徐 偉,曽嘉科,韋瀟樹

華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院,廣東 廣州 510640

0 引 言

近30余年來隨著中國(guó)公路交通建設(shè)的快速發(fā)展,有數(shù)以百座跨海、跨江的大跨徑鋼橋建成.鋼橋面鋪裝是保證大橋安全通暢的一個(gè)基礎(chǔ)條件,但高溫、多雨、重載的使用環(huán)境對(duì)鋼橋面鋪裝也提出了較苛刻的要求[1].

鋼橋面鋪裝技術(shù)近年發(fā)展較快,但鋼橋面鋪裝早期出現(xiàn)病害、使用壽命短等問題仍然是技術(shù)難點(diǎn).中國(guó)鋼橋面鋪裝采用了多種鋪裝材料,其中環(huán)氧瀝青是一種典型材料,應(yīng)用較廣泛[2-3].

環(huán)氧瀝青材料與普通瀝青材料有顯著的差異,環(huán)氧瀝青在材料組成、力學(xué)性能、施工工藝及路用性能等方面均具有顯著的特征,本文從環(huán)氧瀝青材料特點(diǎn)、混合料性能、工程應(yīng)用、病害特點(diǎn)及其發(fā)展等方面進(jìn)行分析,為環(huán)氧瀝青材料的應(yīng)用提供參考[4].

1 環(huán)氧瀝青材料的基本特點(diǎn)

環(huán)氧瀝青是由環(huán)氧樹脂、固化劑與基質(zhì)瀝青經(jīng)化學(xué)反應(yīng)而得到的混合物.環(huán)氧瀝青微觀表現(xiàn)是環(huán)氧樹脂形成的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),環(huán)氧樹脂是材料強(qiáng)度的主體,瀝青填充了環(huán)氧樹脂的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),起到增加環(huán)氧瀝青的柔韌性、防腐性的作用,環(huán)氧瀝青微觀結(jié)構(gòu)見圖1[5].環(huán)氧瀝青在力學(xué)性能上主要體現(xiàn)的是環(huán)氧樹脂的性能,即熱固性材料,從力學(xué)特性角度而言,環(huán)氧瀝青實(shí)際上不屬于熱塑性改性瀝青范疇.

研制和設(shè)計(jì)環(huán)氧瀝青時(shí)需要解決瀝青與環(huán)氧樹脂的相容性、環(huán)氧瀝青的強(qiáng)度與韌性、施工允許時(shí)間與養(yǎng)生時(shí)間、施工溫度與施工時(shí)間等多個(gè)相互制約、相互影響的技術(shù)問題.

圖1 環(huán)氧瀝青微觀結(jié)構(gòu)

環(huán)氧瀝青混凝土是由環(huán)氧瀝青結(jié)合料與符合級(jí)配要求的礦料拌合而成的熱固性混凝土材料.固化后的環(huán)氧瀝青混凝土是一種強(qiáng)度與力學(xué)性能均較高的材料,其60 ℃馬歇爾穩(wěn)定度高于40 kN(JTG E20-2011 T0719),15 ℃彎拉強(qiáng)度高于20 MPa(JTG E20-2011 T0715),對(duì)溫度的敏感程度較低(不會(huì)產(chǎn)生高溫車轍),同時(shí)具有不低于一般瀝青混凝土的低溫抗變形性能[6].普通瀝青混凝土施工基本屬于拌合、壓實(shí)的物理變化過程,而環(huán)氧瀝青混凝土在拌合、運(yùn)輸、壓實(shí)施工過程中同時(shí)發(fā)生著化學(xué)固化反應(yīng).環(huán)氧瀝青混凝土的性能受成型時(shí)溫度、時(shí)間、水等因素影響顯著,并且在壓實(shí)后須有一定養(yǎng)生期,以確保環(huán)氧瀝青混凝土能夠完成固化,對(duì)施工質(zhì)量管理、控制體系的要求較高[7-8].

2 環(huán)氧瀝青混合料的類型與特點(diǎn)

2.1 環(huán)氧瀝青混合料的類型

每種環(huán)氧瀝青實(shí)際是一個(gè)特定的環(huán)氧樹脂或環(huán)氧瀝青產(chǎn)品,具有各自獨(dú)特的配方和性能特點(diǎn),一般也具有獨(dú)立的鋪裝材料體系.按照混合料拌合溫度分類,鋼橋面環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝可分為3類,以3種典型的環(huán)氧瀝青為基礎(chǔ)分析3類環(huán)氧瀝青的基本特點(diǎn).

2.1.1 熱拌環(huán)氧瀝青

熱拌環(huán)氧瀝青的拌合溫度為160 ℃~185 ℃,因溫度條件不同,養(yǎng)生時(shí)間一般為4~15 d,拌合到攤鋪允許時(shí)間約為 3 h,沒有攤鋪窗口時(shí)間要求,施工時(shí)間和混合料拌合溫度允許范圍相對(duì)較寬,集料要求與普通瀝青混合料相似,施工工藝和控制要求條件較嚴(yán)格[9].

2.1.2 溫拌環(huán)氧瀝青

溫拌環(huán)氧瀝青的拌合溫度為110 ℃~120 ℃,因溫度條件不同,養(yǎng)生時(shí)間一般為30~45 d,拌合到攤鋪允許時(shí)間為1~1.5 h,攤鋪窗口時(shí)間為10~25 min,施工時(shí)間和混合料拌合溫度允許范圍較窄,要求集料干燥,施工工藝和控制條件非常嚴(yán)格[10-11].

2.1.3 冷拌環(huán)氧鋪裝

冷拌環(huán)氧鋪裝的拌合溫度為常溫,因溫度條件不同,養(yǎng)生時(shí)間一般為3~10 d,拌合到攤鋪允許時(shí)間約為1h,沒有攤鋪窗口時(shí)間要求,施工時(shí)間和混合料拌合溫度允許范圍相對(duì)較寬,要求集料干燥,施工工藝和控制條件嚴(yán)格[12-13].

2.2 環(huán)氧瀝青混合料的性能特點(diǎn)

與普通瀝青混合料相比,環(huán)氧瀝青混合料具有如下特點(diǎn).

(1)熱固性.環(huán)氧瀝青屬于熱固性材料,環(huán)氧瀝青鋪裝層不會(huì)出現(xiàn)高溫車轍,同時(shí)環(huán)氧瀝青混合料不會(huì)發(fā)生壓密過程,其鋪裝表面構(gòu)造發(fā)展變化趨勢(shì)與普通瀝青路面也不同[14].

環(huán)氧瀝青鋪裝多采用密級(jí)配混合料,初期構(gòu)造深度較小,由于其良好的微觀、細(xì)觀紋理,整體抗滑性能良好.由于環(huán)氧瀝青混合料的熱固性特點(diǎn),不會(huì)出現(xiàn)壓密現(xiàn)象,而且隨著表面細(xì)集料被磨耗掉,鋪裝表面發(fā)展成為由剩余粗集料組成的較粗糙表面構(gòu)造,見圖2.當(dāng)集料具有優(yōu)良的耐磨性時(shí),環(huán)氧瀝青鋪裝的表面抗滑性能隨著使用時(shí)間增加逐漸增強(qiáng),因此環(huán)氧瀝青鋪裝的長(zhǎng)期抗滑性能較好.研究人員曾在2009~2015年對(duì)虎門大橋環(huán)氧瀝青鋪裝表面的抗滑性能進(jìn)行了跟蹤檢測(cè),并與相接的SMA混凝土橋面鋪裝進(jìn)行對(duì)比,見圖3.由圖3可知,環(huán)氧瀝青鋪裝表面抗滑性能整體上呈現(xiàn)逐增加趨勢(shì),并且高于SMA,而SMA的抗滑性能呈現(xiàn)逐年下降趨勢(shì).

(2)空隙率較低.基于環(huán)氧瀝青混合料熱固性特點(diǎn),不需要考慮瀝青熱脹預(yù)留空隙,同時(shí)為了提高環(huán)氧瀝青混合料的強(qiáng)度、水穩(wěn)定性和耐久性,環(huán)氧瀝青混合料設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)空隙率一般均低于3%,基本處于不透水、不透氣的狀態(tài),因此也會(huì)由于水分、油分進(jìn)入環(huán)氧瀝青混合料內(nèi)部而導(dǎo)致鼓包病害發(fā)生[15].

(3)非線性疲勞性能.環(huán)氧瀝青的疲勞性能表現(xiàn)出顯著的非線性,控制應(yīng)變的四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)(T0739-2011)曲線見圖4.當(dāng)?shù)陀谝欢☉?yīng)變水平(600 με)時(shí),環(huán)氧瀝青混合料表現(xiàn)出不繼續(xù)損傷的耐久性極限特征;而當(dāng)高于一定應(yīng)變水平(1 000 με)時(shí),環(huán)氧瀝青混合料模量出現(xiàn)快速衰減,發(fā)生損傷破壞.基于環(huán)氧混凝土非線性疲勞損傷特點(diǎn),環(huán)氧瀝青鋼橋面鋪裝應(yīng)用中需要控制嚴(yán)重超載的情況[16].

圖2 虎門大橋環(huán)氧瀝青鋪裝表面狀況照片

圖3 虎門大橋環(huán)氧瀝青鋪裝與SMA路面抗滑性能的發(fā)展趨勢(shì)

(4)裂縫不能自修復(fù).由于環(huán)氧瀝青的熱固性特點(diǎn),當(dāng)環(huán)氧瀝青混合料出現(xiàn)裂縫后,不會(huì)出現(xiàn)裂縫自行修復(fù)的情況,而普通瀝青混合料在高溫條件下可發(fā)生一定程度的裂縫自修復(fù).環(huán)氧瀝青混合料一般具有較強(qiáng)的韌性,出現(xiàn)裂縫后不會(huì)快速出現(xiàn)松散、坑槽,通過灌縫養(yǎng)護(hù)處理一般仍可使用3年以上.

圖4 環(huán)氧瀝青混凝土疲勞曲線

3 環(huán)氧瀝青鋪裝的發(fā)展

20世紀(jì)50年代末期,殼牌石油公司開始進(jìn)行采用環(huán)氧樹脂改性石油瀝青的研究,研發(fā)出Shell Epoxy Asphalt等高強(qiáng)熱固性環(huán)氧瀝青材料,在軍用機(jī)場(chǎng)、交通土建工程領(lǐng)域中逐漸得到廣泛應(yīng)用.

為了滿足軍用機(jī)場(chǎng)鋪裝高溫沖擊的性能要求,1959年第1次在美軍機(jī)場(chǎng)鋪筑了環(huán)氧瀝青鋪裝(圖5),相關(guān)機(jī)構(gòu)1963年對(duì)殼牌公司3種環(huán)氧瀝青鋪裝在20個(gè)機(jī)場(chǎng)使用情況進(jìn)行了調(diào)查分析,得出以下結(jié)果.

(1)環(huán)氧瀝青鋪裝可以抵抗漏油侵蝕和噴氣式飛機(jī)沖擊.

(2)薄層環(huán)氧瀝青罩面會(huì)出現(xiàn)開裂,但開裂后不易發(fā)展為松散、脫落.

圖5 環(huán)氧瀝青鋪裝在美軍機(jī)場(chǎng)應(yīng)用照片(1959~1963)

(3)氣候?qū)Νh(huán)氧瀝青鋪裝有影響,溫度越低就越易開裂.

1967年美國(guó)San Mateo-Hayward大橋首次將環(huán)氧瀝青混凝土用于正交異性鋼橋面的鋪裝層,經(jīng)過近35年使用后,2002年開始出現(xiàn)開裂和推移,使用40年后的2008年鋪裝表面狀況見圖6.2015年San Mateo-Hayward大橋日均交通量達(dá)10.3萬輛,2015年5月進(jìn)行了鋪裝翻修,該橋環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝使用壽命達(dá)48年.1967年后,環(huán)氧瀝青混凝土成為美國(guó)大跨徑鋼橋面鋪裝的一種主要鋪裝材料.

圖6 San Mateo-Hayward大橋環(huán)氧瀝青鋪裝照片(2008年)

日本在20世紀(jì)70年代對(duì)環(huán)氧瀝青混合料的配制、模量、應(yīng)力松弛性能、破壞性能進(jìn)行了研究.20世紀(jì)90年代,環(huán)氧瀝青在日本的橋面鋪裝、隧道鋪裝等方面應(yīng)用逐漸發(fā)展.

4 環(huán)氧瀝青混合料在中國(guó)鋼橋面鋪裝工程的應(yīng)用

2000年溫拌型環(huán)氧瀝青鋪裝在南京二橋鋪裝工程中首次應(yīng)用[17],之后該溫拌型環(huán)氧瀝青鋪裝在江蘇潤(rùn)揚(yáng)大橋、南京長(zhǎng)江第三大橋、杭州灣跨海大橋、蘇通長(zhǎng)江大橋、武漢陽邏長(zhǎng)江大橋、天興洲公鐵兩用大橋、廣東珠江黃埔大橋等40余座大跨徑鋼橋中被應(yīng)用.

熱拌型環(huán)氧瀝青自2004年開始應(yīng)用于江陰大橋鋼橋面鋪裝大修工程,其后在廣東珠江黃埔大橋、虎門大橋、廣州東沙大橋、廣東江順大橋、廣東馬房大橋、大連星海灣跨海大橋、湛江海灣大橋等40余座大跨徑鋼橋應(yīng)用.

冷拌型環(huán)氧瀝青鋪裝自2004年西陵長(zhǎng)江大橋開始應(yīng)用,其后在杭州市江東大橋(九橋)、寧波慶豐橋、廣州獵德大橋、寧波青林灣大橋、宜昌長(zhǎng)江公路大橋、浙江嘉紹大橋等大跨徑鋼橋應(yīng)用.

中國(guó)多數(shù)大跨徑鋼橋處于高溫、多雨、重載交通環(huán)境條件下,普通瀝青鋪裝難以滿足較苛刻的使用條件,目前全球的環(huán)氧瀝青鋪裝施工主要應(yīng)用在中國(guó),此外在美國(guó)、加拿大、韓國(guó)等有一定應(yīng)用.基于較溫和的溫度和輕型交通條件,歐洲、日本多采用"澆注式+改性瀝青混合料"的鋪裝方案,較少采用環(huán)氧瀝青鋪裝.

5 環(huán)氧瀝青鋪裝病害的特點(diǎn)

環(huán)氧瀝青鋼橋面鋪裝病害原因主要包括:鋪裝材料性能達(dá)不到技術(shù)要求;鋪裝使用條件過于苛刻,如超載嚴(yán)重;施工質(zhì)量控制出現(xiàn)問題.鋼橋面環(huán)氧瀝青鋪裝典型病害可分為3種:鼓包開裂、疲勞開裂、脫層推移.

5.1 鼓包開裂

環(huán)氧瀝青鋪裝空隙率一般低于3%,基本不透氣,施工過程中環(huán)氧瀝青混凝土內(nèi)滯留的水分無法排出,路面有時(shí)會(huì)在碾壓施工后就出現(xiàn)鼓包,見圖7.如果環(huán)氧瀝青混凝土內(nèi)滯留的水分沒有在施工期間反映出來,那么在運(yùn)營(yíng)階段當(dāng)天氣炎熱時(shí)路面會(huì)逐漸出現(xiàn)鼓包開裂,見圖8.

圖7 環(huán)氧瀝青鋪裝施工壓實(shí)過程鼓包

圖8 環(huán)氧瀝青鋪裝通車后鼓包

5.2 疲勞開裂

環(huán)氧瀝青鋼橋面鋪裝在輪跡帶位置易出現(xiàn)縱向疲勞開裂病害,縱向開裂基本位于加勁肋上緣位置,縱向開裂病害也可能進(jìn)一步發(fā)展為網(wǎng)裂乃至坑槽,見圖9.出現(xiàn)縱向開裂病害的橋梁一般重載、超載情況較嚴(yán)重,縱向開裂病害主要是鋪裝材料結(jié)構(gòu)性強(qiáng)度破壞或疲勞破壞.

5.3 脫層推移

環(huán)氧瀝青鋼橋面鋪裝在輪跡帶位置會(huì)出現(xiàn)推移開裂病害,推移開裂是環(huán)氧瀝青鋼橋面鋪裝較嚴(yán)重的典型病害,一般病害面積大、維修難度大,見圖10.脫層病害主要是由黏結(jié)層強(qiáng)度不足或黏結(jié)層失效造成,與材料性能或施工質(zhì)量控制有關(guān).

6 結(jié)語

圖9 環(huán)氧瀝青鋪裝縱向開裂

圖10 環(huán)氧瀝青鋪裝推移開裂

環(huán)氧瀝青應(yīng)用于鋪裝工程已有近60年時(shí)間,基于環(huán)氧瀝青混合料熱固性、高強(qiáng)度、高韌性等特點(diǎn),在機(jī)場(chǎng)跑道、鋼橋面鋪裝、隧道鋪裝等特殊路面工程中得到應(yīng)用.環(huán)氧瀝青材料及其應(yīng)用技術(shù)近年發(fā)展較快,中國(guó)也有多種自主研發(fā)的環(huán)氧瀝青材料得到應(yīng)用,環(huán)氧瀝青材料在工程應(yīng)用中仍然有些問題需要解決,材料性能也有進(jìn)一步提升的需求,具體分析如下.

(1)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法.一般環(huán)氧瀝青材料是具有顯著特性的產(chǎn)品,環(huán)氧瀝青混合料及鋪裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)基本參考普通瀝青混合料,目前還缺乏針對(duì)環(huán)氧瀝青混合料的試驗(yàn)方法和技術(shù)規(guī)范.實(shí)際上環(huán)氧瀝青混合料屬性和性能與普通瀝青混合料有顯著差異,因此針對(duì)環(huán)氧瀝青混合料及鋪裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)與評(píng)價(jià)方法和標(biāo)準(zhǔn)有待進(jìn)一步發(fā)展完善.

(2)抗疲勞性能.對(duì)于中國(guó)重載交通條件及早期較薄橋面鋼板的使用條件,以及滿足更高的的耐久性要求,環(huán)氧瀝青混合料的抗疲勞性能也有進(jìn)一步提高的必要性和應(yīng)用需求.

(3)黏結(jié)層結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度.鋼橋面鋪裝的黏結(jié)層是影響鋪裝結(jié)構(gòu)整體性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié),目前的環(huán)氧瀝青鋪裝黏結(jié)層仍然存在強(qiáng)度不足、施工控制難度大、與鋪裝層相容性差的問題,作為一體化鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),黏結(jié)層材料仍可從黏結(jié)強(qiáng)度、韌性、相容性、施工控制等方面進(jìn)一步改進(jìn)提高.

(4)施工工藝與質(zhì)量控制.調(diào)查情況表明,較多的環(huán)氧瀝青鋪裝病害與施工有關(guān),一方面可以對(duì)環(huán)氧瀝青材料的施工便利性、易控性進(jìn)行改進(jìn),另一方面也可以從施工設(shè)備、施工工藝及施工控制管理角度進(jìn)行提高,從而系統(tǒng)提高環(huán)氧瀝青鋪裝施工質(zhì)量.