钢桥面薄层环氧树脂混凝土铺装材料路用性能试验研究
                                 赵锋军,李宇峙
                    (长沙理工大学交通运输工程学院　长沙市　410004)
    摘　要：针对桥梁工程实践中对于钢桥面铺装习惯采用较厚结构,而铺装仍然出现大量早期损坏的问题,对钢桥面铺装设计控制指标进行了分析,提出采用特制环氧树脂混凝土的钢桥面薄层铺装结构。对特制环氧树脂混凝土进行了圆柱体单轴压缩试验、冻融劈裂试验、车辙试验和小梁弯曲试验、小梁弯曲疲劳试验,分析了采用特制环氧树脂混凝土铺筑钢桥面薄层铺装的可行性。采用直道足尺疲劳试验,分析了钢桥面特制环氧树脂混凝土薄层铺装的施工性能,并对其综合路用性能进行了评价。试验结果表明,钢桥面采用特制环氧树脂混凝土薄层铺装能够满足力学上的要求,路用性能能够达到工程要求。
    关键词：桥梁工程;薄层铺装;试验研究;环氧树脂混凝土;钢桥面
    在桥梁工程实践中,钢桥面具有变形大,钢板热容量小,温度变动范围大,钢板需考虑防水、防锈等特性,桥面铺装直接承受交通荷载的反复作用,容易产生脱层破坏。钢桥面铺装体系更容易受环境温度的影响,在车辆荷载作用下,钢箱梁局部还将产生负弯距,出现倒置的受力模式,使铺装层局部表面承受较大的拉应变,最终导致铺装体系的疲劳开裂。传统的铺装结构借鉴道路工程的经验,往往采用较大的结构厚度防止铺装开裂,而铺装仍然出现大量早期损坏的问题。本文从钢桥面铺装设计控制指标分析出发,尝试采用特制环氧树脂混凝土薄层铺装结构解决钢桥面铺装的实际问题。
    文献[1]采用叠层连续梁模型得到了铺装表面弯拉应变的解析解,文献[2]进一步得到了层间应力的解析解,从而根据钢桥面铺装典型破坏模式,提出桥面铺装设计控制指标为———最不利条件下的铺装表面最大弯拉应变与最不利条件下的铺装刚柔结合部层间最大剪应力。对于最大弯拉应变对应的最不利条件,是指桥梁设计的正常使用最低温度及最不利布载条件。对于层间最大剪应力对应的最不利条件,是指桥梁设计的正常使用最高温度及最不利荷载条件,如汽车加减速及制动。
    1　钢桥面薄层铺装结构的提出
    文献[1-2]提出的铺装表面弯拉应变与层间剪应力的计算公式为:
               
    式中:H为钢板厚度;h为铺装厚度;M为与布载、结构尺寸有关的弯矩;q为外荷载;l为肋间距;E为钢板弹性模量;I为换算结构抗弯惯矩;a为中性轴坐标。
    由于钢材与铺装材料模量比过大,增加铺装厚度后结构抗弯惯矩增加不大,按照式(1)计算得到的铺装表面弯拉应变几乎与铺装厚度成正比增加。对于层间剪应力,增加铺装厚度虽然可以增大结构抗弯惯矩,但也使中性轴上移,(H-2a)的值也会增大。因此,增加厚度对层间剪应力影响不大。
    铺装层设计主要应考虑的指标是层间黏结强度和表面极限拉应变,不管桥面铺装多厚,只要满足这两个指标,力学上就达到了要求。铺装采用较大的厚度,往往是考虑到铺装高温稳定性、低温抗裂性、防水性能等[3]。而前述分析表明,增大厚度对于钢桥面铺装的受力状态未必有利。基于这一认识,提出了小于25 mm厚的钢桥面薄层铺装,并通过材料设计,确保这一铺装结构完全可以满足力学上的要求,也可以满足保护钢板防水的功能。同时,通过材料配合比设计,使铺装能够提供安全舒适的机动车通行条件。
    2　薄层环氧树脂混凝土性能试验研究
    钢桥面铺装受力状态复杂,工作条件恶劣,若采用薄层铺装,传统的沥青混合料类材料难以满足要求,因此选用环氧树脂混凝土作为材料研发的突破口。经过几年的环氧树脂结合料配方研究与环氧树脂混凝土级配研究,材料研发取得成功,并进行了材料路用性能试验。
    2·1　强度试验
    对环氧树脂混凝土、沥青混凝土、水泥混凝土的抗压强度进行测试和对比分析,既有助于加强对环氧树脂混凝土力学性能的认识,也可为环氧树脂混凝土的工程应用提供理论依据。为使试验具有良好的可比性,圆柱体试件统一根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTJ 052-2000)[4]中沥青混合料单轴压缩试验(圆柱体)的规定,进行轴心抗压强度试验。
    由表1可看出,环氧树脂混凝土的抗压强度比沥青混凝土要高得多,甚至接近水泥混凝土的2倍,所以其强度方面的性能更接近于水泥混凝土。
                 
    2·2　水稳性试验
    路面材料直接暴露在室外环境中,水损害是其破坏形式中的一种。和沥青混凝土一样,环氧树脂混凝土也存在水损害问题。环氧树脂混凝土的水损害同沥青混凝土相似,水分渗入作用会使胶黏剂和石料脱离,混合料出现掉粒、松散现象,进而使路面出现坑槽、推挤变形等的损坏现象。所以测试评价环氧树脂混凝土的水稳定性十分必要。
    表2的试验结果表明,环氧树脂混凝土的残留强度比为88·9%,远大于现行《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)[5]中沥青混合料水稳定性检验技术要求对残留强度比的规定,可见环氧树脂混凝土与沥青混凝土相比具有更优良的水稳定性。
    2·3　高温稳定性试验
    钢桥面铺装夏季炎热季节承受较一般路面更加高的温度环境。由于钢箱梁通风困难、铺装结构层较薄等原因,铺装结构承受的最高温度达70℃以上,并且持续时间相对较长,因此对钢桥面铺装材料的高温稳定性提出了更高的要求。采用标准试验方法得到环氧树脂混凝土的动稳定度见表3,并比较几种常用钢桥面铺装材料的车辙试验结果见表4。

               
    试验结果表明,环氧树脂混凝土的动稳定度要高于环氧沥青混凝土的动稳定度,其抗高温稳定性最好。钢桥铺装中应用高温稳定性优良的环氧树脂混凝土可以很好地解决高温病害问题,提高钢桥面铺装质量。
    2·4　弯曲性能试验
    小梁弯曲试验用来评价混合料抗弯拉的强度特性和弹性特性。分别对环氧树脂混凝土、水泥混凝土、沥青混凝土进行弯曲试验,对比分析环氧树脂混凝土的弯曲性能。
    表5的试验结果表明,环氧树脂混凝土的弯曲变形能力介于水泥混凝土和沥青混凝土之间,与沥青混凝土相比,环氧树脂混凝土的变形能力就显得差了很多。因环氧树脂混凝土偏向于刚性材料,所以其变形能力无法同普通沥青混凝土相比。但与普通沥青混凝土相比,其有较高的强度、良好的高温稳定性和低温抗开裂能力,只要变形能力和疲劳性能满足钢桥面铺装的要求,其与沥青混凝土相比要更适合用于钢桥面铺装。
               
    表6的低温弯曲试验结果表明,特制环氧树脂混凝土的低温极限应变与进口环氧沥青混凝土相比较差,但仍能满足钢桥面铺装的要求。如南京长江二桥的铺装表面最大弯拉应变[7]计算值为456×10-6,若考虑采用薄层铺装,这一应变将更小。
    2·5　疲劳性能试验
    统一采用小梁试件三分点加载[8],对环氧树脂混凝土、沥青混凝土及水泥混凝土采用应变控制模式进行疲劳试验[9]:一是考虑应变可以直接用于钢桥面铺装设计,二是考虑将环氧树脂混凝土做成超薄层铺装。
              
    由于采用薄层结构,铺装结构整体厚度小于25 mm,大大降低了最不利位置在最不利布载条件下的铺装表面最大弯拉应变。采用文献[1]的计算模型与算例,可以得到若南京长江二桥采用25 mm薄层铺装结构,铺装表面最大弯拉应变为261×10-6。表7的试验结果表明,环氧树脂混凝土在应变水平为300×10-6时的疲劳寿命达4·14×109次,可认为不会出现疲劳破坏,满足钢桥面铺装的使用要求。
                
    2·6　钢桥面薄层铺装结构直道试验
    为进一步评价钢桥面薄层环氧树脂混凝土铺装结构的路用性能,对其施工工艺等应用技术进行探讨,进行了钢桥面薄层铺装直道试验。铺装结构为:12 mm钢桥面板+ 1·0 ~ 1·4 mm黏结层+2 cm环氧树脂混凝土。环氧树脂混凝土采用密级配与开级配两种方案。
    薄层环氧树脂混凝土钢桥面铺装从铺筑完成至今,加载的车载重5 t,运行约10万多次,期间有水和油污浸到环氧树脂混凝土上。所采用的两种级配路段均表现良好,无裂纹、车辙等病害出现,表现出良好的路用性能,具有优良的推广价值。
    3　结语
    钢桥面铺装的设计控制指标分析表明,铺装层设计主要应考虑的指标是层间黏结强度和表面极限拉应变,这就类似于一般沥青混凝土路面设计中的设计弯沉和层底弯拉应力,满足这两个指标,铺装结构力学上就满足要求[10]。铺装结构的其他路用性能可以通过材料设计来满足。
    用专门配制的环氧树脂作为结合料制作的环氧树脂混凝土具有良好的力学性能、水稳定性能、高温稳定性能、低温弯曲性能以及疲劳性能,直道试验表明,钢桥面薄层环氧树脂混凝土铺装结构使用性能良好,平整、粗糙、抗滑、耐磨、防水,抗疲劳性能良好,是一种非常具有推广价值的铺装结构。当然,本试验研究还处于室内研究阶段,还有大量的试验需要完成,如低温弯曲疲劳试验等,已经完成的试验也需要一定量的重复,以提高数据的可靠性。但可以明确的是,薄层甚至超薄层结构对于钢桥面铺装,尤其是对恒载限制严格的大跨径钢桥,非常具有实际意义与应用价值。
    参考文献:
[1]　赵锋军,易伟建,李宇峙·桥面沥青铺装设计新方法[J]·土木工程学报, 2006, 39(10): 74-79·
[2]　赵锋军,李宇峙,易伟建·桥面沥青铺装层间应力分析简化模型[J]·土木工程学报, 2007, 40(6):100-104·
[3]　刘振清·大跨径钢桥面铺装设计关键技术研究[D]·南京:东南大学, 2004·
[4]　中华人民共和国行业标准·JTJ 052-2000公路工程沥青及沥青混合料试验规程[S]·北京:人民交通出版社,2000·
[5]　中华人民共和国行业标准·JTG F40-2004公路沥青路面施工技术规范[S]·北京:人民交通出版社,2004·
[6]　朱义铭·国产环氧沥青混合料性能研究[D]·南京:东南大学, 2006·
[7]　钱振东,等·南京长江第二大桥钢桥面铺装层受力分析研究[J]·公路交通科技,2001,18(6):43-46·
[8]　Wu Kuang-huai1, Zhang Xiao-ning·Effect on Fa-tigue Properties 
of Inner Structure and Compositionof Asphalt M ixtures[J]·Acat 
Scientiarum Naturali-um Universitatis Sunyatseni, 2008,47(3):51-56·
[9]　陈团结,黄卫,汪双杰·钢桥面沥青混凝土铺装疲劳裂缝扩展数值分析[J]·交通运输工程学报, 2008, 8(4): 52-57·
[10]　黄卫,刘振清·大跨径钢桥面铺装设计理论与方法[J]·土木工程学报,2005,38(1):51-59·