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A、B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1。

(1)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3.5m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0～1.5m，1.5～2.0m，2.0～3.5m，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5kcal/mol;

范德华力—约5kcal/mol

(2)集料/水

氢键力—约10kcal/mol;

范德华力—约5kcal/mol

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。

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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。