大跨径钢桥面铺装中浇注式沥青混凝土的应用雷永晨

大跨径钢桥面铺装中浇注式沥青混凝土的应用雷永晨

雷永晨

湖南省高速公路建设开发总公司湘西管理处416000

摘要：随着我国经济的飞速发展，大型工程建设项目越来越多，各种建筑施工技术也获得了更多的应用与创新，为了确保建筑施工的高质量与高效率，在桥梁建设中使用到越来越多的钢结构材料，因其具有强度大、重量轻、施工方便等特点。而钢桥面铺装中又较多的应用到了浇注式沥青混凝土技术，其具有较高的防水特性、抗老化特性以及对钢材料的追从性，经过多年的使用，特别是在欧洲等国外地区的使用，已积累了丰富的项目经验。本文就大跨径钢桥面铺装中浇注式沥青混凝土的应用展开研究，首先对其应用现状、应用特点以及应用中存在的问题进行了分析，进而对其材料组成、路用性能以及施工技术进行了重点研究，希望为我国大型桥梁工程的建设提供一定借鉴。

关键词：钢桥面铺装；浇注式沥青混凝土；应用

引言

近年来，国内经济发展迅速，各类工程项目进入高速建设时期。随着钢箱梁桥的使用，钢桥面铺装技术逐渐成为大跨径钢桥的重要技术内容，但受限于桥面铺装的作业条件、工程工艺等的要求，对相关材料的作用强度、抗老化性能等都有着极高的要求。

据统计，国内当前已建设完成的几十座大跨径钢桥中，仅有少数桥面铺装的运行状况良好，因为钢桥面板的结构特性、沥青材料的使用特性，使其在复杂的环境、温度条件下，在铺装表层会出现多种病害，包括高温车辙、横向移动、黏结层失效、开裂等，对于大跨径钢桥使用的安全稳定性造成非常不利的影响。因此，有关钢桥面的铺装技术在国内外学界获得了非常多的研究，包括施工材料的研究，铺装构型的优化，以及施工技术的改良等方面，都有着较为深入的研究，对于桥面铺装技术的发展具有重要的实践意义。

钢桥面铺装材料的选择对于建筑结构的运用性能有着很大的影响。因此，对其在工艺上的要求比普通材料要高很多，需要具有较强的粘结性、稳定性、耐老化性等特点，同时还要方便施工、便于后期维护等。当前来说，钢桥面铺装材料的使用主要有改性沥青、浇注式沥青混凝土等。其中，浇注式沥青混凝土具有较高的防水特性、抗老化特性以及对钢材料的追从性，其在国外已得到非常广泛的应用。下面就大跨径钢桥面铺装中浇注式沥青混凝土的应用展开研究。

1浇注式沥青混凝土钢桥面铺装研究

1.1国外研究现状

浇注式沥青混凝土，又被称之为“注入式沥青混凝土”。与别的材料进行比较，其是在高温(大约为180℃～220℃)下实施搅拌，摊铺过程中具有较强的流动性，进而成型，不需要再进行碾压处理，仅需使用简易的平整工具即可完成操作，并能实现密实性、平整性方面的要求。浇注式沥青混凝土主要包括以下两种：沥青玛蹄脂MA（MsticAsphalt）及浇注式沥青混凝土GA（GussAsphalt）。国外许多国家对该种材料均命名为沥青玛蹄脂，国内学界将其翻译为浇筑式沥青混凝土。通过对比德国与英国的沥青标准，可以发现两者的最大区别在于，对沥青玛蹄脂中的粗集料未有严格的级配标准，也就是在大颗粒领域内不采用分等级的颗粒，而大多属于单粒径。两者只有在粘结剂、铺装层表面碎石的使用等方面有所区别，而其余方面包括操作设备、运输手段以及施工工艺近乎一致，所以说两者基本上是一样的。本文一律将其称为浇注式沥青混凝土。

1929年，国际上就已开始使用特立尼达湖沥青(TLA)修建浇注式沥青混凝土桥面铺装。因其特殊的防水功能、抗疲劳功能以及对钢桥面材料极佳的追从性，其被大量的应用在桥面铺装过程中，其中典型的代表有：德国的奥博卡斯勒桥(Oberkasseler)、英国的汉博尔桥(Humber)、日本的明石海峡大桥(AkashiKaikyo)等等。

尽管欧洲最早开始使用浇注式沥青混凝土，但其工艺技术在日本得到了较快的发展和应用。据统计数据表明，日本超过百分之七十的钢桥面铺装都已使用到浇注式沥青混凝土。不过，在实际的使用过程中，考虑到浇注式沥青混凝土的抗变形性能、抗滑性能有所欠缺，因此在某些双层铺装结构中，下层使用浇注式沥青混凝土，上层则使用改性沥青密级配混合料，以保证桥面铺装的高质量，高安全性。

1.2国内研究现状

国内来说，从上世纪的90年代起投入建设正交异性钢桥面板桥梁，进而开始研究钢桥面铺装技术。同时期，从国外引进了浇注式沥青混凝土。应用其进行铺装的主要优势在于：具有较强的空隙率、防水特性、抗老化特性，以及对钢板的随从性、粘结性。当然，其在使用也存在以下不足之处：在高温状态下的稳定性较差，容易出现车辙，施工过程需应用到专用的设备，且工期较长，在气温高的部分地区，需进行工艺上的改进才可以使用。由于其存在以上缺陷，所以在铺装中更多的被用于建筑下层。近年来，浇注式沥青混凝土在我国的建筑工程中应用越来越广泛。

1997年，台湾地区通过引入日本的铺装方案，即上层使用改性沥青密级配、下层使用浇注式沥青混凝土，并在相关专家的参与下进行了新东大桥等桥面项目的铺装。并借此机会，借鉴国外先进施工经验，通过多次试验研究，推出适合本地区使用的浇注式沥青混凝土。

参照德国、日本等国家的铺装工艺以及施工规范，并结合国内相应地区的气候环境条件，对材料的技术指标进行了更加深入的研究。像东南大学通过对铺装工艺的研究，将浇注式沥青混凝土铺装体系应用到了江阴大桥的施工中。其中，沥青结合料是由70%的TLA与30%的普通石油沥青混合构成，结合料的用量（也就是可溶沥青用量）为8.25%，粗细集料的比重为46.8：45。通过对江阴大桥在内的多个实践案例的应用观察，可以发现浇注式沥青在国内的大跨径钢桥面铺装中具有广泛的应用前景。

1.3具有的特点

浇注式沥青混凝土之所以得到广泛的使用，是因为其具有以下特点：

（1）自流性。在较高的温度（220～250℃）下，其具有很强的流动性，因此，在具体的施工过程中操作更加方便，只需用到简单的摊铺整平机就可以进行施工，无需再进行碾压，且能达到满意的施工效果。

（2）密水性。其本身包含较多的细集料、矿粉、沥青等，这使得骨料处在悬浮状态。与热碾压沥青混凝土相比，空隙率非常小，且存在的空隙较为分散，因此在使用中很难透水，具有一定的密水性。

（3）抗开裂性。其变形能力很强，同时有着优良的整体性能，在低温状态下不容易发生开裂。

2钢桥面铺装存在的问题

为了确保钢桥面铺装施工的顺利进行，需要对其病害问题进行准确的分析。而且，当前的病害问题日益突出，在很大程度上影响到了桥梁的正常运行，严重的需要停运重铺。所以说，通过对相关技术指标的评价来分析病害问题的成因，进而对后续的施工进行必要的指导是提高钢桥面铺装质量的关键。研究发现，沥青混凝土钢桥面铺装中遭遇的病害种类各异，成因也各不相同，详情见表1所示。

表1钢桥面铺装病害的分析

2.1剪切滑移及脱皮

该种病害更多的发生于双层SMA钢桥面铺装中，容易引发铺装的早期损坏。对于层间抗剪强度，一般用到的是直剪或斜剪试验方法，或通过拉拔试验来进行间接评价；对于铺装层的抗剥离能力，一般用到的是拉拔试验来进行评价。

2.2推挤及壅包

该种病害更多的发生于SMA铺装层，常常由于铺装的离散性问题，造成局部区域的病害，进而影响到桥梁的早期运行。一旦发生病害，铺装层在水平与竖直方向都会出现永久变形的过大，对其进行评价应致力于加强材料在高温状态下的稳定性，以及抗剪变形的能力，主要用到马歇尔试验、剪切试验等。

2.3车辙

车辙在早期沥青路面较为常见，随着沥青技术的发展，越来越少见。但在浇注式沥青混凝土的使用过程中，为了达到浇注方面的工艺要求而很难顾及到高温稳定性，而钢桥面的铺装与普通路面相比，温度要高的多，这样就容易导致车辙病害。对其的评价，常用到车辙试验，当前许多施工规范都对混合料的车辙率等标准提出了相应的要求，所取值常常依靠经验数据获得。

2.4裂缝

裂缝的发生包括以下几种：疲劳裂缝、非疲劳次生裂缝以及温度裂缝。如果沥青出现老化或加入热固性材料，就会导致疲劳裂缝；如果铺装的刚度不足，遭遇局部应力过大，就会导致早期疲劳裂缝。非疲劳次生裂缝，多是随着鼓包等其他病害伴生而来。温度裂缝，是由于铺装层与钢桥面板温度变形不协调而导致的。对其进行评价，常会用到小梁弯曲试验、劈裂试验等。上述方法更多的被用于验证过程中，有关参数不用作主要的设计指标。

2.5鼓包及坑槽

该种病害常常产生于浇注式沥青、环氧沥青钢桥面铺装中。鼓包在荷载的影响下，会出现各种类型的裂缝，进而发展为坑槽。施工过程的不规范也会导致鼓包病害，比如施工的工艺水平不达标或管理手段不到位，有些影响施工质量的杂物未及时的清理，有可能被埋入铺装层，进行因为膨胀而造成病害。

3材料组成

3.1沥青结合料

浇注式沥青的生产，对于沥青结合料的选用是非常关键的，数据表明部分地区产的沥青并不适于生产玛蹄脂。一般来说，可选用特立尼达湖沥青（TLA）与基质沥青（SHELL克裂王SBS改性沥青），并按照15％：85％的配比而制得混合沥青。

3.2集料

对于集料的选取也有很高的要求，应选用洁净、硬实、耐磨性佳的材料，并具有百分之百破碎面，立方体构型。多是以磨耗试验为主，再结合石料的其它数项指标。一般来说，可选用的各项试验指标为：磨耗损失（一般为500转后）达到10.6％，压碎值达到8.6％，磨光值（PSV）达到52，抗压强度达到138MPa，粘结力达到4级，砂当量达到50，细长扁平颗粒含量低于2.65％。矿质填料的技术指标，包括亲水系数、视密度等，上述参数都应严格符合有关部门给出的集料试验规范中的相应技术要求。

3.3集料级配设计

如果应用的是较粗的级配，那么施工过程中的和易性往往不佳，而且，铺装层表面存在较大的粗糙度，从而非常容易导致裂缝的产生，所以说，在选择材料时应尽可能应用较细的级配，这样不但有助于现场施工的顺利进行，还能够在一定程度上增加铺装层的使用周期。

4性能研究

4.1最佳沥青含量

研究表明，空隙率是影响浇注式沥青性能的关键性指标，为了确保相关特性满足设计要求，空隙率应不高于1.5％。通过实施贯入度试验，得到的最佳沥青含量为7.5％。

4.2施工和易性

对于施工和易性的测定，常常应用刘埃尔流动度试验方法检测相关材料在特定温度（240℃）下获得的流动性。一般来说，是以相应质量（1000g）的锥形重锤在特定温度下，贯入混合料中50mm深度所用的时长（通常以秒计）来进行测试。以日本规范为例，它设定的时间是3～20s，并将18s（温度为240℃时）当作目标值，如果流动值低于3s，就会出现过度流动的问题；如果超过了20s，那么得到的施工和易性不佳。

4.3高温抗车辙性能

依据有关部门给出的沥青混合料试验规范，有关“沥青混合料车辙试验”（T0719-93）进行试验研究发现，60mm单层浇注车辙板在温度为60℃时的动稳定度达到960次/mm，应用表层预压沥青碎石时为1120次/mm，通过数据上的对比来看，后一种方法的性能有所提升，但仍达不到相应的要求。此外，研究过程中还应用到了“环氧沥青混凝土铺装上层与浇注式沥青铺装下层相结合”的形式（上层厚度为35mm，下层厚度为25mm），60℃该复合铺装的动稳定度超过了6000次/mm。通过数据的对比能够发现，浇注式沥青混凝土更加适用于温度适宜的地区，在温度相对较高的地区，可选用双层复合铺装形式，以保证铺装层的性能稳定。

4.4抗变形性能

对于浇注式沥青的抗变形性能，可利用弯曲试验的测试方法来进行分析。其中，用到了浇注式沥青、AC改性沥青、SMA和环氧沥青四种较为常用的材料，对其抗弯拉强度、弯拉应变、劲度模量等指标进行对比分析。在−15℃的试验温度时，取得的加载速率为1mm/min，在15℃的试验温度时，取得的加载速率为50mm/min。所得结果见下表所示。

4.6抗疲劳性能

沥青的抗疲劳性能与桥面铺装层的可用寿命息息相关，是材料选取时的一个关键参考指标。近年来，有关材料抗疲劳性能的研究表明，间接拉伸试验能够有效的测定沥青的疲劳性能。通过对比分析浇注式沥青混合料、AC改性、SMA以及环氧沥青混合料等的抗疲劳性能（疲劳试验荷载一般取劈裂强度的二分之一），研究结果表明浇注式沥青具有最佳的抗疲劳性能，适用于大跨径钢桥面的铺装。

5大跨径钢桥面铺装中浇注式沥青混凝土的应用

5.1浇注式沥青混凝土的生产

（1）TLA的掺配。在常温状态下，将45%的TLA投入搅拌机中，然后将温度升高至大约150℃，促进融化。接着，根据掺配比在其中加入55%的基质沥青，并进行搅拌，时间大约为45～55min，确保两者混合均匀。

（2）胶泥的拌制。该过程需要将TLA、基质沥青和细骨料等进行准确的配比，而且为了确保最终的质量，进行搅拌的时间不能过短，一般不低于2h，同时还要将温度保持在175～215℃左右。

（3）浇注式沥青的拌制。将粗骨料利用传送装置送至烘干筒内进行烘干处理，此时的温度保持在220～240℃左右。接着，利用振动筛将其进行分离，分别放入3料仓中。最后，将符合相关技术要求的粗骨料与胶泥进行拌和，并确保实施充分的搅拌，在拌制过程中，温度应确保在220℃左右，拌制时间也不能不低于1h。

5.2喷洒粘结层及施工立模

在开始喷洒粘结层之前，为了确保桥面板的洁净无污染，应将板面上的各种杂质清理干净。在具体的喷洒过程中，边缘位置要比混凝土铺装区超出一段距离，大约为2.5cm。护栏底座等位置使用薄膜等进行临时性的遮盖，以确保铺装层不受污染影响。此外，在喷洒之前，还要依据设定好的流量、宽度等指标，计算得出工作人员的行进速度，以确保喷洒过程的精准有效。

因为在铺装过程中，浇注式沥青的温度应维持在大约225℃，而沥青混合料又具有很大的流动性。所以，在开始施工之前应采取立模措施，以确保混合料在设定的区域内流动。考虑到钢桥面板往往存在焊缝，因此施工的模板更多的采用钢制的挡板，选择的厚度为25mm、宽度为300mm左右，并将其顺序放置于桥面的边缘位置，同时采用厚度合适的填隙片对其高度进行相应的调整。

5.3摊铺

摊铺时，要将搅拌机移动到摊铺机的前部，接着将混合料通过安装在其后部的卸料槽卸至目标面板上。为了确保摊铺的厚度符合设计标准，应利用精确的电子感应器进行测量，并利用整平板对沥青混合料进行刮平。对于某些接缝部位，或者是摊铺不达标的位置，安排专门人员使用刮板进行人工处理。

在浇注式沥青混凝土的铺装过程中，有可能将空气卷入其中，这样就会留下部分水分或油分，从而引发膨胀问题。因此，必须采取相应的措施进行处理。具体的方法为：使用钢钎戳在膨胀的位置扎孔，将空气完全排出，再使用木槌击打，确保铺面的平整。

5.4处理边界与接缝

对于接缝处的处理，为确保不同时间的摊铺层能较好的粘结在一起，可应用贴缝条对接缝位置进行粘贴，接着应用布料板慢慢铺平混合料，对摊铺机的高度进行调节直到铺装层的设计高度，按照规范要求应采用摊铺机进行摊铺，当接缝位置发生松散麻面等状况时，马上采取人工操作的办法予以处理。

摊铺完成好，也要及时对接缝位置进行检查，如果发现脱落、松散麻面的沥青混凝土，应尽快安排工作人员予以清除，必要的情况下，可使用喷枪对已铺好的铺装层进行软化，为确保铺装层的平整，先对纵向接缝进行预热处理，同时在相对的边缝位置贴上贴缝条，同时使用相应的工具对表层进行搓揉，将预拌碎石紧密的压入其中。摊铺时，为便于混合料的施工作业，在沥青混凝土的道路边缘位置留出一定的宽度，由人工完成刮平。对于该边缘位置的施工，通过摊铺机的布料器将材料送至边缘，并应用小型夯实机由人工操作完成。

5.5养护

浇注式沥青混凝土铺装完成后，还要进行相应的养护操作，同时还要进行一段时间的交通管制。因为沥青内部仍有着很高的温度，结构上并未完全的硬化，不能过早的开放使用，应通过路面测试后，才可投入使用。如果未能按要求进行路面养护，会造成不同程度的铺面污染、掉料、轮印等问题，影响到钢桥面的正常使用。

5.6施工要求

开始施工前，应采取试验段施工，验证施工工艺是否符合要求，从而确保施工作业的标准化。要保证沥青混凝土与钢板粘结的安全可靠，不出任何差错，对于钢桥面的处理应严格按照相应的工艺标准来执行，并注意加强防水粘结层的防护。下层浇注式铺装作业中，应使用专业设备对流动度、动稳定度等参数进行测定，控制好沥青、碎石等材料的用量；合理安排拌和、摊铺等机械设备，以保证施工周期不受设备调度方面的影响；还应选取标准的模板，并加以有效固定，做好模板厚度的预设等，使得摊铺厚度符合设计标准。对于施工方来说，除了严格按施工规范操作，还要充分的考虑到作业环境的影响，比如空气湿度、气温等，依据环境的变化来科学控制作业速度，防止发生鼓包现象，同时也要做好鼓包的处理准备。对于上层铺装来说，其施工工艺与常规混合料的摊铺一致，只需注意混合料的碾压质量。

6工程试验分析

为验证桥面铺装的实际性能，并与室内试验结果进行比对，在正式施工铺筑之前，先进行试验桥的性能测试。试验桥应选择交通运输压力相近，周边环境条件相当的区域。为尽可能的模拟主桥钢桥面的施工条件，所用建筑材料及防护装置均要与主桥相同。试验桥的下层铺装选用浇注式沥青混凝土，厚度为25mm；上层选用的环氧沥青混凝土，厚度为35mm。在下层沥青混凝土与钢板之间，以及两层沥青混凝土之间喷洒相应的环氧沥青粘结层。试验桥建设完成后，经过一段时间的运行，情况良好，并未发现车辙、开裂、坑槽等现象。对比来看，试验桥附近应用普通沥青混凝土进行施工的桥面已出现各种程度的病害问题，包括坑槽、车辙等。通过工程试验分析，对施工质量有了准确的把握。同时，还应对可能的病害、施工环境条件等做好相应的预估。

（1）研究发现，钢桥面铺装出现病害的原因不尽相同，主要来说是由于钢板与沥青混凝土的粘结效果不佳、混合料温度稳定性和常温疲劳度不足、局部受力过大（铺装结构整体强度不足导致）以及工艺方面管理不到位等因素引起的，因此，应严格控制混合料的质量以及施工工艺，确保符合规范要求。

（2）对于沥青混凝土钢桥面的铺装，不仅要对周边交通状况及气候状况进行完整的调查，还应注意做好沥青混合料的配比设计、面板刚度测算、混合料的室内试验等等。

（3）通过对周边区域交通量和气温情况的分析，得到各车型信息、当地平均气温及最高气温值等数据，能够在很大程度上反映钢桥运行期的载荷情况，对于桥面铺装的设计具有较高的参考价值。

（4）依据沥青混合料的动态模量分析以及对车辙的预估分析，得到的最小动稳定值是进行配比设计的重要目标值；依据混合料劈裂试验以及复合件弯曲疲劳试验的结果分析，可以对铺装层轮迹区出现的病害问题，以及行车道中间区出现的裂缝问题进行准确的估计。

（5）设计过程中，应不断开展铺装结构试验以及混合料试验，对各种结构以及混合料的性能做到准确的把握，从而在施工过程中能够更加合理的选用沥青原料、钢层面板及铺装结构，防止在运行中出现影响车辆通过的各种病害问题，最终给出科学合理的铺装设计方案。

（6）要想有效的避免铺装层鼓包等问题的出现，必须严格控制好施工作业标准，以确保规范化的施工，保证工程项目的质量。

近年来，我国的大型工程建设项目越来越多，各种建筑施工技术也获得了更多的应用，在桥梁建设中就使用到越来越多的钢结构材料，同时在钢桥面铺装中又较多的应用到了浇注式沥青混凝土技术，其具有较高的防水特性、抗老化特性以及对钢材料的追从性。本文就大跨径钢桥面铺装中浇注式沥青混凝土的应用进行了研究，对浇注式沥青混凝土钢桥面铺装的国内外研究现状、应用特点以及应用中存在的各类病害问题进行了分析，进而对沥青混合料的材料组成、粘结层强度、应用特性和路用性能、浇注式沥青混合料的施工作业等方面进行了系统性的研究，并进行了试验桥的工程试验分析，结果表明浇注式沥青混凝土具有优良的应用性能，是一种极佳的钢桥面铺装材料，而且，浇注式沥青混凝土的施工技术不是多么复杂，具有极高的推广价值。

参考文献：

[1]章登精.浇注式硬质直馏沥青混凝土钢桥面铺装设计和施工技术研究[J].公路,2015(7):21-29.

[2]王维栋,张峰.浇筑式沥青混凝土应用钢桥面铺装的施工工艺[J].城市建设理论研究:电子版,2016,6(2).

[3]刘聪.浇筑式沥青混凝土在抵母河大桥钢桥面铺装中的应用[J].建材发展导向:下,2016,14(5).

[4]王彦超.大跨径钢桥面浇注式沥青混凝土铺装施工设计[J].北方交通,2017(2):30-33.

[5]刘飞,韩延吉.浇注式沥青混凝土在钢桥面铺装中的应用[J].城市建设理论研究:电子版,2012(28):169-170.

[6]闫东波,陈仕周.聚合物改性沥青浇注式混凝土在钢桥面铺装中的应用[J].新型建筑材料,2011,38(3):72-74.

[7]樊叶华,黄卫,钱振东,等.大跨径钢桥面浇注式沥青混凝土铺装应用研究[J].交通运输工程与信息学报,2006,4(4):51-56.

[8]廉兴军.浇注式沥青混凝土在正交异性板钢桥面铺装中的应用[J].桥梁建设,2008(1):66-68.

作者简介：雷永晨（1987-10），男，汉族，当前职称：建筑工程(中级)，学历：本科，研究方向：道路与桥梁