刘家峡黄河大桥桥面铺装对比分析

【摘要】以甘肃省折达二级公路的刘家峡黄河大桥项目为依托，对比了当前国内外钢桥面铺装的ERS钢桥面铺装、KD-BEP环氧沥青铺装、国产环氧沥青铺装等方案，并对比了其粘层油、改性沥青的性能参数。此外，对国内外钢桥面铺装的施工工艺也做了简要的对比分析研究。

【关键词】钢桥面铺装；环氧沥青混凝土；路用性能

大跨径桥梁由于其刚度相对较小导致变形较大，其桥面铺装一直是一个世界性的技术难题。桥面在交通荷载、风载、气候条件及温度变化等因素的影响下，桥面的受力和变形非常复杂，对其强度、柔韧性、高温稳定性和疲劳耐久性等有着严格的设计要求[1-3]。由于桥面铺装的特殊位置和功能，要求铺装层结构具有重量轻、不透水、粘结性能好等特殊性能。对于钢桥面，世界上采用的铺装层主要有以下几种类型： ①浇注式沥青混凝土（GA）；②沥青玛蹄脂混凝土（SMA）；③聚合物改性沥青；④环氧沥青混凝土。近几年来，利用以上几种混凝土的复合式铺装结构也得到应用。如GA+SMA，聚合物改性沥青+环氧沥青混凝土等。以上铺装层结构已经在我国有所应用，并且从结构力学分析、材料设计、施工控制中积累了部分经验，但整体上我国钢桥面铺装病害问题仍然比较严重。从世界范围的钢桥面铺装工程分析，钢桥面铺装设计仍然以经验方法为主，还没有建立系统的钢桥面铺装设计理论体系。多座大桥通车不久即出现车辙、开裂、推移、疲劳破坏等早期病害[4-5]。

本论文以甘肃省折达二级公路的刘家峡黄河大桥项目为依托，对比了四种铺装方案，通过对材料的物理性能测试、沥青混合料的路用性能研究等，最终确定了较优异的一种复合式铺装结构方案。

1 国内外钢桥面铺装现状研究

1.1 浇筑式沥青混凝土

浇筑式沥青混凝土（GA）起源于欧洲，在日本得到了广泛的发展，近年来引进我国后应用也有不少，可见其具有较好的环境适应能力，无论是欧洲这种低温气候环境，还是在日本的海洋气候环境，甚至我国的大交通量、温差大的恶劣环境都可以得到较好的应用。目前GA铺装技术优选方案是：丙烯酸树脂防水材料（MMA）+GA（GA10）+改性沥青（SMA10）铺装方案，具有较强的环境和交通适应能力。

1.2 环氧沥青混凝土

环氧沥青是一种由环氧树脂、固化剂与沥青经复杂的化学改性后所得到的混合物。固化后的环氧沥青混凝土是一种强度与力学性能优异的材料，并且对温度的敏感程度较低。与普通沥青混凝土不同，环氧沥青混凝土的性能受成型时温度、时间、湿度等因素变化的影响很大，对施工质量控制体系的要求相当高，并且在摊铺后必须保证有足够长的养护期以确保环氧沥青混凝土能够基本完成固化。目前，我国钢桥面环氧沥青混凝土铺装领域主要存在三种沥青产品：美国（ChemCo）环氧沥青、日本（KD-BEP，原型号为TAF）环氧沥青、中国宁武化工公司生产环氧沥青（简称为国产环氧沥青）。

三种环氧沥青混凝土铺装各有自身的特点，ChemCo环氧沥青与国产环氧沥青性能相近，施工工艺也相同，KD-BEP环氧沥青与ChemCo环氧沥青和国产环氧沥青差别较大，具体体现在ChemCo环氧沥青与国产环氧沥青混凝土养生固化周期长（约30～45d），混合料施工温度低（约为120oC），而TAF环氧沥青混凝土养生周期短（约2～7d），混合料施工温度工高（约为180oC），目的是可以去除石料中的水份，显著减少或避免铺装层鼓包等病害。

ERS钢桥面铺装典型结构由EBCL+RA05+SMA组成。EBCL作为防水抗滑粘结层，RA05作为铺装整体化层、刚度过渡层、隔温层，高粘改性沥青SMA10作为表面功能层，各层分工明确。ERS钢桥面铺装自2004年西陵长江大桥项目中开始应用，其后又在2008年的杭州市江东大桥（九桥）与宁波庆丰桥、广州猎德大桥、宁波青林湾大桥、宜昌长江公路大桥、宁波大榭岛等钢桥面铺装中得到应用。因为应用时间较短，尚未得到时间与工程的进一步检验。

刘家峡黄河大桥是国内第一座窄型悬索桥，单跨536米，施工难度大。根据钢桥面工程调研资料，通过以上分析和参考相似工程经验， MA（GA）+SMA铺装国内应用较多，但是其高温性能与抗车辙性能差。其次是KD-BEP环氧沥青铺装，ERS钢桥面铺装有很好的设计理念，但可靠性、耐久性还有待时间和工程实践的进一步检验。根据刘家峡黄河大桥钢桥面的铺装特点，重点是保证工程的可靠性，最大程度减少病害率，要求施工可控性高、铺装方案技术成熟。综上所述，重点对ERS钢桥面铺装、KD-BEP环氧沥青铺装、国产宁武环氧沥青铺装进行了对比研究。

2 环氧沥青铺装方案的对比

2.1 环氧沥青混凝土材料性能

2.1.1环氧粘层油的材料性能

从已有的数据可知，日本粘层油与国产粘层油的拉拔强度一致，而日本粘层油的断裂伸长率是国产粘层油的2倍以上，表明日本的粘层油应具有最好的变形随从性，可以随钢板及沥青混合料的变形而任意变形，达到良好的粘结效果。虽然EBCL有最大的拉拔强度，但是其断裂伸长率很小，说明EBCL易发生脆性断裂，使得其与桥面的变形随从性能较差。

2.1.2 环氧沥青的材料性能

据已有的力学性能数据可知，RA有较大的拉拔强度，但是其断裂伸长率较小，所以在实际应用的过程中易发生脆性断裂。国产环氧沥青与日本环氧沥青的拉拔强度与断裂伸长率相似，所以其性能要优于RA。

2.1.3 环氧沥青混合料的路用性能

（1）浸水马歇尔稳定度与冻融劈裂测试

环氧沥青混合料的路用性能，采用目前国际上通用的马歇尔试验进行，试验方法按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）的相关试验检测方法进行分析测试。其中空隙率要求VV≤3.0%。三种环氧沥青混合料的马歇尔稳定度基本一致。但对于残留稳定度而言，日本的环氧沥青混合料约为85%。相较而言，RA与国产的环氧沥青混合料的残留稳定度均大于100%，也就是说，在对这两种混合料进行60oC水浴养生的过程中，RA05与国产环氧沥青混合料中的环氧树脂还在继续发生固化反应，所以才会发生残留稳定度大于100%的情况。这也说明，RA05与国产的环氧沥青混合料的养生需要较长的时间。三种环氧沥青混合料的劈裂强度基本一致。三种混合料的变化规律与浸水马歇尔稳定度的变化规律基本保持一致。

由以上分析可知，三种环氧沥青混合料的浸水马歇尔稳定度与冻融劈裂强度基本一致。但是由于RA与国产环氧沥青混凝土的固化反应时间较长，在高温养生的过程中其固化反应继续，最终导致残留稳定度大于100%。同时，在低温的条件下日本环氧沥青混合料具有良好的断裂伸长率，所以日本环氧沥青混合料的低温性能优于其余两者。

2.2 环氧沥青混凝土施工工艺

2.2.1 浇筑式沥青混凝土

浇筑式沥青混合料具有高温施工特性，施工温度达到200℃以上，而且材料本身沥青含量高，矿粉含量高，具有流动性，是一种特殊的施工工艺。各国依据各自的气候特点和交通条件对浇注式沥青混凝土进行了技术改进和创新，但是有一个共同的特点，就是施工采用自流成型方式，不需要碾压，这也是浇注式沥青混凝土与其它沥青混凝土的最大区别。由于浇注式沥青混凝土是一种悬浮密实结构，粗集料悬浮于沥青砂胶中，不能相互嵌挤形成骨架结构，在使用过程当中，主要表现出高温稳定性能较差的特点，尤其是在高温、重载地区。刘家峡大桥位于刘家峡水库库区右岸，海拔2100米。有数据可知，2011与2012年气象局也都对其所处的永靖县发出了高温黄色预警信号，最高气温可达33～35oC。这样的高温条件下，必然会对桥面铺装材料的高温稳定性提出更高的要求。环氧沥青混凝土是通过环氧树脂与固化剂的反应，得到不溶不熔的具有高稳定性的树脂与沥青的混合物，它的高温性能优异，而且具有耐溶剂腐蚀的特点。表2-1中对比了三种环氧沥青混凝土的施工工艺。通过对比，ERS方案的铺装工艺最为简便，日本环氧沥青混凝土次之，国产环氧沥青混凝土的铺装工艺最为繁琐，且施工后的养护时间一般为30～45天，这也是国内很多的业主所不能接受的。

3 结论

以甘肃省折达二级公路的刘家峡黄河大桥项目为依托，对比了当前国内外钢桥面铺装的ERS钢桥面铺装、KD-BEP环氧沥青铺装、国产环氧沥青铺装等方案，并对其粘层油、改性沥青的物性参数与力学性能进行了分析。

通过对粘层油的分析可知，不论在高温或是低温的条件下，日本粘层油的断裂伸长率是国产粘层油的2倍以上，表明日本的粘层油应具有最好的变形随从性，而EBCL易发生脆性断裂。常温与高温的条件下，三种环氧沥青混凝土的性能相似，而在低温的条件下仅有日本环氧沥青混凝土的性能最优，即日本环氧沥青混凝土的低温抗裂性能优于另外两种环氧沥青混凝土。此外，在试验试件制备与测试的过程中，RA与国产环氧沥青混凝土的固化反应需要较长的时间。

4 展望

以上测试仅是对环氧沥青混凝土材料的物理性能与路用性能的测试。接下来，本项目要通过制备复合梁试件，对材料的复合梁路用性能做详细的阐述。

参考文献

[1]P1沥青生产与应用技术手册，《沥青生产与应用技术手册》编委会，2010年5月第1版

[2]陈磊磊. 环氧沥青混合料动态参数试验研究[D]，南京：东南大学，2008

[3]江海，李涛，彭汉辉. 环氧沥青混凝土在阳逻大桥钢桥面铺装工程中的应用[J]，交通科技，2009（4），100～103

[4]韩振勇，蒋学奎，刘跃. 天津富民桥钢桥面国产环氧沥青混凝土铺装技术[J]，桥梁建设，2008（5），71～74

[5]陈团结. 大跨径钢桥面环氧沥青混凝土铺装裂缝行为研究[D]，南京：东南大学，2006