ERS鋼橋面鋪裝病害調(diào)研及原因分析

馬融, 陳飛

(交通運輸部公路科學(xué)研究院，北京市 100088)

目前，橋面鋪裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計，一般都采用經(jīng)驗法，并非力學(xué)計算法。此時，分析現(xiàn)有橋面鋪裝的使用情況，取長補短，保證橋面鋪裝的優(yōu)良使用性能和良好耐久性顯得尤為重要。

該文對中國ERS實體工程的使用情況進行調(diào)研，總結(jié)成功經(jīng)驗、吸取失敗的教訓(xùn)，為ERS類橋面鋪裝結(jié)構(gòu)設(shè)計組成、材料優(yōu)選以及相關(guān)施工技術(shù)等提供強有力的實踐經(jīng)驗和技術(shù)支撐。

1 調(diào)研方案

1.1 調(diào)研對象

綜合考慮ERS橋面鋪裝工程規(guī)模、使用年限及不同橋梁結(jié)構(gòu)形式，選定調(diào)研對象，見表1。

表1 調(diào)研對象

1.2 調(diào)研內(nèi)容和調(diào)研方法

此次ERS鋼橋面鋪裝病害調(diào)研是以現(xiàn)場檢查與資料查閱相結(jié)合的方式，配以必要的檢查工具及設(shè)備進行目測或量測檢查。

主要調(diào)研內(nèi)容包括：

(1)原橋梁結(jié)構(gòu)及橋面系參數(shù)：橋梁概況、道路等級、橋梁結(jié)構(gòu)、最大跨徑、寬度、縱橫坡度、橋面系結(jié)構(gòu)參數(shù)等資料。

(2)橋面鋪裝使用條件：橋面極端氣溫、濕度、降雨量、氣候特點(有無霧天、臺風(fēng)、冰雪天氣等)、交通量等。

(3)原設(shè)計建設(shè)情況：原橋面鋪裝結(jié)構(gòu)、鋪裝層厚度、施工現(xiàn)場情況等。

(4)使用情況：橋面鋪裝病害類型、破壞程度、發(fā)展速度、實施效果等。

2 調(diào)研結(jié)果

2.1 調(diào)研結(jié)果匯總

根據(jù)前節(jié)的調(diào)研內(nèi)容和調(diào)研方法，各調(diào)研對象的基本情況、橋面鋪裝結(jié)構(gòu)形式見表2、3。

通過對ERS鋼橋面鋪裝代表橋梁的現(xiàn)場調(diào)查，綜合評價了6座橋梁的病害類型和各類病害面積占鋪裝面積的比例，見表4。

表2 調(diào)查橋梁基本情況

表3 調(diào)研橋梁鋪裝結(jié)構(gòu)形式

表4 ERS橋面鋪裝病害調(diào)查 %

(1)A橋日均交通量約為10 000 pcu/d，其中重載車輛的比例較大；SMA與RA層黏結(jié)失效，造成變形類病害急劇增多；通過現(xiàn)場鉆芯發(fā)現(xiàn)局部點位鋼橋面板發(fā)生銹蝕。

(2)B橋為城市快速路橋梁，跨徑較短，行車荷載以小型車為主；病害類型主要是縱向裂縫，多產(chǎn)生在上坡行車道輪跡帶位置，路面總體行車狀況較好。

(3)C橋限制軸重超過30 kN的重車過橋，鋼橋面鋪裝沒有出現(xiàn)大的病害。根據(jù)資料顯示，SMA層進行過將級配調(diào)粗的優(yōu)化設(shè)計。

(4)D橋城市主干路橋梁，交通類型主要為中小型車輛，使用情況良好。

(5)E橋重載車輛比例達50%以上；根據(jù)相關(guān)資料顯示，該橋瀝青拌和站離施工現(xiàn)場較遠，且在進行RA05施工時遇降水而未進行相關(guān)處置，導(dǎo)致施工完成2個月后由于鋪裝層開裂曾對下游幅SMA和部分RA05層進行了返修處理。

(6)F橋日均交通量超過30 000 pcu/d，重載和超載車輛比例約達40%；設(shè)計縱坡達3%，上坡方向車道車轍病害嚴(yán)重，下坡方向路面情況良好；SMA層集料脫落現(xiàn)象較為明顯。

2.2 主要病害形式及特點

通過對有代表性的ERS鋼橋面鋪筑使用情況進行調(diào)查分析，可將其病害歸納為以下幾種類型：

(1)裂縫破壞。橋面鋪裝中裂縫的產(chǎn)生主要是由于結(jié)構(gòu)層無法抵抗過大的拉應(yīng)變，裂縫病害發(fā)生頻率高、發(fā)生早期化、發(fā)展迅速，是橋面鋪裝層的典型病害之一。瀝青類混凝土鋪裝層開裂破壞主要與鋼橋面板的局部變形有關(guān)。在車輛荷載作用下，由于加勁肋的加強作用，橋面板局部形成應(yīng)力集中，而在鋪裝層表現(xiàn)為沿加勁肋、橫隔板、縱隔板處的網(wǎng)狀裂紋。

(2)車轍破壞。車轍的發(fā)生主要是由于在重載不利條件下，鋪裝層無法承受過大的豎向應(yīng)力累積產(chǎn)生的豎向變形，同時由于RA和SMA層間界面黏結(jié)力不足共同導(dǎo)致了車轍破壞的發(fā)生以及進一步加劇。一旦發(fā)生車轍病害將嚴(yán)重影響橋面的使用性能，是橋面鋪裝中最嚴(yán)重的病害之一。

(3)層間位移破壞。層間位移破壞是行車荷載引起的垂直力和水平力的綜合作用在橋面鋪裝層產(chǎn)生剪應(yīng)力引起的。當(dāng)這種剪應(yīng)力超過瀝青混合料材料自身的抗剪強度或?qū)娱g黏結(jié)強度不足時，鋪裝層就會出現(xiàn)波狀起伏及擁包而導(dǎo)致鋪裝層破壞。目前，脫層、推移的出現(xiàn)，更多的是高溫導(dǎo)致層間黏結(jié)材料的強度大幅度衰減、甚至失效，使得SMA鋪裝層與RA05層之間失去了整體性。

(4)坑槽等其他破壞。坑槽破壞的形式比較多，出現(xiàn)的部位也無規(guī)律，受影響的因素也比較多，如混合料離析、空隙率偏大，維修處治不當(dāng)?shù)龋紩鹂硬燮茐摹?/p>

3 ERS鋼橋面鋪裝病害原因分析

樹脂瀝青鋼橋面鋪裝產(chǎn)生病害的原因是多方面的，分析歸納有以下幾種：

(1)嚴(yán)酷的自然環(huán)境

除C橋外，調(diào)研橋梁均處于中國夏季高溫炎熱多雨地區(qū)，鋼橋面鋪裝要承受高溫和水損害的雙重侵襲。以浙江省為例，年平均氣溫較20世紀(jì)末期提高了0.7 ℃，并且高溫天氣屢見不鮮。部分鋼橋面夏季溫度達到70 ℃。

瀝青混合料的溫度敏感性較高，在低溫時表現(xiàn)為彈-黏性，在高溫時更多地表現(xiàn)為黏-塑性。高溫時瀝青結(jié)合料變軟，荷載作用下變成集料移動的潤滑劑，為車轍的形成創(chuàng)造了有利條件。國外研究表明：瀝青混合料高溫性能有60%來源于集料，另外40%來源于結(jié)合料。由于橋面鋪裝層瀝青混合料的級配組成較其他瀝青結(jié)構(gòu)層明顯偏細，故結(jié)合料的優(yōu)化選擇更為關(guān)鍵。

(2)重載車輛的影響

根據(jù)交通量的相關(guān)調(diào)研，采取限載措施的橋梁其年累計當(dāng)量軸載次數(shù)約為非限載橋梁累計軸次的0.2，故將非限載橋面軸載次數(shù)定義為相對值1，限載橋面軸載次數(shù)定義為相對值0.2。根據(jù)圖1所示，限載條件下的鋪裝結(jié)構(gòu)其各類病害的發(fā)生率均明顯降低。

圖1 各調(diào)研橋梁鋪裝層病害與限載關(guān)系圖

同時通過國內(nèi)外鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)類型的對比可以發(fā)現(xiàn)，國外通用的鋼橋面鋪裝技術(shù)，例如雙層SMA鋪裝結(jié)構(gòu)在中國幾乎沒有成功的案例。主要是由于中國特殊的重載交通情況決定的。單次軸載作用大、大軸載作用間歇短是中國重載交通的特點，該特點會致使鋪裝層塑性變形早期化、嚴(yán)重化。因此，重載對鋪裝材料提出了較高的要求。

(3)高黏瀝青用量的問題

瀝青用量對混合料動穩(wěn)定度有較大影響，隨著瀝青含量的增加，動穩(wěn)定度不斷下降。相關(guān)研究表明：一般最佳瀝青混合料疲勞性能瀝青用量大約比配合比設(shè)計最佳瀝青用量高出0.3%。雖然增加瀝青用量可以提高防水性能和抗疲勞性能，但一定程度上影響了高溫性能。

(4)黏結(jié)層材料黏結(jié)能力喪失

黏結(jié)層是保證SMA面層和RA樹脂瀝青混凝土緊密結(jié)合，共同承受荷載作用的結(jié)構(gòu)層次。黏結(jié)層失效導(dǎo)致鋪裝與鋼橋面板協(xié)同工作，對于由集料和瀝青組成的瀝青混合料，由于其抗拉強度遠低于抗壓強度，在受力復(fù)雜的鋼橋面板的間接影響下，造成車轍和推移擁包等病害。

(5)施工溫度的影響

高黏改性瀝青的特性決定了SMA混凝土對溫度的要求較高。如E橋施工時混合料出料溫度高達220 ℃，瀝青已發(fā)生早期老化并可能會造成嚴(yán)重的混合料溫度離析；而如果混合料溫度過低將造成混合料難壓實，會在混合料內(nèi)部產(chǎn)生較大的空隙，水對鋪裝層的影響將會無限增大。

(6)施工壓實不充分

由于鋼橋面板反振現(xiàn)象的存在，鋼橋面鋪裝施工時無法使用振動壓路機。致使瀝青鋪裝層壓實功不足，混合料空隙率無法滿足設(shè)計要求，進而影響到鋪裝層的抗疲勞性能和抗水損害性能。

4 結(jié)論

(1)ERS鋼橋面鋪裝體系的主要病害類型包括：裂縫、車轍、層間位移及坑槽等其他破壞。

(2)病害主要集中在SMA面層以及RA和SMA層間界面。EBCL和RA層病害發(fā)生率較低。可認(rèn)為SMA層位的質(zhì)量是決定ERS鋪裝技術(shù)成敗的關(guān)鍵。

(3)產(chǎn)生病害的主要原因集中在：混合料級配設(shè)計不合理、施工質(zhì)量控制不嚴(yán)、RA和SMA層間黏結(jié)力不足、鋼橋面板較薄以及重載超載現(xiàn)象嚴(yán)重。其中又以施工質(zhì)量和重載超載因素最為關(guān)鍵。

(4)調(diào)研橋面黏結(jié)層全部采用熱塑性改性瀝青，在高溫狀況下黏結(jié)力和熱穩(wěn)定性較低，易造成鋪裝面層的推移等病害，能否開發(fā)一種熱固性的環(huán)氧樹脂材料作為黏結(jié)層是以后的重點研究內(nèi)容。