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钢桥面环氧沥青铺装病害类型、特征及减少措施

2019年09月10日

多场耦合作用下钢桥面环氧沥青铺装病理分析摘要为了研究大跨径钢桥面环氧沥青钢桥面铺装出现各种病害的机理基于应力荷载温度荷载水力荷载和时间荷载及其耦合作用采用有限元理论和机械粘附理论对裂缝鼓包坑槽脱层等病害进行分析并采用人工调查和数理统计的方法对环氧沥青桥面铺装病害分布特性进行研究最终阐述了铺装层病害发展的过程最后从设计施工使用等方面提出减少钢桥面环氧沥青桥面铺装病害的方法我国钢桥面铺装使用的环氧沥青大多数都是由AB两组组成混合后发生化学反应形成不可逆的三维立体互穿网络结构的具有高强度高粘结力高柔韧性的热固性复合材料自南京二桥于2001年首次引进美国环氧沥青铺装技术以来环氧沥青桥面铺装被广泛的应用和推广由于桥面铺装直接铺设在正交异性钢板上在应力温度水力时间荷载等因素影响下钢桥面受力和变形远比其他道面复杂的多加之不合理的设计施工和使用钢桥面环氧沥青铺装层就出现早期病害并且在使用期间也会产生了一系列比较严重的病害如裂缝鼓包坑槽脱层等我国引进环氧沥青铺装技术较晚技术不够成熟前人对病害进行分析和研究仅仅停留在某个因素上不够深刻本文基于应力荷载温度荷载水力荷载和时间荷载及其耦合作用对其病理进行分析并从设计施工使用等方面提出减少钢桥面环氧沥青桥面铺装病害的方法环氧沥青铺装病害调查及病害类型病害调查针对国内外一些环氧沥青钢桥面铺装出现的病害进行了调查和统计其调查结果见表1所示病害类型由表1知环氧沥青钢桥面铺装病害主要有裂缝鼓包坑槽脱层等见图11裂缝裂缝是环氧沥青桥面铺装早期破坏的一种常见病害根据成因和方向可分为微裂缝鱼尾状裂缝纵向裂缝和施工处裂缝其中鱼尾状裂纹表面的裂纹有如鱼的尾部出现在碾压完成以后碾压速度越快表面裂纹的宽度越大裂纹的深度也越深严重时鱼尾状裂纹表面互相贯通2鼓包鼓包又分为隆起裂缝扩展塌陷4个阶段①隆起表面出现圆形小范围的微小隆起现象②裂缝扩展初期隆起的顶端三角锉状裂纹在应力荷载循环作用下继续扩展③塌陷水力应力荷载作用下表面下陷水分进而渗到铺装层内部在动水压力作用下不断冲击钢板或粘结层导致钢板锈蚀3坑槽混合料粘结力不足路面材料松散剥落后形成各种凹坑4皮料在混合料摊铺碾压完毕后某些细料在表层的积聚结块成皮料在阳光下会出现较为明显的反光现象5脱皮钢桥面铺装脱层破坏表现为铺装层与钢板之间脱离粘结力的丧失环氧沥青铺装病害分布特征研究为了分析环氧沥青铺装病害的纵向分布特征本文按照车道35m计以轮迹规律将车道横向分为3个区间即从左侧标线中心起算分别为0~15m15~20m20~35m图2直观反映了国内某跨江大桥环氧沥青铺装病害的横向分布图图3为统计的此跨桥2010~2013年环氧沥青铺装病害的纵向分布可见铺装病害主要发生在行车道和重车道且轮迹带位置病害相对更严重轮迹带中间有时设置了纵向施工缝也会导致其大面积破损随着时间的推移铺装损害速度逐渐增加多场耦合作用下钢桥面环氧沥青铺装病理分析应力荷载作用下钢桥面环氧沥青铺装病理分析环氧沥青桥面铺装层的开裂与正交异性钢桥面的受力特征密切相关通过建立桥面体系三维有限元模型进行力学计算反映在行车荷载作用下正交异性铺装层荷载影响具有很强的局部效应铺装层表面最大横向拉应力最大竖向位移均出现在荷载作用区域附铺装层最大横向拉应力出现在加劲肋顶部的铺装层表面最大纵向拉应力出现在横隔板顶部的铺装层表面因此加劲肋顶部的铺装层表面易出现纵桥向裂缝横隔板顶部的铺装层表面易出现横桥向裂缝按铺装层的受力情况可将引起铺装层开裂的原因归纳为一下几类1局部应力集中与疲劳在车载应力作用下桥面板局部刚度突变造成应力集中超过其承受能力就会出现微裂缝车载反复作用承受应力的面积继续减少有效应力继续增大形成疲劳裂缝继续扩展形成网裂最终导致路面的破坏如钢桥面板的纵横腹板和纵向加劲肋上方出现的有规律的裂缝2挠曲破坏因车载作用桥面铺装层表面出现负弯矩铺装层上缘的拉应力应变超出材料的抗拉极限便产生开裂3局部冲压破坏由于重载和重交通的作用车轮对桥面铺装层局部冲击导致在桥面铺装层薄弱区域如纵缝附近或粘结层薄弱处出现局部碎裂或网状裂缝温度荷载作用下钢桥面环氧沥青铺装病理分析温度不仅对沥青树脂以及混合料作用很大还有压实度关系密切1高温对铺装层的破坏作用施工加热100~180℃不仅加速沥青分子的运动引起沥青中轻质油的挥发从而加速沥青的老化粘结力和粘附力的降低而且会使自由树脂挥发影响环氧树脂与固化剂的化学反应造成热固性减弱另一方面空气中的氧气参与氧化作用在加热条件下能促进沥青成分对其吸收并产生脱氧作用沥青的粘滞性降低导致矿料之间的粘结力削弱甚至造成松散病害强度也降低同时如果混合料温度过高在摊铺过程中容易形成离析现象压实不均匀最终出现开裂坑槽等一系列病害在碾压过程中压路机主要是钢轮压路机行走速度过快或急速刹车等从而将铺装层表层混合料拉裂形成鱼尾状裂缝2低温对铺装层的破坏作用温度骤降时沥青粘滞度增大刚度增加到变形能力减小而环氧沥青混合料的应力松弛赶不上温度应力的增长同时劲度的急剧增加超过混合料的极限强度或极限拉应变会使其产生开裂一方面温度反复升降导致温度应力疲劳使混合料的极限拉伸应变变小又加上沥青老化使沥青刚度增加应力松弛能力降低故可能比一次性降温开裂温度更高的温度下开裂同时裂缝随着透水路龄的增加而不断增加另一反面环氧沥青桥面铺装对容留时间要求严格倘若摊铺时温度太低混合料就会结块粘结力下降形成皮料导致混合料得不到最佳状态的压实导致铺装层空隙率过大加上长时间的渗透作用路面很快出现早期病害水力荷载作用下钢桥面环氧沥青铺装病理分析根据机械粘附理论理论上集料沥青和水之间的热力学计算粘附值为1集料沥青机械粘附力约5kcalmol范德华力约5kcalmol2集料水氢键力约10kcalmol范德华力约5kcalmol集料沥青之间的粘附热力值比较小极易被热力值较高的集料水的粘附力代替水一旦浸入集料沥青界面必然代替沥青而使其产生剥落雨天的路表被一层水膜覆盖当车辆在水膜覆盖的路面上高速行驶时轮胎与路面之间的水不断被高速运转的轮胎所挤压产生动水压力沥青从集料表面脱落局部沥青混合料松散从而失去强度集料被车轮带出路面形成坑槽水分向下渗入进入空隙孔隙水一方面逐渐侵蚀沥青膜另一方面在汽车荷载作用下受到挤压产生空隙水压力破坏沥青膜如果空隙过大以至于与路表水向通孔隙水压力与路面动水压力产生叠加作用形成高压水对沥青混合料破坏严重空隙中的水在温度升高时产生膨胀力能加速粘结破坏当温度降低时也有冻胀力而导致路面产生裂缝而当路面出现松散现象后弥散的水分子穿过沥青薄膜渗透到混合料周围由于水分子具有良好的连续性水薄膜就会长时间地包裹在混合料的周围从而降低混合料粘结性和刚度研究也表明水损是一个自下而上的过程及水损害有沥青面层底部逐渐向上扩展最终导致整个沥青面层的破坏水力应力荷载作用下钢桥面环氧沥青铺装病理分析水荷载车辆的综合作用下环氧沥青混凝土表面的氧化灰粉层将逐渐被磨损从而裸露出表层的集料表层形成灰粉化同时荷载的动态作用导致沥青路面内部的孔隙水压力具有波动性质正负孔隙水压力的循环作用是沥青膜破坏的主要诱因在高速行车的作用下路表面产生了强大的动水压力在动水压力的作用下路表面产生的强大的动水压力在动水压力作用下路表水进入路面产生强大的空隙水压力沥青集料的粘附作用难以抵抗重复的空隙水压将在集料的尖角处等一些粘附作用薄弱的部位首先发生剥落剥落一旦发生在压力作用下引起一系列了连锁反应发生大量的剥落水力温度荷载作用下钢桥面环氧沥青铺装病理分析铺装层内或层间在施工中进入少量的水分在高温情况下铺装层环氧沥青混凝土局部鼓起产生轻微鼓包开裂偌进入较多的水分在高温情况下铺装层内部鼓起铺装层内部铺装层间或铺装层与钢板间脱空可造成铺装混凝土破裂在车辆轮胎冲击碾压下铺装层产生鼓包开裂温度时间荷载作用下钢桥面环氧沥青铺装病理分析环氧沥青的粘度是随温度与时间的变化而变化根据不同温度环氧沥青结合料的粘-时曲线结合实际的工程情况运距天气条件等确定最佳的出料温度和压实温度保证结合料的粘度结合料的粘度过低易导致混合料的生产运输卸料过程中出现离析而碾压过程中则易出现混合料错位与推移甚至裂纹必将导致铺装层渗水现象从而影响铺装使用寿命抗疲劳性能大大降低若温度过高粘度过大环氧树脂的反应速度过快早期强度较低影响铺装层强度增长速率而且会导致拌合及摊铺碾压困难过度碾压则会导致开裂多场耦合作用下钢桥面环氧沥青铺装病理分析应力温度水力时间荷载是环氧沥青桥面铺装发生病害的关键因素不仅仅是某一方面的原因而是其耦合作用造成的铺装层的各种病害病害发展过程如下1铺装层首先在应力荷载作用下出现微裂缝2微裂缝在水力应力荷载耦合作用下逐渐变宽深度逐渐开展至钢板界面3雨水通过裂缝渗入混合料沥青粘结力减弱出现松散剥落等病害水分下渗到铺装层底部并不断腐蚀防水黏结层和下层铺装的混合料导致铺装下层局部脱空4正交异性钢桥铺装层在应力温度荷载作用下逐渐被压碎形成坑槽5若坑槽未及时处理雨水积压于坑槽底部将周围混合料泡软石料剥落在各个因素耦合作用下整个车道脱空对我国钢桥面环氧沥青铺装的建议1根据正交异性钢桥桥面的受力特性合理定出铺装层性能要求2严格控制铺装层混合料级配要求和最佳油石比3严格控制混合料的容留时间和拌和摊铺压实温度4做好日常养护工作及时处理轻微病害保证铺装层的耐久性结论1环氧沥青钢桥面铺装病害主要有裂缝鼓包坑槽脱层等2铺装病害主要发生在行车道和重车道且轮迹带位置病害相对更严重轮迹带中间有时设置了纵向施工缝也会导致其大面积破损随着时间的推移铺装损害速度逐渐增加3局部应力集中与疲劳挠曲破坏局部冲压破坏导致了早期桥面开裂4在应力温度水力时间荷载以及其耦合作用导致了裂缝的出现发展集料剥落与松散坑槽的出现以及面板的脱空5控制设计施工使用各个环节减少病害保证铺装层的耐久性参考文献[1]朱文白张辉潘友强.大跨径钢桥面环氧沥青铺装典型病害研究.公路交通科技201310523-25.[2]李浩天关永胜贾渝韩超.环氧沥青钢桥面铺装长期性能演变研究.中外公路2010306230-233.[3]宗海.环氧沥青混凝土钢桥面铺装病害修复技术研究.南京东南大学2005.[4]李智钱振东.典型钢桥面铺装结构的病害分类分析.交通运输工程与信息学报200642110-115.[5]王润寿于文科等.环氧沥青混凝土钢桥铺装病害的原因分析与处治.石油沥青2011250113-16.[6]薛强.沥青路面破坏的多场耦合效应及控制技术.北京科学出版社2009.[7]董忠红吕彭民.移动荷载下倒装结构沥青路面动力响应.2008285111-115.[8]孙立军.沥青路面结构行为理论.北京人民交通出版社.2005.[9]董泽蛟谭忆秋等.水-荷载耦合作用下沥青路面孔隙水压力研究.哈尔滨工业大学学报200739101614-1617. 作者简介孙光辉男硕士研究生工程师从事道路工程勘察设计