栓钉柱身的直径；L1——栓钉的横向间距，600mm≥L1≥6φ2；L2——栓钉的纵向间距，600mm≥L2≥6φ2。
4.钢筋网的绑扎：
钢筋网的钢筋直径根据轻质混凝土层厚度选定，网孔规格为100×100mm。钢筋网的材质LL550级冷轧带肋钢筋。将焊接成型的钢筋网通过钢丝绑在栓钉柱身的槽口处，钢筋网位于中和轴7以下，即钢筋网离钢板4上表面的高度为掺钢纤维的轻质混凝土和素轻质混凝土层总厚度S的40％-50％，使钢筋网在轻质混凝土的受拉区，提高混凝土的抗拉强度和抗裂性能。
5.预应力钢丝的选择及预应力的施加：
预应力钢丝：预应力钢丝采用直径较小的冷拉钢丝，其抗拉强度为1470~1670MPa。
如图1所示，张拉工艺：预应力钢丝位于中和轴7以下与钢筋网同层，预应力钢丝离钢板4上表面的高度为掺钢纤维的轻质混凝土和素轻质混凝土层总厚度S的1/3-1/2处，采取先张法施加预应力，张拉控制应力取为40％fptk，其中fptk为预应力钢丝的极限张拉应力(没有取70％是因为考虑到预应力过大将会造成构件反拱过大或预拉区出现裂缝)。在钢板4上上焊接角铁作为张拉台座3，按设计规定的张拉筋束，并用锚具6临时锚固，再浇筑混凝土(掺钢纤维的轻质混凝土)。待混凝土强度达到设计强度的70％后，放张，让筋束回力。
预应力钢丝的间距：预应力钢筋的间距不小于其公称直径或等效直径的1.5倍，对热处理钢筋及钢丝而言，其间距不应小于15mm。
6.掺钢纤维的的铺装：
钢桥面钢板4上摊铺掺钢纤维的轻质混凝土层1(即下层，位于中和轴7以下)，掺钢纤维的轻质混凝土上摊铺素轻质混凝土层5(即中层，位于中和轴以上)，掺钢纤维的轻质混凝土层1的厚度为30~50mm，素轻质混凝土层5的厚度为20~30mm。
7.SMA的制备(为已有成熟技术)：
(1)原材料的准备
沥青：选用改性AH-50或者AH-70号重焦沥青，具有良好的耐高温性能；
集料：玄武岩，珞衫矶磨耗值小于30％，针片状含量小于20％，与沥青粘结力为5级，最大粒径小于16mm；
矿粉：磨细石灰石；
纤维：采用耐高温、弹性模量高的化学纤维或德兰尼特AS沥青路面专用纤维；
(2)高性能沥青混凝土的制备
高性能沥青混凝土由沥青、集料、矿粉、纤维组成，为已有成熟技术；集料组分配合比见表2。
表2集料级配
筛孔 16 13.2 9.5 4.75 2.36 0.6 0.3 0.075
通过率 100 85~95 65~75 20~28 16~24 12~16 12~15 8~10
注：○油石比6.0~6.2％ ○纤维掺量为0.3％
(3)素轻质混凝土层5上摊铺沥青混凝土层9(即上层)。
路面保养5-15天后，即可使用。
实施例2：与实施例1基本相同，不同之处仅为掺钢纤维的轻质混凝土和制备素轻质混凝土的各成份的配比不同。
a.掺钢纤维的轻质混凝土主要由水、预处理后的轻集料、水泥、细集料、硅灰、高效减水剂FDN、钢纤维和水溶性聚合物组成，按重量份数比：水∶预处理后的轻集料∶水泥∶细集料∶硅灰＝1∶3.00∶2.90∶3.80∶0.15，高效减水剂FDN按水泥用量％的0.8，钢纤维按轻质混凝土体积％的0.1，水溶性聚合物按水泥用量％的10；将上述组份搅拌均匀制成混合料，即得产品。
b.制备素轻质混凝土：素轻质混凝土主要由水、预处理后的轻集料、水泥、细集料、硅灰、高效减水剂FDN和水溶性聚合物组成，按重量份数比：水∶预处理后的轻集料∶水泥∶细集料∶硅灰＝1∶3.00∶2.90∶3.80∶0.15，高效减水剂FDN按水泥用量％的0.8，水溶性聚合物按水泥用量％的10；将上述组份搅拌均匀制成混合料，即得产品。
实施例3：与实施例1基本相同，不同之处仅为掺钢纤维的轻质混凝土和制备素轻质混凝土的各成份的配比不同。
a.掺钢纤维的轻质混凝土主要由水、预处理后的轻集料、水泥、细集料、硅灰、高效减水剂FDN、钢纤维和水溶性聚合物组成，按重量份数比：水∶预处理后的轻集料∶水泥∶细集料∶硅灰＝1∶3.50∶3.50∶3.95∶0.40，高效减水剂FDN按水泥用量％的1.4，钢纤维按轻质混凝土体积％的1.5，水溶性聚合物按水泥用量％的20；将上述组份搅拌均匀制成混合料，即得产品。
b.制备素轻质混凝土：素轻质混凝土主要由水、预处理后的轻集料、水泥、细集料、硅灰、高效减水剂FDN和水溶性聚合物组成，按重量份数比：水∶预处理后的轻集料∶水泥∶细集料∶硅灰＝1∶3.50∶3.50∶3.95∶0.40，高效减水剂FDN按水泥用量％的1.4，水溶性聚合物按水泥用量％的20；将上述组份搅拌均匀制成混合料，即得产品。